Профиль энергопотребления нефтеперерабатывающего предприятия
Энергопотребление нефтеперерабатывающего предприятия формируется при нагреве сырья и промежуточных продуктов, разделении технологических потоков, перекачке жидкостей и использовании технологического пара. Соотношение топливных, тепловых и электрических затрат определяется составом перерабатывающих установок, глубиной переработки, характеристиками сырья, выпуском нефтепродуктов и действующей схемой теплообмена между потоками.
Для оценки энергоэффективности нефтеперерабатывающего завода недостаточно установить общий расход топлива, пара и электроэнергии на тонну переработанной нефти. Предприятия с одинаковой производительностью могут выпускать разный набор продуктов, иметь неодинаковое количество технологических переделов и существенно различаться по степени использования вторичного тепла.
Основная задача энергетического анализа — распределить энергопотребление по процессам нагрева, разделения, перекачки и использования технологического пара, сопоставить энергетические потоки с фактическими производственными нагрузками и определить узлы, в которых необходимо проверить эффективность тепловой интеграции.
Результатом становится энергетическая карта перерабатывающих переделов. Она показывает, где потребляется топливо и электроэнергия, какие установки используют пар, как организован теплообмен между технологическими потоками и какие измерения необходимы для обоснования последующих технических решений.
Как формируется энергетический профиль нефтепереработки
Энергетический профиль нефтеперерабатывающего предприятия — распределение потребления энергоресурсов между технологическими установками и операциями с учётом производственных нагрузок, параметров потоков и существующих связей между энергетическими системами.
Важнейшие составляющие такого профиля — прямой нагрев в технологических печах, тепловые нагрузки разделения продуктов, электрическое потребление насосного оборудования и использование технологического пара.
Эти составляющие взаимосвязаны. Тепловая энергия, полученная при сжигании топлива в печи, может передаваться технологическому потоку, который затем поступает на разделение. Горячие потоки после одной операции могут отдавать часть тепла холодному сырью через теплообменное оборудование. Пар, вырабатываемый в энергетической инфраструктуре предприятия, может использоваться одновременно несколькими технологическими установками.
Поэтому анализ отдельных потребителей без проверки общей тепловой схемы не позволяет достоверно определить структуру энергетических затрат.
Сначала необходимо установить состав перерабатывающих переделов, затем определить их энергетические входы и выходы и только после этого оценивать возможные отклонения.
Какие исходные данные необходимы для расчёта
Основу анализа составляют тепловые схемы установок, сведения о расходе топлива технологическими печами, паровой баланс, характеристики ректификационных колонн, данные о работе насосов и показатели выпуска нефтепродуктов.
Тепловые схемы показывают направления движения технологических потоков, места подвода и отвода тепла, существующие теплообменные аппараты и связи между установками.
Расход топлива печами необходим для определения энергетического входа прямого нагрева. При расчёте необходимо учитывать фактический расход и характеристики используемого топлива.
Паровой баланс позволяет установить образование, передачу и потребление технологического пара в выбранных границах.
Данные ректификационных колонн необходимы для связи тепловых затрат с режимами разделения и фактическими потоками продуктов.
Параметры насосного оборудования позволяют оценить электрическую нагрузку перекачки при действительных расходах и давлениях.
Выпуск нефтепродуктов необходим для интерпретации энергопотребления с учётом объёма и структуры производственной работы.
Все показатели должны относиться к согласованным интервалам эксплуатации. Если расход топлива определён за месяц, а параметры технологических потоков зарегистрированы только в одном кратковременном режиме, требуется проверить, насколько этот режим характеризует весь расчётный период.
Перед использованием данных необходимо также установить измерительные границы. Общий энергетический показатель установки не всегда позволяет самостоятельно определить расход её отдельного агрегата.
Как распределить потребление по технологическим переделам
Первое действие — восстановить фактическую последовательность переработки сырья и определить энергетические границы соответствующих установок.
Для каждого передела устанавливают количество и характеристики поступающего сырья, состав выходящих продуктов, потребляемые энергоресурсы и существующие тепловые связи.
Затем проверяют, какие расходы измеряются непосредственно, а какие входят в общий баланс предприятия.
Например, расход топлива отдельной печи может определяться самостоятельным прибором учёта. При этом тепловая нагрузка технологического потока устанавливается по его характеристикам до и после нагрева.
Эти величины описывают разные стороны одного энергетического процесса: поступление энергии с топливом и передачу тепла продукту.
Их нельзя складывать как независимые статьи общего потребления предприятия.
Аналогично энергия пара, полученного внутри предприятия, должна учитываться согласованно с затратами на его производство. Если топливо уже включено в общий энергетический вход, повторное добавление внутреннего парового потока без определения границ создаст двойной учёт.
Таким образом, энергетический профиль строят с разделением внешних энергетических ресурсов, внутренних энергетических потоков и полезных технологических нагрузок.
Как оценивать топливные затраты технологических печей
Технологические печи обеспечивают непосредственный подвод тепла к потокам сырья и промежуточных продуктов.
Для анализа необходимо определить фактический расход топлива, его энергетические характеристики, параметры нагреваемого потока и требуемое изменение температуры.
Энергетический вход печи за определённый период можно представить как:
Qтопл = B × H,
где Qтопл — энергия, поступившая с топливом; B — количество израсходованного топлива; H — его соответствующая удельная теплота сгорания.
При использовании такой зависимости необходимо согласовать единицы измерения и принятую основу определения теплоты сгорания.
Полезную тепловую нагрузку нагреваемого потока определяют по изменению его энергетического состояния в соответствующих границах.
Если через печь проходит поток с определённым массовым расходом, тепловую мощность, передаваемую этому потоку, можно выразить как:
Q̇поток = ṁ × (hвых − hвх),
где ṁ — массовый расход технологического потока, hвх и hвых — его удельные энтальпии до и после нагрева.
Энтальпия характеризует энергетическое состояние потока и зависит от его состава, температуры, давления и фазового состояния.
Сопоставление энергетического входа и переданной тепловой нагрузки позволяет определить основу для дальнейшей проверки теплового баланса печи.
Однако большой расход топлива сам по себе не является доказательством тепловых потерь или низкой эффективности. Он может быть обусловлен необходимостью обеспечить значительную технологическую нагрузку.
Прежде чем делать вывод о перерасходе, необходимо установить, какое количество тепла требуется процессу и как фактически работает оборудование.
Почему высокий расход топлива не всегда означает перерасход энергии
На нефтеперерабатывающем предприятии разные установки могут требовать существенно различающегося теплового воздействия.
Если технологическая схема предусматривает значительный нагрев сырья, соответствующая печь закономерно может иметь высокий абсолютный расход топлива.
Поэтому сравнение печей только по объёму сожжённого топлива не показывает их энергетическую эффективность.
Необходимо сопоставить расход топлива с количеством и характеристиками нагреваемого продукта, температурным режимом и фактической функцией печи.
Высокий расход может объясняться большей производительностью или более сложными условиями технологического процесса.
Он также может быть связан с недостаточной передачей тепла либо другими отклонениями, но эти причины необходимо подтверждать самостоятельной проверкой.
Если известен только расход топлива, нельзя достоверно разграничить необходимую технологическую нагрузку и потенциально устранимые потери.
Поэтому технический анализ следует начинать с тепловой схемы и характеристик процесса, а не с предположения, что самая топливоёмкая печь обязательно содержит наибольший резерв экономии.
Как учитывать энергопотребление при разделении нефтепродуктов
Разделение технологических потоков является одной из основных операций нефтепереработки.
Ректификация — процесс разделения смеси на компоненты или фракции за счёт различий в их летучести при многократном взаимодействии паровой и жидкой фаз.
Ректификационная колонна работает совместно с оборудованием, обеспечивающим необходимые материальные и тепловые потоки.
Для энергетического анализа необходимо установить состав входящего сырья, параметры выходящих продуктов, тепловые нагрузки и фактические условия работы колонны.
Энергетические затраты на разделение нельзя определять только по электрической мощности оборудования колонны.
Значительная часть технологического энергопотребления может быть связана с подводом и отводом тепла в соответствующих участках схемы.
Поэтому необходимо проследить, каким способом обеспечивается требуемая тепловая нагрузка: непосредственным нагревом технологического потока, передачей энергии от пара либо теплообменом с другим производственным потоком.
Если тепловая нагрузка поступает из общей паровой системы, её необходимо включать в энергетический профиль согласованно с паровым балансом предприятия.
Если часть необходимого тепла уже передаётся через процессные теплообменники, этот поток следует учитывать как внутреннюю тепловую связь, а не как дополнительное внешнее потребление топлива.
Как сопоставить прямой нагрев и технологический пар
Прямой нагрев и использование пара представляют собой разные способы передачи энергии технологическому процессу.
При прямом нагреве топливо расходуется в печи, а энергия передаётся технологическому потоку через предусмотренную конструкцию оборудования.
При использовании пара необходимое тепло поступает в технологический аппарат от паровой системы.
Для корректного сопоставления сначала устанавливают полезную тепловую нагрузку процесса и температурные условия её обеспечения.
Затем определяют энергетические ресурсы, необходимые для получения соответствующего количества полезного тепла каждым используемым способом.
Нельзя напрямую сопоставлять количество топлива в одной установке с массой пара в другой. Требуется привести показатели к согласованной энергетической основе и правильно установить расчётные границы.
При этом необходимо учитывать фактические параметры пара и его состояние после передачи тепла.
Если пар поступает из общей инфраструктуры предприятия, оценка должна учитывать соответствующий энергетический баланс, а не рассматривать его как источник тепла без затрат на производство.
Сопоставление необходимо выполнять применительно к требованиям конкретного процесса. Само наличие пара или топлива не доказывает преимущество одного способа нагрева перед другим.
Как анализировать паровой баланс нефтеперерабатывающего предприятия
Паровой баланс — согласованное представление потоков образования, поступления, передачи и потребления технологического пара внутри выбранных границ.
Для его построения устанавливают источники пара, технологических потребителей и соответствующие параметры потоков.
Важно различать количество пара и содержащуюся в нём энергию. Одинаковая масса пара при разных параметрах состояния не обязательно соответствует одинаковой тепловой нагрузке потребителя.
Поэтому при расчёте необходимо учитывать параметры поступающего пара и его состояние после использования в технологическом процессе.
Если один источник обеспечивает несколько установок, необходимо установить распределение паровых потоков между ними.
При отсутствии самостоятельного учёта расхода пара на отдельных потребителях распределение может быть предварительно оценено по технически обоснованным данным.
Однако такое расчётное разделение необходимо отличать от непосредственно измеренных показателей.
При составлении баланса также проверяют его согласованность с топливным и тепловым балансами соответствующей энергетической инфраструктуры.
Результат позволяет определить, какие технологические процессы используют пар и какие сведения необходимы для подтверждения их фактической тепловой нагрузки.
Как оценивать электрическую нагрузку насосного оборудования
Насосное оборудование обеспечивает перемещение сырья, промежуточных потоков и готовой продукции между технологическими аппаратами.
Для анализа необходимо установить расход жидкости, параметры перекачки, фактическую электрическую мощность и продолжительность работы насосов.
При переменном режиме энергопотребление определяется с учётом мощности в отдельных интервалах:
Eэл = Σ(Pi × ti),
где Pi — средняя активная мощность насосного оборудования в соответствующем режиме, ti — продолжительность режима.
Для интерпретации полученного показателя необходимо сопоставить его с фактической технологической нагрузкой.
Увеличение электрического потребления насосного участка может быть связано с увеличением количества перекачиваемого продукта, изменением условий перемещения или характеристик жидкости.
Поэтому абсолютное потребление электроэнергии не является самостоятельным показателем энергетической эффективности перекачки.
Если насосы работают в составе технологической установки, их энергетические затраты необходимо учитывать в соответствующей измерительной границе.
При этом нельзя повторно прибавлять энергопотребление отдельных насосов к общему расходу установки, если эти значения уже входят в её измеренный показатель.
Что такое тепловая интеграция технологических потоков
Тепловая интеграция — согласованное использование тепловых потоков внутри технологической схемы, при котором тепло одних потоков применяется для нагрева других с учётом температурных уровней и фактических условий процесса.
Для нефтепереработки такое взаимодействие важно, поскольку в составе технологических установок могут присутствовать одновременно горячие потоки, требующие охлаждения, и холодные потоки, требующие нагрева.
Если часть тепла горячего продукта передаётся поступающему сырью, потребность в последующем внешнем нагреве может уменьшаться.
Однако возможность такого использования зависит от температур, расходов, свойств потоков и принятой схемы теплообмена.
Необходимо установить, какие теплообменные связи уже существуют и какие нагрузки они фактически покрывают.
Если горячий поток имеет высокую температуру, это ещё не доказывает доступную экономию топлива. Требуется проверить, имеется ли соответствующий потребитель тепла, допустимы ли температурные условия передачи и сохраняются ли необходимые технологические параметры.
Поэтому тепловую интеграцию анализируют как часть общей технологической схемы, а не как самостоятельную рекомендацию использовать любой горячий поток.
Как проверить действующую схему рекуперации
Рекуперация тепла — передача тепловой энергии от одного потока другому через предусмотренное теплообменное оборудование.
На нефтеперерабатывающем предприятии рекуперация может уменьшать потребность в дополнительном нагреве сырья или промежуточных продуктов.
Для её оценки необходимо установить существующие теплообменные аппараты, направления движения потоков, температуры на входе и выходе и соответствующие расходы.
На основании этих данных определяют, какое количество тепла фактически передаётся между потоками.
Для стационарного потока при известных расходе и изменении энтальпии тепловую мощность можно представить как:
Q̇ = ṁ × (hвых − hвх).
Знак результата зависит от направления изменения теплового состояния. Для холодного потока энергия поступает, а для горячего — отводится.
При корректно установленных границах теплообменного аппарата необходимо сопоставить эти тепловые потоки с учётом измерительной неопределённости и возможных потерь.
Если фактическая передача тепла отличается от предусмотренной технологической схемой, необходимо установить причины расхождения.
Однако нельзя считать любое отличие доказательством неисправности теплообменника. Оно может быть связано с изменением расходов, температур или состава технологических потоков.
Поэтому сначала проверяют действующие условия, а затем сопоставляют их с соответствующими расчётными характеристиками.
Почему глубина переработки влияет на энергетический профиль НПЗ
Глубина переработки характеризует производственный результат переработки нефти в соответствии с принятой методикой расчёта и структурой выпуска продуктов.
Для энергетического анализа важно, что изменение глубины переработки обычно связано с изменением состава и нагрузки технологических переделов.
Предприятие, выполняющее ограниченный набор операций, и предприятие с более сложной схемой переработки могут потреблять различное количество топлива, пара и электроэнергии на тонну исходной нефти.
Поэтому их общий удельный расход нельзя непосредственно сравнивать как показатель качества эксплуатации без учёта выполняемой технологической работы.
Если одна схема включает дополнительные стадии переработки, соответствующие энергетические затраты могут отражать необходимое изменение продуктового набора, а не избыточное потребление.
Для корректного сопоставления необходимо установить состав технологических установок, фактические режимы и показатели выпуска продукции.
При этом глубина переработки сама по себе не определяет точную величину энергопотребления. Важны конкретная технологическая схема и её энергетические связи.
Почему предприятия с одинаковой переработкой нефти нельзя сравнивать только по удельному расходу
Удельное энергопотребление завода можно предварительно определить как отношение расхода соответствующего энергоресурса к количеству переработанной нефти:
e = E / Mсырья,
где E — энергопотребление в выбранных границах, Mсырья — масса переработанного сырья за тот же период.
Этот показатель полезен для наблюдения за динамикой, но не характеризует одинаковую технологическую нагрузку для любых НПЗ.
Если предприятия различаются по глубине переработки, выпуску нефтепродуктов и составу установок, их удельные энергетические затраты могут быть неодинаковыми по объективным причинам.
Дополнительное влияние оказывает схема рекуперации. При более развитых тепловых связях между процессными потоками потребность во внешнем нагреве может отличаться от предприятия, на котором эти связи организованы иначе.
Поэтому для сравнения необходимо знать не только количество переработанной нефти, но и продуктовый набор, выполняемые технологические операции и фактическую тепловую интеграцию.
Без этих сведений более высокий расход топлива или пара не является достаточным основанием для вывода о худшей энергетической эффективности.
Как отличить необходимую тепловую нагрузку от возможных потерь
При выявлении потенциального перерасхода необходимо определить, какая часть энергетического потребления обеспечивает установленную технологическую функцию.
Для печи рассматривают тепловую нагрузку нагреваемого потока и энергетический вход топлива.
Для ректификационного разделения — требуемые тепловые потоки и способ их обеспечения.
Для паровой системы — фактические параметры потребления и соответствующие энергетические связи.
Для теплообменников — реальную передачу тепла между технологическими потоками.
Если высокая энергетическая нагрузка объясняется необходимым нагревом значительного количества сырья, её нельзя целиком объявлять потерей.
Если же выявлено расхождение между фактическими и технически обоснованными параметрами теплообмена, возникает основание для более детальной проверки соответствующего узла.
Величину возможного сокращения потребления определяют только после установления причины и расчёта допустимого изменения.
При этом необходимо сохранять требуемые параметры нефтепродуктов и устойчивость технологического процесса.
Как определить узлы для проверки тепловой интеграции
После составления энергетического профиля необходимо установить участки, на которых тепловые потоки связаны с прямым нагревом и потреблением пара.
В первую очередь рассматривают действующую схему теплообмена: какие горячие потоки передают энергию холодным и какие нагрузки остаются обеспеченными внешними источниками.
Затем сопоставляют температуры, расходы и параметры потоков с фактическими режимами технологических установок.
Если действующий теплообмен обеспечивает предусмотренную нагрузку, наличие значительного остаточного нагрева не доказывает автоматически возможность дополнительной рекуперации.
Если измерения показывают отклонение от расчётного теплового режима, необходимо установить, связано ли оно с изменением производительности, технологических условий или характеристик теплообменного оборудования.
На основании подтверждённых данных определяют, какие узлы требуют дальнейшей инструментальной или расчётной проверки.
При этом энергетическая карта должна разграничивать уже измеренные потоки, расчётные значения и предварительно предполагаемые возможности улучшения тепловой интеграции.
Такой подход позволяет выявлять технически значимые участки без необоснованного обещания конкретного процента экономии.
Как оформить энергетическую карту перерабатывающих переделов
Итогом анализа является энергетическая карта перерабатывающих переделов и узлов оптимизации тепловой интеграции.
В карте необходимо отразить технологические установки, соответствующие материальные потоки, расход топлива и электроэнергии, потребление пара и действующие теплообменные связи.
Для прямого нагрева указывают топливный энергетический вход и тепловую нагрузку технологического потока.
Для разделения — параметры соответствующих процессов и способы обеспечения необходимого тепла.
Для перекачки — измеренную электрическую нагрузку насосов и фактические условия перемещения продуктов.
Для паровой системы — производство и распределение пара между технологическими потребителями в установленной границе.
Для тепловой интеграции — существующие теплообменники, характеристики связанных потоков и показатели передачи тепла.
Особое внимание уделяют согласованности измерений. Если один расход уже включён в общий баланс установки, его детализация не должна увеличивать суммарное потребление предприятия.
Если некоторые показатели определены расчётно, необходимо указать использованные исходные параметры и ограничения.
При необходимости результаты подтверждают действующими тепловыми схемами, эксплуатационными журналами, актами и измерительными протоколами.
Карта должна позволять восстановить энергетический путь от поступающего ресурса до конкретной технологической нагрузки.
Как использовать карту для следующего технического решения
Энергетическая карта необходима для определения тех перерабатывающих переделов, на которых требуется уточнить фактический режим или проверить возможность изменения тепловых связей.
Если установлена высокая топливная нагрузка печи, сначала определяют её связь с необходимым нагревом технологического потока.
Если существенная часть тепла подводится с паром, проверяют соответствующую нагрузку и согласованность парового баланса.
Если между горячими и холодными потоками уже организован теплообмен, оценивают его фактическую работу и соответствие технологической схеме.
Если данные указывают на необходимость дополнительной проверки, устанавливают конкретные недостающие параметры: температуры, расходы, состав потоков или характеристики оборудования.
Только после подтверждения этих сведений можно переходить к обоснованию изменения схемы тепловой интеграции.
При этом предполагаемое мероприятие не должно нарушать необходимые условия нагрева, разделения и получения предусмотренного набора нефтепродуктов.
Результат анализа и границы достоверности
Обоснованный энергетический профиль показывает, как распределяются топливные, тепловые и электрические затраты между нагревом, разделением, перекачкой и использованием технологического пара.
Он связывает энергетические показатели с фактическими объёмами переработки, продуктовым набором и характеристиками технологических потоков.
Отдельно учитывается действующая схема рекуперации: она определяет, какая часть необходимого тепла обеспечивается внутренним теплообменом и какая требует внешнего энергетического подвода.
Если данные достаточны, карта позволяет выделить узлы, где необходима проверка тепловой интеграции, и определить исходные параметры следующего технического расчёта.
Если измерения неполны, необходимо отделять подтверждённые нагрузки от предварительных оценок и указывать недостающие сведения.
Главное ограничение: без данных технологического процесса, тепловых схем, фактических расходов энергоресурсов и состава выпуска нельзя оценить реальный резерв энергосбережения конкретного НПЗ. Высокий расход топлива технологической печью не доказывает наличие устранимых потерь, а сравнение заводов без учёта глубины переработки и продуктового набора может привести к ошибочному выводу.
Практический порядок анализа заключается в следующем: сначала устанавливают состав технологических переделов и производственные потоки, затем разделяют нагрузки прямого нагрева, ректификации, перекачки и пара, проверяют существующий теплообмен и согласованность энергетических границ. После этого формируют карту узлов, для которых необходимы дополнительные измерения или расчётное подтверждение.
Такой подход позволяет оценивать нефтепереработку в соответствии с фактической технологической схемой, не смешивая необходимую энергию производственного процесса с предполагаемыми потерями и не подменяя профиль НПЗ анализом нефтехимических процессов синтеза.
Связанные направления: материалы по энергоэффективности, нефтеперерабатывающие предприятия и энергоаудит предприятия.