Технические науки / 5. Энергетика
к.т.н. Долотовский И.В., к.т.н. Ларин Е.А.
Саратовский государственный технический
университет
имени Гагарина Ю.А.
Методология
синтеза оптимальной структуры энергетического комплекса
нефтегазовых предприятий
Структура энергетического комплекса (ЭК) действующих нефтегазовых предприятий (НГП) формировалась в условиях начала разработки соответствующих месторождений при взаимосвязи с внешними системами обеспечения энергетическими ресурсами (ЭР) в период их невысоких внутренних цен, что обусловило низкую эффективность ЭК НГП в настоящее время и необходимость создания научно-обоснованных методов для перспективного планирования направлений совершенствования ЭК действующих и проектирования новых НГП. Проведенные авторами экспериментальные и теоретические исследования [1, 2] и анализ производственных и экономических вопросов, влияющих на структуру ЭК и режимы потребления и генерации ЭР Астраханского, Оренбургского и Сосногорского газоперерабатывающих заводов (ГПЗ), Сургутского завода стабилизации конденсата, Ново-Уренгойского завода по подготовке конденсата к транспорту, Вуктыльского газопромыслового управления, а также НГП США и Канады (характеристики которых обобщены по литературным данным [3, 4]), позволили сделать ряд выводов, свидетельствующих о необходимости системного, и одновременно индивидуального, подхода к решению проблемы синтеза оптимальной структуры ЭК НГП:
– объекты отличаются составом производств технологической системы (ТС), параметрами углеводородного сырья (УВС), климатическими условиями, временем эксплуатации и конструктивно-режимными факторами, влияющими на характеристики ЭК при доминировании технологической топологии основных процессов и режимов эксплуатации оборудования на протяжении всего жизненного цикла, включая строительство, различные этапы эксплуатации (ввод в эксплуатацию, режимы номинальной и падающей добычи, вывод из эксплуатации);
– потребление электроэнергии и тепловой энергии в виде пара от внешних систем энергообеспечения (ВСЭ) невелико, а теплопотребление обеспечивается, в основном, от собственных источников, использующих вторичные ЭР (ВЭР), что позволяет выполнить структурно-параметрическую оптимизацию ЭК с организацией энергогенерирующих систем на базе установок, интегрированных с технологическими схемами основных и вспомогательных производств без существенных изменений конструктивных и режимных характеристик технологического оборудования;
– основную долю в общем потреблении ЭР на НГП составляет топливный газ, состоящий из технологических потоков различного состава, при этом вспомогательные производства обезвреживания отходов и стоков имеют высокий энергетический потенциал, использование которого для генерации ЭР позволит существенно снизить их потребление от ВСЭ;
– коэффициенты неравномерности потребления тепловой и электрической энергии практически совпадают с аналогичными показателями по объемам сырья и вырабатываемой продукции, что способствует положительному решению вопросов совершенствования ЭК в направлении создания собственных источников ЭР, использующих ВЭР, низконапорные углеводородные газы, горючие отходы и стоки, с организацией замкнутых утилизационных циклов.
Разработка методологии синтеза оптимальной структуры ЭК НГП осуществлена поэтапно [5]: выполнено структурирование объекта, задач и методов исследования; разработана и обоснована система критериев и показателей эффективности; созданы модели, программы и алгоритмы для структурной и параметрической оптимизации; выполнен синтез оптимального ЭК и проработаны технические решения для НГП с соответствующей технологической топологией. Рассмотрим основные положения и результаты последних двух этапов исследования.
Постановка задачи синтеза ЭК формулируется как задача оптимизации его конструктивных и режимных характеристик в направлении максимального приближения к экстремальному значению критерия качества функционирования ЭК на протяжении всего жизненного цикла НГП, и реализации основополагающих принципов (П) синтеза: максимальной замкнутости по ЭР, степень использования ВЭР, горючих отходов и стоков для генерации ЭР (p1), экологической безопасности (p2) и надежности обеспечения ЭР (p3).
При этом в
математическом описании ЭК каждому принципу p соответствует некоторое
множество функций Ф(p), реализуемых на множестве
аппаратов 
в виде отображений 
, из которого необходимо выбрать подмножество jÎФ(p), достаточное для структурно-параметрической
оптимизации ЭК в соответствии с принятыми критериями эффективности.
Этапы синтеза оптимального ресурсоэффективного ЭК определяются в зависимости от варианта решаемой задачи: 1 – ЭК формируется из элементов, характеристики которых известны при известной структуре ЭК; 2 – определяются новые элементы, данные о которых отсутствуют, а также новые структуры. Первый вариант задачи решается при проектно-конструкторских разработках с технико-экономическим и комплексным обоснованием принимаемых решений. Второй вариант задачи синтеза базируется на неформализуемых научных методах – изобретательстве, интуитивных и эвристических решениях. В рамках этого варианта синтеза ЭК поэтапно выполнен комплекс исследований, в которых имплицитно решены задачи анализа ЭК [5].
Отображения 
представлены
математическими описаниями: производств, включающими модели ЭК и ТС и
учитывающими схемные и конструктивные особенности элементов; потребления и генерации
ЭР с учетом использования ВЭР и потерь, характеризующими
топливно-энергетический и энерготехнологический балансы (ТЭБ и ЭТБ) на всех
уровнях иерархии; экспериментальных исследований, дополняющими и корректирующими
расчетные модели ТЭБ и ЭТБ; связи комплексных критериев эффективности с
расходными переменными энергетических и водных ресурсов (
), схемными и конструктивными параметрами по соответствующему
ресурсу (
), тарифами на ЭР, воду и ценой утилизации отходов (
); системы нормирования потребления ЭР; системы ограничений
на конструктивные, режимные, технологические переменные.
Разработанная система показателей энергоэффективности отдельных элементов
(аппаратов, подсистем, производств), определяемых как на стадии проектирования,
так и на стадии эксплуатации ЭК НГП, объединяет группы технологических,
энергетических, экономических и комплексных критериев и коэффициентов. Последние
объединены в аддитивно-мультипликативный функционал 
, позволяющий оценить взаимное влияние частных показателей
эффективности (
– вектор показателей
эффективности вариантов ЭК х; 
– коэффициент учета
взаимосвязей показателей). Аналитическая зависимость 
разработана в виде многокритериального индекса эффективности,
объединяющего частные показатели в два множества, отражающих, с одной стороны,
производственно-экономическую деятельность НГП, обеспечивающую его доходность и
эффективность как хозяйствующего актива (результативность, включающую стоимость
сырья, материалов, реализованной продукции, затраты на ЭР и воду от внешних
источников, техническое обслуживание и ремонт, амортизацию оборудования, плату
за утилизацию отходов, промышленные выбросы и стоки), с другой – эффективность,
позволяющую оценить реализацию принципов П
на основе частных критериев (использования сырьевых ресурсов, энергетических
показателей и коэффициентов эффективности, производительности, надежности,
промышленной, общей технической и экологической безопасности). Структура
функции построена на сбалансированной
модели, которая достигается путем присвоения равностепенных коэффициентов
каждому элементу множеств.
Приоритетность результативности и эффективности определена на основании концепции равнозначности множеств, поскольку при структурно-параметрической оптимизации ЭК и реализации отмеченных выше трех принципов повышения эффективности должна сохраняться (или возрастать) прибыльность НГП.
В качестве метода синтеза оптимального ЭК принят декомпозиционно – поисковый метод [6, 7], в соответствии с которым исходная задача синтеза на основе элементарной декомпозиции представлена в виде множества взаимосвязанных подзадач меньшей размерности, а выбор оптимальных решений осуществлен с использованием отсекающей декомпозиции с верхними и нижними границами критериев эффективности или качества функционирования ЭК. При этом решение задачи синтеза ЭК сводится к поиску оптимального элемента перебором только в подмножестве перспективных решений с расчетом показателей эффективности ЭК. Это соответствует математическому представлению задачи синтеза ЭК в виде его «пространства состояний», формируемому в процессе решения с использованием моделирующих программ информационно-аналитической системы (ИАС) для анализа и синтеза ЭК [8].
В общем виде реализуется численный метод проведения на ЭВМ экспериментов с математическими моделями, описывающими поведение отдельных компонентов и всего объекта в течение заданного или формируемого периода времени. ИАС состоит из программно-расчетных и информационно-методических блоков и модулей, информационные потоки в которых соединены по принципу параллельной, последовательной или рециклической связи. Информация единичных блоков ИАС структурирована по элементам ЭК и ТС НГП, которые, в свою очередь коммутируют между собой с помощью сигналов входа-выхода.
Методология синтеза ЭК НГП реализована при решении двух типов задач: во-первых, сформирована технологическая структура ЭК, во-вторых – его аппаратурное оформление.
Концепцию разработки технологических решений иллюстрирует обобщенная блочная схема ЭК (рисунок), в которой предусмотрена реализация принципа многофункциональности и интеграции ЭК НГП с процессами ТС, системами водоснабжения и водоотведения за счет максимального использования ВЭР и создания собственного энергогенерирующего источника (СЭИ). Генерация электрической энергии осуществляется на основе комбинирования циклов в парогазовых установках, сочетающих газотурбинные и паротурбинные установки (ГТУ и ПТУ). Технологические блоки 2, 5, 7 включают оборудование ТС в зависимости от вида деятельности НГП.
1–8 – установки: 1 – утилизации отходов и стоков;
2, 5, 7 –ТС; 3 – генерации пара; 4 – ГТУ; 6 – ПТУ; 8 – подготовки воды; I–XIX – технологические и энергетические потоки: I, II – газ топливный и утилизируемый; III – промышленные стоки; IV, V, VI – дымовые газы; VII, VIII – газы на осушку и газы осушенные; IX – вода в систему подготовки; Х – теплоноситель
(пар); XI – вода в систему
хозяйственно-бытового потребления; XII – сухие отходы; XIII,
XIV – технологический
поток; XV – водяной конденсат; XVI – химочищенная вода; XVII – газ ТС; XVIII – воздух; XIX – электроэнергия
Рис. Схема оптимального ЭК, включающего СЭИ
Задача аппаратурного оформления ЭК осуществлена в ресурсосберегающих ЭК НГП различной технологической топологии [9, 10], состав оборудования которых позволяет решить проблему повышения энергетической эффективности и экологической безопасности НГП. Разработаны технические требования на проектирование нетипового оборудования ЭК – нейтрализатора [11], горелочных устройств и схемы управления параметрами.
Анализ данных имитационного моделирования режимов эксплуатации ряда действующих технологических производств НГП и систем ЭК показал, что их модернизация на основе предлагаемых технологических и конструктивных решений позволит снизить потребление энергоресурсов на собственные нужды на 30-40 %, уменьшить загрязнение окружающей среды промышленными стоками и сократить эксплуатационные издержки.
Литература
1. 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.
2. Долотовский, И.В. Системный анализ энергетического комплекса предприятий подготовки и переработки газа / И.В. Долотовский, Е.А. Ларин, Н.В. Долотовская. – Саратов: Буква, 2014. – 326 с.
3. Берлин, М.А. Основное технологическое оборудование зарубежных газоперерабатывающих заводов / М.А. Берлин, В.Д. Коробко. – М.: Химия, 1977. – 248 с.
4. URL:http://www.globotek.ru.
5. Долотовский, И.В. Энергетический комплекс предприятий подготовки и переработки газа. Моделирование и структурно-параметрическая оптимизация. – Саратов: Амирит, 2016. – 400 с.
6.
Optner,
S.L. Systems analysis: selected readings. – Penguin, 1973. – 336 p.
7. Кафаров, В.В. Анализ и синтез химико-технологических систем / В.В. Кафаров, В.П. Мешалкин. – М.: Химия, 1991. – 432 с.
8. Пат. 2465639 РФ, МПК G06F 17/00. Информационно-аналитическая система нормирования и оптимизации выработки и потребления топлива и энергоносителей на предприятии / И.В. Долотовский, Е.А. Ларин, Н.В. Долотовская. – № 2011147445; заявл. 22.11.2011; опубл. 27.10.2012, Бюл. №30.
9. Патент № 118360 РФ, МПК F01K 17/02. Установка электро-тепло-водоснабжения предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья / И.В. Долотовский. - №2012109097/06; заявл. 11.03.2012; опубл. 20.07.2012, Бюл. № 20.
10. Патент 164323 РФ, МПК F01K 17/02. Установка электро – тепло – холодо – водоснабжения / И.В. Долотовский. – № 2016113250; заявл. 06.04.2016; опубл. 27.08.2016, Бюл. № 24.
11. Патент 2523906 РФ, МПК F23G 7/04. Огневой нейтрализатор промышленных стоков с контейнерным удалением мехпримесей / И.В. Долотовский, В.В. Долотовский. – № 2013119087; заявл. 24.04.2013; опубл. 27.07.2014, Бюл. № 21.
Работа
выполнена в рамках госзадания при финансовой поддержке Минобрнауки РФ.