Технические науки / 5

Технические науки / 5. Энергетика

к.т.н. Долотовский И.В., к.т.н. Ларин Е.А., к.т.н. Долотовская Н.В.

Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.

Термодинамическая эффективность
энерготехнологических систем предприятий
переработки углеводородов

Системы энергообеспечения предприятий переработки углеводородов (ППУ) взаимосвязаны с основными технологическими производствами в непрерывных циклах генерации и потребления топлива, тепловой и электрической энергии. В настоящее время на собственные нужды перерабатывающей подотрасли расходуется до 10 % топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) от объема перерабатываемого углеводородного сырья (УВС). Вместе с тем на всех ППУ значительны резервы вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), в том числе горючих отходов, использование которых не превышает 14 % от имеющегося потенциала. Это объясняется низкой энергетической эффективностью отдельного утилизационного оборудования, отсутствием специальных энергетических установок, учитывающих специфические требования потребителей ППУ, несовпадением динамических характеристик выработки и потребления энергоносителей, и другими причинами. Поэтому при формировании стратегии развития и направлений совершенствования энергетического комплекса (ЭК) каждого ППУ необходимы его исследования во взаимосвязи с технологической системой (ТС) с учетом всех влияющих факторов на основе методологии системного анализа и синтеза сложных объектов [1, 2], а именно – декомпозиционно - агрегативного метода, состоящего из следующих этапов:

· декомпозиция объекта (разработка операционно-описательных и иконографических моделей, идентификация внутренних и внешних связей по степени значимости, выделение детерминирующих элементов и связей);

· анализ отдельных элементов и объекта в целом (выбор методологии анализа и формирование математических моделей, проведение экспериментальных исследований, разработка рациональных алгоритмов расчета показателей эффективности, создание информационно-аналитических систем и их программного обеспечения);

· синтез оптимальных ЭК и ТС ППУ (разработка методики синтеза, расчетное обоснование структуры и параметров синтезированных систем по критериям и показателям эффективности, оценка адекватности моделей).

В качестве показателей эффективности в основном используются технико-экономические и энергетические критерии. Последние, в свою очередь, формируются из показателей тепловой или топливной эффективности – удельного потребления тепловой энергии и топлива, теплового и топливного КПД. Общим недостатком показателей эффективности по результатам энергетического и материального балансов является то, что в расчетах не учитываются качественные отличия различных видов энергии, их температурный и общий потенциал. Поэтому в системных исследованиях ЭК и ТС, потребляющих и генерирующих энергоносители различного потенциала, важное место занимают методы термодинамической оценки их эффективности на основе эксергетических функциональных моделей – эксергетических балансов [3, 4].

Анализ энергопотребления отдельных элементов ППУ с выявлением потенциала повышения их термодинамической эффективности выполнен для объекта, структура которого в виде блочно-иерархической модели показана на рис. 1. На каждом уровне иерархии отражены следующие внутренние и внешние связи:

· I – внешних систем обеспечения (УВС, ТЭР, водой) и водоотведения с предприятием;

· II – предприятия с внешними системами; ЭК с ТС; ППУ с системами ЭК и производствами ТС;

· III – систем ЭК и производств ТС с их установками; при этом системы ЭК и производства ТС включают ряд установок IV уровня, содержащих энерготехнологические агрегаты (элементы V уровня), относящиеся к двум элементам II уровня одновременно – к ТС и ЭК;

· IV – установок с системами, производствами, аппаратами;

· V – аппаратов и ресурсов.

Последний VI уровень иерархии содержит матрицу соответствия элементов уровня аппаратов V математическому описанию анализа, оптимизации потребления и генерации ТЭР и воды.

В качестве универсального показателя термодинамической эффективности объекта принят эксергетический КПД , при этом он рассчитывается как для отдельных элементов на соответствующем уровне иерархии, так и для всего ППУ в целом

, (1)

где – суммы эксергий на входе, выходе и потерь в элементе (аппарате, установке, производстве, системе, предприятии).

При анализе эффективности ЭК и ТС ППУ могут учитываться либо все виды подведенной эксергии, независимо от того, претерпевает ли она изменения в рассматриваемом элементе, или включаться в расчет только та ее часть, которая изменяется. Во многих процессах и установках ППУ химическая эксергия вещества практически не изменяется. Основная ее часть, связанная с теплотой сгорания, обычно остается без изменений. Причем эта часть по абсолютной величине значительно больше, чем потери эксергии на всех стадиях процесса. В общем случае химическая эксергия сырьевых и продуктовых углеводородных потоков рассчитывалась по приближенным соотношениям [3]:

– для газообразных углеводородов

; (2)

– для жидких углеводородов

, (3)

где – высшая теплота сгорания вещества.

Поскольку химическая эксергия углеводородов в процессах их переработки изменяется незначительно, эксергетические КПД установок ТС при ее учете близок к единице, а при исключении он имеет небольшую величину. В качестве примера на рис. 2 приведена диаграмма Грассмана производств по переработке газового конденсата и нефти, для которого » 0,8 при учете всех видов эксергии, и » 0,27, если в расчетах не учитывать нетопливные углеводородные потоки. Для предприятия по переработке сернистого газоконденсатного УВС эксергетические КПД, и , %, производств, определенные по (1) и разработанным с использованием программного обеспечения [5, 6] балансам, имеют следующие значения:


– осушка и отбензинивание газа	90,5	9,9
– очистка газов (природного, дегазации и стабилизации)	79,8	11,3
– стабилизация конденсата и утилизация стоков	91,4	8,3
– производство серы	58,0	19,1
– переработка газового конденсата	78,3	26,8

Значительный потенциал повышения энергоэффективности имеется в установках первичной подготовки нефти, газа и газового конденсата – осушки газа, дегазации и стабилизации жидкофазного сырья, которые входят в структуру не только ППУ, но и являются основными технологическими топливопотребляющими блоками (исключая наиболее энергоемкие компрессорные станции) газовых и газоконденсатных промыслов.

В частности, в блоках регенерации абсорбента с испарителями огневого типа установок осушки газа (УОГ) при его первичной подготовке к транспорту существующее состояние топливопотребления характеризуется высоким неиспользуемым термодинамическим потенциалом (эксергетический баланс приведен на рис. 3). Эксергетический КПД составляет 57 % (эксергия регенерированного абсорбента). Остальные потоки эксергии – дымовых газов, газопаровой смеси на выходе отпарной колонны испарителя, газов дегазации, практически являются отходами и полезно не используются.

технологические потоки: I – стабильный конденсат и широкая фракция легких углеводородов; II – сырье установки гидроочистки дизельных топлив; III – котельно-печное топливо; IV – пропанобутановая фракция и бутан технический; V – потери; VI – бензиновые фракции; VII – дизельное топливо; газ: а – топливный из сети ППУ; б – топливный собственного производства; г – стабилизации установки атмосферной перегонки; д – водородосодержащий, углеводородный (установки гидроочистки дизельных топлив), стабилизации (установки каталитического риформинга)

Рис. 2. Эксергетический баланс, %, установок переработки газового конденсата

Рис. 3. Эксергетический баланс установки регенерации абсорбента, %

На некоторых объектах подготовки газа, имеющих собственную сеть технологических газов, используемых в качестве топлива, в огневых испарителях частично сжигаются газы дегазации (поток VII на рис. 3).

Выполненные термодинамические исследования УОГ и аналогичных установок очистки природного и технологических газов позволили разработать технические решения по реализации выявленного потенциала газосбережения в блоках регенерации абсорбентов [7 – 9]. Предложенные структурно - параметрические направления модернизации этих установок позволяют снизить потребление топливного газа из сети предприятия на 30-36 %.

Для газопромысловых объектов решение вопросов утилизации низконапорных технологических газов наиболее актуально, поскольку позволяет одновременно сформировать практически замкнутые экологически безопасные системы ЭК на базе собственных энергогенерирующих источников [10] с минимальными выбросами в окружающую среду.

Оценка термодинамической эффективности энерготехнологических систем предприятий во взаимосвязи с внешней системой обеспечения ТЭР выполняется на основе эксергетического баланса данного иерархического уровня, который для предприятия, с энерго- и водообеспечением по схеме на рис. 1, имеет вид

, (4)

где – эксергия сырья, водных ресурсов, продукции, стоков, отходов; , и , – эксергия потребленной (отданной во внешнюю систему) тепловой и электрической энергии; – потери эксергии материальных и энергетических потоков.

Оптимизация ППУ как системы по критерию термодинамических потерь состоит в минимизации суммы .

Для топливной сети этого же ППУ, являющейся элементом как ЭК, так и ТС, эксергетический баланс выражается уравнением

, (5)

где , , , – эксергии технологических газов на входе (выходе), топливного газа из сети товарной продукции, потребленных горючих отходов ТС, газа на выработку тепловой энергии в производственной котельной, отходов (в том числе неиспользованных горючих газов); – потери эксергии в процессах потребления газа.

Оптимальный вариант топливной системы соответствует не только минимуму потерь и отходов, но и минимальному потреблению газа из сети товарной продукции: .

Термодинамическая оценка возможности минимизации указанных составляющих топливной системы выполнена для предприятия, перерабатывающего гетерогенное сырье с выработкой товарного газа, котельно-печного и моторного топлива. Структура распределения эксергии потребляемого топливного газа для наиболее крупных из рассмотренных производств и фактические данные (средние часовые эксергии потребленного топливного газа), определенные в рамках энергетического аудита за два года эксплуатации, приведены в таблице.

Потребление эксергии топливного газа установками ППУ

Установка	ГДж/ч*	%
Стабилизации конденсата и утилизации стоков	16,80 – 17,85 (13,89)	14
Факельных систем	8,34 – 8,35 (8,33)	5
Атмосферной и вторичной перегонки	28,54 – 30,0 (21,39)	29
Гидроочистки дизельных фракций	6,85 – 7,15 (6,28)
Каталитического риформинга	8,64 – 8,88 (6,92)
Производства серы	37,42 – 39,51 (30,06)	24

*Расходы даны в сопоставлении со средними значениями (в скобках), определенными на основании регламентов производств

Проведенный термодинамический анализ эффективности предприятий переработки углеводородного сырья позволил определить потенциал каждого из производств и дать оценку возможности его реализации. Установлено, что наибольший потенциал повышения энергетической эффективности сосредоточен в элементах топливной и тепловой систем, которые необходимо рассматривать во взаимосвязи с внешними источниками обеспечения ТЭР. Для реализации выявленного потенциала энергетической эффективности предложены технические решения по модернизации отдельных элементов энерготехнологических систем.

Литература

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

2. Долотовский И.В., Долотовская Н.В., Ларин Е.А. Проектирование и оптимизация установок и систем энергетического комплекса промышленных предприятий. – Саратов: Амирит, 2015. – 336 с.

3. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. – М.: Энергия, 1968. – 379 с.

4. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. – М.: Энергия, 1973. – 296 с.

5. Система «Энергоресурс»: программа для ЭВМ № 2010615353 / И.В. Долотовский и др. – №2010613798; заявл. 29.06.10; опубл. 20.08.10.

6. Баланс газа: программа для ЭВМ № 2011616684 / И.В. Долотовский, Е.А. Ларин, Н.В. Долотовская. – №20111614852; заявл. 30.06.2011; опубл. 26.08.2011.

7. Патент № 114424 РФ, МПК В01D 53/96. Установка регенерации абсорбента с термической утилизацией горючих отходов / Долотовский И.В., Долотовская Н.В., Ленькова А.В. – №2011148186/05; заявл. 25.11.2011; опубл. 27.03.2011, Бюл. № 9.

8. Патент №138474, МПК В01D 53/00. Установка регенерации метанола / Долотовский И.В., Долотовская Н.В. – № 2013147352/05; заявл. 23.10.2013; опубл. 20.03.2014, Бюл. № 8.

9. Патент № 157326 РФ, МПК B01D 53/02, B01D 53/26, C10L 3/10. Установка адсорбционной осушки природного газа / И.В. Долотовский, Н.В. Долотовская. - №2015136878/05; заявл. 28.08.2015; опубл. 27.11.2015, Бюл. № 33.

10. 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.

Работа выполнена в рамках госзадания при финансовой поддержке Минобрнауки РФ.