Введение к работе
Актуальность темы. В Энергетической стратегии России на период
до 2030 года определены основные пути повышения эффективности и развития энергетической отрасли, основными из которых являются развитие генерирующих мощностей на основе использования новейших технологий и оборудования, внедрение новых высокоэффективных технологий производства, транспортирования и распределения энергоресурсов, создание эффективных систем управления функционированием и развитием энергетических комплексов, обеспечивающих минимальный уровень затрат. В соответствии с отраслевой концепцией ОАО «Газпром», согласующейся с общей стратегией развития энергетики России, развитие и модернизация энергетического хозяйства его производственных подразделений будут осуществляться в направлении газосбережения – снижения потребления газа на собственные нужды за счет использования потенциала технологического оборудования, газофакельных систем и создания высокоэффективных внутрипроизводственных источников тепло- и электроснабжения. Реализация научно обоснованных решений по основным направлениям повышения эффективности топливной системы газоперерабатывающих предприятий (ГПП), как элемента их энергетического комплекса (ЭК) и технологической системы (ТС), позволит одновременно решить некоторые проблемы обеспечения тепловой и электрической энергией от внешних систем, связанные, в первую очередь, с дефицитом генерирующих мощностей в ряде энергосистем страны, процессом старения основного оборудования электростанций и сетей, усложнением обеспечения надежности энергоснабжения в условиях динамичных режимов эксплуатации ГПП. Совершенствование системы топливообеспечения ЭК ГПП, оптимизация ее структуры, повышение эффективности в процессах потребления и генерации преобразованных видов энергии представляются достаточно сложной научной задачей, решение которой должно учитывать режимы работы ГПП, особенности технологических процессов агрегатов и установок, состав перерабатываемого сырья, климатические условия и ряд других факторов, которые, как правило, не стабильны. В условиях внедрения новых энергосберегающих технологий переработки углеводородного сырья (УВС) на предприятиях ОАО «Газпром», развития действующих и создания новых газо-химических комплексов, создания индустрии синтетических жидких топлив потребуются соответствующее энергетическое обеспечение технологических производств и создание высокоэффективных систем энергообеспечения, входящих в структуру ЭК ГПП.
Настоящая работа выполнена в рамках выполнения работ по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме «Разработка методологии исследования и создание энергоэффективных систем управления потреблением электрической и тепловой энергии в энергоемких промышленных комплексах»
(ГК 14.740.11.01.07 от 10.09.2010 г.), а также по гранту У.М.Н.И.К.
(ГК № 9553р/14177 от 04.07.2011 г.).
Объект исследования - система топливообеспечения энерготехнологического комплекса многопрофильных предприятий по переработке гетерогенного углеводородного сырья, во взаимосвязи с тепло- и электротехнической подсистемами, внутрипроизводственными системами обеспечения энергоносителями и внешними системами энергоснабжения.
Предмет исследования: системный анализ и теоретическое обоснование технических решений по повышению энергоэффективности системы топливообеспечения энергетического комплекса предприятий переработки природного газа и газового конденсата.
Цель работы: повышение эффективности системы топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий на основе системного анализа, математического моделирования и научного обоснования направлений и технических решений по интеграции с внешними генерирующими энергоисточниками.
Задачи исследования:
1. Разработка методики системного анализа и обоснование показателей энергетической эффективности топливной системы в структуре энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий.
2. Разработка комплекса математических моделей расчета показателей термодинамической эффективности и энергетических характеристик топливогенерирующих и топливопотребляющих установок топливной системы с учетом взаимосвязи с технологической системой, энергетическим комплексом и внешними системами энергообеспечения в динамике технологических, климатических, экологических факторов.
3. Разработка моделирующих алгоритмов и программ, объединенных в информационно-аналитическую систему анализа эффективности топливной системы в структуре энергетического комплекса предприятия переработки углеводородного сырья с любой технологической топологией.
4. Научное обоснование технических решений по повышению эффективности топливной системы с вовлечением в энергетический баланс низкопотенциальных горючих газов перерабатывающих углеводородное сырье предприятий;
5. Технико-экономическое обоснование создания систем тепло-, электро- водоснабжения с утилизацией горючих отходов и стоков в составе энергетического комплекса предприятий газопереработки.
Научная новизна:
1. Разработаны новые научно-методические положения анализа эффективности топливной системы в составе энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий, развивающие методологию системных исследований в энергетике, включающие ее структурирование, установление многофакторных функциональных взаимосвязей с электро- и теплоэнергетической подсистемами, технологическими процессами и внешними энергогенерирующими источниками и позволяющие решить задачу оптимизации состава оборудования комплекса и режимов его эксплуатации.
2. Предложена и обоснована система показателей эффективности топливогенерирующих и топливопотребляющих установок технологической системы в составе энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий на всех уровнях иерархии объекта, позволяющая определить рациональную структуру подсистем и диапазоны параметров режимов генерации и потребления отдельных видов энергоресурсов.
3. Разработан комплекс математических моделей расчета энергетических характеристик элементов топливной системы с учетом взаимосвязи с технологической системой, энергетическим комплексом и внешним источником обеспечения энергоресурсами в динамике технологических, климатических, экологических факторов.
4. Разработаны моделирующие алгоритмы и программы, объединенные в информационно-аналитическую систему анализа эффективности топливной системы в структуре энергетического комплекса предприятия переработки углеводородного сырья с любой технологической топологией.
5. Разработана обобщенная экономико-математическая модель технико-экономического обоснования направлений и технических решений по повышению эффективности топливной системы и создания систем тепло-, электро-, водоснабжения с утилизацией горючих отходов и стоков в составе энергетического комплекса предприятий газопереработки.
Практическая значимость и реализация работы:
1. Методика системного анализа системы топливоснабжения в составе энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий может быть использована при решении задач повышения эффективности генерации и потребления энергоресурсов на предприятиях газовой отрасли;
2. Разработанные программные модули расчета показателей эффективности топливной системы в составе информационно-аналитической системы планирования, учета и нормирования потребления и генерации топливно-энергетических ресурсов используются производственным отделом на Астраханском газоперерабатывающем заводе и могут быть внедрены на аналогичных предприятиях по переработке углеводородного сырья для перспективного планирования и оперативного анализа фактических показателей объекта;
3. Разработанные перспективные направления повышения эффективности использования топлива и предложенные новые технические решения по совершенствованию системы топливоснабжения энергетического комплекса предприятий газопереработки позволяют выработать стратегию его модернизации и совершенствования в условиях увеличения степени конверсии и глубины переработки сырья.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается теорией, построенной на известных принципах и подходах системного анализа сложно структурированных объектов, использованием фундаментальных положений математики, теоретических основ теплотехники и термодинамики. Разработанные математические модели и методы расчета не противоречат законам сохранения массы и энергии и согласуются с результатами экспериментальных данных, полученных при энергоаудите ряда предприятий газопереработки.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика системного исследования и математического моделирования системы топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий.
2. Методические положения оценки термодинамической и экономической эффективности технических решений по повышению эффективности топливной системы энергетического комплекса.
3. Результаты рационализации системы топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий с утилизацией горючих отходов и интеграцией с внешней системой энергообеспечения.
Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Теплоэнергетика» и ПНИЛ ТЭУ и СЭ СГТУ имени Гагарина Ю.А., на Международных конференциях: «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2010); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-24» (Саратов, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Найновите научни постижения - 2012» (София, 2012); International Congress on Information Technologies - 2012 (ICIT-2012) (Саратов, 2012); XIV Международной конференции «Проблемы управления в сложных системах» (Самара, 2012); VIII Midzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Dynamika naukowych bada – 2012» (Перемышль, 2012); Международной молодежной научной школы «Энергосбережение – теория и практика» (Томск 2012); XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-25» (Волгоград, 2012); III International research and practice conference «European Science and Technology» (Мюнхен, 2012); International research and practice conference «Science, Technology and Higher Education» (Вествуд, 2012); Восьмой Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2013» (Иваново, 2013); 2nd International Conference of Informatics and Management Sciences – ICTIC-2013 (Жилина, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации – 258 страниц, включая 63 рисунка, 14 таблиц, 158 литературных источников и 6 приложений.
