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摘要:目的 化石燃料和新能源电力在使用和发展中面临着问题与挑战。为解决传统炼化企业依赖化石燃料制氢中的碳排放问题，和新能源电力发展中的波动性问题提供建议，有必要对氢气制备技术的应用与发展，和传统炼化企业的氢气网络状况进行梳理。方法 调研了氢气制备技术的应用与发展，尤其关注了关键技术电解水制氢技术的应用发展；分氢制备、氢使用、氢纯化三部分对传统炼化企业的氢气网络进行了深入剖析。结果 通过总结，提出通过电解水制氢技术将富余的新能源电力与传统炼化企业氢网络相结合的设想。在传统炼化企业附近布置新能源电给，不但可以供炼厂日常用电，还可将因波动性大而无法直接利用的弃电部分，直接通过电解水制氢技术，制氢供传统炼化企业使用，有效降低传统炼化企业的碳排放强度。结论 要解决化石燃料使用中的碳排放问题与新能源电力使用中波动性高的问题，实现新能源制氢在传统炼化企业的应用，还面临着诸多挑战。Abstract:Introduction Fossil fuels and new energy power are facing problems and challenges in utilization and development. In order to solve the problem of carbon emissions in hydrogen production from fossil fuels for traditional refining and chemical enterprises and provide suggestions on the volatility in the development of new energy power, it is necessary to review the application and development of hydrogen preparation technology and the hydrogen network status of traditional refining and chemical enterprises.Method The utilization and development of hydrogen power were summarized, and special attention was given to the development of fuel cell electrolysis for hydrogen production technology. The hydrogen network in refining and chemical enterprise was in-depth analyzed from hydrogen production, hydrogen utilization, and hydrogen purification points of view.Result Based on these, the research points out the idea of combining the waste renewable energy power with the hydrogen network in refining and chemical enterprises by the water-electrolytic hydrogen production technology. With the clean energy device settled near the traditional refinery and chemical enterprise, the daily electricity requirement is satisfied and the processes hydrogen need is met.Conclusion To reduce the CO2 emissions from fossil fuel usage and the volatility of renewable energy power usage and to realize the idea of applying water-electrolytic hydrogen production technology in traditional refinery and chemical enterprises, there are still many challenges to overcome.
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2011年，南方电网公司基建部提出了建设绿色电网的设想，于2013年印发了《3C绿色电网建设评价标准》，用于指导南方电网公司绿色电网的建设工作，并选取了部分工程进行绿色变电站和线路的试点。在绿色电网的试点建设过程中，取得了一定的经验和成绩，也发现了一些问题。
《3C绿色电网建设评价标准》采用逐项累计条文得分的方式进行评价，并根据得分进行等级划分。条文分值均等，每条1分。这种评价方法，不利于评价具体项目所采用的具体技术的深度，不能有效地拉开星级之间的距离。
2017—2018年，南方电网开展标准修订工作，通过指标梳理、指标量化工作，分析得到绿色电网变电、线路、配网的一级、二级、三级指标权重，为绿色电网的量化评价工作，打好坚实的基础，以使标准更利于绿色电网的推广。
1 指标量化方法
评价标准量化方法的发展有三个阶段[1]，第一阶段，未进行指标量化，采用“清单式”评价体系；第二阶段，对指标进行量化，但未建立独立的权重体系，权重隐含在分值分布中；第三阶段，对指标进行量化，且建立了独立的权重体系和条文赋分；如图1所示。
《3C绿色电网建设评价标准》即采用第一阶段“清单式”评价体系。从南方电网公司2016年开展的绿色电网建设后评价调研工作可知，“清单式”评价方法，不能按照类别措施难易程度区别对待，对项目选用技术的引导性较弱。此次修订，采用第三阶段指标量化方法，建立独立的权重体系，并对条文进行赋分。
指标量化的核心在于指标权重的赋值。对权重赋值方法进行调研可知，权重取值方法主要有主观赋权法、客观赋权法两类[2]，如图2所示。
绿色电网的各项具体指标对“四节一环保”总目标的重要程度，缺乏大数据支持，需依赖工程经验进行评测，因此，应采用主观赋权法。参考绿色工业建筑指标体系[3]的权重确定方法，可采用群体专家层次分析法。
群体专家层次分析法，是结合了专家调查法[4]和层次分析法(AHP)[5]的评价方法，通过背靠背式的专家问卷调查进行，经过多层次的排序和筛选确定权重，是当前绿色建筑评价体系采用的主流权重制定方法[6,7]。
2 指标梳理及量化
2.1 指标梳理
层次分析法是由美国运筹学家、匹兹堡大学的Saaty教授于20世纪70年代初提出的决策方法。由于层次分析法(AHP)在理论上具有完备性，在结构上具有严谨性，在解决问题上具有简洁性，其在计划制定、方案排序、政策分析等各个领域都得到了广泛应用[8]。层次分析法也曾被应用于电网项目评价中[9]。
用层次分析法解决大型复杂的决策问题主要分三步，首先建立问题的层次结构模型；其次偏好分析，寻求分层权重；最后综合数据，寻求综合权重。
根据层次分析法的要求，将原标准“两阶指标体系”升级为“三阶层次结构指标体系”，并将原标准的控制项、一般项、优选项，调整为控制项、评分项，为下一步指标量化工作作准备。梳理的原则是可行性、优质化，和时效性。
2.1.1 指标分层
“一级指标”为绿色电网的总体优化目标：节地与土地利用、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料利用、站内外环境质量与环境保护、施工管理、运营管理。原标准仅包含“四节一环保”五个一级指标，修订后新增施工管理、运营管理两项一级指标。
以“一级指标”为目标，分析为实现“一级指标”所应达成的几个方面，得到“二级指标”。例如，为实现变电站节地的目标，应考虑站址规划、道路规划、场地布置、设备布置四个方面，因此，将这四个方面作为节地部分的“二级指标”。
以“一级指标”作为目标，以“二级指标”作为优化方向，分析为实现“二级指标”所应采取的具体技术措施，得到“三级指标”。例如，为实现“一级指标”节地的目标，在“二级指标”站址规划方面，应考虑选址合规、场地安全、占地面积、统筹规划、可再生地……等几个要素，因此，将选址合规、场地安全等要素作为节地部分的“三级指标”。
原标准为“两阶指标体系”，可分别对应修订后的“一级指标”和“三级指标”。需以“一级指标”为导向，确定“二级指标”，并在此基础上将“三级指标”归类。然后，参照2013年后发布的相关国家、省市、行业标准对“三级指标”进行查漏补缺。
2.1.2 指标整理
“三级指标”中控制项不参与评分，同一“一级指标”所属的“三级指标”合计总分为100分，再根据“一级指标”权重进行加权。“二级指标”、“三级指标”的权重均为得到“三级指标”分值而存在：三级指标分值＝二级指标权重×三级指标权重×100。
原标准控制项指标较多，建议仅保留项目必须达到的指标作为控制项，其余指标调整为评分项。将原标准的一般项、优选项调整为修订后标准的评分项。参照2013年至今国家、省市、行业发布的相关标准，对原标准同类指标的条文进行修订和新增。
2.2 指标量化
2.2.1 确定专家组
本文以绿色变电站节地部分二级指标量化为例，说明绿色电网指标量化工作。评分专家组由“四节一环保”及施工、运营各专业的专家组成。参考文献[7]，专家人数应大于4人，才可保证由群体专家得到的权重值数据结果可信。此次参与绿色变电站节地部分评分工作的专家共6名，专家构成为：高校1名，科研机构1名，设计单位2名和建设单位2名，如图3所示。
![图 3 节地部分(变电站)专家打分结果]()
图 3 节地部分(变电站)专家打分结果Figure 3. Expert scoring results of land conservation (substation)2.2.2 专家打分
专家填写判断矩阵表。矩阵表如表1所示，其中Aij由专家填写。Aij是判断矩阵纵坐标和横坐标对比的结果，成对比较基于Saaty教授给出的9级比例标尺[8]，将决策者的将偏好判断数量化。Aij的范围如下：
表 1 判断矩阵表Table 1.Judgement matrix table 节地 站址规划 道路规划 场地布置 设备布置 站址规划 1 A12 A13 A14 道路规划 1/A12 1 A23 A24 场地规划 1/A13 1/A23 1 A34 设备布置 1/A14 1/A24 1/A34 1 例如，为实现“节地”的目标，假如专家认为“站址规划”比“道路规划”更重要，则专家填写A12的取值为大于1小于9的整数，具体数值由专家自行判断。
为保证专家填写的判断矩阵表的一致性，对判断矩阵表进行一致性检验。判断矩阵的一致性指标为：
式中：λmax为判断矩阵的最大特征值。判断矩阵的特征向量和特征根采用方根法计算。当λ＝n时，C.I.＝0，矩阵为完全一致性矩阵。当C.I.≠0时，应继续判断以下指标：
式中：R.I.为随机一致性指标，具体数值参考文献[7,9]。当C.R.<0.1，则该矩阵是满意一致性矩阵，通过检验；如C.R.≥0.1，则应重新核实矩阵中的数值，直至通过一致性检验。通过一致性检验的判断矩阵，其特征向量进行归一化处理后就是各要素的权重值。
确保各个专家的打分结果均通过一致性检验后，汇总专家的评分结果，得到各个专家评分所得的权重值。绿色变电站节地的二级指标专家评分结果如图3所示。
2.2.3 确定指标权重
采用几何平均法合并各个专家的比较矩阵，得到群体比较矩阵，并进行一致性检验。群体比较矩阵通过一致性检验，得到绿色变电站节地二级指标权重。站址规划43.9%，场地布置22.1%，设备布置21.6%和道路规划12.4%。
3 结论
绿色电网指标量化工作有利于《3C绿色电网建设评价标准》的推广：
1)2013版《3C绿色电网建设评价标准》采用“清单式”评价体系，对项目选用技术的引导性较弱。此次修订，对指标进行量化，建立独立的权重体系，将有利于科技含量高、生态环保的优秀技术的推广。
2)群体专家层次分析法适用于绿色电网指标量化工作，该方法综合了群体专家法和层次分析法的优势，可以最大程度的利用专家的决策能力。
3)采用群体专家层次分析法时，应注意群体专家的专业背景，合理选配专家。一级指标的权重，关系到绿色电网的发展方向，其专家组应以电网的领导层为主；二级指标、三级指标的权重，关系到技术的先进性、可行性，其专家组应以各专业行业内高级科技人才为主。
4)采用群体专家层次分析法时，应注意专家打分环节的准确性、高效性，通过将判断矩阵表、一致性检验表、权重指标表结合在同一份评分表中，缩短了单次打分的时间，确保专家评分工作可在大范围内铺开。
本文介绍了《3C绿色电网建设评价标准》修订过程中，对指标的梳理、量化的工作，介绍了群体专家层次分析法在本次修订过程中的操作步骤，为以后相关标准的修订提供了很好的参考。
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图 1 传统炼化企业氢气网络
Figure 1. Hydrogen system of traditional refinery and chemical enterprise
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图 2 烃类蒸汽转化制氢技术路线
Figure 2. Technical route of hydrogen production from steam reforming
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图 4 新能源制氢在传统炼化企业的应用
Figure 4. Application of water-electrolytic hydrogen production technology in traditional refinery and chemical enterprise
表 2 化石燃料制氢工艺主要反应
Table 2 Main reactions of hydrogen production processes from fossil fuels
制氢工艺 主要反应 煤化气制氢 CO+H2O→H2+CO2 甲烷水蒸汽重整制氢 CH4+H2O→CO+3H2 甲烷部分氧化制氢 CH4+1/2O2→CO+2H2 甲醇裂解制氢 CH3OH→CO+2H2 甲醇水蒸汽重整制氢 CH3OH+H2O→CO2+3H2 氨裂解制氢 2NH3→N2+3H2 
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表 3 化工行业氢化产品
Table 3 Hydrogenated products in chemical industry
分类 加氢工艺 用途 硝基加氢制胺 苯胺 用于染料，医药，橡胶等工业 2,4-二氨基甲苯 有机化工原料 芳香族及不饱和脂环族加氢为饱和脂环族及杂环化合物 环己烷 用于化工原料及溶剂 环己胺 用于橡胶硫化促进剂，也用于合成纤维，染料，气相缓蚀剂的原料 四氢呋喃 用于溶剂，有机合成的原料 γ-丁内酯 是一种良好的溶剂，也是一种重要的化学中间体 环己醇 用于制备己二酸，己二胺，环己酮，环己胺，己内酰胺 丁二醇 用于溶剂和增湿剂，也用于制药和合成树脂，在电镀行业中作增亮剂 己二胺 用于尼龙66，聚氨酯泡沫塑料的原料和环氧树脂固化剂 己二酸 用于合成高聚物的原料，也用于制增塑剂及润滑剂 醛酮羧加氢制醇 山梨醇 用于维生素C的中间体 糠醇 用于合成各种呋喃型树脂的原料，防腐材料，亦是良好的溶剂 丁辛醇 用作有机合成的原料，并广泛用于各塑料和橡胶制品中 丙醇 有机化工原料
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[1] 王新平, 苏畅, 文虎, 等. 双碳战略下中国能源工业转型路径研究 [J]. 技术与创新管理, 2022, 43(2): 141-150. DOI: 10.14090/j.cnki.jscx.2022.0202. WANG X P, SU C, WEN H, et al. Research on China's energy industry transformation path under double carbon strategy [J]. Technology and Innovation Management, 2022, 43(2): 141-150. DOI: 10.14090/j.cnki.jscx.2022.0202.
[2] 赵卫东, 赵越. 工业领域实现“双碳”目标常见误区分析及对策建议 [J]. 工业技术创新, 2022, 9(1): 63-69. DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2022.01.010. ZHAO W D, ZHAO Y. Analysis of common misunderstandings in realizing the "Double Carbon" goal in industry and countermeasures [J]. Industrial Technology Innovation, 2022, 9(1): 63-69. DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2022.01.010.
[3] 庞凌云, 翁慧, 常靖, 等. 中国石化化工行业二氧化碳排放达峰路径研究 [J]. 环境科学研究, 2022, 35(2): 356-367. DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.11.26. PANG L Y, WENG H, CHANG J, et al. Pathway of carbon emission peak for China's petrochemical and chemical industries [J]. Research of Environmental Sciences, 2022, 35(2): 356-367. DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2021.11.26.
[4] ZHAO H, WU Q, HU S, et al. Review of energy storage system for wind power integration support [J]. Applied Energy, 2015(137): 545-553. DOI: 10.1016/j.apenergy.2014.04.103.
[5] DÍAZ-GONZÁLEZ F, SUMPER A, GOMIS-BELLMUNT O, et al. A review of energy storage technologies for wind power applications [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(4): 2154-2171. DOI: 10.1016/j.rser.2012.01.02.
[6] SUNDARARAGAVAN S, BAKER E. Evaluating energy storage technologies for wind power integration [J]. Solar Energy, 2012, 86(9): 2707−2717. DOI: 10.1016/j.solener.2012.06.013.
[7] FOLEY A M, LEAHY P G, MARVUGLIA A, et al. Current methods and advances in forecasting of wind power generation [J]. Renewable Energy, 2012, 37(1): 1-8. DOI: 10.1016/j.renene.2011.05.033.
[8] 陈彬, 谢和平, 刘涛, 等. 碳中和背景下先进制氢原理与技术研究进展 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(1): 106-116. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100686. CHEN B, XIE H P, LIU T, et al. Principles and progress of advanced hydrogen production technologies in the context of carbon neutrality [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(1): 106-116. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100686.
[9] 聂家波, 邓建悦. 燃料电池用氢气的制备工艺探讨 [J]. 化工技术与开发, 2021, 327(8): 46-50. DOI: 10.3969/j.issn.1671-9905.2021.08.013. NIE J B, DENG J Y. Discussion on preparation technology of hydrogen for fuel cell [J]. Technology & Development of Chemical Industry, 2021, 327(8): 46-50. DOI: 10.3969/j.issn.1671-9905.2021.08.013.
[10] 何泽兴, 史成香, 陈志超, 等. 质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望 [J]. 化工进展, 2021, 40(9): 4762-4773. DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0429. HE Z X, SHI C X, CHEN Z C, et al. Development status and prospects of proton exchange membrane water electrolysis [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 40(9): 4762-4773. DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0429.
[11] 孟凡, 张惠铃, 姬姗姗, 等. 高效电解水制氢发展现状与技术优化策略 [J]. 黑龙江大学自然科学学报, 2021, 38(6): 702-713. DOI: 10.13482/j.issn1001-7011.2021.10.180. MENG F, ZHANG H L, JI S S, et al. Progress and technology strategies of hydrogen evolution reaction by high efficiency water electrolysi [J]. Journal of Natural Science of Heilongjiang University, 2021, 38(6): 702-713. DOI: 10.13482/j.issn1001-7011.2021.10.180.
[12] 李星国. 氢气制备和储运的状况与发展 [J]. 科学通报, 2022, 67(增刊1): 425-436. DOI: 10.1360/TB-2021-0715. LI X G. Status and development of hydrogen preparation, storage and transportation [J]. Chinese Science Bulletin, 2022, 67(Supp. 1): 425-436. DOI: 10.1360/TB-2021-0715.
[13] 位召祥, 张淑兴, 刘世学. 固体氧化物电解制氢技术现状及面临问题分析 [J]. 科技创新与应用, 2021, 11(35): 36-39. DOI: 10.19981/j.CN23-1581/G3.2021.35.009. WEI Z X, ZHANG S X, LIU S X. Development status and problems of hydrogen production by IGH temperature solid oxide electrolysis [J]. Technology Innovation and Application, 2021, 11(35): 36-39. DOI: 10.19981/j.CN23-1581/G3.2021.35.009.
[14] SCHEFOLD J, BRISSE A, POEPKE H. 23,000 h steam electrolysis with an electrolyte supported solid oxide cell [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(19): 13415-13426. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.01.072.
[15] 曹军文, 张文强, 李一枫, 等. 中国制氢技术的发展现状 [J]. 化学进展, 2021, 33(12): 2215-2244. DOI: 10.7536/PC201128. CAO J W, ZHANG W Q, LI Y F, et al. Development status of hydrogen production technology in China [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 33(12): 2215-2244. DOI: 10.7536/PC201128.
[16] 李方园, 侯永江, 国洁, 等. 非贵金属光电催化材料分解水制氢研究进展 [J]. 应用化工, 2021, 50(11): 3206-3209. DOI: 10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20211011.001. LI F Y, HOU Y J, GUO J, et al. Reaerch progress of non-precious metal photoelectrocatalytic materials splitting water to produce hydrogen [J]. Applied Chemical Inductry, 2021, 50(11): 3206-3209. DOI: 10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20211011.001.
[17] 杨玉蓉, 张坤. 光催化剂分解水制氢性能研究 [J]. 黑河学院学报, 2021, 12(5): 180-181. DOI: 10.3969/j.issn.16749499.2021.05.058. YANG Y R, ZHANG K. On the performance of photocatalytic water splitting [J]. Journal of Heihe University, 2021, 12(5): 180-181. DOI: 10.3969/j.issn.16749499.2021.05.058.
[18] LIU W, LIU C, GOGOI P, et al. Overview of biomass conversion to electricity and hydrogen and recent developments in low-temperature electrochemical approaches [J]. Engineering, 2020, 6(12): 1351-1363. DOI: 10.1016/j.eng.2020.02.021.
[19] 高宠明. 耦合制氢装置的炼厂氢气网络综合优化 [D]. 大连: 大连理工大学, 2020. DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2020.003410. GAO C M. Comprehensive optimization of refinery hydrogen network for coupling hydrogen production unit [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2020. DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2020.003410.
[20] 孙雪婷, 林堂茂. 炼厂制氢技术发展现状 [J]. 当代化工, 2022, 51(2): 451-455. DOI: 10.13840/j.cnki.cn21-1457/tq.2022.02.007. SUN X T, LIN T M. Development status of hydrogen production technplpgy in refinery [J]. Contemporary Chemical Industry, 2022, 51(2): 451-455. DOI: 10.13840/j.cnki.cn21-1457/tq.2022.02.007.
[21] 瞿国华. 炼厂用氢的低成本战略探讨 [J]. 石油化工技术经济, 2007, 109(2): 19-22. DOI: 10.3969/j.issn.1674-1099.2007.02.005. QU G H. Study on cost leadership strategy of hydrogen utilization in petroleum refining plants [J]. Techno-Economics in Petrochemicals, 2007, 109(2): 19-22. DOI: 10.3969/j.issn.1674-1099.2007.02.005.
[22] 王首宝, 莫力根. 丙烷脱氢尾气精制氢气过程中PSA技术的应用研究 [J]. 石化技术, 2020, 27(1): 253-256. DOI: 10.3969/j.issn.1006-0235.2020.01.160. WANG S B, MO L G. Application of PSA technology in the process of hydrogen production from propane dehydrogenation tail gas [J]. Petrochemical Industry Technology, 2020, 27(1): 253-256. DOI: 10.3969/j.issn.1006-0235.2020.01.160.
[23] COUCH K. 未来炼厂白皮书六大关键能效分析 [R]. 厦门: 霍尼韦尔, 2021. COUCH K. White paper on the future refinery-analysis of 6 critical efficiencies [R]. Xiamen: Honeywell, 2021.
[24] 孙建怀. 利用PSA技术回收炼油厂干气中氢气的实践 [J]. 炼油技术与工程, 2018, 48(5): 6-11. DOI: 10.3969/j.issn.1002-106X.2018.05.002. SUN J H. Commercial application of PSA process to recover hydrogen from refinery dry gas [J]. Petroleum Refinery Engineering, 2018, 48(5): 6-11. DOI: 10.3969/j.issn.1002-106X.2018.05.002.
[25] 王永锋, 张雷. 氢气提纯工艺及技术选择 [J]. 化工设计, 2015, 25(2): 14-17. DOI: 10.15910/j.cnki.1007-6247.2015.02.004. WANG Y F, ZHANG L. Hydrogen purification process and technology selection [J]. Chemical Engineering Design, 2015, 25(2): 14-17. DOI: 10.15910/j.cnki.1007-6247.2015.02.004.
[26] 白尚奎, 周伟民, 田婷婷, 等. 膜分离与变压吸附耦合技术在炼厂氢气回收中的应用 [J]. 天然气化工(C1化学与化工), 2021, 46(增刊1): 113-117. DOI: 10.3969/j.issn.1001-9219.2021.z1.018. BAI S K, ZHOU W M, TIAN T T, et al. Application of membrane separation and PSA coupling technology in hydrogen recovery in refineries [J]. Natural Gas Chemical Industry, 2021, 46(Supp. 1): 113-117. DOI: 10.3969/j.issn.1001-9219.2021.z1.018.
[27] 周麓波. 构建“未来炼厂”正当时 [J]. 流程工业, 2021(3): 10-13. ZHOU L B. Time to build the "Refinery of the Future" [J]. Process, 2021(3): 10-13.
