Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблемы нефтепереработки и направления развития 10
1.1. Современные проблемы нефтепереработки 10
1.2. Основные сорта нефтяного сырья и проблемы при поступлении некачественного сырья на НПЗ 13
1.3. Состав и основные компоненты нефти 18
1.4. Критерии и классификации разделения сырья на различные группы 21
1.5. Краткий обзор группового состава нефтей 23
1.6. Обзор технологических схем переработки нефти 26
1.7. Краткая характеристика методов исследования и испытания нефтей 40
1.8. Роль программного обеспечения в улучшении работы НПЗ 45
Выводы по главе 1 54
Цели и задачи исследования 54
Глава 2 Исследования нефтей российских месторождений 56
2.1. Исследование нефтей на аппарате АРН-2 56
2.2. Определение фракционного состава на аппарате SIMDIST методом имитированной дистилляции 64
2.3. Определение плотности 73
2.5. Определение температуры застывания 79
2.6. Определение кинематической вязкости 82
2.7. Определение температур помутнения и застывания 87
Выводы по главе 2 89
Глава 3 Моделирование смесей нефтяного сырья оптимального состава и описание предлагаемого научно методологического подхода 90
3.1. Краткое описание использованного программного обеспечения 90
3.2 Четкость разделения нефтяной смеси на установках АВТ 98
3.3. Наработка вариантов смешения на примере модели установки АВТ в программе HYSYS 106
3.4. Изменение технологии приготовления товарных светлых дистиллятов 123
3.5. Расчет экономического эффекта при использовании научно-методологического подхода и новой технологии приготовления товарных топлив 127
3.6. Описание предлагаемого научно-методологического подхода и результаты его применения 129
Выводы по главе 3 135
Общие выводы 136
Литература 137
Приложение А 152
Приложение Б 153
Приложение В 154
Список использованных методов испытаний. 154
- Основные сорта нефтяного сырья и проблемы при поступлении некачественного сырья на НПЗ
- Исследование нефтей на аппарате АРН-2
- Краткое описание использованного программного обеспечения
- Описание предлагаемого научно-методологического подхода и результаты его применения
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время общей задачей нефтеперерабатывающих заводов является повышение глубины нефтепереработки и увеличение выхода светлых дистиллятов из перерабатываемого нефтяного сырья. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 года, утвержднной распоряжением Правительства РФ от 13.11.2009 года, одним из ключевых вызовов российской нефтяной отрасли является значительное повышение глубины переработки нефти. Для сравнения, глубина переработки нефти на зарубежных НПЗ достигает до 100 % (например, в Японии), в то время как глубина переработки некоторых российских НПЗ на уровне 50-60 % (например, глубина переработки ООО «Ильский НПЗ» 53%).
В связи с разработкой новых месторождений Татарии, Башкирии и Оренбургской области, начиная с 2009 года, состав поставляемой на НПЗ России нефти изменился. Прием высокосернистой, тяжелой нефти в магистральную транспортную систему существенно увеличился, что привело к ухудшению качества выпускаемых продуктов на нефтеперерабатывающих предприятиях.
По магистральному трубопроводу поступает смесевая нефть под брендом Urals с низким потенциальным содержанием светлых дистиллятов. На некоторые заводы на переработку поступает смесь нефтей по магистральному трубопроводу и по железной дороге, причем состав их постоянно меняется. Переработка такого сырья представляет значительные сложности из-за нестабильных физико-химических показателей нефтей из разных источников поступления.
Несмотря на большое количество работ по вопросам первичной переработки, проблема подготовки смесевого сырья и определение рецептуры смешения мало освещена публикациями в современной научной литературе. Отметим, что изменение свойств добываемых нефтей носит периодический характер, нет системных и регулярных исследований качества добываемых нефтей.
Исследование узких фракций нефтей разного состава с последующим грамотным компаундированием смеси нефтей с использованием современных прикладных программ может оказать влияние на увеличение выхода светлых дистиллятов и глубины переработки.
В настоящее время большое внимание уделяется внедрению инновационных и современных материалов и методов работы в топливно-энергетическом комплексе. Для решения задач, стоящих перед предприятиями нефтяной отрасли для оперативного изменения режима работающих технологических установок, рекомендуется применение компьютерных программ для оценки влияния изменения параметров работы АВТ на процесс выработки продукции и увеличения выхода светлых дистиллятов.
Поэтому задача формулирования общего научно-методологического подхода для определения рецептуры компаундирования смеси нефтей разного состава и увеличение выхода светлых дистиллятов при одновременной ректификации смеси нефтей разного состава является актуальной и практически значимой для нефтяной отрасли.
Цель исследования: Поиск оптимальной рецептуры компаундирования нефтяного сырья, оценка изменения глубины переработки смесевой нефти для повышения эффективности процесса перегонки с использованием программы HYSYS, адаптация технологического режима работы установки АВТ при изменяющемся составе нефтяного сырья с целью увеличения выхода светлых дистиллятов, определение новой технологии получения дизельного топлива.
Основные задачи исследования:
-
Изучить изменение процентного соотношения целевых светлых фракций, суммы светлых фракций и глубины переработки при смешении компонентов (на примере пяти нефтей из разных источников). Выявить отклонения при анализе фракционного состава при перегонке смесевых компаундов в лабораторных условиях и с помощью использования программного обеспечения.
-
Провести анализ зависимости выхода светлых фракций путем загрузки данных по смесевой нефти в модель HYSYS и актуализации технологических параметров в имитационной модели установки первичной переработки нефти.
-
Провести экономическую оценку при изменении технологических параметров установки АВТ в модели HYSYS на существующей технологической схеме.
-
Сформулировать научно-методологический подход для использования в работе предприятий независимо от состава перерабатываемого нефтяного сырья для повышения выхода светлых фракций без модернизации технологической схемы.
5. Предложить новую технологию смешения керосиновой и дизельной
фракций для увеличения выхода светлых дистиллятов. Оценить отбор светлых
фракций при изменении технологии.
Научная новизна:
-
Впервые предложен научно-методологический подход к подготовке смеси нефтей переменного состава для подбора рецептуры компаундирования, который позволяет определить максимальный выход светлых дистиллятов и повысить глубину переработки до 74,5% с использованием программного обеспечения HYSYS.
-
Полученные экспериментальные и расчетные результаты позволяют расширить теоретические представления об одновременной ректификации смеси нефтей разного состава с учетом тенденции изменения качества нефти Urals.
-
Впервые предложена новая технология приготовления товарного экспортного дизельного топлива путем смешения прямогонной дизельной (190-370С) и керосиновой (140-200С) фракций, при этом достигается увеличение выхода светлых дистиллятов на 3,8%, отбор светлых фракций от их потенциального содержания в нефти составляет 101,9%.
Практическая значимость работы:
1. По результатам расчетов в программе HYSYS установлено, что достигается увеличение глубины переработки при добавлении к нефти Urals до 35% легких нефтей без изменения технологических параметров работы установки АВТ по результатам расчета в программе HYSYS.
-
Подтверждена возможность дополнительного увеличения глубины переработки нефти до 74,5%, выход светлых фракций увеличился до 59,2% по расчетам в программе HYSYS при изменении технологических параметров работы установки АВТ (температуры, давления, подачи пара), этим достигается эффективная переработка поступающей смеси без существенных материальных вложений в производство.
-
Рассчитанный экономический эффект при использовании новой технологии приготовления товарного экспортного дизельного топлива может достигать до 3,6% от годовой прибыли предприятия.
-
Полученные экспериментальные и расчетные данные могут быть использованы для построения и актуализации иммитационных моделей установок первичной переработки нефти на других НПЗ для определения рецептур компаундирования сырья из разных источников, а также расчета глубины переработки нефтей независимо от состава поступающей на переработку нефти.
-
Проведен анализ изменения технологического режима АВТ с использованием программного обеспечения по сравнению с действующим режимом работы, который может привести к увеличению выхода светлых дистиллятов на 0,21% и достижению экономического эффекта до 234 млн. рублей в год без изменения технологической схемы, с учетом рационального смешения 15% Зайкинской нефти, 20% Червленной нефти и 65% нефти Urals.
-
Предлагаемый научно-методологический подход может быть использован для дополнения представления об одновременной ректификации нефтей разного состава в Информационно-техническом справочнике по наилучшим доступным технологиям «Переработка нефти» ИТС 30-2017.
-
Согласно справке от ООО «РН-Туапсинский НПЗ» предлагаемый подход рекомендован для использования в производственной деятельности для прогнозирования оптимальной рецептуры смеси нефтей и увеличения глубины переработки нефтяного сырья переменного состава.
-
Согласно акту о внедрении результатов научно-квалификационной работы (диссертации) ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет» будет дополнен курс лекций для студентов-магистров направления 18.04.01 «Химическая технология» в курсе «Современные технологии переработки нефти и газа».
Методология и методы исследования. Поставленные задачи решались путем оценки современной научной и технической литературы, проведения лабораторных исследований, которые включали: определение фракционного состава нефтей по ГОСТ 11011-85, определение плотности по ГОСТ 3900-85, общей серы ГОСТ P 51947 и сероводорода ГОСТ Р 50802, ГОСТ P 51947, температуры застывания ГОСТ 20287-91, кинематической вязкости ГОСТ 33-2000, температуры помутнения по ГОСТ 5066-91, экспрессный метод имитированной дистилляции (Simulаtеd Distillаtiоn — ИД) для определения фракционного состава по ASTM D 5307, также использовались программные продукты.
Положения, выносимые на защиту:
-
Новый научно-методологический подход для определения рецептуры смешения сырья различного физико-химического состава и определения выхода светлых фракций для повышения глубины переработки нефти.
-
Обоснование экономической эффективности предложенных решений (в том числе новой технологии) с учетом неаддитивных зависимостей выхода светлых целевых фракций для использования в системе производственного планирования НПЗ.
-
Повышение выхода светлых дистиллятов и увеличение глубины переработки нефти при внесении изменении технологических параметров режима работы АВТ по результатам адаптации технологического режима в программе HYSYS.
Степень достоверности результатов, приведенных в составе диссертационной работы, подтверждаются использованием современных средств измерений и стандартных методов анализа. Квалифицированное использование совокупности компьютерныхпрограмм обеспечивает высокую достоверность полученных результатов и извлекаемых на их основе выводов.
Личный вклад автора заключался в выполнении основного объема
теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в
диссертационной работе, включая постановку цели и задачи исследования, выборе методик экспериментов, непосредственном участии в их проведении, выборе технологии производства, анализе и обобщении экспериментальных результатов, формулировании обоснованных выводов при составлении материалов публикации и докладов.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на III
ежегодном Российском нефтегазовом Саммите «Нефтехимия и Газперерабтка
2017» (город Москва, 2017), доказательством возможности применения
предлагаемого подхода в процесс производства является справка о внедрении
ООО «РН-Туапсинский НПЗ», справка о внедрении результатов
диссертационной работы ФГБОУ ВО «Кубанский государственный
технологический университет».
Публикации результатов работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК при Минобрнауки РФ, 1 тезис доклада на конференции.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованных источников, списка приложений. Основная часть работы изложена на 136 страницах, 35 рисунков, содержит 35 таблиц, список литературы включает 151 наименование, приложения на 4 страницах.
Основные сорта нефтяного сырья и проблемы при поступлении некачественного сырья на НПЗ
Российская нефть имеет совершенно разное качество на месторождениях, расположенных в разных местах по всей территории страны. В Западной Сибири добывается наиболее дорогая легкая нефть с низким содержанием серы, на Урале и в Поволжье залегают "тяжелые" сорта с большим содержанием серы, стоимость которых намного меньше. В протяженных нефтепроводах все сорта нефти смешиваются, и на выходе получается "общероссийская" смесь Urals [18]. Российские компании, покупающие смеси Urals получают нефти любого качества по одной цене за один баррель.
По информации компании «Транснефть», начиная с 2009 года состав поставляемой на экспорт и на отечественные НПЗ нефти изменился: прием высокосернистой нефти в магистральную транспортную систему страны увеличился в этот период на 20 миллионов тонн. Эти объемы не были обеспечены соответствующими мощностями на предприятиях нефтепереработки. Российские НПЗ столкнулись с нестабильным качеством поставляемого нефтяного сырья, что привело к простоям и ухудшению качества продуктов. В 2014 году российским правительством было принято решение о стабилизации качества нефти, поставляемой на отечественные НПЗ. Прирост высокосернистой нефти постановили отправлять на экспорт.
В России увеличение добычи высокосернистой нефти составляет 2 млн тонн в год. Причиной этого являются разработки месторождений Татарии, Башкирии и Оренбургской области. В транспортную магистральную систему поступает нефть с осложненными характеристиками, на это существенно влияет старение месторождений, сокращается запас среднесернистых нефтей. Качество нефти, поставляемой по трубопроводному транспорту, существенно связано с технологией получения смеси, которая формирует сорта [30].
По информации ведущей компании формируется шесть экспортных сортов: четыре среднесернистых Urals с поставкой через порты Приморск, Новороссийск, Усть-Луга и нефтепровод «Дружба», малосернистый VSTO с поставкой через порт Козьмино и Siberian Light с поставкой через Новороссийск [30]. Экспортные сорта для западного и восточного направления основаны на ресурсах различных месторождений. В западном -смесь формируется из легкой сернистой нефти Западной Сибири (65%), высокосернистой и тяжелой нефти Урало-Поволжья (31%) и сернистой нефти Тимано-Печоры (4%) (рисунок 1). В восточном - сернистая нефть Западной (50%), Центральной (16%) и Восточной (34%) Сибири (рисунок 2).
На основании всех качков добычи сернистой и высокосернистой нефти меняется качественный состав Urals, постоянно увеличивается доля высокосернистой нефти и уменьшается доля Западной Сибири, что приводит к увеличению серы в составе экспортной нефти.
Следует отметить, что в 2012 году извлекаемые запасы высоковязкой нефти по России увеличились на 58,053 млн тонн [30]. Месторождения сверхвязкой нефти и природных битумов в России находятся территориально в Волго–Уральской (Татарстан, Удмуртия, Башкортостан, Самарская область и Пермский край), Восточно–Сибирской (Тунгусский бассейн) и Тимано– Печорской нефтегазоносных провинциях [76].
Россия является ключевым поставщиком энергоносителей на рынок Европы. Многие НПЗ региона покупают экспортную смесь Urals, поскольку были спроектированы для переработки именно российской нефти.
C российской нефтью в Европе конкурируют иракские сорта Basrah Light и Kirkuk, а после отмены санкций с Ирана в регион начнутся поставки нефти Iranian Light, качество которой сравнимо с Urals. Проекты практически всех отечественных НПЗ осуществляются в большей части по зарубежным технологиям и с использованием иностранного оборудования. Западные санкции на протяжении 2016-2017 гг. на ограничение поставок нефтегазового оборудования внесли свой негативный вклад в развитие нефтепереработки [150].
В последнее время качество Urals снижается, что вызывает обеспокоенность у потребителей. Существуют опасения, что в течение ближайших лет качество Urals упадет ниже стандартов, установленных «Траснефтью» - плотность 30,4 API (873 кг/м3), содержание серы до 1,8 % мас.
В ближайшей перспективе произойдет увеличение доли высокосернистых нефтей (с содержанием серы выше 2,0 % мас.), направляемых на переработку [95].
По данным МинЭнерго за 2017 год добыча сырой нефти (с учетом газового конденсата) составила 546 742,20 тысяч тонн, поставка нефтяного сырья на переработку составила 286 569,60 тысяч тонн сырой нефти, в первичную переработку нефтяного сырья на НПЗ поступило 279 545,30 тысяч тонн сырой нефти, на экспорт отправлено 256 925,70 тысяч тонн сырой нефти. Увеличение объемов по сравнению с 2016 годом составило до 2 %.
По данным авторской колонки Кирилла Молодцова для журнала «Нефтегазовая вертикаль» глубина переработки нефти по итогам 2017 года составила порядка 81%, что на 2 п.п. больше чем в 2016 году, также увеличился выход светлых нефтепродуктов с 55,7% в 2011 году до 62,1 % в 2017 году [3,41].
Всем известно, что URALS — это российская марка экспортной нефтяной смеси. Она формируется смешением в системе трубопроводов тяжелой высокосернистой нефти Урала и Поволжья с легкой малосернистой Западно-сибирской нефтью Siberian Light. Итоговое усредненное содержание серы в нефти сорта Urals составляет 1,5%, плотность 870 кг/м3.
Другая известная марка BRENT (Brent Crude) — эталонный (маркерный) сорт нефти. Фактически является смесью нефтей, добываемых на шельфовых месторождениях Brent, Oseberg и Forties между побережьями Норвегии и Шотландии в Северном море. Цена нефти Brent с 1971 года является основой для ценообразования около 40% всех мировых сортов нефти. Эта марка классифицируется как легкая малосернистая нефть, плотность при 20С около 825-828 кг/м3, содержание серы около 0,37%.
В соответствии с международной практикой, используемой при торговле нефтью, ее потребительскую ценность определяют в зависимости от плотности и содержания в ней серы [106].
В связи с вышеизложенным, назрела необходимость создания в России Концепции банка качества нефти. Банк качества призван устранить ценовую несправедливость - поставщики низкокачественного сырья, которое по своим качествам вязкое, с высоким содержанием посторонних механических примесей и серы, должны будут платить дополнительный "налог" своим соседям по трубе.
Аналогичные банки качества нефти существуют во многих нефтедобывающих странах. Например, база данных добычи углеводородного в Казахстане, позволяет идентифицировать партии нефти на этапах ее транспортировки, перевалки, хранения. В России отсутствие аналогичного банка качества не позволяет проводить мониторинг транзита, что ведет к смешиванию и замещению различных сортов "легкой" и "тяжелой" нефти.
Однако, данная инициатива по своей сути поможет НПЗ узнать, какое сырье поступает в переработку и, исходя из качества нефтяного сырья, подобрать наиболее подходящий технологический режим работы установок первичной переработки нефти.
В первую очередь, для целей данной работы необходимо исследование нефтей разных месторождений по отдельности для сбора сведений по полному набору показателей для дальнейшего анализа. При прогнозировании свойств нефтяных смесей традиционно используют упрощенные модели аддитивности, построенные для описания идеальных растворов. В некоторых последних экспериментальных работах было доказана ошибочность использования традиционных моделей для расчета плотности и вязкости смесей природных нефтей [13, 20,17,42].
При наличии полной характеристики исходного сырья современные программные продукты позволяют смоделировать смесь, наиболее приближенную к реальной характеристике смеси с учетом всех особенностей изменения различных свойств.
Постоянное изучение свойств нефтяного сырья позволяет создать базу данных по его качеству, которая может решить различные вопросы по оптимальной переработке, осуществить различные прогнозные расчеты по качеству промежуточных и целевых продуктов.
Исследование нефтей на аппарате АРН-2
Для проведения испытаний были выбраны представительные образцы сырьевых нефтей, преимущественно поступающие в первичную переработку на некоторые российские НПЗ. Данные образцы охватывают следующие группы и активы месторождений:
-сырьевой представительный образец №1 под названием «Urals» представляет собой смесь нефтей Северной и Центральной группы месторождений, Правдинского и Приобского регионов,
-сырьевой представительный образец №2 под названием «Новосергиевская» представляет собой смесь нефтей месторождений Восточного актива ПАО «Оренбургнефть»,
-сырьевой представительный образец №3 под названием «Червленная» представляет собой смесь нефтей всех месторождений ОАО «Грознефтегаз»,
-сырьевой представительный образец №4 под названием «Зайкинская» представляет собой смесь нефтей Первомайского актива ПАО «Оренбургнефть»,
- сырьевой представительный образец №5 под названием «Сорочинская» представляет собой смесь нефтей Покрово-Сорочинского актива ПАО «Оренбургнефть» [76].
Лабораторные испытания проводились в 2015-2016 гг.
Представительные образцы исходного сырья были исследованы на фракционный состав испытанием на аппар ате АРН-2 по ГОСТ 11011-85. На практике достаточно широко распространен метод определения фракционного состава нефти ASTM D 5307. Точность определения фракционного состава по ASTM D 5307 и ГОСТ 11011-85 недостаточно освещена в современных публикациях, поэтому при сравнении фракционного состава нефтей из разных меторождений либо от разных поставщиков следует обратить внимание на метод испытания. Предпочтительнее было бы сравнение результатов по выходу узких фракций для использования в дальнейшей работе по расчету глубины переработки, полученных одинаковыми методами. При проведении исследований и сопоставлении результатов определения фракционного состава нефтей методом имитированной дистилляции (ИД) и разгонкой по ГОСТ 11011-85 получены значения, показывающие, что разность результатов по итогам проведения испытаний в пределах воспроизводимости: менее 6% - отбор фракций до 200С; менее 8% - отбор свыше 200 до 320С; менее 5% - отбор свыше 320С (результат приведен в таблице 2 «Сопоставление определения фракционного состава нефти методами по ГОСТ 11011-85 и ASTM D 5307»). Минусом ИД можно отметить отсутствие возможности отбора узких фракций для дальнейшего их исследования.
Были получены данные по массовым долям выходов отдельных дистиллятов и оставшейся части в кубике от массы пробы всей пробы, полученной в процессе перегонки, все данные сведены в табличном виде. На основе экспериментальных данных составлен материальный баланс для процесса перегонки и определен суммарный выход узких фракций, также учитывается содержание газа. В материальном балансе учитывались потери при перегонке, их можно определить разностью от 100 % общего выхода полученных фракций и остатка. Значение потерь не более 2,5%.
На основании зависимости значений температур конца кипения отдельных фракций от выхода построены кривые истинных температур кипения перегоняемого нефтепродукта (ИТК).
По оси абсцисс откладывается суммарный выход узких фракций в процентах, на оси ординат - конечная температура кипения соответствующей фракции. Полученные точки соединяются плавной линией.
По кривой перегонки (ИТК) устанавлено потенциальное содержание в нефти отдельных фракций нефтепродуктов или их компонентов.
Результаты испытаний представлены в таблице 3 «Результаты разгонки нефтей на АРН-2».
Для более наглядного обозначения выхода светлых дистиллятов из каждого образца исходной нефти сформирован сравнительный график по кривым ИТК, который приведен на рисунке 14.
Из рисунка 14 видно, что наименьшее содержание светлых фракций содержится в нефти Urals, а наибольшее содержание светлых фракций содержится в нефти Зайкинского месторождения. Остальные нефти находятся примерно в одном диапазоне с небольшими отклонениями в зоне отбора керосиновой и дизельной фракций.
Краткое описание использованного программного обеспечения
Благодаря программным продуктам для планирования специалисты могут быстрее прорабатывать возможные варианты получения сырья и продуктов, принимать оптимальные решения в изменчивых условиях производства. Это позволяет подбирать оптимальные целевые показатели и осуществлять более точное планирование, увеличивая прибыль.
В процессе формирования математической модели используется огромное количество переменных, каждое из которых может оказать существенное влияние на результат получаемой в итоге картины производительности НПЗ. Главная задача при построении модели в разрезе данной работы - увеличение выхода светлых и получение более высокой маржи в процессе переработки смесей нефтей. Сложность составления матрицы заключается в уникальности свойств отдельных нефтей, отличающейся от них смеси нефтей, и технологии производства. Также следует учесть, что модель необходимо постоянно актуализировать с целью адекватного отражения действительности и реального процесса переработки. В данной работе найдут отражение некоторые аспекты составления модели, актуализации и формирование основных критериальных принципов для использования в работе НПЗ.
К примеру, при смешении разных марок нефтей должно обеспечиваться соответствие определенным требованиям по содержанию серы, фракционному составу, плотности и другим параметрам по качеству. При вводе данных для каждого из компонентов нефтяной смеси, используемых для смешения, ранее приходилось использовать оценочные значения для большинства из этих параметров. В связи с этим, использовались предположения, и данные в модели бывали неточными или неверными [113].
Для компенсации и минимизации ошибок был разработан способ улучшения данных в ходе решения модели. Внешняя программа исследовала оптимальное решение, созданное оптимизатором, и рассчитывала данные физических качеств нефтяных фракций на основании состава нефтяного сырья в решении. После этого из этих данных формировалась модель. Таким образом, оценочные данные заменялись более точными данными. Описанный процесс решения модели повторялся, пока изменения в рассчитанных данных не становились небольшими для удовлетворения допусков, указанных во внешней программе [124].
В Aspen PIMS интегрированы современнейшие аналитические инструменты - Spider Chart и PowerPivot на базе Microsoft Excel, с помощью которых представляются варианты выбора сырья. Оперативное сравнение одновременно нескольких вариантов смешения улучшают выбор оптимального сорта сырой нефти [118].
Aspen PIMS используется для оптимизационного производственного планирования переработки нефти на НПЗ. Структура исходных данных соответствует поточной схеме НПЗ, начиная от закупки сырья и материалов, технологии производства, процессами смешения продуктов и заканчивая отгрузкой продукции.
Модель Aspen PIMS НПЗ является частью интегрированной модели смешения нефти, технологии и распределения нефтепродуктов Aspen Petroleum Supply Chain Planner (DPO).
На основании общей технологической схемы НПЗ (пример приведен на рисунке 21) создается LP-модель нефтеперерабатывающего завода с набором совместных линейных уравнений, которую можно представить в виде матрицы в программе Excel.
Основные уравнения и ограничения матрицы расположены в строках, в столбцах расположены переменные значения, на пересечении указаны применяемые коэффициенты. Для решения сложной матрицы с множеством решений и переменных было определено оптимальное решение- целевая функция. В настоящей работе целевой функцией была задана маржа - чистая прибыль.
В данной работе программа Aspen PIMS позволила упорядочить исходные данные LP-модели в виде «дерева модели», к которому далее были составлены таблицы Excel, предназначенные для ввода исходных данных [81].
В ходе выполнения данной работы была создана модель установки АВТ в программе Aspen HYSYS по схеме, приведенной в главе 1. В программе Aspen PIMS автоматически была сформирована LP-матрица с определением решения и выбора наиболее оптимального варианта. В матрицу были загружены экспериментальные данные из главы 2.
Рисунок 22 показывает наглядно этапы рабочего процесса создания и обновления подмодели с использованием интеграции между Aspen HYSYS Petroleum Refining и Aspen PIMS [147]. Также описывает процесс формирования математической модели для расчета статических режимов работы колонны и прогнозирования значения ее выходных координат по измеренным значениям входных координат [49].
В ходе работы была сформирована оптимизационная модель, учитывающая такие факторы, как качество поступающего в переработку нефтяного сырья до смешения, промежуточные технологические потоки между установками, товарные нефтепродукты; вариации материальных балансов установок первичной переработки нефти при разных смесях нефтяного сырья и разных режимах работы установок; потребляемая энергия для работы установок; материально-технические ресурсы и их запасы для бесперебойной работы предприятия; максимальные мощности переработки, график ремонтов оборудования, время простоя; экономические составляющие - стоимость сырья, энергии, материалов, продуктов и иные параметры.
В решении моделей были учтены изменяющиеся параметры: качество компонентов сырья, промежуточных компонентов полупродуктов смешения, зависимость выхода светлых фракций от вида перерабатываемого сырья, нормы потребления энергоресурсов, реагентов, вспомогательных материалов. В этих целях в настоящей работе применялись мощные инструменты программного пакета Aspen Pims для определения выгодного плана производства.
Из полученных результатов исследований качества нефтяного сырья сформированы таблицы в Excel. Для удобства все данные были собраны в сводную таблицу в подходящем формате для уменьшения поиска параметров в исходных результатах испытаний с целью быстрой обработки массива информации.
Путем ранжирования числовых полей сводной таблицы, преобразования наборов данных, в сводных таблицах в табличном макете собирается наиболее полная информация по производств, качеству сырья, продукции, технологическому режиму работы установок первичной переработки нефти, потерям при переработке, глубине переработке и отбору светлых фракций, а также иные производственные факторы, которые могут влиять на прибыльность определенного предприятия (логистика, потребление топлива и т.д.).
В результате составления сводных таблиц факторного анализа наглядно прослеживались причины отклонений тех или иных параметров, затем с помощью факторной модели на основе индуктивного анализа выделялись основные группы параметров в денежном выражении.
В сформированной на основании полученных данных модели НПЗ, типичной по отрасли, получено процентное соотношение влияния факторов и выделен основной фактор, оказывающий наибольшее влияние - это качество нефти. Наглядно это показано на рисунке 23, где приведен тренд изменения плотности нефтяного сырья, поступающего в переработку на установку АВТ. Интервал фиксирования данных равен 1 минуте, период - 1 день, колебания плотности составили от 852 кг/м3 до 862 кг/м3. Качество нефти напрямую влияет на качество получаемых целевых фракций и продуктов.
Описание предлагаемого научно-методологического подхода и результаты его применения
На предприятиях нефтеперабатывающей отрасли применяют различные подходы в процессе переработки смеси нефтей разного состава, в целом их можно разделить по направлениям деятельности разных отделов завода:
планирование качества нефти, поступающего на переработку в программах построения моделей методом линейного планирования для формирования планов производства с учетом качества нефти и получаемой продукции;
применение различных справочных и лабораторных данных, баз данных качества нефтей и программ для подбора рецептуры смешения нефтей;
использование прикладных программ для расчета и получения данных по технологическим параметрам работы установок при изменении качества поступающего сырья;
применение моделей производственного планирования для расчета экономической составляющей эффективности переработки нефти с оценкой получаемой прибыли в зависимости от вариативного сочетания смешения нефтей разного состава;
сочетание указанных подходов, но не ограничиваясь этим списком.
Одним из последних направлений в нефтепереработке является усиление контроля за производством. В этих целях используются приборы, системы взаимосвязи, программные продукты и иные средства для контроля и мониторинга, приближающие руководство предприятия к производственной деятельности.
На современных установках АВТ предусмотрена система АСУТП и приборы КИП для наиболее подробного слежения за процессом, вывод параметров на экраны не только операторов, но и руководителей для наблюдения в режиме он-лайн за ведением процесса.
Многие предприятия также вводят экраны по расходу за энергоресурсами для контроля и экономии топлива, электроэнергии, воды, пара и иных ресурсов предприятия. Также используются поточные анализаторы показателей качества: плотномеры, вискозиметры, поточные анализаторы фракционного состава, поточные анализаторы углеводородного состава, рН-метры и другие.
Качество получаемой продукции можно жестко задать в современных прикладных программах. В этом случае, при первичной переработки полученной смеси нефтяного сырья в программе определяются параметры технологического режима, которых необходимо придерживаться для получения продуктов заданного качества. Таким образом, имея определенную технологическую схему и качество продукции, но смеси нефтей разного качества, с помощью современных программных продуктов можно спрогнозировать рецептуру смеси сырья, подобрать оптимальные технологические параметры работы установки, достигнув при этом некоторого увеличения глубины переработки и выхода светлых фракций.
На современных установках первичной переработки устанавливаются приборы КИП и А, которые имеют существенную роль при контроле режима работы установок. Однако в настоящее время многие установки были построены давно и физически изношены или несовершенны [116,85,87,88].
Для реконструкции и усовершенствования установок предлагается множество решений по оптимизации:
- замена устаревшего приборного парка КИП и А;
- создание современной автоматизированной системы управления;
- уменьшение ресурсо- и энергопотребления;
- внедрение технологий рекуперации избытка тепла процесса.
В некоторых источниках предлагаются совершенно новые подходы для улучшения отборов фракций - одну и более фракции перегонки отбирают в виде азеотропной смеси паров углеводородов и воды [114].
В целях улучшения и повышения чистоты разделения фракций предлагается замена тарелок либо контактных устройств, насадок, а также расчет новых режимов работы колонн ректификации [99,100,101,102].
Для атмосферных колонн предлагается оптимизация конструкции тарелок и разработка новых конструкций внутренних сегментов, подбор типа материалов тарелок, балок, крепёжных элементов и других комплектующих для различных секций по высоте колонны [91,90]. В современных патентах предлагаются усовершенствования применительно к определенной схеме производства, например, применение последовательного отбора товарных продуктов из нефти и снижение давления в колоннах, что уменьшает теплозатраты на перегонку нефти, увеличивает отбор светлых нефтепродуктов при высокой четкости их разделения [92,96,97]. Есть изобретения, которые направлены на экономию энергоресурсов путем оптимизации потоков, однако, при данном подходе существует привязка к определенной технологической схеме установки и реализация исследования несет узконаправленное применение [93,94]. Для вакуумных колонн предлагается модернизация старой пароэжекторной вакуумсоздающей системы на вакуумно-гидроциркуляционную систему.
Многообразие подходов к процессу одновременной ректификации нефтей разного состава говорит об отсутствии общего системного подхода для достижения общей цели НПЗ - повышению выхода светлых дистиллятов.
На основании последних достижений в области науки и техники предлагается использовать научно-методологический подход для повышения выхода светлых нефтепродуктов при первичной переработки нефти. Он заключается в объединении организационных и технологических мероприятий для грамотного ведения технологического процесса при поступлении на переработку смеси нефтей разного состава.
Приведем сравнение по примеру действующего подхода к ректификации смеси нефтей разного состава и предлагаемого.
В действующем подходе заранее проводится планирование прогнозного качества нефти, определение планируемых параметров технологического режима работы установок.
При поступлении нефтяного сырья, отличающегося от плановых значений по физико-химическим параметрам, в применяемом подходе производятся последовательно следующие операции:
-приём нефти в резервуарные парки, отстаивание нефти в резервуарах (не менее двух часов для отбора проб);
- ежедневное и ежедекадное проведение лабораторных испытаний поступающего нефтяного сырья, передача результатов испытаний в технологические службы завода;
-отпуск смесевой нефти на первичную переработку. Причем технологический режим АВТ выдерживается согласно плановым значениям. Процесс заполнения системы трубопроводов и оборудования установки нефтью с новыми характеристиками, выработка нефтепродуктов и отбор проб для проведения «ходовых» анализов занимает порядка 3-4 часов;
- при проведение испытаний нефтепродуктов возможно получение несоответствий по некоторым показателям качества (длительность проведения испытаний 2-4 часа);
-передача результатов испытаний на установку, корректировка технологического режима работы АВТ, проведение переотбора проб нефтепродукта для повторного анализа (не менее, чем через 4 часа после корректировки режима). Данная операция производится до получения кондиционных продуктов с требуемыми показателями качества.
Как правило, адаптация технологического режима работы установки с проведением анализов в лаборатории занимает порядка 6-10 часов. За это время в связи с колебаниями качества сырья возможен неполный отбор светлых дистиллятов от их потенциального содержания в нефти, не говоря уже о получении некондиционных нефтепродуктов.
Применение научно-методологического подхода позволит выйти предприятию на совершенно новый уровень ведения процесса от входных данных (в данном случае - это качество нефти), до конечного продукта (это параметры технологического режима работы в каждой колонне отдельно взятой установки: расходы, температуры, давления).
К организационным мероприятиям относятся: получение качественных физико-химических показателей до вовлечения исходного сырья. Это могут быть данные с месторождений, от поставщика сырья, данные сторонней либо заводской испытательной лабораторий.