Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор энергоэффективности технологий ТЭК и газовой промышленности РФ 8
1.1 Актуальность проблемы повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов 8
1.2 Потенциал газовой промышленности в топливно-энергетическом комплексе страны 14
1.3 Системные модели в анализе комплексных проблем топливно-энергетического комплекса 26
2 Системный анализ производственных структур предприятий по переработке природного газа 35
2.1 Анализ базовой производственной структуры газоперерабатывающих предприятий 35
2.2 Системный анализ технологической структуры производства сепарации и очистки газа 41
2.3 Анализ структурной организации производства получения серы 46
2.4 Системный анализ технологической структуры производства нефтепродуктов и сжиженного газа 49
2.5 Анализ производственной структуры получения товарного газа 56
3 Структурный анализ систем энергообеспечения газоперерабатывающего предприятия 60
3.1 Анализ системы топливоснабжения 60
3.2 Комплексный анализ системы теплоснабжения 63
3.3 Анализ системы воздухоснабжения и водоснабжения 71
3.4 Структурный анализ системы электроснабжения 71
4 Комплексный анализ эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на предприятии 80
4.1 Системный анализ эффективности использования топливного газа на предприятии 80
4.2 Математическое моделирование теплоснабжения предприятия 96
4.3 Модельный анализ системы водоснабжения предприятия 129
4.4 Расчетный анализ показателей электропотребления на предприятии 134
5 Разработка основных направлений и мероприятий по повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов 145
5.1 Направления и мероприятия энергосбережения в системах теплоснабжения 145
5.2 Основные направления и мероприятия энергосбережения в системе электроснабжения предприятия 159
5.3 Разработка автоматизированных систем управления энергоснабжением предприятия 162
5.4 Разработка прикладного программного обеспечения АСУЭ теплоснабжения 168
Заключение 177
Список литературы 178
Приложение
- Актуальность проблемы повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов
- Анализ базовой производственной структуры газоперерабатывающих предприятий
- Анализ системы топливоснабжения
- Системный анализ эффективности использования топливного газа на предприятии
Введение к работе
Высокая энергоемкость российского промышленного производства является одной из важнейших проблем, влияющей на эффективность всех сфер промышленного производства. В период структурных перестроек за последние 10 лет она дополнительно возросла на 22% и в настоящее время превышает среднемировой показатель в 2,3 раза, а по странам ЕС в 3,1 раза.
В соответствии со «Стратегией развития топливно-энергетического комплекса России до 2020 года» энергоемкость ВВП должна снизиться к 2020 году примерно в 2 раза, в том числе за счет реализации политики энергосбережения - на 30-35%.
Важнейшим направлением является энергосбережение в топливно-энергетическом комплексе, на долю которого приходится 35-40% от общего потенциала энергосбережения. Основным в балансе первичных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) России является газ, объем потребления которого в 2005 году был 470 млн. т у.т., что составило 50,6% от всего потребления ТЭР.
По энергоемкости газовая промышленность занимает второе место в хо-зяиственном комплексе страны после электроэнергетики. Важной подотраслью газовой промышленности является сфера переработки газа и конденсата, производящая ценную народнохозяйственную продукцию - товарный и сжиженный газ, бензин, дизельное и котельное топливо, стабильный конденсат, серу, стоимость которой постоянно возрастает и является крупной доходной статьей бюджета страны. Поэтому уменьшение энергоемкости предприятий переработки газа, приводящее к снижению себестоимости и цены выпускаемой продукции, к повышению конкурентоспособности, является важным, актуальным направлением.
Целью настоящей диссертационной работы является системный анализ эффективности использования ТЭР региональных предприятий по переработке природного газа и разработка направлений и мероприятий по совершен-
ствованию систем энергоснабжения технологических производственных процессов, обеспечивающих снижение энергоемкости производств и повышение их конкурентоспособности в условиях современных экономических отношений.
Основными методами исследования являются методы системного и структурного анализа, методы статистического анализа, системные методы энергетики, методы теории графов, методы энергетических балансов, методы теории тепловых систем, теплообмена, гидромеханики.
Научная новизна и значимость работы характеризуется следующими результатами:
Поставлена и решена задача системного анализа комплексной эффективности использования ТЭР отраслевого газоперерабатывающего предприятия.
Разработаны методология, подходы и критерии оценки энергетической эффективности технологических производств переработки газа, выявлены и исследованы показатели качества их функционирования.
Разработан комплекс системных математических моделей, описывающих энерготехнологические взаимосвязи и взаимодействие сырьевых, продуктовых и энергетических ресурсов газоперерабатывающего предприятия.
Предложены способы и методики снижения энергоемкости технологий базовых производств газоперерабатывающего предприятия.
Разработаны системно обоснованные энергосберегающие направления и реализующие их мероприятия по совершенствованию технологических процессов переработки газа.
Практическая значимость диссертации заключается в обосновании направлений и разработке системы конкретных мероприятий по снижению энергоемкости технологических процессов на предприятиях по переработке газа. Результаты работы использованы в реальном производстве, привели к существенному уменьшению затрат ТЭР и дали значительный экономический эффект. Материалы диссертации внедрены в учебный процесс в системе повышения
квалификации ОАО «Газпром» и в Самарском государственном техническом университете на кафедре «Управление и системный анализ в теплоэнергетике».
Апробация работы. Диссертационное исследование выполнялось в рамках отраслевых программ ОАО «Газпром». Под руководством и при участии автора разработаны Программа работ по созданию и внедрению систем качественного водоснабжения и экологически чистого водоотведения на объектах ОАО «Газпром» - «Чистая вода Газпрома», 2002 г.; Программа работ по созданию эффективного и устойчивого теплоснабжения на объектах ОАО «Газпром» - «Эффективное теплоснабжение Газпрома на 2003 - 2007 г.г.», 2003 г; Программа реконструкции систем теплоснабжения предприятий ОАО «Газпром», 2004 г.; Программа реконструкции тепловых сетей предприятий ОАО «Газпром» на 2006 - 2008 г.г. с использованием передовых технологий и материалов, 2005 г.
Результаты докладывались на Международном обучающем семинаре работников газовой промышленности (Австрия, г. Вена, 1998 г.); на научно-техническом совете ОАО «Газпром» (г. Санкт-Петербург, 1999 г.); на Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» (г. Уфа, 2005 г.); на отраслевом совещании специалистов по вентиляции (г. Краснодар, 2005 г.); на Всероссийской конференции «Энергетика. Энергосбережение» (г. Саратов, 2003 г.); на Международной научно-технической конференции «Автоматизация и производственный контроль» (г. Тольятти, 2006 г.); на ежегодных совещаниях главных энергетиков и главных теплоэнергетиков ОАО «Газпром» (1985-2006 г.г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 17 публикациях.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
Методология системного анализа комплексной эффективности использования ТЭР отраслевого газоперерабатывающих предприятий.
Методики и критерии оценки энергетической эффективности производств переработки газа.
Результаты оценки энергоемкости производственных газоперерабатывающих технологий.
Системно-обоснованные направления энергосберегающей политики на предприятиях переработки газа.
Диссертационное исследование включает в себя введение, пять глав, заключение, список использованной литературы и приложения.
Актуальность проблемы повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов
Восстановление и дальнейшее развитие экономики страны в значительной степени зависит от того, насколько быстро удастся повысить эффективность использования энергии. Энергоемкость производимой в России продукции намного превышает показатели развитых стран - она примерно в два раза выше, чем в США, и в 3,5 раза выше, чем в Западной Европе. Кризисные процессы в экономике в период реформ еще в большей степени увеличили этот разрыв. Возросли потери энергии из-за малой нагрузки и холостого хода энергоемкого оборудования, нарушений технологических процессов. По оценкам экспертов потери составляют около одной трети производимой энергии. Основными направлениями в реализации политики энергосбережения является проведение технологического совершенствования и структурной перестройки энергоемких отраслей производства, сокращение потерь при производстве энергии и топливных ресурсов, их транспорте и потреблении. Принятый Государственной Думой Федеральный закон «Об энергосбережении» создал правовую основу и определил направленность политики энергосбережения. Появилась реальная возможность дальнейшей разработки законодательных и нормативно-правовых актов, регулирующих региональную политику и практику энергосбережения. Необходимыми условиями успешной реализации концепции энергосбережения являются: - подготовка и принятие пакета законодательных и нормативно-правовых актов, регулирующих взаимоотношения в области энергосбережения; -разработка научно-обоснованных комплексных программ энергосбережения во всех секторах экономики; - экономическая целесообразность и финансовое обеспечение внедрения энергосберегающих технологий и технических решений. Главными задачами практической реализации политики энергосбережения являются: - разработка и реализация целевых программ энергосбережения; - внедрение систем контроля, учета и регулирования тепловой и электрической энергии; - проведение энергетических обследований предприятий и производств; - развитие децентрализованных источников энергоснабжения; - содействие внедрению энергосберегающей техники и технологий; - организация выпуска энергоэффективного оборудования и средств измерений; - вовлечение в топливный баланс нетрадиционных местных и возобновляемых топливно-энергетических ресурсов; - создание информационной базы по энергосбережению и энергосбере- гающей технике; - подготовка кадров в области энергосбережения; - разработка предложений и создание пакетов нормативно-правовых ак тов по реализации энергосберегающей политики. На первых этапах реализации программ энергосберегающих мероприятий основное внимание должно уделяться оснащению потребителей приборами учета и контроля за расходованием топлива и энергии, осуществлению эффек тивных малозатратных проектов по энергосбережению, отработке правовых механизмов и системы управления энергосбережением, решению организаци онных вопросов по совершенствованию режимов и регламентов работы энерге- тического оборудования. На следующих этапах, после приобретения опыта разработки и внедрения энергосберегающих проектов, накопления достаточных финансовых ресурсов, подготовки квалифицированных кадров, должен быть осуществлен переход к более масштабным капиталоемким мероприятиям и проектам, структурной перестройке энергетической базы в различных отраслях экономики, созданию компьютеризированной информационной системы контроля, потребления и расходования топливно-энергетических ресурсов по отраслям и энергоемким предприятиям. Законом российской федерации «Об энергосбережении» определены основные принципы энергосберегающей политики государства, государственного управления энергосбережением, надзора за эффективным использованием энергетических ресурсов. Закон носит общий характер. В нем нет четкого механизма формирования финансовой базы и экономических инструментов энергосбережения. Необходимо, с учетом отраслевой и региональной специфики, создавать конструктивную нормативно-правовую базу энергосбережения, реализующую общие принципы государственной политики в этой сфере. Одним из действенных методов экономии и концентрации финансовых средств на цели стимулирования энергосбережения является энергоаудит, понимаемый не только как энергетическое обследование, а как элемент комплексной системы управления энергосбережением, включающий вопросы нормирования, стандартизации, сертификации, организации системы контроля и учета расходования энергии, разработки технических и организационных мероприятий по повышению эффективности использования топлива и энергии, сырьевых и материальных ресурсов. Существенным этапом создания такой комплексной системы является разработка правовой основы энергоаудита. Наибольший потенциал энергосбережения существует в сферах транспорта, распределения и потребления топлива и энергии. Его реализация возможна лишь на основе проведения системы организационных и технических мероприятий, создания соответствующей материальной базы. Следует шире внедрять коммерческий учет энергоносителей. Для этого нужны следующие организационно-технические мероприятия: -разработка концепции учета тепловой и электрической энергии и потребления природного газа на базе единой технической политики, требований к их технологическим и стоимостным характеристикам;
Анализ базовой производственной структуры газоперерабатывающих предприятий
Основой базового производственного процесса предприятия переработки газа и газового конденсата (далее в качестве типового предприятия рассматривается Астраханский газоперерабатывающий завод) является подготовка и переработка пластового газа. Конечной продукцией переработки являются товарные продукты: товарный горючий газ, техническая газовая сера, сжиженный газ, бензин, дизельное и котельное топливо. Бензин получают основных, наиболее распространенных марок - А-76, А-92, АИ-93, АИ-95. Пластовый газ подается на предприятия с промысла газа. Он представляет собой по составу и фазовому состоянию сложную многокомпонентную систему (пластовую смесь): углеводороды предельного ряда, неорганические газы, углеводы пиридинового ряда, сераорганические соединения, нафтеновые кислоты, углеводородный конденсат, пластовая вода (с растворенными в ней соединениями солей). Неорганические газы содержат, в основном, сероводород H2S, углекислый газ СОг, а также азот N2 , водород Н2 , аргон Аг, гелий Не. Расчетный (мольный) состав основных компонентов пластового газа составляет: метан - 49,98%, этан - 1,61%, пропан - 0,97%, и-бутан - 0,15%, н-бутан - 0,37%, С5 - 0,48%, С6+ в - 5,12%, С02 - 14,22%, H2S - 24,65%. Параметры пластового газа, поступающего на завод: давление рабочее, не более 69 кгс/см (абс); давление расчетное 112 кгс/см (абс); температура = 30-+35С. Структурно весь технологический процесс предприятия состоит из четырех производств: - производство сепарации и очистки газа; - производство получения серы; - производство нефтепродуктов и сжиженного газа; - производство конденсата и товарного газа. Каждое производство, в свою очередь, состоит из базовых технологических установок. Основу технологической структуры производства сепарации и очистки газа составляют следующие объекты: - установки сепарации пластового газа высокого давления (СГ); - установки очистки газа от сероводорода и окиси углерода (ОГ). Производство получения серы состоит из семи установок получения эле ментарной серы из кислых газов (ПС). Производство конденсата и товарного газа включает агрегаты: - установки осушки и отбензинивания газа (00); - установки очистки и компримирования газов стабилизации и выветривания конденсата, содержащих сероводород и окись углерода (ОК); - установки стабилизации конденсата и обработки сточных вод (СК). Технологическая структура производства нефтепродуктов и сжиженного газа состоит из объектов: - комплекса переработки конденсата. Он включает в себя: - установки атмосферной перегонки стабильного конденсата (AT); - газофракционные установки производства сжиженных газов (ГФ); - установки вторичной перегонки и очистки пропан-бутановой фракции (ВП); - установки гидроочистки (ГО); - установка каталитического риформинга (КР); -установки фильтрации загрязненных вод и сжижения промотходов (ФВ). В производственный комплекс входят также: - установка подсобных средств по конденсации, улавливанию газового бензина от факельных коллекторов (КУ); - установка топливоподготовки и топливоподачи (ТТ); - установка приема конденсата и подачи его в качестве питательной воды (ПК); - установка приема антивспенивателя и подачи его на установку сероочистки (ГС); - факельное хозяйство; - объекты общепромышленного назначения; - вспомогательные службы; - внутризаводские системы энергетического обеспечения. Структурная технологическая схема основных производств предприятия представлена на рисунке 2.1. В соответствии с этой структурой поступающая на предприятие пластовая смесь в установках сепарации пластового газа разделяется на три основных потока: отсепарированный газ, нестабильный конденсат и пластовую воду. Отсепарированный газ очищается от кислых компонентов на установке очистки газа (ОГ) проходит осушку и отбензинивание на установке осушки и отбензинивания (00) и как товарный газ по подается к потребителю. Нестабильный конденсат проходит через установку стабилизации конденсата (СК) на установку очистки пропан-бутановой фракции (ВП). Пластовая вода направляется на установку нейтрализации пластовых вод (НВ), откуда откачивается на полигон для закачки в пласт. Кислые газы с установок очистки и компримирования газов (ОГ, ОК, ПБ) направляются на установку производства серы (ПС). Здесь из них получают серу техническую (жидкую и комовую). Далее жидкая сера поступает на установку грануляции, на которой получают серу газовую гранулированную. Газ стабилизации установки стабилизации конденсата и обработки стоков (СК) и газы выветривания установки аминовой очистки (ОГ) поступают на предварительную очистку в установку очистки и компримирования газов стабилизации (ОК). В ней получают углеводородный обессеренный газ, который возвращается в установку очистки газа от сероводорода и окиси углерода (ОГ). Из стабильного конденсата на установках очистки пропан-бутановой фракции (ВП), гидроочистки (ГО) и каталитического риформинга (КР) получают нефтепродукты и сжиженные газы.
Анализ системы топливоснабжения
Для обеспечения объектов газоперерабатывающего предприятия топливным газом и для нужд технологии используется очищенный и осушенный газ собственного производства. Предусмотрены два источника питания топливной сети завода: - отбор газа перед дожимными компрессорами товарного газа установок осушки и отбензинивания газа. Газ на этих установках редуцируется до давления 6 кгс/см2, после чего подается в топливную сеть и сеть резервного топлива котельной; - отбор газа из коллектора товарного газа после установки осушки и отбензи-нивания. Далее он редуцируется до давления 6 кгс/см и также подается в сеть топливного газа. Из сети топливного газа газ подается на печи технологических установок базовых производств, в котельную предприятия, на факела и на продувку аппаратов. В производстве переработки стабильного конденсата в качестве топлива для трубчатых печей используется газ собственного производства, получаемый на установках комбинированной гидроочистки и каталитического риформинга с добавлением недостающего количества топливного газа из заводской сети товарного газа. Процесс подготовки топливного газа - смешение и отделение конденсата -осуществляется в комплексе установок сепарации, осушки газа и переработки газового конденсата. Параметры топливного газа из заводской сети: давление - 0,6 (6.0) МПа (кгс/см2); температура - 40С. Теплота сгорания QHP = 9850-13000 ккал/нм3; плот-ность - 0,8 кг/нм . Структурные схемы систем обеспечения предприятия топливным и товарным газом приведены на рисунках 3.1, 3.2. Характеристика основного оборудования, потребляющего топливо в постоянном режиме, приведена в Приложении Б в таблице Б.1. Наряду с приведенным в таблице Б.1 базовым оборудованием в состав системы топливоснабжения входят установки вспомогательных средств для обезвреживания промышленных отходов и сжигания горючих компонентов. Поскольку теплота сгорания отходов невелика, а компонентный состав содержит негорючие элементы, для эффективного сжигания шлама используется топливный газ из заводской сети. На установке сжигания промотходов сжигается аминовый шлам и отработанный активированный уголь. Для сжигания используется вращающаяся печь с загрузочным бункером и центробежным дутьевым вентилятором. При сжигании угольных отходов в печь подается также водяной пар для снижения температуры горения во избежание перегрева печи. Газовые отходы, содержащие углеводородные компоненты, диоксид углерода, сероводород а также забалластированные водяными парами и азотом, сжигаются на факелах высокого и низкого давления установок. Предусмотрена утилизация теплоты уходящих дымовых газов огнетехни-ческих установок. Для этого за паровыми котлами установлены воздухоподогреватели, позволяющие снизить температуру газов до 160 - 180С. За нагревательными технологическими печами установлены котлы - утилизаторы и подогреватели газа. Это позволяет получать достаточно высокие значения КПД теплообменных аппаратов. Базовым теплоносителем, обеспечивающим функционирование основных производств газоперерабатывающего предприятия является технологический пар различных параметров. Снабжение паром ГПП осуществляется от трех взаимосвязанных систем, включающих парогенерирующие и паропотребляющие установки и агрегаты и трубопроводную сеть. Система энергоснабжения пара высокого давления (VH, Р = 39 кг/см ) включает в себя объекты: - паровые котлы котельной предприятия БКЗ 75/39; - редукционно-охладительные установки; - конденсационную турбину для привода компрессора установки катали- тического риформинга; - трубопроводы пара высокого давления. Структура системы теплообеспечения паром высокого давления приведена на рисунке 3.3. Система пара среднего давления (VS, Р = 24 кг/см ) включает в себя элементы: - котлы-утилизаторы энерготехнологических агрегатов установок полу чения серы; - редукционно-охладительные установки РОУ 24/6 2x200 и РОУ 24/6 40; -турбины газоперекачивающих агрегатов установок осушки и отбензинивания газа; - технологические установки производств, использующие для обогрева пар среднего давления (стабилизации конденсата, обработки сточных вод и др-); - трубопроводы пара среднего давления. Структура системы теплообеспечения паром среднего давления приведена на рисунке 3.4.
Системный анализ эффективности использования топливного газа на предприятии
Проведем анализ использования топливного газа на базовых производствах и технологических установках предприятия. Топливный газ используется на собственные нужды во всех технологических установках при производстве всех видов продукции предприятия - серы, товарного газа, стабильного конденсата, бензина, мазута, дизельного топлив, сжиженных газов. Исходной сырьевой составляющей для получения топливного газа на технологическое производство и собственное энергетическое потребление является отсепарированный газ, который также получается на предприятии. Производство топливного газа для собственных нужд требует значительных затрат энергии на его получение. В таблице 4.1 приведены плановые и фактические данные по объемам выпуска продукции технологических производств и установок, использующих товарный газ. Видно, что для целого ряда технологических производств фактические объемы выпуска существенно отличаются от проектных. Установки сепарации и сероочистки газов, производство серы, электрообессоливания, гидроочистки, вторичной перегонки и риформинга имеют загрузку, достаточно близкую к проектной величине, отличаясь от нее на 4-13%. Объемы выпуска продукции установками очистки, осушки, отбензинива-ния газов и первичной переработки углеводородного сырья отличаются от проектных на 17-24%. Технологические установки очистки и компримирования газов, стабилизации газового конденсата, грануляции серы, имеют загрузку, отличающуюся от проектной на 49-63%. Такое существенное различие объясняется произошедшими за 25 лет работы предприятия значительными изменениями состава и характеристик исходных сырьевых ресурсов с последующими, в ряде случаев кардинальными, изменениями технологических схем и загрузок ряда установок. Наличие таких существенных различий вызывает необходимость тщательного изучения реальных характеристик и режимов работы производств, анализ потребляемых ими сырьевых и энергетических ресурсов. В таблице 4.2 приведены данные по объемам потребления топливного газа основными производствами и базовыми технологическими установками Видно, что главным потребителем топливного газа является производство нефтепродуктов. Далее идут производство серы и цех пароснабжения. Производства обработки конденсата и товарного газа потребляют меньшие объемы первичного, топливного газа. В таблице 4.2 приведены также удельные расходы топливного газа на единицу произведенной продукции. Наиболее энергоемкими (топливоемкими) являются также производства нефтепродуктов и серы. На рисунке 4.1 приведены данные по объемам потребления топливного газа основными производствами предприятия с их поквартальной разбивкой. Ежемесячная динамика потребления газа на собственные нужды производств в сопоставлении с объемами произведенной ими продукции приведена на рисунке 4.2. Анализ данных, приведенных на рисунках 4.1 и 4.2, показывает относи тельно равномерный характер потребления газа на собственные нужды техно- логических производств. Исключение составляет производство нефтепродуктов и сжиженного газа, технологический процесс установок которого в большей степени зависит от изменяющегося состава пластовой смеси и различного количества получаемых товарных продуктов (бензина, дизтоплива, топочного мазута, пропан-бутановой фракции). Цех пароснабжения в связи с сезонным потреблением тепловой энергии на цели отопления и производственной системы вентиляции имеет также неравномерное потребление топливного газа в течение года. Для анализа сложившегося положения дел в области расходов газа на предприятии были проведены расчеты балансов и удельных расходов топлив- % ного газа по основным производствам и базовым технологическим установкам. Блок-схема выполнения расчетов приведена на рисунке 4.3.
