Системы обеспечения энергетическими ресурсами (ЭР) современных предприятий переработки нефти, газа и газового конденсата (ППНГК) представляют собой многофункциональный энергетический комплекс (ЭК) со сложными внутренними и внешними взаимосвязями с технологическими производствами и внешней системой энергоснабжения (ВСЭ) в процессах генерации, преобразования и транспорта ЭР к потребителям.
Для большинства ППНГК первичными ЭР 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 ЭК выделяются базовые подсистемы, формирующие энергетическую составляющую затрат на переработку углеводородов – топливная, электроэнергетическая, теплоэнергетическая.
Топливная подсистема (сеть) предприятия, как правило, заполняется углеводородными очищенными газами, получаемыми при переработке сырья (углеводородные газы дегазации, стабилизации, водородосодержащий газ). Недостающее количество топливного газа для собственного потребления производств восполняется из сети товарного газа. Основными потребителями топливного газа являются камеры сгорания газотурбинных установок (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 эжектирования 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.
ЭК ППНГК характеризуется следующими основными свойствами и сложных систем:
– системообразующие интегративные качества характеризуют связь ЭК с технологическими процессами ППНГК, ВСЭ и окружающей средой;
– комплекс представляет собой единство определенного минимума своих подсистем, определяющих энергетическую эффективность ППНГК в целом. Отдельные компоненты ЭК имеют относительную самостоятельность, неоднородны по структуре и выполняют различные функции;
– структура ЭК динамично взаимосвязана с функциями комплекса и его подсистем, характеристиками источника сырья и окружающей среды. Для ЭК предприятий переработки углеводородов характерна многомерность структуры, определяющаяся большим числом связей между подсистемами и элементами, и многообразие структуры, связанное с различием структуры подсистем и способов их объединения;
– создание и функционирование ЭК определяется практически достижимыми целями, которые определяют также цели подсистем. При этом ЭК является многоцелевой системой, поскольку к нему предъявляются многообразные требования со стороны других систем – технологических процессов, окружающей среды, внешних источников обеспечения сырьевыми и энергетическими ресурсами;
– функционирование ЭК осуществляется в соответствии с иерархически упорядоченным взаимодействием его структурных элементов, не противоречащим материально-энергетическим балансам и направленным на достижение целей системы;
– коммуникативные свойства ЭК 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;
– специфическое системное время позволяет выполнить анализ ЭК ППНГК в динамике не только текущего интервала времени, но и учесть этапы «жизненного» цикла – проектирование, эксплуатация действующих ППНГК в периоды освоения, номинальной и падающей добычи источника сырья, что сопряжено с изменением целей и последующей модернизацией действующего ЭК;
– 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;
– формирование ЭК проектируемых ППНГК, целей и функций входящих в него подсистем (структурно-параметрический синтез) базируется на внешних противоречиях, когда вновь строящиеся, модернизируемые и расширяющиеся предприятия должны быть включены в сложившуюся структуру ТЭК регионов;
– 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 ППНГК с самого начала ставится несколько целей: максимизировать системную эффективность (целесообразность интеграции ЭК предприятия и ТЭК региона) с одновременной минимизацией расхода ЭР от ВСЭ.
В соответствии с перечисленными свойствами ЭК ППНГК концепция разработки его рациональной структуры и параметров функционирования базируется на декомпозиционно-поисковом принципе синтеза сложных энерготехнологических систем и агрегативно-декомпозиционном подходе к формализации поставленных задач анализа и синтеза, который предусматривает два этапа исследования: последовательную декомпозицию объекта и выполняемых им целей, функций, задач (условная система координат I–III на рисунке 1) и последующей поэлементно-декомпозиционной генерации вариантов (синтез) только перспективных или оптимальных ЭК на соответствующих уровнях детализации объекта.
1 – системы, 2 – производства, 3 – установки, 4 – аппараты, 5 – цели и функции, 6 – задачи, 7 – процедуры управления, 8, 9 – экспериментальные, аналитические методы, 10 – энергоаудит
Рисунок 1. Фазовое пространство системного анализа и синтеза ЭК
На этапе декомпозиции выявляются и анализируются взаимосвязи между элементами, I-й, II-й и III-й областей исследования. Структурно-параметрический синтез ЭК (выбор рациональной структуры и режимов функционирования элементов и комплекса) осуществляется на основе принятых критериев эффективности с учетом специфических условий эксплуатации ППНГК,
Задача анализа ЭК состоит в определении его характеристик при заданных условиях (1) – (4).
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 был разработан программный комплекс (ПК) и создана специализированная информационно-аналитическая система (ИАС) [1, 2], содержащая совокупность расчетно-информационных блоков, модулей и реляционную базу данных (рисунок 2). ИАС реализует определение множеств (2) – (4) с использованием разработанного ПК для ППНГК с любой технологической топологией.
Рисунок 2. Блочно-модульная структура ИАС
Фундаментальная организация разработанного ПК основана на блочно-иерархическом принципе и реализована в отдельных его компонентах – программных модулях, взаимосвязанных друг с другом. Модули являются дискретными элементами ПК, полностью допускают раздельную компиляцию, объединение с другими элементами и загрузку.
Основой каждого модуля является программное обеспечение, разработанное с использованием метода Stepwise Refinement – пошагового усовершенствования, когда первоначально были определены данные и способы их обработки в целом для ЭК и технологической системы ППНГК, после чего процедура определения осуществлялась во все возрастающей степени подробности (производства, установки, аппараты).
Модули разработанного ПК объединены в две группы: 1 – модули для определения, нормирования, оптимизации характеристик действующих объектов; 2 – модули для расчета и оптимизации характеристик реконструируемых, модернизируемых и проектируемых ЭК ППНГК.
В первой группе, в свою очередь, выделены модули расчета энерготехнологических балансов (ЭТБ) установок, производств, подсистем и модули расчета энергетических характеристик оборудования в составе ППНГК.
Вторая группа представлена модулями конструкторского расчета основного оборудования ППНГК.
Базовым элементом ПК расчета энергетических характеристик ППНГК является блок расчета материальных балансов установок и производств предприятия в широком диапазоне значений состава перерабатываемых углеводородов. В основу разработанного программного модуля положены математические модели материальных балансов и результаты системного анализа технологических процессов действующих ППНГК [3, 4].
Графическая интерпретация функционирования ПК с целью синтеза оптимального ЭК ППНГК приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема синтеза оптимального ЭК ППНГК
Отдельными блоками в исходных данных выделены состав сырья и номенклатура продукции предприятия, графики планово-предупредительных и капитальных ремонтов оборудования, база данных по аппаратам, методикам, процессам и другие данные. В исходные данные входят технологические , конструктивные (Z) характеристики ЭК и технологической системы, эколого-климатические (S) и экономические (Ц) факторы (в том числе комплекс критериев эффективности).
В качестве критериев эффективности в программных модулях рассматривались следующие группы показателей.
Энерготехнологические критерии – удельные расходы ЭР в натуральном выражении на единицу перерабатываемого углеводородного сырья, определяемые для отдельных видов энергоносителей по установкам, производствам и предприятию в целом; эквивалентный удельный расход ЭР в тоннах условного топлива; энергоемкость ППНГК 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.
Изложенные положения концепции структурно-параметрического синтеза и анализа ЭК ППНГК, реализованные в ИАС, прошли промышленную апробацию на Астраханском газоперерабатывающем заводе. Работа с информационно-программным обеспечением осуществлялась в интерактивном режиме на всех этапах решения задач. По результатам анализа технологических, конструктивных, климатических факторов 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 м3 переработанного пластового газа.
С использованием ИАС разработаны и ранжированы мероприятия по рационализации подсистем ЭК этого предприятия, внедрение которых позволяет снизить потребление ЭР на 28 — 34 тыс. т у. т. в год (на 2,2 — 2,8% от общего потребления). При этом удельное потребление ЭР, в расчете на 1000 м3 перерабатываемой газоконденсатной смеси, снижается до 0,253 т у. т [3].
Помимо анализа действующих установок и планирования потребления ЭР комплекс программно-методического обеспечения позволяет также разработать направления развития энергетических подсистем при изменении технологической топологии и увеличении глубины переработки сырья. В частности, реализация технических решений по утилизации низкопотенциальных газов и промышленных сточных вод с выработкой электрической и тепловой энергии, а также воды для технологических целей и паропроизводства [5], позволяет уменьшить энерго- водопотребление предприятий от внешних источников, снизить объем промышленных выбросов в атмосферу и сточных вод и повысить их экологическую безопасность.
Список литературы
- Патент РФ № 2465639. Информационно-аналитическая система нормирования и оптимизации выработки и потребления топлива и энергоносителей на предприятии / И.В. Долотовский, Е.А. Ларин, Н.В. Долотовская. 27.10.2012.
- Ларин Е.А., Долотовский И.В., Долотовская Н.В. Система «Энергоресурс»: программа для ЭВМ № 2010615353. 20.08.2010.
- Ларин Е.А., Долотовский И.В., Долотовская Н.В. Энергетический комплекс газоперерабатывающих предприятий. Системный анализ, моделирование, нормирование. – М.: Энергоатомиздат, 2008. – 440 с.
- Долотовский И.В., Ларин Е.А., Долотовская Н.В. Системный анализ энергетического комплекса предприятий подготовки и переработки газа. – Саратов: Буква, 2014. – 326 с.
- Патент РФ №118360. Установка электро-тепло-водоснабжения предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья / Долотовский И.В. 20.07.2012.
Работа выполнена в рамках госзадания при финансовой поддержке Минобрнауки РФ[schema type=»book» name=»СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРЕДПРИЯТИЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДОВ» description=»Рассмотрены основы формализации задач структурно-параметрического синтеза и ана-лиза энергетического комплекса предприятий переработки углеводородного сырья. Приве-дены данные по методическому, информационно-программному обеспечению и результаты решения задач синтеза оптимального энергетического комплекса на предприятии по перера-ботке газа и газового конденсата.» author=»Долотовский Игорь Владимирович, Ларин Евгений Александрович, Долотовская Надежда Васильевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-25″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_31.10.15_10(19)» ebook=»yes» ]