Концепция системного анализа и многокритериальной оценки эффективности энергетического комплекса предприятий добычи и переработки углеводородного сырья

УДК 658.26:681.5

И.В. Долотовский, Е.А. Ларин, Н.В. Долотовская

КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА И МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРЕДПРИЯТИЙ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Рассмотрены основы формализации задач системного анализа и многокритериальной оценки эффективности энергетического комплекса предприятий добычи и переработки углеводородного сырья. Приведены данные по методическому, информационно-программному обеспечению и результаты решения этих задач на предприятии по переработке газа и газового конденсата

Энергетический комплекс, эффективность, системный анализ, предприятие добычи и переработки углеводородного сырья

I.V. Dolotovskij, E.A. Larin, N.V. Dolotovskaja

CONCEPT OF SYSTEMS ANALYSIS AND MULTICRITERIONAL ESTIMATION OF THE EFFECTIVENESS OF THE ENERGY COMPLEX OF THE ENTERPRISES OF OUTPUT AND PROCESSING OF HYDROCARBON RAW MATERIAL

The bases of a formalization of tasks of systems analysis and multicriterional estimation of the effectiveness of energy complex of enterprises of output and processing of hydrocarbon raw material are examined. Data with respect to the systematic guarantee, software and results of solution of these problems at a enterprise for processing of gas and gas condensate are cited

Energy complex, effectiveness, systems analysis, the enterprise of output and processing of the hydrocarbon raw material

Энергетический комплекс (ЭК) современных предприятий добычи и переработки углеводородного сырья (ПДП УВС) представляет собой сложную многофункциональную систему, включающую аппараты и установки для генерации, преобразования и транспорта энергоресурсов к технологическим потребителям, со сложными внутренними и внешними взаимосвязями по материальным и энергетическим потокам.

К энергоресурсам ЭК относятся все их виды, имеющиеся на предприятии, в том числе: электроэнергия от внешних источников и электростанций собственных нужд; топливный газ и жидкое топливо переменного состава от разных технологических источников; водяной пар различных параметров от энерготехнологических агрегатов, котлов-утилизаторов и котельных агрегатов; горячая вода; физическая теплота технологических потоков; избыточное давление газов и жидкостей; сжатый воздух, кислород и азот для технологических процессов и производственных нужд; хладоносители, в том числе вода из систем оборотного водоснабжения.

Для большинства ПДП УВС первичными энергоресурсами являются топливо как компонент сырьевого потока и электроэнергия. Потребности в тепловой энергии обеспечиваются, в основном, за счет генерации пара в технологических процессах или в теплоутилизационных установках, а также за счет внешних источников. Соответственно, в энергетическом комплексе ПДП УВС выделяются базовые подсистемы, формирующие энергетическую составляющую затрат на переработку углеводородного сырья - топливная, электроэнергетическая, теплоэнергетическая.

Топливная подсистема (сеть) предприятия, как правило, заполняется углеводородными очищенными газами, получаемыми при добыче и переработке сырья (углеводородные газы дегазации, стабилизации, водородосодержащий газ). Недостающее количество топлив-

ного газа для собственного потребления производств восполняется из сети товарного газа. Основными потребителями топливного газа являются камеры сгорания ГТУ, огневые испарители, технологические печи, котельные агрегаты, факельные системы, установки термического обезвреживания отходов. Часть газа из топливной сети подается на продувку аппаратов, затем этот газ поступает в факельные системы.

Электроэнергетическая подсистема (в том числе электростанции собственных нужд и аварийные источники) взаимосвязана со всеми технологическими производствами и другими подсистемами ЭК. Основными потребителями электроэнергии является привод насосов, компрессоров, газодувок, воздуходувок, вентиляторов, дымососов, эксгаустеров. Осуществляется также бесперебойное электроснабжение электрифицированной арматуры, систем контроля, автоматики, связи, пожаротушения, освещения.

Теплоэнергетическая подсистема взаимосвязана со многими производствами в непрерывных технологических циклах генерации и потребления тепловой энергии в виде пара различного давления и горячей воды и другими подсистемами ЭК. В технологических производствах пар используется для нагрева потоков в различном теплообменном оборудовании, в качестве рабочего тела паровых турбин (турбины конденсационного типа и с противодавлением) для привода компрессоров, газодувок и воздуходувок, в системах эжектирова-ния газовых систем, в пароспутниках. Тепловые ресурсы используются также для подогрева резервуаров, при техническом обслуживании и ремонте оборудования, на отопление зданий, для аварийного пароснабжения и противопожарных мероприятий.

К внутрипроизводственным подсистемам ЭК относятся системы технологического и оборотного водоснабжения, воздухоснабжения, снабжения инертными газами (азотом), водоотведения. Наиболее существенную функциональную взаимосвязь с технологическим циклом имеют системы технологического и оборотного водоснабжения и водоотведения, которые влияют также на показатели рассмотренных ранее трех базовых подсистем ЭК, особенно подсистемы электроснабжения.

Энергетический комплекс ПДП УВС характеризуется следующими основными характеристиками и свойствами сложной системы.

1) Системообразующие интегративные качества, ЕЭК , энергокомплекса характеризуют его связь с технологическими процессами ПДП УВС, внешними системами энергообеспечения и окружающей средой. При этом эмергентность ЭК условно описывается соотношением ЕЭК Ф ^ Еа , где ЕА - свойства подсистем А (компонентов) ЭК. Интегративные качества ЭК зависят от его структуры (Б), системного (н) и реального (т) времени, свойств подсистем и их функций (ф), т.е. Е ЭК = Е ЭК (Б, н, т, ЕА, Ф А).

2) Комплекс представляет собой единство определенного минимума своих подсистем, определяющих энергетическую эффективность ПДП УВС в целом. Отдельные компоненты ЭК имеют относительную самостоятельность, неоднородны по структуре и выполняют различные функции.

3) Структура ЭК динамично взаимосвязана с функциями комплекса и его подсистем, характеристиками источника сырья и окружающей среды. Для ЭК предприятий переработки УВС характерна многомерность структуры, определяющаяся большим числом связей между подсистемами и элементами, и многообразие структуры, связанное с различием структуры подсистем и способов их объединения.

4) Создание и функционирование ЭК определяется практически достижимыми целями, которые определяют также цели подсистем. При этом энергокомплекс является многоцелевой системой, поскольку к нему предъявляются многообразные требования со стороны других систем - технологических процессов, окружающей среды, внешних источников обеспечения сырьевыми и энергетическими ресурсами.

5) Функционирование ЭК осуществляется в соответствии с иерархически упорядоченным взаимодействием его структурных элементов, не противоречащим материальноэнергетическим балансам и направленным на достижение целей системы.

6) Коммуникативные свойства ЭК ПДП УВС определяют его связи и взаимодействие с системами более высокого уровня - топливно-энергетическим комплексом (ТЭК) региона, окружающей средой. Содержанием коммуникаций ЭК с системами более высокого уровня являются материальные, энергетические и информационные потоки.

7) Специфическое системное время 5 позволяет выполнить анализ ЭК ПДП УВС в динамике не только текущего интервала времени, но и учесть этапы «жизненного» цикла -проектирование, эксплуатация действующих ПДП УВС в периоды освоения, номинальной и падающей добычи источника сырья, что сопряжено с изменением целей и последующей модернизацией действующего ЭК.

8) Стратегия развития ЭК и повышение его эффективности базируются на внутренних противоречиях между компонентами системы, проявляющихся в необходимости изменения структуры подсистем, связей между ними и их функций в различные периоды системного времени.

9) Формирование ЭК проектируемых ПДП УВС, целей и функций входящих в него подсистем базируется на внешних противоречиях, когда вновь строящиеся, модернизируемые и расширяющиеся предприятия должны быть включены в сложившуюся структуру ТЭК регионов.

10) Управление ЭК осуществляется для достижения заданной цели с возможно большим полезным эффектом. Этой качественной формулировке цели управления отвечает многокритериальная задача оптимизации динамического объекта, поскольку ЭК ПДП УВС с самого начала ставится несколько целей: максимизировать системную эффективность (целесообразность энергетического комплекса предприятия в ТЭК региона) с одновременной минимизацией расхода энергоресурсов от внешних источников.

В соответствии с перечисленными свойствами ЭК ПДП УВС концепция разработки его рациональной структуры и параметров функционирования базируется на агрегативно-декомпозиционном подходе к формализации поставленных задач анализа и синтеза, который предусматривает два этапа исследования: последовательную декомпозицию объекта и выполняемых им целей, функций, задач и агрегирование (синтез) на соответствующих уровнях детализации для генерирования вариантов энергокомплекса в целом. В рамках данного подхода декомпозиционный этап исследования может быть представлен на различных уровнях детализации совокупностью альтернативных информационных потоковых графов и матриц, отражающих структуру объекта I, задач II и методов их решения III (рис. 1).

Т

Т

б

1 - подсистемы ЭК, 2 - производства, 3 - установки, 4 - аппараты, 5 - цели, функции, 6 - задачи повышения энергетической эффективности, 7 - процедуры, управление, 8, 9, 10 - экспериментальные, аналитические методы, энергетический аудит

Рис. 1. Модель соответствия между ЭК

а

в

На этапе декомпозиции выявляются и анализируются взаимосвязи между элементами, Ьй, П-й и Ш-й областей исследования. Синтез рациональной структуры ЭК и режимов его функционирования осуществляется на основе принятых критериев эффективности с учетом специфических условий эксплуатации ПДП УВС, связанных с переменным составом сырья, климатическими и технико-экономическими факторами.

Для формализации поставленных задач в общей концепции оценки эффективности ЭК ПДП УВС приняты следующие обозначения:

Р - множество возможных принципов пе Р построения ЭК и его подсистем. Возможные принципы заданы и выбираются при синтезе ЭК;

Ф - множество взаимосвязанных функций, выполняемых ЭК. Каждому набору принципов п построения ЭК соответствует некоторое множество функций Ф(п), из которого необходимо выбрать подмножество ф е Ф(п), достаточное для реализации задачи управления ЭК в соответствии с принятыми принципами и критериями эффективности;

А - множество взаимосвязанных подсистем ЭК;

ф: Ф ^ А - отображение элементов множества Ф на элементы множества А , обеспечивающее экстремум целевой или целевых функции при выполнении заданных ограничений.

В общем случае задача синтеза оптимальной структуры энергетического комплекса ПДП УВС состоит в определении

Задача анализа ЭК состоит в определении его характеристик при заданных условиях

Если заданы принципы построения комплекса, то задача синтеза оптимальной структуры состоит в определении (2)-(4); если заданы принципы построения ЭК и выполняемые им функции, то - в определении (3)-(4); если заданы принципы построения ЭК, выполняемые им функции и элементы комплекса, то - в определении (4), т.е. рационального отображения множества выполняемых функций на множество взаимосвязанных подсистем.

Для решения поставленных задач анализа и синтеза ЭК ПДП УВС была разработана информационно-аналитическая система учета, планирования и нормирования ТЭР на предприятии (ИАС ТЭР) и моделирующая программа для ЭВМ «Система «Энергоресурс» [1, 2]. ИАС ТЭР содержит совокупность расчетно-информационных блоков, модулей и реляционную базу данных (рис. 2) и реализует определение множеств (2)-(4) с использованием разработанного программного комплекса для ПДП УВС с любой технологической топологией.

В качестве критериев эффективности в программных модулях рассматривались следующие группы показателей.

Энерготехнологические критерии - удельные расходы ТЭР в натуральном выражении на единицу перерабатываемого углеводородного сырья, определяемые для отдельных видов энергоносителей по установкам, производствам и предприятию в целом; эквивалентный удельный расход ТЭР в тоннах условного топлива; энергоемкость ПДП УВС по выпускаемой продукции.

Энергетические критерии - эксергетический КПД подсистем и ЭК в целом; коэффициент использования вторичных энергоресурсов для выработки тепловой энергии для собственных нужд предприятия и сторонних потребителей; коэффициент использования теплоты топлива в подсистеме теплоснабжения; удельная системная экономия топлива.

Технико-экономические критерии - интегральный эффект, индекс доходности, внутренняя норма доходности, срок окупаемости инвестиций.

Одной из основных проблем при выборе структуры и параметров ЭК ПДП УВС является необходимость учета внутренних и внешних системных противоречий и возможности реализации полученных технических решений в соответствии с принятыми критериями эф-

пє Р, ф є Ф(п), а є А, ф: [ф є Ф(п)] ^ [а є А].

(1)-(4).

фективности, определяющих суть решаемой задачи - рационализацию энергоиспользования в системе. Для этой цели используется «метод анализа иерархий» (МАИ) [3].

Альтернативные варианты ЭК ПДП УВС оценивались в программном комплексе по многокритериальной функции «полезности» Фу

n _

Фv= Ёai • u,,

i=1

где u, - относительное значение критерия эффективности, равное u^umax;

umax - максимальное значение критерия эффективности на иерархическом уровне альтернатив; a, - нормализованное значение векторов относительной важности частных критериев; n - число критериев, определяющих цель оптимизации.

I

II

а

4

Ж

Блоки:

1 - ввода задания системе;

2 памяти;

3 - планирования и обработки информации;

4 текущего состояния системы;

Модули данных:

5 - для формирования исходного задания (база данных оборудования);

6 - терминологических;

7 - методических;

8 - регламентных;

9 - с результатами прошедших измерений

Рис. 2. Блочно-модульная структура ИАС ТЭР

Изложенные положения концепции системного анализа и многокритериальной оценки эффективности ЭК ПДП УВС, реализованные в ИАС ТЭР, прошли промышленную апробацию на Астраханском газоперерабатывающем заводе. Работа с информационнопрограммным обеспечением осуществлялась в интерактивном режиме на всех этапах решения задач.

Установлено, что полезное использование тепловой энергии на предприятии не превышает 50%, а фактическое энергопотребление больше проектного значения на 7,1 кг у. т./1000 м переработанного сырья (около 6 %). По результатам анализа технологических, конструктивных, климатических факторов определены причины низкого значения общесистемных показателей эффективности - нерациональная структура подсистемы паро-снабжения, более низкие по сравнению с паспортными данными КПД турбин среднего давления, длительная эксплуатация турбин в режимах холостого хода и утилизационных установок в неблагоприятных по экологическим показателям режимах (с пониженной производительностью). Определен потенциал повышения энергетической эффективности ЭК, составивший для топливной, электро- и теплоэнергетической подсистем соответственно 1,2, 4,6 и 1,3 кг у. т./1000 м переработанного пластового газа.

С использованием ИАС ТЭР разработаны и ранжированы мероприятия по рационализации подсистем энергетического комплекса этого предприятия, внедрение которых позволяет снизить потребление ТЭР на 28-34 тыс. т у. т. в год (на 2,2-2,8% от общего потребления). При этом удельное потребление ТЭР, в расчете на 1000 м перерабатываемой газоконденсатной смеси, снижается до 0,253 т у. т [4].

Помимо анализа действующих установок и планирования потребления ТЭР комплекс программно-методического обеспечения позволяет также разработать направления развития энергетических подсистем при изменении технологической топологии и увеличении глубины переработки сырья.

Выводы

1. Для энергетического комплекса предприятий по добыче и переработке углеводородного сырья разработана концепция системного анализа, включающая определение множества альтернативных принципов его построения, подсистем, выполняемых функций и рационального отображения множества выполняемых функций на множество взаимосвязанных подсистем.

2. Разработаны информационно-аналитическая система и программно-методическое обеспечение для анализа, нормирования, оптимизации энергообеспечения установок, производств и предприятий, включающие многокритериальную оценку эффективности альтернативных вариантов.

3. С использованием ИАС ТЭР выполнен анализ эффективности энергетического комплекса Астраханского газоперерабатывающего завода, определен потенциал повышения энергетической эффективности, разработаны и ранжированы технические решения по оптимизации подсистем этого предприятия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Система автоматизированного учета и планирования на предприятии: пат. № 63537 РФ, МПК G 06 Q 10/00; G 07 C 3/14 / Е.А. Ларин, Н.В. Долотовская, И.В. Долотовский. №2007106539/22(007086); заявл. 20.02.07; опубл. 27.05.07, Бюл. № 15. - 2 с.

2. Система «Энергоресурс»: программа для ЭВМ № 2010615353 / Е.А. Ларин, И.В. Долотовский, Н.В. Долотовская. - №2010613798; заявл. 29.06.10; зарегистр. 20.08.10.

3. Саати Т. Аналитическое планирование. Организация систем / Т. Саати, К. Кернс. М.: Радио и связь, 1991. - 224 с.

4. Ларин Е.А. Энергетический комплекс газоперерабатывающих предприятий. Системный анализ, моделирование, нормирование / Е.А. Ларин, И.В. Долотовский, Н.В. Долотовская. М.: Энергоатомиздат, 2008. 440 с.

BIBLIOGRAPHY

1. System of the automated calculation and planning in the enterprise: pat. № 63537 RU, IPC G 06 Q 10/00; G 07 C 3/14 / E.A. Larin, N.V. Dolotovskaya, I.V Dolotovskiy. - №2007106539/22 (007086); decl. 20.02.07; publ. 27.05.07, Bull. № 15. 2 p.

2. System «Energy Resource»: software № 2010615353 / E.A. Larin, I.V. Dolotovskiy, N.V. Dolotovskaya. - №2010613798; decl. 29.06.10; registered 20.08.10.

3. Saati, T. Analytical planning. Systems organization / T. Saati, K. Kerns. - M.: Radios and connection, 1991. - 224 p.

4. Larin, E.A. Energy complex of gas-reprocessing enterprises. Systems analysis, simulation, rate setting / E.A. Larin, I.V. Dolotovskiy, N.V. Dolotovskaya. - M.: Energoatomizdat, 2008. - 440 p.

Долотовский Игорь Владимирович -

кандидат технических наук, млалший научный сотрудник кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета

Ларин Евгений Александрович -

кандидат технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского гсу-дарственного технического университета

Dolotovskij Igor Vladimirovich -

Candidate in Technical Sciences, junior scientific worker of Problematic Research Laboratory of Heat-power Engineering Installations and Systems Power Supply of Saratov State Technical University Heat-power Engineering department Larin Eugene Alexandrovich -Candidate in Technical Sciences, professor of Saratov State Technical University Heat-power Engineering department

Долотовская Надежда Васильевна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника»

Саратовского государственного технического университета

Dolotovskaya Nadezhda Vasilyevna -

Candidate in Technical Sciences, docent of Saratov State Technical University Industrial Heat Engineering department