Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Энергетический комплекс газоперерабатывающих предприятий и анализ методов исследования его эффективности 11
1.1 Характеристика энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий. Состояние и пути повышения эффективности 11
1.2 Методы исследования энергетического комплекса ГПП. Анализ выполненных исследований по проблеме повышения эффек тивности энергетического комплекса 25
1.3 Цели и задачи исследования 42
Глава 2. Методические положения системного анализа энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий 43
2.1 Основные положения системного подхода к анализу эффективности энергетического комплекса ГПП 43
2.2 Выбор и обоснование показателей эффективности энергетического комплекса и методика их расчета 53
2.3 Основные положения энергетического обследования энергетического комплекса ГПП 59
2.4 Методические положения нормирования потребления топливно-энергетических ресурсов ГПП 63
2.5 Методические положения расчета системной эффективности мероприятий по повышению энергетической эффективности ЭК ГПП 68
Глава 3. Системный анализ энергоэффективности ЭК ГПП 78
3.1 Математические модели подсистем энергетического комплекса газо перерабатывающих предприятий 78
3.2 Информационно - аналитическая система расчета, планирования и нормирования потребления ТЭР 120
3.3 Оценка системной эффективности функционирования энергетического комплекса 127
3.4 Сопоставительный анализ нормативных и фактических показателей энергопотребления 143
Глава 4. Экономическая эффективность мероприятий по повышению энергетической эффективности ГПП (на примере АГПЗ) 161
4.1 Оценка потенциала энергоэффективности ЭК ГПП 161
4.2 Разработка и ранжирование энергосберегающих мероприятий 165
4.3 Экономическая эффективность создания источника теплоэнерго -снабжения 172
Заключение и выводы 183
Список использованных источников 186
Приложения
- Методы исследования энергетического комплекса ГПП. Анализ выполненных исследований по проблеме повышения эффек тивности энергетического комплекса
- Выбор и обоснование показателей эффективности энергетического комплекса и методика их расчета
- Информационно - аналитическая система расчета, планирования и нормирования потребления ТЭР
- Разработка и ранжирование энергосберегающих мероприятий
Введение к работе
Актуальность темы. В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 года приоритетными направлениями развития энергетического сектора экономики страны являются создание высокоэффективных энергетических систем и комплексов и решение задач рационального использования энергетических ресурсов (ЭР) в энергоемких отраслях. Согласно стратегии развития и модернизации энергетики ОАО «Газпром» системы обеспечения ЭР предприятий по переработке газа и газового конденсата будут развиваться в направлении газосбережения и создания совершенных энергетических комплексов на основе автономных источников электроснабжения и теплоснабжения.
Одновременно требует решения проблема совершенствования энергетического комплекса (ЭК) действующих газоперерабатывающих предприятий (ГГШ), представляющего собой многоуровневую техническую систему взаимосвязанных по потокам ЭР внутрипроизводственных энергоустановок различных типов и назначений и технологических агрегатов, потребляющих одни и генерирующих другие виды ЭР. При этом генерация тепловой энергии в технологических агрегатах ГГШ составляет более половины потребления ЭР, и в условиях рационального построения ЭК позволяет полностью обеспечить тепловой энергией технологические процессы с температурным диапазоном 150-ь240°С. Особенностью ЭК ГГШ является его взаимосвязь с внешними системами энергообеспечения, поскольку этот объект является частью топливно-энергетического комплекса страны не только по потокам ЭР, но и по технологическим товарным потокам - газу, стабильному конденсату, широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), дизельному и котельно-печному топливу, бензину и другим продуктам переработки газа и газового конденсата.
Решение задач совершенствования ЭК ГГШ, оптимизации его структуры, повышения эффективности потребления и генерации ЭР во многом зависит от режимов работы ГІДІ, особенностей технологических процессов каждого аг регата и установки, состава перерабатываемого сырья, климатических условий и других факторов, которые, как правило, не стабильны. В условиях внедрения новых энергосберегающих технологий переработки углеводородного сырья на предприятиях ОАО «Газпром», развития действующих и создания новых газохимических комплексов, создания индустрии синтетических жидких топлив, потребуется соответствующее энергетическое обеспечение технологических производств и создание высокоэффективных систем энергообеспечения, входящих в структуру ЭК ГІДІ.
Цель работы: системный анализ и обоснование направлений повышения эффективности энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий (на примере АГПЗ).
Объект исследования: энергетический комплекс одного из крупнейших в структуре ОАО «Газпром» предприятий по переработке гетерогенного углеводородного сырья - Астраханского газоперерабатывающего завода (АГПЗ), многопрофильного предприятия, системы энергообеспечения которого включают подсистемы снабжения топливом, электрической и тепловой энергией, сжатым воздухом, водородом, азотом, водой из оборотных систем водоснабжения. Задачи исследования:
1. Разработка методики системного анализа и обоснование показателей энергетической эффективности энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий.
2. Математическое моделирование расчета энергетических характеристик оборудования и подсистем энергетического комплекса с учетом технологических, режимных, климатических факторов и взаимосвязей между подсистемами.
3. Разработка информационно-аналитической системы планирования и нормирования потребления ТЭР.
4. Разработка, экономическое обоснование и ранжирование технических решений, направленных на повышение эффективности энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий.
5. Технико-экономическое обоснование создания комбинированного источника электрической и тепловой энергии для энергообеспечения газоперерабатывающего предприятия (на примере АГПЗ).
Научная новизна:
1. Разработаны методические положения системного анализа эффективности энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий, включающие структурирование объекта, установление взаимосвязей между топливной, электро- и теплоэнергетической подсистемами, технологическими установками и внешними системами энергообеспечения, оптимизацию структуры и режимов эксплуатации комплекса.
2. Обоснована система показателей энергетической эффективности энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий на всех уровнях иерархии объекта, позволяющая определить рациональную структуру подсистем и характеристики эксплуатационных режимов генерации/ потребления энергоресурсов.
3. Разработаны математические модели и программы расчета характеристик энергетического комплекса, необходимые для системной оценки энергетической эффективности газоперерабатывающих предприятий с учетом внутренних и внешних взаимосвязей между подсистемами, технологических, режимных и климатических факторов.
4. Создана и защищена патентом РФ информационно-аналитическая система (ИАС) планирования, учета и нормирования потребления ТЭР на предприятии для решения оптимизационных задач по развитию подсистем энергетического комплекса, режимам эксплуатации оборудования, рациональным направлениям использования энергоресурсов.
5. Разработана методика оценки и выявлено влияние технологических, режимных и климатических факторов на величину потенциала энергетической эффективности подсистем энергетического комплекса.
6. Разработаны, обоснованы и ранжированы технические решения по повышению энергетической эффективности энергетического комплекса, включая создание источника комбинированной выработки электрической и тепловой энергии (ПГУ-ТЭЦ) для энергообеспечения газоперерабатывающего предприятия.
Практическая ценность:
1. Разработанная методика системного анализа энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий может быть использована при решении задач повышения эффективности использования ЭР на предприятиях, перерабатывающих углеводородное сырье - Сосногорском, Оренбургском ГПЗ, Оренбургском гелиевом заводе, Сургутском заводе стабилизации конденсата и Уренгойском управлении подготовки газа к транспорту, а также на 27-ми действующих в настоящее время крупных нефтеперерабатывающих заводах.
2. Информационно-аналитическая система планирования, учета и нормирования потребления/генерации энергоресурсов используется в настоящее время на АГПЗ и может быть внедрена на всех предприятиях по переработке углеводородного сырья для перспективного планирования и оперативного анализа фактических показателей объекта.
3. Разработанные направления повышения эффективности использования ЭР и методика экономического обоснования энергосберегающих мероприятий позволяют оценить перспективы развития энергетического комплекса и выработать стратегию его модернизации и совершенствования в условиях увеличения степени конверсии и глубины переработки сырья.
Автор защищает: концепцию системного исследования и математического моделирования энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий; методические положения оценки энергетической и экономической эффективности технических решений по повышению его эффективности; информационно-аналитическую систему планирования и анализа эффективности потребления ЭР; технические решения рационализации энергетического комплекса ГПП на базе комбинированного источника энергоснабжения. Личный вклад автора заключается в следующем:
- Разработаны методические положения и выполнен системный анализ эффективности энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий с установлением взаимосвязей между топливной, электро- и теплоэнергетической подсистемами, а также технологическими процессами и внешними системами энергообеспечения.
- Разработаны и реализованы в виде алгоритмов и программ математические модели элементов энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий и выполнены численные эксперименты при меняющихся технологических, режимных, климатических факторах.
- Разработана информационно-аналитическая система и решен комплекс оптимизационных задач по структуре объекта, режимам эксплуатации оборудования; планированию и нормированию потребления / генерации различных видов энергии, топлива, вторичных энергоресурсов.
- Выполнено экономическое обоснование и структурирование технических решений по повышению эффективности энергетического комплекса.
- Обоснована эффективность создания комбинированного источника энергоснабжения ПТУ-ТЭЦ в структуре энергетического комплекса газоперерабатывающего предприятия.
Работа выполнена на кафедре «Теплоэнергетика» в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» под руководством кандидата технических наук, профессора Ларина Евгения Александровича.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Теплоэнергетика» СГТУ, Межвузовской научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 1-3 ноября 2004 г), VIII Международной конференции «Проблемы современной элек тротехники» (Киев, 2004 г), Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 12-15 сентября 2007 г), Семинаре «Создание и внедрение комплексных ІТ-систем управления на предприятиях энергетической отрасли. Опыт. Проблемы. Перспективы» (Саратов, 4 апреля 2008 г), XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 27-30 мая 2008 г).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в книге [70] и 19 печатных работах [52-69, 156], в том числе 2-х публикациях в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 249 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 51 рисунок, 22 таблицы, 18 приложений. Список использованных источников включает 205 наименований.
Автор выражает благодарность научному руководителю кандидату технических наук, профессору Ларину Евгению Александровичу за внимательное руководство и помощь при выполнении работы. Автор признателен коллективам кафедры «Теплоэнергетика», Проблемной научно-исследовательской лаборатории теплоэнергетических установок электростанций и систем энергообеспечения ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» за ценные советы и замечания, высказанные в процессе подготовки и обсуждения диссертации.
Методы исследования энергетического комплекса ГПП. Анализ выполненных исследований по проблеме повышения эффек тивности энергетического комплекса
Методы исследования сложных систем, к которым, безусловно, относится ЭК ГПП, объединяют взаимосвязанные направления - фундаментальные исследования на основе общих закономерностей энергетических и технологических процессов, математическое моделирование с различной степенью формализации описания элементов системы, экспериментальные исследования на действующих объектах. Обзор публикаций отечественных и зарубежных авторов по вопросам анализа, оптимизации энергоиспользования и повышения системной эффективности ЭК ГПП показал, что эти задачи могут быть эффективно решены только при условии комплексного подхода с учетом различных аспектов этой проблемы и концептуальных положений каждого из названных направлений методологии исследования сложных систем.
Для удобства анализа все рассмотренные публикации по проблеме повышения эффективности ЭК ГПП условно разделены на три группы.
В первой группе объединены общие концептуальные вопросы развития ЭКГГШ, в том числе вопросы эффективности электростанций собственных нужд на базе парогазовых установок (ПТУ), с учетом использования ВЭР во взаимосвязи с основными технологическими процессами переработки газа, газового конденсата и нефти [1, 2, 5-Ю, 12, 16-20, 24-26, 28, 31, 33, 71, 74, 79, 83, 93, 101, 102, 106-110, 118, 119, 121, 124, 126, 130, 131, 135, 137, 139-141, 143, 144, 146, 148-151, 153-155, 161-163,167, 176-178, 183-185, 190, 192, 197].
Ко второй группе отнесены публикации по методологии системного анализа объектов энергетики, математического моделирования элементов и подсистем ЭК ГПП, формализованного описания процессов и оборудования, разработки баз данных [4, 11, 15, 23, 36, 38-41, 50, 51, 72, 76-78, 81, 82, 87-89, 92, 95, 96, 100, 111-115, 120, 134, 138, 147, 152, 158, 164-166, 169, 170, 179, 180, 182, 186, 187, 193, 198, 200, 201, 204]. Сюда включены также работы, где обсуждаются некоторые принципиальные положения формирования систем управления энергетическим хозяйством предприятий на основе современных информационных технологий [13,21,22, 75, 80, 85, 90, 91, 98,142,159, 160, 168, 191, 199, 205].
В третью группу включены публикации с результатами экспериментальных исследований энергопотребления в технологических процессах и энергетических характеристик оборудования ГПП (энергетического аудита) [30, 86, 104, 105, 125], а также вопросам нормирования потребления энергоресурсов [73, 127, 132, 133, 172]. В литературных источниках первой группы отмечается, что приоритетным направлением развития ЭК предприятий по переработке углеводородного сырья является повышение энергоэффективности принимаемых технических решений [148 — 150], разработка которых в соответствии с основными принципами [163] начинается с анализа эффективности энергосистемы предприятия.
Наиболее полно исследования энергетических систем и комплексов выполнены для предприятий по переработке нефти и нефтехимических производств [9, 119, 137, 197]. В монографии И.Т. Багирова, И.М. Кардаша [9] приведена характеристика всех энергетических систем нефтетехнологических и нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ). Рассмотрены типовые технологические установки и аппараты с позиций потребления и генерации энергоресурсов, приведены основные источники вторичных ЭР, определены и обоснованы направления уменьшения энергозатрат и повышения эффективности использования ЭР. В качестве показателей эффективности использованы КПД агрегатов (печей и теплообменных систем), а также экономия топлива в соответствующих производствах. Аналогичные направления экономии энергоресурсов на НПЗ приведены в работах зарубежных авторов [137, 197].
Общие положения методики инвестиционного анализа проектов для нефтегазовой индустрии, тепловых электростанций (ТЭС) и ТЭЦ на базе ПТУ приводятся в работах [1, 2, 6, 7, 25, 93, 119, 146]. В [1, 2, 6, 7, 93] подчеркивается, что важным условием экономической обоснованности инвестиционного проекта электроэнергетического объекта является сохранение его эффективности при отклонении основных стоимостных показателей (удельных капитальных вложений, цены топлива, тарифов на электрическую и тепловую энергию) от принятых в расчете. В работах [25, 119, 146] особое внимание уделяется технологическим решениям основных производств и точности оценки капитальных вложений. Параметры объектов энергетического хозяйства обобщены в этих работах в эксплуатационных затратах, зависящих от объема продукции. Эти затраты, по мнению авторов, легко и надежно могут быть определены с помощью традиционных инженерных расчетов, что не корректно с точки зрения современных системных показателей эффективности комплексных объектов.
Методические принципы распределения затрат (в том числе энергетических) в комбинированном производстве по переработке химического сырья сформулированы в работе [102]. Однако условные примеры использования рекомендуемой методики приведены для сланцеперерабатывающей и сланцехи-мической промышленности. Не учтены также современные экономические показатели и критерии оценки экономической эффективности.
Многие технические решения, предложенные в [9], были реализованы на действующих НПЗ, где и в настоящее время продолжаются работы по совершенствованию энергетического хозяйства. Так, на Рязанском НПЗ [151] с целью максимального использования собственных топливных ресурсов и уменьшения зависимости от внешних источников тепловой энергии была построена, собственная котельная с выработкой 100 т/ч пара (Р=4 МПа, t = 400C) и внедрены мероприятия по максимальному использованию тепловых ВЭР.
Приведенные в монографии [9] основные направления повышения энергоэффективности отдельных процессов и установок могут быть реализованы на аналогичных производствах ГІДІ. Однако при формировании рациональной структуры ЭК ГПП и оптимальных режимов ее функционирования необходимо учитывать ряд существенных отличий основных технологических процессов газопереработки от процессов переработки нефти и нефтехимии.
Среди эксплуатационных особенностей газоперерабатывающих производств, оказывающих значительное влияние на энергоемкость основных и вспомогательных технологических процессов можно выделить следующие факторы: - уменьшение значения пластового давления приводит к снижению давления сырьевого газа и нестабильного конденсата на входе перерабатывающих установок. Поэтому для обеспечения нормальной работы требуется с течением времени ввод дополнительных мощностей (дожимных компрессоров, насосов, сепарационного и холодильного оборудования), что приводит к изменению структуры энергетического комплекса и к увеличению энергетической составляющей эксплуатационных затрат; - при изменении состава сырья в зависимости от пластового давления, как правило, происходит уменьшение концентрации в добываемом газе тяжелых фракций газового конденсата. При этом снижается как конденсатный фактор (содержание углеводородов С5Н12+ в газе), так и количество нестабильного конденсата, получаемого при переработке газоконденсатной смеси, что также отражается на энергопотреблении установок; - непостоянство режима эксплуатации установок, связанное с изменением состава сырья, приводит к изменению состава и качества материальных потоков, к изменению температуры и давления в отдельных аппаратах. Это, в свою очередь, влияет на энергетические затраты в установках. Например, с уменьшением плотности конденсата имеет место снижение температуры низа дебутанизаторов установок стабилизации конденсата, что приводит к изменению режимов эксплуатации теплопотребляющего оборудования и систем охлаждения этих установок. В ряде случаев возможно также уменьшение количества газов дегазации, что приводит к снижению надежности работы дожимных компрессоров, уменьшению выхода продукции на установках переработки этих газов, увеличению затрат топливного газа на собственные нужды из сети товарного газа; - качественные показатели и выход продукции зависят от климатической зоны и времени года. Поэтому близкие по составу газы и нестабильные конденсаты перерабатываются как по разным, так и по однотипным схемам на разных режимах по давлению и температуре, с разными удельными затратами энергоносителей; - повышенные расходы тепловой энергии и хладоносителей на ГПП в аналогичных НПЗ установках разделения и фракционирования; - наличие энерготехнологических агрегатов большой производительности, вырабатывающих тепловую энергию в условиях переменных режимов эксплуатации по составу и параметрам сырья.
В результате совокупности воздействия указанных факторов при увеличении времени эксплуатации ГГШ его технико-экономические показатели снижаются и увеличиваются удельные затраты энергоносителей. Это обстоятельство требует индивидуального подхода к формированию ЭК ГПП.
В работе Бекирова Т. М. [12] приведена подробная классификация, результаты теоретических и экспериментальных исследований и анализ работы технологических схем ряда установок очистки, осушки и отбензинивания природных и попутных газов. Системы энергоснабжения в этой работе представлены фрагментарно, с указанием, что их параметры и структура позволяют варьировать параметры процессов и, следовательно, влиять на эксплуатационные затраты.
Выбор и обоснование показателей эффективности энергетического комплекса и методика их расчета
Для оценки совершенства и исследования направлений повышения эффективности ЭК ГПП разработана система показателей энергоэффективности отдельных элементов (агрегатов, производств, подсистем) как на стадии проектирования объекта, так и на стадии его эксплуатации.
На стадии эксплуатации элементов и подсистем ЭК ГПП использован ряд отчетных показателей предприятия. Для проектируемых и действующих ГПП разработаны показатели, характеризующие эффективность генерации / потребления ЭР на различных уровнях иерархии объекта.
Основными отчетными показателями предприятий, характеризующими потребление энергоресурсов, являются следующие удельные величины. Различают фактическое удельное потребление ТЭР, характеризующее состояние ЭК в анализируемый период времени, и нормативное удельное потребление, которое не имеет в настоящее время утвержденной базы и ориентировано на проектные (регламентные) показатели установок и производств газопереработки.
Общим недостатком удельных показателей (2.9)-(2.13) является отсутствие взаимосвязей как внутри установок и подсистем ЭК, так и связей ЭК и технологических процессов, установок и производств. Это не позволяет определить потери в отдельных подсистемах ЭК и установить их зависимость от различных влияющих факторов и параметров. Так, например, приведенные в табл. 1.7 удельные показатели для действующих ГПП не позволяют оценить эффективность использования энергоносителей на том или ином ГПП путем простого сопоставления, поскольку предприятия перерабатывают различное сырье в товарную продукцию с разной степенью конверсии.
Некоторые возможности унификации удельных показателей энергопотребления, отнесенных к единице перерабатываемого сырья, имеются в том случае, если в дополнение к (2.9)-(2.13) ввести показатель, учитывающий долю легких углеводородных фракций (метан, этан, пропан) в сырьевой компоненте zc=EvCh (2.16) где єс -удельная характеристика энергопотребления (ЕуД,ЕТ,Еэ,Ед или Е), приходящаяся на долю легких компонентов углеводородного сырья; Ev - соответствующий удельный показатель, рассчитанный по (2.9)-(2.13); С1 - суммарное относительное содержание легких компонентов в сырье.
Для анализа перспективных направлений развития ЭК ГПП в соответствии с меняющимися технологическими и внешними условиями и номенклатурой выпускаемой продукции необходимо использовать удельные показатели, отне сенные к какой-либо характеристике выпускаемой продукции (технологической или технико-экономической).
Очевидно, что в (2.17) вся выпускаемая продукция должна быть выражена в одинаковых единицах измерения. Полученный с использованием (2.17) удельный показатель энергоемкости выпущенной продукции будет носить «валовой» характер, не отражающий ее номенклатуру и ценность на потребительском рынке. Кроме того, ориентация предприятий на увеличение глубины переработки сырья может привести к перераспределению долей ТЭР выпущенной продукции, при одинаковом объеме общего выпуска, в сторону увеличения более энергоемких продуктов — этана, бензинов, продукции газохимии.
Поэтому обобщающей характеристикой выпущенной продукции должна быть технико-экономическая, отражающая ее стоимость в современных экономических условиях. Такой характеристикой является энергоемкость ГПП по выпускаемой продукции, т. е. затраты всех видов ТЭР (в тоннах условного топ к лива) к стоимости реализованной продукции Rt = (( Ц% ).
Использование функциональных зависимостей (2.19), которые в конечном итоге отражают энерготехнологический баланс ГПП, позволяет выполнить всесторонний анализ ЭК и нормирование потребления ТЭР для действующих предприятий по показателям (2.9) - (2.13).
Системы технологического теплоснабжения (пароснабжения) имеют наиболее сложные внутренние взаимосвязи с технологической системой. Кроме того, теплоснабжение ГПП представляет собой многоуровневую структуру по параметрам генерируемого пара (см. рис. 1.2).
После формирования системы показателей эффективности ЭК ГПП реализуется второй этап решения проблемы — разрабатывается методическое и информационно-программное обеспечение.
Методическое обеспечение разработано для двух типов исследований - экспериментальных, проведенных на действующем объекте, и для теоретического анализа и численных экспериментов на основе математического моделирования.
Информационно - аналитическая система расчета, планирования и нормирования потребления ТЭР
Информационно-аналитическая система (ИАС) расчета, планирования и нормирования потребления ТЭР в ЭК ГПП разработана на основании приведенных выше моделей элементов, результирующих данных документального и инструментального анализа, выполненных в рамках энергетического аудита ГПП, разработанных норм и нормативов потребления ТЭР. Реализация ИАС осуществляется на всех уровнях иерархии предприятия с задаваемой технологической структурой и составом оборудования.
Назначение ИАС: 1) перспективное планирование (на любой период времени - месяц, квартал, год и т.д.) потребления ТЭР и водопотребления на основании сведений о компонентном составе перерабатываемого сырьевого потока и планируемого графика эксплуатации оборудования установок и производств по переработке газа и газового конденсата;
2) анализ фактического потребления ТЭР по эксплуатационным данным предприятия за соответствующий период времени с определением показателей эффективности использования / генерации энергоресурсов для работающего оборудования, установок, производств;
3) оптимизация потребления ТЭР путем нормализации энерготехнологического баланса на основе имитационного моделирования с изменением структуры ТС и ЭК ГПП, параметров и режимов эксплуатации оборудования, установок, производств.
На основе ИАС для АГПЗ решен следующий комплекс взаимосвязанных задач: рассчитаны материальные технологические внутрипроизводственные полупродуктовые потоки отдельных установок и производств, потоки сырья и товарной продукции всего предприятия в целом; определены потоки всех видов ТЭР, а также воды (деминерализованной технологической, питательной котлов, технологической оборотной) и стоков. сформированы балансы по видам используемых / генерируемых ТЭР (фактический, нормализованный, обобщенный); определены показатели эффективности потребления / генерации ТЭР, для каждой технологической установки, производства, предприятия в целом; выполнен анализ отклонения фактического удельного потребления / генерации ТЭР для каждой установки, производства, предприятия в целом от соответствующего нормативного показателя; определены направления совершенствования режимно-конструктивных характеристик оборудования, установок, производств ТС и ЭК ГПП с целью оптимизации использования ТЭР. Б1—структурированные данные, сгруппированные по отдельным установкам и производствам ГПП и по видам потребляемых / генерируемых ТЭР, основному энергопотребляющему технологическому оборудованию производств и установок по переработке газа и газового конденсата и генерирующему тепловую энергию (энерготехнологические агрегаты, котлы-утилизаторы, котлы производственной котельной).
Информация представлена в виде различных форм. Простейшая форма - в виде электронных таблиц, содержащих сведения энергетического паспорта (с указанием удельных показателей потребления ТЭР, которые позволяют оценить долю каждой установки в показателях всего предприятия), и данные по конструктивным характеристикам оборудования, коэффициентах его загрузки и другими параметрами. Другой формой представления информации в данном блоке является реляционная база данных. Отдельные данные на примере технологических трубчатых печей и результаты расчета расхода топливного газа на уровне аппаратов приведены в приложении П14. Кроме этого в блоке содержатся принципиальные схем трубопроводов пара различных параметров и парового конденсата, топливного газа, а также функциональные схемы технологических и теплогенерирующих установок ТС и ЭК ГПП.
Б2 — регламентные расходные нормы сырья, реагентов, энергии и проектные материальные балансы производств. Информация включает сведения из технологических регламентов отдельных производств: сепарации пластового газа высокого давления; очистки газа от сероводорода и оксида углерода; получения серы по методу Клауса и Сульфрен, пропанобутановой фракции; осушки и отбензинивания газа; стабилизации конденсата; промывки и компримирова-ния газов стабилизации; переработки газового конденсата; фильтрации загрязненных стоков и сжигания промотходов и других производств, которые входят в структуру АГПЗ.
БЗ — фактические удельные значения среднестатистического потребления / генерации ТЭР в технологических установках по переработке газа и газового конденсата. В блоке содержатся структурированные данные (форма представления аналогична блокам Б1, Б2) статистической обработки фактических показателей производств, определенных при энергетическом аудите предприятия.
Б4 — методики нормирования потребления ТЭР на предприятиях по переработке газа, газового конденсата и нефти. Взаимосвязанные расчетные методики предназначены для составления материального баланса, балансов потребления электроэнергии, топливного газа, тепловой энергии, расчетов выхода ВЭР, потребления воды и водоотведения. Методики базируются на результатах экспериментальных исследований на типовых технологических установках переработки газа и газового конденсата, результатах данного научного исследования и отраслевых научно-исследовательских организаций газовой отрасли.
Б5 - моделирующие программы, разработанные с применением различных языков программирования. Элементы блока представлены в виде электронных таблиц Microsoft Excel. Блок включает иерархически структурированную базу взаимосвязанных программ, выходы которых используются в других блоках ИАС. Программы разработаны на основании моделей функций системы и моделей данных, описание которых приведено в разделе 3.1. Организационная программа блока Б5 разрабатывается в соответствии со структурной схемой, приведенной на рисунке 2.3. Отличительной особенностью блока является его взаимосвязь с другими блоками ИАС, что уменьшает количество дополнительно вводимой информации. Кроме того, в программах расчета предусмотрены диалоговые операции, позволяющие получить необходимые сведения о проектных параметрах производств, чтобы можно было выполнить сравнение действительных режимов работы и регламентированных. Расчеты могут выполняться одновременно для балансов всех видов ТЭР, основу которых составляет материальный баланс производств по переработке газа и газового конденсата (разрабатывается комплексный энерготехнологический баланс), или отдельно по каждому виду материальных и энергетических потоков.
Итоговым результатом блока в зависимости от решаемых задач являются следующие характеристики элементов ЭК и ТС ГПП и всего предприятия: энерготехнологический баланс предприятия за расчетный период времени с указанием выхода товарной продукции и количества потребленных / выработанных ТЭР; фактические абсолютные и удельные показатели потребления / генерации ТЭР установкам, производствам, предприятию; показатели эффективности использования / генерации ТЭР, для любого элемента ЭК и ТС ГПП. Б6 — структурированная информация в виде ГОСТов, РД, инструкций, правил, указаний, методик по вопросам энергосбережения и нормирования потребления ТЭР, а также отраслевого (ОАО «Газпром») указателя нормативной документации по всем вопросам. Формой представления информации блока является гипертекстовый документ, структурированный по различным признакам содержащейся информации: тип документа, последний год утверждения, содержание (методика расчета тех или иных видов ТЭР, методика нормирования, терминология и т.п.), предметно-алфавитному принципу и другим классификационным признакам. Наиболее актуальные нормативно-методические документы содержат полный текст. Информация позволяет получить представление по отдельному вопросу энергопотребления, нормирования ТЭР, составу показателей эффективности использования ТЭР в соответствии с практическим интересом специалистов газоперерабатывающей отрасли. Б7 — структурированные данные о результатах измерений расходов ТЭР и других параметров ЭК и ТС ГПП в характерных режимах работы оборудования и результаты статистической обработки измерений. Результаты измерений дополнены расчетными показателями отклонения фактического потребления установок от проектного, что позволяет скорректировать удельные показатели потребления ТЭР в соответствии с динамикой эксплуатационных режимов. Б8 — инструкции пользователю информационно-программным обеспечением. Форма представления информации в данном блоке аналогична блоку Б6 с удобной для пользователя классификацией по различным признакам — тип базовой модели программы (модель функций или модель данных), место элемента в блочно-иерархической структуре ГПП, назначение расчета.
Разработка и ранжирование энергосберегающих мероприятий
Оценка эффективности энергосберегающих инвестиционных проектов должна производилась на основе сложившихся в мировой практике общих принципов [117]. Каждое техническое решение оценивалось по системе показателей, отражающих соотношение затрат и результатов, основные из которых приведены в экономико-математической модели ЭК ГПП (раздел 2.5).
Для ЭК АГПЗ, при небольших объемах инвестиций, в технико-экономическом обосновании (ТЭО) решений по повышению эффективности использования ТЭР и снижению удельного энергопотребления применены наиболее простые показатели - изменение эксплуатационных затрат и срок окупаемости инвестиций в реализацию проекта (без дисконтирования). Энергосберегающие мероприятия рассмотрены для каждой подсистемы энергообеспечения и всего ЭК АГПЗ в целом. Все технические решения носят системный характер, но условно по преобладающему эффекту могут быть отнесены к базовым подсистемам: - электроэнергетической - применение регулируемого привода насосов и вентиляторов АБО, САУ низковольтными конденсаторными компенсирующими установками, устройств плавного пуска асинхронных двигателей, локальных систем водоснабжения с эжекционными охладителями воды компрессорных станций; дополнительных конденсаторных установок. Внедрение указанных решений позволит снизить годовой расход электроэнергии на 4,2%; - топливной и технологической - применение интенсифицированных те-плообменньгх аппаратов с развитой поверхностью теплообмена для нагрева технологических потоков и воды, конденсатоотводчиков — разделителей фаз установок сепарации, установок подогрева обессоленной воды с аппаратами струйного типа. Комплекс этих мероприятий обеспечивает сокращение расхода топливного газа на 1,3-1,7%; - теплоэнергетической — утилизация пара в паровых винтовых машинах и пароэжекторных холодильных установках, применение эффективных конденсатоотводчиков, установок подготовки воды питьевого качества на основе мембранной технологии. Потребление тепловой энергии при внедрении этих проектов сократится более чем на 8%.
Технические характеристики оптимизационных решений по режимам эксплуатации АВО приведены в приложении П18. Расчеты выполнены для конденсатора парогазовой смеси, поступающей с верхней части десорбера установки очистки отсепарированного газа, по приведенной в 3.1 математической модели АВО и разработанной на ее основе моделирующей программе оптимизации расхода воздуха. Для поддержания рассчитанных оптимальных эксплуатационных режимов с экономичным способом регулирования вентиляторов предложено применить стабилизирующую температуру выходного потока систему автоматического управления электродвигателями, основанную на преобразователях частоты питающего напряжения (проект №8).
Аналогичную систему регулирования предлагается применить в системах оборотного водоснабжения. На насосных станциях с несколькими агрегатами частоту вращения регулируют обычно у одного - двух насосов.
Результаты комплексной оптимизации расходных характеристик, включая расходы воздуха в градирне, для одной из систем водоснабжения АГПЗ приведены в приложении П18.
Одной из основных проблем при внедрении разработанных мероприятий является их ранжирование в соответствии с критериями эффективности, определяющих суть решаемой задачи - рационализацию энергоиспользования в системе. Для этой цели в работе использован разработанный американским ученым Т. Саати «метод анализа иерархий» (МАИ) [147, 201].
Метод состоит в декомпозиции проблемы на простые составляющие и дальнейшей последовательности суждений исследователя, принимающего решение, с помощью матриц парных сравнений. В результате работы с матрицами рассчитываются относительные степени взаимодействия элементов в иерархии, и выбирается наилучшая с точки зрения общей цели альтернатива.
Первый этап МАИ заключается в представлении задачи внедрения энергосберегающих мероприятий в иерархической форме. На первом уровне находится общая цель - энергетическая эффективность системы. На втором уровне на 168 ходится п - факторов или критериев, уточняющих цель. Принято пять критериев - коэффициент рационализации энергоиспользования КРЭ, инвестиции в проект (капитальные затраты) К, срок окупаемости Ток, интегральный эффект ЧДЦ, индекс доходности ИД. На последнем третьем уровне иерархии задачи находятся альтернативы — энергосберегающие мероприятия.
Второй этап сопряжен с построением матрицы парных сравнений для второго уровня. При этом критерии сравниваются друг с другом с точки зрения цели на первом уровне. Таким образом, получается квадратная матрица суждений A ={cijj}. Выбор количественных суждений осуществляется из шкалы 1/9, 1/8, 1/7, ... , 1, 2, ..., 9. Парные сравнения проводятся в терминах доминирования одного из элементов над другим.
Если разделить ИС на число, соответствующее случайной согласованности матрицы того же порядка, получим отношение согласованности (ОС), величина которого должна быть порядка 0,1 (10%) или менее, чтобы быть приемлемой для практики. В некоторых случаях можно допустить 00=0,2 (20%), но не более. Если ОС выходит из этих пределов, то исследователю приходится заново изучить задачу и проверить свои суждения. Ниже даны средние согласованности для случайных матриц разного порядка, составленных из суждений по количественной шкале 1/9, 1/8, ... , 1, 2, ... , 9 [147].
Внедрение перечисленных мероприятий по совершенствованию подсистем ЭК АГПЗ позволяет снизить потребление ТЭР на 28 — 34 тыс. т у. т. в год, т.е. на 2,2 — 2,8% от общего потребления. При этом удельное потребление ТЭР, в расчете на 1000 м перерабатываемой газоконденсатной смеси, может быть снижено до 0,253 т у. т.
Для всей газоперерабатывающей подотрасли при реализации перечисленных направлений и мероприятий только на двух крупных газоперерабатывающих предприятиях - ОГПЗ и АГПЗ, суммарное потребление ТЭР может быть снижено на 17—18 кг у. т. на 1000 м перерабатываемого сырья.
При разработке стратегии развития и реконструкции ЭК 11111 основным направлением является разработка проектов собственных электрогенерирующих установок с приводом от паровых и газовых турбин.
Основные положения системного анализа ЭК ГПП, разработанные моделирующие алгоритмы и программы ИАС ТЭР позволяют определить экономическую эффективность таких проектов для различных схемных решений источника теплоэнергоснабжения.
