CN102116773A - 一种乙烯工业能效指标提取分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于乙烯工业能效指标提取分析方法，属于石油化工过程企业用能效率指标提取及其评价领域。该方法是在一个统计评价周期内对已建立的乙烯工业能效指标体系，基于数据融合方法提取乙烯工业各能耗量化指标及虚拟标杆，同时提供了一个实现本发明的软件平台系统。该方法能客观评价乙烯装置能效状况，不同装置之间、乙烯行业能效指标对比分析，乙烯装置能效虚拟对标。本发明综合考虑了不同装置之间的原料、工艺技术和装置规模的差异，克服了传统能耗统计方法标准不统一，影响结果可比性的缺点，提取的能耗指标体系完整、合理、客观，有助于找到乙烯装置节能降耗的方向与量化目标，也可用于其他流程装置能耗指标提取及分析评价。

Description

一种乙烯工业能效指标提取分析方法

技术领域

本发明涉及石油化工过程企业用能及能源效率指标提取分析方法，特别是一种用于乙烯工业能效指标提取分析方法。

背景技术

随着中国自主创新时代启动，能源对中国经济发展的严重制约，已成为政府与工业界必须倾全力解决的问题。节能20％已被写进了国家“十一五”规划，已上升为国家战略的节能目标，并将其作为约束性指标。这既说明节能已迫在眉睫，也说明我国能源效率低下，更说明能源的严峻度已箭在弦上。

石油化工企业是国民经济中的一个重要支柱产业，同时也是我国的耗能大户，在经济结构中占有相当的比重，目前我国石化行业的综合能耗，与国际先进水平相比仍然偏高。乙烯工业是我国石化行业的龙头，乙烯技术和产量是衡量一个国家石油化工水平的重要标志，近几年来乙烯技术没有出现大的改变，均向降低乙烯生产成本、乙烯装置大型化、原料多样化和减少投资、节能降耗方面发展。

目前石油化工行业的能耗指标体系还没有建立，如何对石油化工装置的能耗进行合理的评价与分析，还没有成熟的方法和衡量指标。现在石化企业能耗分析大多是采用三种方法：①单位能耗分析法：通过企业报告期能耗情况与基期比较或与同行业其它企业比较，也可与本企业历史水平等加以比较进行分析，但主要的分析是通过对计划单耗执行情况或完成情况所进行的分析，基本方法是将实际单耗与计划单耗或历史单耗对比。②生产结构分析法：通过企业报告期生产结构与基期比较或与同行业其它企业比较，也可与本企业历史水平等加以比较进行分析，结合单位能耗计算出由于生产结构变化而造成能源消费总量的变化，便于正确分析企业能耗情况。③企业能量平衡分析法：以企业为对象包括各种能量的收入与支出的平衡，消耗与有效利用及损失之间的数量平衡，根据企业能量平衡的结果，对企业用能情况进行全面、系统地分析，以便明确企业能量利用程度，能量损失的大小、分布与损失发生的原因。

国内乙烯工业是按照装置或企业的综合能耗作为指标来计算的，综合能耗分为四种，即综合能耗、单位产值综合能耗、产品单位产量综合能耗、产品单位产量可比综合能耗。但是存在以下缺点，单耗只能反映一家企业某一种能源消耗水平的高低，这往往受到企业能源消费结构的影响；综合能耗可以反映出企业能源利用的总水平，提高了行业内部能源消费结构不同企业之间的可比性，显然，只有把所有购入的二次能源都折算到等价热值，才是相对合理的，否则，用当量热量，会掩盖一些企业能源利用不善的问题，评价也会失去意义。

目前乙烯能耗指标评价标准一般是以装置的综合能耗为评价指标，而综合能耗是由多种因素造成的，比如说工艺技术、生产规模、地理环境、生产原料等因素，其中原料的影响最大，而综合能耗评价方法是不考虑原料的影响的，对于企业产品的能耗指标，由于各地区、各行业的情况不同，制订统一的能耗指标标准是对有些企业的能耗进行评价是不客观、不公平的，影响结果可比性，同时也是不科学的。

针对目前国内乙烯工业能耗指标体系及评价分析的缺点，具体提出乙烯工业能耗指标体系的建立及评价方法，以及实现平台，根据实际情况制定不同工艺技术、不同规模的乙烯工业能耗标准及评价方法，为建立石化行业科学的节能降耗标杆提供示范与借鉴。

发明内容

本发明针对现有乙烯工业能效指标提取方法存在的缺陷或不足，提供一种用于乙烯工业能效指标提取方法，能够客观评价不同乙烯装置的能效状况以及不同装置乃至整个行业能效指标的虚拟标杆及对比分析。

本发明的技术方案如下：

一种用于乙烯工业能效指标提取方法，其特征在于，在一个统计评价周期内针对已建立的乙烯工业能效指标体系，基于数据融合方法提取乙烯工业各能耗指标及虚拟标杆。

所述统计评价周期是指乙烯工业或乙烯装置以某段时期的能耗，通常以月或年为单位。

所述能效指标体系包括监测指标、分析指标和能效指标。

其中监测指标包括石脑油、轻柴油、加氢尾油、轻烃、抽余油和其它原料；燃料气、轻质油、重质油等燃料；超高压蒸汽、高压蒸汽、中压蒸汽、低压蒸汽；循环水、工业水、锅炉积水和其它水、电。

其中分析指标是在监测指标基础之上，经过计算分析，得到更代表乙烯能耗特征的指标，包括每吨乙烯综合能耗(SEC)由燃动能耗、蒸汽能耗、水能耗、电耗相加得到；燃动能耗则有燃料气、轻质油和重质油利用标准的转换系数转换成兆焦(GJ)后相加得到；蒸汽消耗是有各种压力(超高压、高压、中压、低压)的蒸汽转换成兆焦(GJ)后相加得到；水也是循环水、工业水、锅炉给水和其它水转换后相加得到；电耗是把用电量转换成能耗。

其中能效指标是指参照能源强度因子除以待评价的能源强度因子，是一个无量纲的数。主要用途是能够监测给定工艺装置整个生命周期中的能效进展，并可用于准确地反映工艺生产装置所采取的能效改进措施与项目对能效的影响。图1(A)-(D)是乙烯能效指标体系结构图。

所述数据融合方法是指综合利用多种信息集成处理方法、基于多变量时序数据最小方差优化融合方法，提取乙烯工业各能耗指标。

多种信息集成处理方法是指综合利用缺失值处理算法、异常数据检测及处理算法、数据聚类算法、数据规范化算法，处理能耗统计数据，保证数据的准确性、一致性与可靠性。

多变量时序数据最小方差优化融合方法是指基于聚类中心的均方差计算公式，计算出各变量关于每个聚类中心的均方差，将每个聚类中心看作一个“传感器”，选用一个综合加权向量对各聚类中心加权融合，得到线性最小方差优化融合的结果。具体计算流程如下：

步骤1：选取m个变量时序数据集合X，如式(1)所示，其中t为时序长度。

对时序数据在聚类之前进行归一化处理，分别采用式(2)和(3)进行转换。

$x_{\mathrm{ij}}^{\′}=\frac{x_{\mathrm{ij}}-x_j^{\min }}{x_j^{\max }-x_j^{\min }}---\left(2\right)$

有些变量对该主题起反作用，则采用

$x_{\mathrm{ij}}^{\′}=1-\frac{x_{\mathrm{ij}}-x_j^{\min }}{x_j^{\max }-x_j^{\min }}=\frac{x_j^{\max }-x_{\mathrm{ij}}}{x_j^{\max }-x_j^{\min }}---\left(3\right)$

式(2)与(3)中

i＝1，2，…，t；j＝1，2，…，m。

步骤2：基于k-means聚类方法的方差分析。

对归一化后的时序多变量数据X′采用的k-means算法聚类得到n类的聚类中心结果如式(4)所示。

参照均方差的计算公式，利用式(4)的n类聚类中心以及各类中包含的全部时序数据，可得到如式(5)所示的基于聚类中心的均方差计算公式，以计算出各变量关于每个聚类中心的均方差。

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}=\sqrt{\frac{1}{N_i}\underset{l=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{\mathrm{lj}}^{\′}-\stackrel{\‾}{x_{\mathrm{lj}}^{\′}})}^2}=\sqrt{\frac{1}{N_i}\underset{l=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{\mathrm{lj}}^{\′}-k_{\mathrm{ij}})}^2}---\left(5\right)$

其中i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m，N_i为第i个聚类中心中包含的时序数据长度。

步骤3：线性最小方差优化融合

将每个聚类中心看作一个“传感器”，选用一个综合加权向量W^T＝[w₁ w₂…w_n]对各聚类中心加权融合，则矩阵K的线性最小方差融合问题可以表示为：

Y＝W^TK，其中融合结果多变量向量Y＝[y₁ y₂…y_m]             (6)

求矩阵的二次型最优问题：MinW_opt＝arg min[P]

P＝E{W^T[K-E(K)]}²＝E{W^T[K-E(K)][K-E(K)]^TW}               (7)

凸线性约束方程：W^TA＝1，A为所有元素为1的n×1的列向量。

由式(7)可以得到P＝W^TR_kkW                                 (8)

其中：

$R_{\mathrm{kk}}=E\left\{\right[K-E\left(K\right)\left]\right[K-E\left(K\right){]}^T\}$

σ_ij为第i类第j个参数的均方差，由式(5)计算得到。

采用Lagarange乘子法求极小值，式(10)中λ为Lagarange乘子

L(W，λ)＝P+λW^TA＝W^TR_kkW+λW^TA                          (10)

得到各聚类中心值的线性最小方差优化融合的权重为：

$W_{\mathrm{opt}}=\frac{{R_{\mathrm{kk}}}^{-1}A}{A^T{\left({R_{\mathrm{kk}}}^{-1}\right)}^{T}A}=\frac{{R_{\mathrm{kk}}}^{-1}A}{A^T{R_{\mathrm{kk}}}^{-1}A}---\left(11\right)$

将式(11)代入式(8)可以得到线性最小方差优化融合的最小方差：

$P_{\min }=P\left[W_{\mathrm{opt}}\right]=W^T{R}_{\mathrm{kk}}W=\frac{1}{A^T{R_{\mathrm{kk}}}^{-1}A}---\left(12\right)$

将式(11)代入式(6)可以得到线性最小方差优化融合的结果：

$Y=W_{\mathrm{opt}}^{T}K---\left(13\right)$

具体算法流程图如图2所示。

所述虚拟标杆是根据单个装置、或同规模、或同技术装置的历史数据融合得到能代表该类装置能耗水平的虚拟对标的标杆，计算该装置各监测参数的能效指标。

本发明的技术效果如下：

本发明针对现有乙烯工业能效指标提取方法存在的缺陷或不足，提供一种用于乙烯工业能效指标提取方法，该方法能够客观的评价不同乙烯装置的能效状况以及不同装置之间乃至整个行业能效指标的虚拟标杆及对比分析。

该方法建立乙烯工业的能效指标体系，包括监测指标、分析指标和能效指标，其中监测指标包括石脑油、轻柴油、加氢尾油、轻烃、抽余油和其它原料；燃料气、轻质油、重质油等燃料；超高压蒸汽、高压蒸汽、中压蒸汽、低压蒸汽；循环水、工业水、锅炉积水和其它水、电。

分析指标是在监测指标基础之上，经过计算分析，得到更代表乙烯能耗特征的指标，包括每吨乙烯综合能耗(SEC)由燃动能耗、蒸汽能耗、水能耗、电耗相加得到；燃动能耗则有燃料气、轻质油和重质油利用标准的转换系数转换成兆焦(GJ)后相加得到；蒸汽消耗是有各种压力(超高压、高压、中压、低压)的蒸汽转换成兆焦(GJ)后相加得到；水也是循环水、工业水、锅炉给水和其它水转换后相加得到；电耗是把用电量转换成能耗。

能效指标是指参照能源强度因子除以待评价的能源强度因子，是一个无量纲的数。主要用途是能够监测给定工艺装置整个生命周期中的能效进展，并可用于准确地反映工艺生产装置所采取的能效改进措施与项目对能效的影响。

不同指标的提取方法及计算值是在某个统计评价周期内基于数据融合方法提取，通常以月或年为单位。数据融合方法是指综合利用多种信息集成处理方法、基于多变量时序数据最小方差优化融合，提取乙烯工业各能耗指标。多种信息集成处理方法是指综合利用缺失值处理算法、异常数据检测及处理算法、数据聚类算法、数据规范化算法，处理能耗统计数据，保证数据的准确性、一致性与可靠性。多变量时序数据最小方差优化融合方法是指基于聚类中心的均方差计算公式，计算出各变量关于每个聚类中心的均方差，将每个聚类中心看作一个“传感器”，选用一个综合加权向量对各聚类中心加权融合，得到线性最小方差优化融合的结果。

本发明方法通过软件平台系统实现，系统整体采用三层模式架构，基于浏览器/服务器(B/S)开发方式，系统功能主要包括数据处理、数据融合、模型融合、指标体系四大模块，如图3所示。系统形成完整的乙烯装置能效评价方式。系统采用统一的数据运行平台，操作方便，具有良好的可维护、可扩展性。

利用本发明方法提取的能耗指标体系完整、合理、客观，综合考虑了不同装置之间的原料、工艺技术和装置规模的差异，克服了传统的能耗统计方法标准不统一，影响结果可比性的缺点。本方法可得到单个装置、多个装置、不同规模、不同工艺技术、全行业的能耗指标及其评价值，也可得到基于参数、月份和年度的各类装置及全行业的乙烯能耗多参数指标，有助于找到节能降耗的方向与量化目标，可推广用于流程工业其他装置能耗指标的提取。

附图说明

图1(A)-(D)为乙烯行业能效指标体系结构图

图2为线性最小方差优化融合算法流程图

图3为能效指标提取分析流程及平台系统功能

图4为系统客户端运行总界面

图5为某石化公司乙烯装置燃料气消耗情况

图6为某石化公司乙烯装置用电消耗比较

图7为某石化公司乙烯装置综合能耗趋势图

图8为某石化公司乙烯装置综合能耗比例图

图9为某石化公司乙烯装置燃料气消耗情况

图10为某石化公司乙烯装置综合能耗的能效指标趋势

图11为燃料总计和同技术的类装置指标同比

图12为燃料总计和同规模类装置指标环比

图13为燃料总计和乙烯行业燃料指标定基比

图14燃料总计和乙烯行业燃料指标累计比

具体实施方式

本发明针对现有乙烯工业能效指标提取方法存在的缺陷或不足，提供一种用于乙烯工业能效指标提取方法，该方法能够客观的评价不同乙烯装置的能效状况以及不同装置之间乃至整个行业能效指标的虚拟标杆及对比分析，该发明方法利用软件平台系统实现。

本发明方法综合考虑了不同装置之间的原料、工艺技术和装置规模的差异，克服了传统的能耗统计方法标准不统一，影响结果可比性的缺点。本方法可得到单个装置、多个装置、不同规模、不同工艺技术、全行业的能耗指标及其评价，可得到基于参数、月份和年度的各类装置及全行业的乙烯能耗多参数指标及其评价。

以某石化公司乙烯装置为例，结合附图说明以解释本发明方法的实施方式，系统客户端运行界面如图5所示。首先进行数据预处理，将一定格式的所有乙烯装置的历史数据导入到数据库，然后使用预处理算法剔除异常点或散点。

查看某石化公司乙烯装置历史数据某个参数的数据分布(散点图)，以某石化公司乙烯装置燃料气的历史各月份数据的散点图为例(所有监测指标依次类推)，如图6所示，也可以进行不同年度数据对比查看，如图7所示为某石化公司乙烯装置2007年和2008年各个月份的用电的对比图。

同时系统还可以对所有数据进行各种分类查询，如查找某个乙烯装置的数据，采用某种技术或者某种规模的装置数据。根据所要评价的装置、或不同规模、或不同工艺技术，选择层次优化融合方法可得到各类和行业结果乙烯工业能耗水平以及企业虚拟标杆。由于某石化公司乙烯装置采用的是Lummus顺序分离技术，所以把计算得到所有采用Lummus顺序分离装置融合得到类结果，可画出年度趋势图或直方图，以综合能耗为例的趋势图，如图8所示。

同时还可以对综合能耗进行分析，看其燃料、蒸汽、水、电的比例各占多少。如图9所示。

指标体系主要分监测指标、能效指标、能效比较指标、融合比较指标。首先对某石华公司乙烯装置进行监测指标分析，如可画出某个参数的趋势图或直方图，以某石化公司乙烯装置的燃料气消耗为例可得到其趋势分析图以及趋势图中最大值、最小值和平均值，如图10所示。

能效指标主要是进行单装置、多装置(类)以及行业的月份和年度的能效指标计算。以计算单装置乙烯年度综合能耗(SEC)能效指标为例，综合能耗结果如图11所示。

能效比较指标和融合比较指标，两者比较过程基本一样，只是前者用的是能效指标进行比较分析，是一个没有单位的比值，而后者是融合得到的绝对值大小进行比较分析，以融合比较指标分析为例进行说明。比较可以有单个装置各能耗参数数据和行业或类能耗进行比较，其中类指的是和该装置同技术或同规模装置融合得到该类能耗指标。比较方式有同比、环比、定基比和累积比四种方式。

以某石化公司乙烯装置在2008年6月的燃料总计和同技术类装置指标同比为例，结果如图12所示。

以某石化公司乙烯装置在2008年6月的燃料总计和同规模类装置指标环比为例，结果如图13所示。

以某石化公司乙烯装置在2008年6月的燃料总计和乙烯工业燃料消耗指标定基比为例，其中行业结果中定基准为以年度为单位，如图14所示。

以某石化公司乙烯装置在2008年6月的燃料总计和乙烯工业燃料指标累积比为例，结果如图15所示。

本发明以某石化公司乙烯装置为例对本发明方法及实现平台应用情况进行了实施说明，国内其它乙烯装置可做同样分析。当要分析的乙烯装置新的一个月份数据时，利用历史数据融合得到的指标体系，对新数据的能耗状况进行分析，首先把新数据导入到数据库，分析过程和上述某石化公司乙烯装置2008年6月份的数据分析相同，只是把2008年6份换成最新月份数据即可。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种用于乙烯工业能效指标提取分析方法，其特征在于，在一个统计评价周期内针对已建立的乙烯工业能效指标体系，基于数据融合方法提取乙烯工业各能耗量化指标及虚拟标杆。

2.根据权利要求1所述的乙烯工业能效指标提取分析方法，其特征在于，所述乙烯工业能效指标体系包括监测指标、分析指标和能效指标。

3.根据权利要求1所述的乙烯工业能效指标提取分析方法，其特征在于，所述数据融合方法是指综合利用多种信息集成处理方法，基于多变量时序数据最小方差优化融合方法，提取乙烯工业各能耗量化指标。

4.根据权利要求1所述的乙烯工业能效指标提取分析方法，其特征在于，所述虚拟标杆是根据单个装置、或同规模、或同技术装置的历史数据融合代表该类装置能耗水平的虚拟标杆。

5.根据权利要求2所述的乙烯工业能效指标提取分析方法，其特征在于，所述监测指标包括石脑油、轻柴油、加氢尾油、轻烃、抽余油和其它原料；燃料气、轻质油、重质油等燃料；超高压蒸汽、高压蒸汽、中压蒸汽、低压蒸汽；循环水、工业水、锅炉积水和其它水、电。

6.根据权利要求2所述的乙烯工业能效指标提取分析方法，其特征在于，所述分析指标是在监测指标基础之上，经过计算分析，得到更能代表乙烯能耗特征的指标，包括综合能耗(SEC)由燃动能耗、蒸汽能耗、水能耗、电耗相加得到；燃动能耗则有燃料气、轻质油和重质油利用标准的转换系数转换成兆焦(GJ)后相加得到；蒸汽消耗是有超高压、高压、中压、低压蒸汽转换成兆焦(GJ)后相加得到；水是循环水、工业水、锅炉给水和其它水转换后相加得到；电耗是把用电量转换成能耗。

7.根据权利要求2所述的乙烯工业能效指标提取分析方法，其特征在于，所述能效指标是指参照能源强度因子除以待评价能源强度因子，是一个无量纲的数，其主要用途是监测给定乙烯装置整个生命周期中的能效进展。

8.根据权利要求3所述的乙烯工业能效指标提取分析方法，其特征在于，所述综合利用多种信息集成处理方法是指综合利用缺失值处理算法、异常数据检测及处理算法、数据聚类算法、数据规范化算法，处理能耗统计数据，保证数据的准确性、一致性与可靠性。

9.根据权利要求3所述的乙烯工业能效指标提取分析方法，其特征在于，所述基于多变量时序数据最小方差优化融合方法，是指基于聚类中心的均方差计算公式，计算出各变量关于每个聚类中心的均方差，将每个聚类中心看作一个“传感器”，选用一个综合加权向量对各聚类中心加权融合，得到线性最小方差优化融合的结果。

10.根据权利要求7所述乙烯工业能效指标提取分析方法，其特征在于，所述参照能源强度因子是基于权利要求8、9所述方法分别得到的单个乙烯装置、或多个乙烯装置、或同规模、或同技术的能源强度因子。

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