Оптимизация энергозатрат технологических процессов

Брендан П. Шихан, старший менеджер по маркетингу, подразделение «Промышленная автоматизация» компании Honeywell Синь (Фрэнк) Жу, старший консультант по вопросам использования энергии, группа оптимизационных решений, компания UOP В. Рыбкин, генеральный директор, компания UOP в России

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Общемировые тенденции и проблемы, побуждающие промышленные предприятия повышать эффективность использования энергии, сегодня хорошо известны. Увеличение численности населения и экономический рост, наблюдаемые во многих странах мира, привели к увеличению потребления энергии и транспортного топлива.

Нефтеперерабатывающие заводы всего мира наращивают мощности, стараясь удовлетворить эти потребности. Повышение цен на нефть и газ, особенно в последние два года, привело к значительному увеличению эксплуатационных затрат, связанных с энергопотреблением, и ещё больше выявило необходимость в повышении эффективности использования энергии. Многие страны стремятся повысить энергобезопасность, что явилось стимулом к поиску альтернативных источников энергии и одновременно ещё одним основанием для более эффективного её использования. Признание факта глобального потепления привело к увеличению количества экологических стандартов и введению налога на выбросы углерода, положив начало новой тенденции. Это приведёт к дальнейшему повышению эксплуатационных затрат в энергоёмких отраслях промышленности, к которым относятся нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия. Сегодня нефтеперерабатывающие компании сталкиваются с целым рядом серьёзных проблем. Однако существуют и передовые технологические решения, способные помочь решить эти проблемы и добиться оптимизации энергозатрат. Опыт компании Honeywell показывает, что можно достичь сокращения энергозатрат на 12-25% за счёт внедрения комплексного решения по управлению энергопотреблением,которое отличается привлекательными показателями окупаемости. В значительной мере повышения эффектив-

ности энергопотребления и снижения выбросов парниковых газов в пределах нефтеперерабатывающего/нефтехимического комплекса можно добиться за счет усовершенствования заводских процессов. В настоящей статье описываются возможности по модернизации основных технологических процессов и предлагается новая рабочая методология реализации этих возможностей.

возможности по экономии энергии и сокращению выбросов пг

Если нефтеперерабатывающее предприятие заинтересовано в уменьшении стоимости потребляемой энергии и сокращении выбросов ПГ, на какие участки следует обратить максимальное внимание и какими могут быть предлагаемые решения? Объём выбросов С02 у всех нефтеперерабатывающих заводов разный,он зависит от типа исходного сырья, характеристик топлива и сложности процесса нефтепереработки. Стандартный нефтеперерабатывающий завод производительностью 100000 баррелей в сутки ежегодно выбрасывает в атмосферу от 1,2 до 1,5 млн тонн углекислого газа. Порядка 50% этого объёма производится установками технологического подогрева, 35% выделяют установки флюид-каталитического крекинга и гидрогенизации, остаток приходится на паровые и энергетические системы. Аналогичным образом количество энергии, потребляемой нефтеперерабатывающими предприятиями,

колеблется в зависимости от общей технологической схемы и видов исходного сырья, однако основными потребителями энергии остаются атмосферная колонна, установка флюид-каталитического крекинга, реформинг-аппарат и объекты энергохозяйства предприятия.

Сегодня сокращение затрат на энергию является наиболее рациональным путем к уменьшению объёма выбросов ПГ. Существует целый ряд способов, которыми могут воспользоваться нефтеперерабатывающие предприятия для уменьшения своих расходов на энергию. К ним относятся повышение эффективности использования энергии на протяжении всего технологического цикла, закупка энергии по более низким ценам или расширение масштабов экологической политики предприятия и получение за счёт этого квот на выброс углерода в качестве компенсации затрат на энергию. В данной статье авторы подробно рассматривают первый способ, т.е. сокращение энергопотребления за счёт повышения эффективности использования энергии в рамках технологического цикла. Повышение эффективности использования энергии в рамках технологического цикла - мера, которая может применяться независимо, в качестве первого шага на пути к снижению энергопотребления, но также как часть комплексного решения по управлению энергопотреблением, соединяя в себе элементы других способов энергосбережения, упомянутых выше. Три основных метода

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

№ 8 \\ август \ 2009

повышения эффективности энергопотребления в рамках технологического цикла сводятся к следующему:

1) эксплуатационные усовершенствования, позволяющие оптимизировать технологический процесс;

2) более высокий процент регенерации тепла за счёт повышения тепловой интеграции технологического процесса;

3) внедрение новых технологий,что кардинально повышает эффективность эксплуатации оборудования.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ: ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЭКСПЛУАТАЦИИ

Первый шаг при разработке комплексного решения по управлению энергопотреблением с целью оптимизации технологического процесса заключается в том, чтобы суметь точно определить, как энергопотребление данного предприятия соотносится с набором исходных показателей. Для этого необходимо собрать данные по потреблению энергии в конкретном технологическом процессе и организовать их так, чтобы эксплуатационные службы могли быстро установить, где расположены крупные энергопотребители и насколько хорошо они выполняют свои функции.

Рис. 1. Управление энергопотреблением. Петля OODA

Чтобы решить, насколько хорошо функционирует завод или установка, необходимо иметь возможность сравнивать текущее потребление энергии с целевыми показателями энергопотребления, что и будет отражать текущую работу объекта. Только в этом случае можно провести некоторый анализ и установить причину отклонений от исходного ориентира, после чего принять соответствующие меры для их устранения.

Эффективное комплексное решение по управлению энергопотреблением должно быть организовано по принципу OODA (петля Бойда)1, который позволяет пользователю быстро анализировать ситуацию и оценивать взаимное поведение множества объектов; ориентироваться и иметь при этом возможность осуществлять детализацию, получая

1Robert Coran, Boyd: The Fighter Pilot Who Changed the Art of War, 2002

ОБЛАСТЬ ЭКОНОМИИ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ МЛН. ДОЛЛ./ГОД СОКРАЩЕНИЕ ВЫБРОСОВ CO2 ТЫС. Т/ГОД

Повышение качества эксплуатации и управления 2-4 1.5-3 24-48

Более рациональная регенерация тепла 4-8 3-6 48-96

Внедрение передовой технологии ведения процесса 3-8 2.5-6 36-96

Оптимизация объектов энергохозяйства предприятия 2-3 1.5-2.5 24-36

Повышение качества планирования 1-2 1-1.5 12-24

Использование возобновляемых источников энергии (установка экологической очистки производительностью 2000 баррелей в сутки) Углеродная квота 4 116

Всего 12-25 13.5-23 260-416

больше дополнительной информации по ключевым показателям энергопотребления, характеризующим наиболее критические зоны; принимать решения, выбирая из ряда возможных действий, исходя из причин, приведших к отклонению от целевых показателей; действовать быстро и решительно, основываясь на полученных данных. Такой цикл позволяет обеспечить оперативную обратную связь внутри системы, так что пользователь получает возможность быстро наблюдать эффект от предпринятых действий, соответствующим образом менять тактику и принимать новые решения. На рис. 1 показан пример того, как такая петля обратной связи может работать в рамках комплексного решения по управлению энергопотреблением. С помощью программного приложения управления энергопотреблением выстраивается иерархия представлений, что позволяет осуществлять детализацию, последовательно переходя с одного уровня на другой, и определять возможные варианты действий. Ниже описаны эти представления.

• Обзор технологических единиц. Показывает относительный объём энергопотребления и/или выбросов ПГ по каждой единице. При этом применяется кодирование цветом, чтобы показать, энергопотребление каких технологических единиц наиболее значительно отклонилось от целевых показателей.

• Визуальное представление технологических единиц. Отображает значение ключевых показателей энергопотребления (КПЭ), характеризирующих поведение конкретной технологической единицы в сравнении с целевыми показателями, выведенными в результате комплексного подхода, сочетающего математическое моделирование процесса с данными за прошедшие перио-

ды и знаниями опытных консультантов службы UOP. Эти прогнозируемые целевые показатели энергопотребления автоматически корректируются с учётом актуальных условий эксплуатации (объёма выпуска, рабочего режима, состава исходного сырья, качественных показателей продукции и т. п.).

• Выявление тенденции по КПЭ. Данная функция позволяет определить тенденцию отклонения рассчитанного значения КПЗ от плановых и прогнозируемых показателей энергопотребления.

• Обзор отклонений. С помощью данного визуального представления оператор может просмотреть периоды, в которые КПЗ значительно отклонялись от ожидаемых значений, и основные причины, которыми эти отклонения были вызваны, в соответствии с выбранными кодами причин. Построив хронологическую последовательность причин, оператор с помощью обратного временного просмотра может определить наиболее распространённые причины отклонений. Это поможет выработать рекомендации по внесению изменений с целью улучшения показателей энергопотребления.

Многие из рекомендаций по повышению эффективности энергопотребления оператор может реализовать, изменяя условия эксплуатации путём регулирования установок для ключевых переменных. В некоторых случаях можно внедрить эти рекомендации в оперативную систему упреждающего регулирования и в стратегию оптимизации. Приложения многовариантного упреждающего регулирования и оптимизации, такие как разработанное компанией Honeywell решение Profit Controller, были в основном предназначены для регулирования процессов на нефтеперерабатывающих и нефтехимических

заводах. Возможность использовать модели, выведенные на основе данных технологического процесса, и конфигурировать их с высокой степенью гибкости позволяет инженерам проектировать автоматические регуляторы, пригодные для самых различных целей. Один и тот же автоматический регулятор может использоваться для увеличения производительности, увеличения объёма выпуска и сокращения энергопотребления просто за счет изменения коэффициентов стоимости в целевой функции. Подобная конфигурация очень удобна для внедрения стратегий энергопотребления в общие эксплуатационные задачи. На самом деле задачи рационального использования энергии имеет смысл добавлять в уже существующие стратегии, поскольку важно, чтобы снижение энергопотребления не шло в ущерб объёму выпуска наиболее значимой продукции. В более сложных решениях для обновления моделей данных в автоматическом регуляторе может использоваться жёсткое моделирование. Существует множество стратегий экономии энергии, которые могут быть внедрены в многовариантное приложение регулирования, а именно:

• балансировка газоходов печей и контроль избыточного кислорода;

• контроль качества дистилляционной установки в сочетании с уменьшением давления для поддержания объёмов выпуска наиболее значимой продукции при минимизации энергопотребления вплоть до достижения установленных ограничений, таких как переполнение перегонной колонны;

• контроль преобразований в реакторе;

• максимальное увеличение температуры подогрева загружаемого сырья;

• управление сепаратором и рециркуляцией.

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

№ В \\ август \ 2003

Примером большой многовариантной стратегии управления может служить решение,реализованное на комплексе по производству этилена. В нём задействованы в общей сложности семнадцать многопараметрических автоматических регуляторов, которые сопряжены друг с другом через общую оптимизационную стратегию с использованием нелинейной модели крекинга, позволяющей прогнозировать объёмы выпуска продукции. Данный проект позволил заказчику увеличить скорость подачи сырья на 3% по сравнению с лучшими предыдущими показателями за счет возможности ведения технологического процесса с рядом ограничений. Кроме того, удалось сократить энергопотребление на 3,25% за счёт снижения потребления пара, подаваемого во фракционирующую колонну, и минимизации избыточного кислорода в камерах печей. В итоге проект окупил себя менее чем за 5 месяцев. Возможности для более эффективной эксплуатации технологического оборудования имеются на большинстве нефтеперерабатывающих заводов. Как показывает опыт компании Honeywell,

мелкие или не связанные с капитальными изменениями операционные решения могут повысить эффективность энергопотребления на 2-4%. За счёт таких улучшений можно добиться уменьшения выбросов С02 на величину, составляющую для стандартного нефтеперерабатывающего завода производительностью 100000 баррелей в сутки от 24000 до 48000 тонн в год.

повышение эффективности использования энергии: более рациональная регенерация тепла

Использование программных средств мониторинга и оптимизации для повышения эффективности энергопотребления обычно приводит к тому, что процесс ведётся с многочисленными физическими ограничениями. Чтобы выйти на новый уровень эффективности энергопотребления,требуется внесение изменений, связанных с капитальными затратами и касающихся более рациональной регенерации тепла внутри и по всей цепочке технологических установок. Несомненно, одним из ключевых положительных результатов

от внедрения в первую очередь операционных решений, является то, что при этом высвечиваются точки, в которых физические ограничения наиболее очевидны. После определения технологических единиц, для которых требуется более эффективная тепловая интеграция, можно применить пинч-технологию (реализованную в программном продукте, таком как Unisim Design от компании Honeywell), позволяющую эффективно отсеивать и выбирать из целого ряда возможных схем рекуперации. Консультанты-технологи из группы UOP используют практические методики, которые оценивают не только важность и стоимость мероприятий по повышению эффективности регенерации тепла, но и их воздействие на процесс, включая влияние на качество продукции и эксплуатационную гибкость, в особенности в вопросах запуска, отключения, технического обслуживания и контроля. Типичным примером модернизации с целью повышения эффективности регенерации тепла может служить установка гидроочистки дизельного топлива 1970 г. выпуска, состоящая из теплообменника комбинированного типа на

й- Е

выставочная компания

Ж ЭКСПО-ВОЛГА

САМАРА 2009

20-22 ОКТЯБРЯ

Международная специализированная выставка

9 OIL. GAS. CHEMISTRY

4 Геология и геофизика нефти и газа 4 Буре н и е скважин. Доб ыча н ефти и газа 4 Хранение м переработка нефти и газа 4 Системы транспортировки н&фти и газа 4 Хим ич есш: ма т ериал ы, процессы и а ппараты

для нефтехимического производства 4 Промышленная безопасность и экология нефтехимического и газового комплекса

В К «Экспо-Волга»

г.Самара, ул. Мичурина, 23А

Тел./факс: +7 (846] 279-07-08, 270-34-05^^

oiL08xpD-voLga.ru

www.gasoil-expo.ru

линии подачи, подогревателя смеси, одного реактора и отгоночной секции. После того, как консультанты-технологи из группы иОР изучили данный объект, они рекомендовали добавить 4 теплообменника, которые могли бы возвращать больше тепла из технологического процесса и, кроме того, вырабатывать пар. Такая схема позволяет уловить отработанное тепло, потерянное на стадии отгонки продукта и при прохождении через воздушный охладитель реакционного типа, что приводит в итоге к уменьшению нагрузки на горелку подогревателя и большему объёму выработки пара высокого давления. Капитальные затраты на реализацию данного проекта оценивались в 3 млн долларов США, а в итоге экономия энергии составила 4,5 млн долларов в год. Как правило, проекты, связанные с более рациональной регенерацией тепла в пределах технологической единицы, могут повысить эффективность энергопотребления на 4-8%. Сокращение выбросов СО2, достигаемое за счёт внедрения этих проектов, для стандартного нефтеперерабатывающего завода производительностью 100000 баррелей в сутки составляет от 48 до 96 тонн в год.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ: УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА

Повышение эффективности регенерации тепла является наиболее распространённым видом инвестиционных проектов, реализуемых с целью повышения эффективности использования энергии. Однако работы, проведённые в последнее время группой иОР, выявили иные, менее разработанные области, открывающие значительные перспективы в этом направлении. Во многих из этих областей используются усовершенствованные технологии ведения процесса, предложенные группой иОР. Среди них можно выделить теплообменники улучшенной конструкции, фракционирующие колонны с более мощной внутренней оснасткой, вну-трикорпусные реакционные устройства нового типа, турбины с приводом от выхлопных газов, катализаторы улучшенного качества и иные конструктивные решения.

Использование энергии выхлопных газов нередко представляет собой хорошую возможность для экономичной оптимизации энергопотребления, как следует из описываемого ниже примера. При анализе работы установки крекинга в псевдоожиженном слое (FCC) производительностью 60000 баррелей в сутки было установлено, что отработанный газ, образующийся в ходе регенерации катализатора FCC, использовался только для выработки пара с помощью парогенератора-рекуператора. Система использования энергии отработанного газа была быстро определена в качестве способа, позволяющего добиться значительного повышения эффективности энергопотребления, поскольку отработанный газ мог бы использоваться одновременно для выработки пара и электроэнергии. Дальнейшего усовершенствования можно было бы достичь за счёт установки турбины с приводом от выхлопных газов (PRT), соединённой с паровой турбиной. Цель состоит в получении электричества за счет отходящих газов регенеративного теплообменника, но также вырабатывать за счет пара высокого давления, оставляя его часть для получения пара низкого и среднего давления, необходимого для работы установки крекинга FCC. Если сравнивать это решение с базовым случаем, в котором отсутствует такой элемент, как PRT, и используется конденсационная паровая турбина, приводящая в действие главную воздуходувку, то данная схема обеспечивает чистый доход от выработки электроэнергии в размере 14 млн долларов США в год. Существует целый ряд возможных для применения усовершенствованных технологий, различающихся по стоимости внедрения и срокам окупаемости. Необходима тщательная оценка каждого из этих решений, поскольку ограниченность средств требует выбора лучших вариантов, которые обеспечивают максимально высокую прибыль на вложенный капитал. Несмотря на то, что подобные решения могут значительно отличаться друг от друга, как правило, повышение эффективности энергопотребления для стандартного нефтеперерабатывающего завода производительностью 100000 баррелей в сутки составляет от

3 до 8%. Сокращение выбросов CO2 -около 36000-96000 тонн в год.

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭКОНОМИИ

В приведенной таблице отражены все потенциальные преимущества, которые могут быть получены благодаря реализации предлагаемых компанией Honeywell решений по повышению эффективности энергопотребления. Часть таблицы, выделенная серым цветом, включает в себя потенциальные преимущества в отношении энергопотребления и выбросов ПГ, которые стандартный нефтеперерабатывающий завод производительностью 100000 баррелей в сутки может получить за счёт более эффективного использования энергии, идущей на обслуживание производственного процесса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предприятия нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности испытывают растущую потребность во внимании к вопросу сокращения выбросов ПГ, особенно в Европе, учитывая обязательство Евросоюза сократить к 2020 г. объём выбросов ПГ на 20% по сравнению с уровнем 1990 г. В настоящее время наилучший путь к сокращению выбросов ПГ - это целенаправленное снижение энергозатрат. Во многих случаях повышение эффективности энергопотребления также способствует повышению эффективности технологических процессов, увеличению производительности и объёмов выпуска, а также надёжности. В данной статье намечены три пути сокращения энергопотребления за счёт повышения эффективности использования энергии для обслуживания технологических процессов: оптимизация режимов эксплуатации технологического оборудования, более рациональная регенерация тепла и внедрение передовых технологий для регулирования производственного процесса. Оптимизация энергопотребления на стадии технологического процесса может применяться как первый этап или как часть комплексного решения по управлению энергопотреблением, позволяя снизить расходы предприятия на энергию и резко сократить выбросы в атмосферу.

32 года

* ?азовыХ

r  * 1 1 > . • J * . ' ч

IfcV* s ' о i f у

Высокоэкономичные газотурбинные приводы нагнетателей газа мощностью 6, 10,16 и 25 МВт, уникальные установки "Водолей" для новых и модернизируемых компрессорных станций

Государственное предприятие Научно-производственным комплекс газотурбостроения

<1

ЗОРЯ" - "МАШПРОЕКТ

II

Проспект Октябрьский. 42А, Николаев, 54018, Украина Тел.:+38 0512 49 46 62. +38 0512 55 69 92 Факс:+38 0512 49 37 94. +38 0512 55 68 68, E-mail: spe@mashproekt,nikolaev.ua, omito1@zorya.com.ua http:W www.zmturbines.com