Методи оцінювання енергетичної ефективності для визначення потенціалу енергозбереження та прогнозування енергоспоживання в процесах нафтопереробки

- Міжнародному семінарі “Теплотехніка-98” “Перспективні енерготехнології в енергетиці та промисловості” (Київ, НТТУ “КПІ”, травень 1998 р.);

VIII-й Міжнародній конференції “Ресурсоенергозбереження у ринкових відносинах” (Ялта, червень 2001 р.);

науковому семінарі з міжнародною участю “Технології енергетики та економічна безпека держави” (Київ, НТТУ “КПІ”, жовтень 2001 р.);

ІІ-й Міжнародній науково-практичній конференції “Енергозбереження в Україні: законодавство, теорія, практика” (Київ, квітень 2004 р.);

XI-й Міжнародній конференції “Ресурсоенергозбереження у ринкових відносинах” (Ялта, червень 2004 р.).

Публікації. За результатами дослідження опубліковано 7 наукових праць, в тому числі 4 статті у провідних фахових наукових журналах, 2 доповіді та тези в матеріалах наукових конференцій.

Найбільш повно ефективність використання паливно-енергетичних ресурсів характеризує показник повних енерговитрат на кінцеву продукцію по всьому технологічному ланцюгу, що включає всі стадії виробничого процесу. Відповідно до цього розроблено дві сітьові моделі розрахунку повної енергоємності низки нафтопродуктів, що виробляються із одного виду сировини - для схеми паливно-оливного профілю НПЗ (рис.1), та паливного профілю з глибокою переробкою нафти (рис.2). Запропоновано розрахунок повної енергоємності к-го нафтопродукту визначати за формулою:

e^нпр к = У(m ^нпр фр,к / m ^нпр к)[(mфр, к ^пер/ mнаф)(eнаф ^доб +eтр ^нпз + ^к +e^пер)+e^вт _к +У (m_нпр,i ^гл/ m_сир ^гл)e_i ^гл] + (m ^нпр _к / m_наф)(e_овф + e_ос),

де

m ^нпр _фр,к /m ^нпр _к - частка напівпродукту, що поступає до блоку змішування товарного нафтопродукту із процесів первинної, вторинної та глибокої переробки;

m_{фр, к} ^пер/m_наф - частка к-ї фракції, що виходить із процесу первинної переробки нафти;

e_наф ^доб - пряма енергоємність видобутої нафти, що надійшла на переробку на НПЗ;

e_тр ^нпз - енергоємність транспортування нафти до НПЗ;

e ^пер - повна енергоємність процесу первинної переробки нафти;

e^вт _к - повна енергоємність процесу вторинної переробки для к-го нафтопродукту у технологічному ланцюгу виробництва;

m_нпр ^гл, m_сир ^гл - масовий вихід нафтопродукту та маса переробленої сировини в i-му процесі глибокої переробки, відповідно;

e_i ^гл - повна енергоємність i-го процесу глибокої переробки;

m ^нпр _к/m_наф - частка нафтопродукту, який вироблено із нафти, в балансі нафти та нафтопродуктів;

e_опф - повна енергоємність основних виробничих фондів;

e_ос - енергоємність процесів, що забезпечують природоохоронні заходи.

Енергоємність технологічних процесів (первинної переробки, вторинних, глибокої переробки) розраховується за відомою формулою: е^{пер, вт, гл} = еер - евер + есм, де еер - енергоємність енергоресурсів та енергоносіїв; евер - енергоємність вторинних енергоресурсів, що були використані в технологічному процесі; есм - енергоємність сировини та матеріалів, що були використані в технологічному процесі. Зниження енергоємності продукції сприятиме вирішенню і екологічних проблем. Розраховані за формулою (1) величини повної енергоємності нафтопродуктів за схемою сітьової моделі 1 (рис.1) представлені в табл 3.

Таблиця 3

Повна енергоємність нафтопродуктів, кг у.п./т продукції

*Пряма енергоємність мазуту та повна енергоємність палив розраховані здобувачем

Рис. 1 Сітьова модель-1 потоків енергетичних ресурсів при виробництві основних нафтопродуктів на НПЗ паливно-оливного профілю: 1 - видобуток нафти на промислах; 2 - транспортування нафти до НПЗ; 3 - електрознесолювання нафти; 4 - первинна перегонка нафти; 5 - газофракціонування; 6 - каталітичний риформінг, 7 - гідроочищення дизпалива; 8 - каталітичний крекінг; 9 - змішування дизельних палив; 10 - компаундування бензину; 11 - змішування топкового мазуту; 12 - деасфальтизація вакуумного газойлю; 13 - селективне очищення вакуумного газойлю; 14 - депарафінізація олив (1-а стадія), 15 - депарафінізація олив (2-а стадія); 16 - гідроочищення олив

У зв'язку із впровадженням процесів глибокої переробки важких залишків нафти розроблено модернізовану сітьову модель-2 розрахунку повної енергоємності нафтопродуктів для НПЗ з глибокою переробкою важких залишків (рис. 2) та за формулою (1) визначено прогнозну енергоємність бензину (усереднені дані) на кінцевій стадії виробництва до 2015 р. з урахуванням зміни складових товарної продукції (табл. 4).

Прогноз повної енергоємності бензину на кінцевій стадії виробництва до 2015 р

Рис. 2 Сітьова модель-2 потоків енергетичних ресурсів при виробництві основних нафтопродуктів на НПЗ з глибокою переробкою нафтових залишків: 1 - електрознесолювання та атмосферна перегонка нафти; 2 - вакуумна перегонка мазуту; 3.1 - газофракціонування граничних вуглеводнів; 3.2 - газофракціонування неграничних вуглеводнів; 4 - каталітичний риформінг; 5 - гідроочищення дистилятів; 6 -каталітичний крекінг; 7 - гідрокрекінг дистилятів; 8 - деасфальтизація; 9 - коксування; 10 -виробництво водню; 11 - виробництво скрапленого газу; 12 - виробництво метил-трет-бутилового ефіру; 13 - вісбрекінг; 14 - ізомеризація; 15 - алкілування; 16 - гідрокрекінг залишкової сировини; 17 - компаундування бензину; 18 - змішування реактивних палив; 19 - змішування дизельних палив; 20 - змішування котельних палив; 21 - виробництво асфальту та бітуму; 22 - виробництво нафтового коксу

У третьому розділі розглянуто існуючі методи оцінки теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження. Запропоновано оцінку теоретичного потенціалу енергозбереження в процесі первинної переробки нафти визначати з використанням методу ексергетичного аналізу процесу на основі ексергетичного ККД установки в цілому та окремих її складових, втрат ексергії у технологічних печах. Проаналізовано розрахований теоретичний потенціал енергозбереження для установки первинної переробки нафти ЕЛОУ-АТ-3 (табл.5) при різних видах технологічних печей: без утилізації тепла відхідних газів; з повітронагрівником і пароперегрівником; з надбудовою печі газотурбінною установкою ГТД-20. Розраховано ексергетичні втрати в печах. Запропоновано теоретичний потенціал енергозбереження для реального процесу, що проходить в ідеальних умовах - Пе ^теор, визначати за формулою:

П_е ^теор = Дз_ex Е_g = (з_ід - з_ex)Е_g = (1- з_ex)Е_g,

де

Дз_ex - абсолютна різниця між ідеальним (з_ід=1) та реальним ексергетичним (з_ex<1) ККД процесу;

Е_g - обсяг енергоспоживання - сумарний та за g-ми видами енергоресурсів (паливо, електро- та теплоенергія), що використовувались у технологічному процесі.

Таблиця 5

Показники енергоефективності нагрівальних печей нафтопереробки

*-% від ексергії палива; ?D_j - втрати ексергії від незворотності процесів; В_піч - витрата палива в печі, тис. т у.п. /рік

Оцінити теоретичний потенціал енергозбереження можна тільки приблизно. Якщо вважати, що всі технологічні печі вітчизняних НПЗ мають утилізаційне обладнання (повітронагрівники, котли-утилізатори, пароперегрівники), то теоретичний потенціал енергозбереження при 100%-му завантаженні установок сировиною складає близько 685 тис. т у.п. Подальше зниження втрат тепла (з відхідними газами, з охолоджуючими повітрям та водою) можливе при надбудові печей газотурбіними установками, що дозволить додатково знизити втрати тепла ще на 5,8%.

Технічно можливий потенціал енергозбереження П_е у загальному вигляді при впровадженні енергозберігаючих заходів визначався за формулами:

- на рівні нафтопереробної промисловості:

П_е= (e_g^б - e_g^t)V^t,

- на рівні установки - за двома варіантами:

- при реконструкції технологічного обладнання:

П_е= ( 1- з_е^б/ з_е^н) Е_g,

- при утилізації ВЕР:

П_е= (з_е^н- з_е^б) Е_g,

де, крім раніше визначених величин

e_g^б, e_g^t - енергоємність процесів нафтопереробки у базовому та прогнозному році;

з_е^б, з_е^н - енергетический ККД базової (існуючої) і нової (що вводиться) установки;

V^t - обсяг переробки нафти у прогнозному році.

При оцінюванні енергоефективності заходів з енергозбереження, які впроваджуються на рівні технологічного процесу, що включає кілька установок, можливе використання як показників енергоємності (3), так і ККД процесу (3.1)-(3.2), що розраховуються за укрупненими енергетичними балансами.

Для розрахунку технічно можливого потенціалу енергозбереження були проаналізовані основні напрямки енергозбереження у нафтопереробній промисловості:

1. Технологічне енергозбереження, що включає вдосконалення режимів завантаження обладнання нафтопереробних підприємств, впровадження новітніх енергоощадних технологій, устаткування, схем когенерації, комбінування технологічних процесів.

В структурі технологічного напрямку потенціалу енергозбереження найбільш вагомою складовою є модернізація та реконструкція технологічного обладнання, частка якої складає 65% від технологічного напрямку потенціалу енергозбереження. Вихід на режим раціонального завантаження технологічного обладнання (85-100% від встановленої виробничої потужності) дозволить скоротити енерговитрати ще на 35%. У табл. 6 наведено зниження енерговитрат в основних процесах нафтопереробки за рахунок технологічного напрямку енергозбереження відносно показників енергоємності 2000 року.

Таблиця 6

Зниження енерговитрат за рахунок модернізації нафтопереробки відносно 2000 р., тис. т у.п

Зниження енерговитрат від модернізації та реконструкції обладнання доцільно розраховувати при 100% завантаження старого та нового обладнання. При цьому технологічне енергозбереження за рахунок модернізації, реконструкції та збільшення обсягів переробки нафти у 2030 р. складе 1000-1067 тис. т у.п., при додатковому впровадженні енергозберігаючих заходів енергозбереження - 490-520 тис. т у.п. У загальній структурі технічно можливого потенціалу енергозбереження на технологічний напрямок припадає у середньому 67%, на впровадження додаткових енергоощадних заходів - 33% (у т. ч. за рахунок додаткового використання потенціалу ВЕР- 8%). Сумарний технічно можливий потенціал енергозбереження у 2030 р. може скласти 1490-1587 тис. т у.п.

У четвертому розділі викладено методичні положення з оцінки прогнозних рівнів енергоспоживання у нафтопереробній промисловості на період до 2030 р., на основі яких виконано сценарні прогнози за трьома варіантами енергоспоживання. Обсяги переробки для двох сценаріїв розвитку розроблялись: 1-й - для задоволення потреб України у нафтопродуктах - 25,0-30,0 млн. т нафти (Енергетична стратегія України), 2-й - для раціонального завантаження виробничих потужностей по переробці - 47,0-50,0 млн. т нафти.

Основними напрямами дослідження енергоспоживання галузі були: визначення структури та рівнів енергоспоживання при існуючій технології виробництва; виділення факторів, що впливають на енергоспоживання та тенденції змінени рівнів енергоспоживання за різними сценаріями розвитку виробництва; аналіз показників ефективності споживання енергоресурсів (енергетичний та ексергетичний ККД, питомі витрати окремих видів енергоресурсів та енергоємність вироблюваної продукції).

Потреба в g-ому виді енергоресурсу в n-й вершині структури енергоспоживання в t-ому році - E_ng^t для нафтопереробної промисловості визначається таким функціональним виразом:

E_ng^t = f (б_n^tN_n^t; e_ng^б; e_ng^t; I_n^t; в^tI_вер^t),

де

б_n^tN_n^t - завантаження обладнання відносно встановленої потужності N_n^t;

e_ng^б, e_ng^t - величини питомих витрат енергоресурсів - базовий та новий варіант, відповідно;

I_n^t - можлива економія енергоресурсів від впровадження енергозберігаючих заходів;

в^tI_вер^t - рівень використання ВЕР від можливого енергетичного потенціалу I_вер^t.

Структурна схема енергоспоживання у нафтопереробній промисловості представлена на рис. 3.

Рис. 3 Структура енергоспоживання у нафтопереробній промисловості України

Вершини структури (n= І...ІІІ): Рівень нафто-переробної промисловості І - Процес нафтопереробки-всього, ІІ - загальні для нафтопереробних заводів процеси, ІІІ - спеціальні процеси, що залежать від профілю заводу.

Рівень технологічних процесів Первинна переробка (1): електрознесолювання (1.1), атмосферна перегонка (1.2), вакуумна перегонка (1.3). Вторинні процеси (2): газофракціонування (2.1), каталітичний риформінг (2.2), гідроочищення дистилятів (2.3) - дизпалива (2.3.1), керосину (2.3.2),

Процеси глибокої переробки нафти (3): ізомеризація (3.1) каталітичний крекінг (3.2), алкілування (3.3), гідрокрекінг (3.4), гідроочищення газойлю (3.5), коксування гудрону (3.6), деасфальтизація та виробництво бітуму (3.7), вісбрекінг гудрону (3.8).

Розмір економії g-ого виду енергоресурсу при впровадженні енергоощадних заходів в n-й вершині структури енергоспоживання (технологічний процес) - ДEng^t визначається із вирішення задачі, критерієм якої є максимум економії g-ого виду енергоресурсу:

_{G G}

ДE_ng^t = б_n^t N_n^t(e_ng^б - e_ngm^t)> max,

^{g=1 g=1}

де крім раніше описаних позначень

m - варіанти видів або схем технологічного обладнання.

При цьому враховуються обмеження по групі взаємозамінних енергозберігаючих заходів, по гранично можливій за даного рівня розвитку технології питомій витраті g-ого виду енергоресурсу. Результати розрахунків перспективних рівнів енергоспоживання в основних процесах нафтопереробки наведено в табл. 7.

Таблиця 7

Сумарне енергоспоживання в процесах переробки нафти, тис. т у.п

Таким чином, сумарне енергоспоживання у 2030 р. при I-му (песимістичному) варіанті складе 3036-3685 тис. т у.п. або 5440-5771 тис. т у.п., відповідно до сценаріїв розвитку; при II-му (базовому) - 2573-3120 тис. т у.п. або 4440-4703 тис. т у.п., при III-му (оптимістичному) варіанті - 2413-2911 тис. т у.п. або 3950-4183 тис. т у.п., відповідно до сценаріїв розвитку нафтопереробної промисловості.

1. Визначено основні фактори, що впливають на енергоспоживання у нафтопереробній промисловості, до яких відносяться: рівень завантаження технологічного обладнання відносно встановленої потужності; технічний стан виробничого обладнання, глибина та схема переробки нафти; рівень впровадження заходів з енергозбереження, використання енергетичного потенціалу ВЕР, які враховані при розробці макроекономічної моделі із прогнозування енергоспоживання.

2. На основі аналізу існуючих способів розподілу спільних енерговитрат між кількома вихідними фракціями первинної переробки нафти виявлено можливі варіанти такого розподілу та розраховані коефіцієнти пропорційності енерговитрат до: масового виходу фракцій, їх теплотворної спроможності, маси та теплотворної спроможності, ексергії фракцій на виході з установки.

3. Запропоновано розподіл енерговитрат в комплексному виробництві нафтопродуктів пропорційно до масового виходу всіх фракцій, що дозволило врахувати в енергоємності товарної продукції всі її складові, що надходять із процесів первинної, вторинної та глибокої переробки.

4. Удосконалено методи визначення показників енергоефективності технологічних процесів, а саме: обгрунтовано введення до складу корисної енергії процесів енергії всіх фракції, що утворюють нафтопродукти; розрахунок енергетичних та ексергетичного ККД, ексергії фракцій первинної переробки нафти, прямої та повної енергоємності нафтопродуктів з урахуванням енергії не лише "цільових", а й "темних" фракцій, що було використано при оцінюванні потенціалу енергозбереження у нафтопереробці.

5. Розроблено методику розрахунку повної енергоємності нафтопродуктів по всьому технологічному ланцюгу і на кінцевій стадії їх виробництва, та запропоновано дві сітьові моделі розрахунку повної енергоємності нафтопродуктів (для схем з неглибокою та глибокою переробкою нафти), які дозволили вперше розрахувати повні енергоємності всіх основних нафтопродуктів із "світлих" та "темних" фракцій і провести аналіз їх складових.

6. Запропоновано методи оцінки теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження у нафтопереробній промисловості на основі ексергетичних та енергетичних ККД процесів (на відміну від оцінювання по зниженню прямої енергоємності). Складено алгоритм розрахунку ексергії усіх прямогонних фракцій при їх невідомому вуглеводневому складі, що було використано для визначення енергетичного потенціалу теплових ВЕР (на відміну від визначення за ентальпією нагрітих нафтопродуктів). Теоретичний потенціал енергозбереження у процесі первинної переробки нафти склав 685 тис. т у.п., технічно можливий у 2030 р. - 385-420 тис. т у.п., для нафтопереробки в цілому технічно можливий потенціал енергозбереження у 2030 році може скласти 1490-1587 тис. т у.п.

7. Виконано аналіз структурних складових технічно можливого потенціалу енергозбереження, який дозволив визнати головним напрямком енергозбереження - технологічний (величина цієї складової становить 1000-1067 тис. т у.п. або 67% від розрахованого потенціалу). Впровадження пріоритетних енергозберігаючих заходів, що вибрані здобувачем в результаті енергетичного аналізу технологічних процесів, може дати у 2030 р. додаткову економію в розмірі 490-520 тис. т у.п. або 33% (в т. ч. за рахунок невикористаного потенціалу ВЕР -8%).

8. Розроблено макроекономічну модель для оцінки прогнозних рівнів енергоспоживання з урахуванням сукупності факторів, що підвищують (впровадження процесів глибокої переробки, екологічні вимоги) чи зменшують (раціональне завантаження виробничих потужностей, модернізація та реконструкція існуючого обладнання, більш повне використання енергетичного потенціалу ВЕР) енергоємність процесів; виконано сценарний прогноз питомих витрат палива, електро- і теплоенергії в основних процесах нафтопереробки до 2030 року.

9. На основі макроекономічної моделі та прогнозу питомих витрат енергоресурсів проведено науково обгрунтовану оцінку прогнозної потреби нафтопереробної промисловості у паливі, електро- та теплоенергії, а також сумарного енергоспоживання до 2030 р. за двома сценаріями розвитку нафтопереробки та трьома варіантами енергоспоживання, яка складе: при песимістичному (I-му) варіанті - 3036-3685 або 5440-5771 тис. т у.п., відповідно до сценаріїв розвитку, при базовому (IІ -му) -2573-3120 або 4440-4703 тис. т у.п., при оптимістичному (III-му) - 2413-2911 або 3950-4182 тис. т у.п. відповідно до сценаріїв розвитку нафтопереробки, що дозволить оцінити доцільность введення додаткових енергогенеруючих установок.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Панченко Г.Г., Усик А.Ф., Кесова Е.Е. Энергетическая эффективность применения заготовок повышенной производственной готовности // Проблемы энергосбережения. 1995. №2-3. С. 60-63.

2. Гнедой Н.В., Маляренко Е.Е. Методические вопросы оценки энергоёмкости отдельных продуктов нефтепереработки // Технічна електродинаміка. 1999. №2. С. 78-80.

3. Маляренко Е.Е. Анализ структуры и особенностей энергопотребления в нефтеперерабатывающей промышленности Украины // Проблеми загальної енергетики. 2002. №7. С. 38-42.

4. Данилов Л.Л., Маляренко Е.Е. Определение потенциала энергосбережения в нефтепереработке с использованием эксергетического метода анализа (на примере процесса первичной переработки нефти) // Энергетика и электрификация. 2004. №5. С. 35-40.

5. Гнедой Н.В., Маляренко Е.Е. К вопросу оценки энергоёмкости котельно-печного и моторного топлива // Вісник УБЕНТЗ. 1998. №8. С. 39-42.

6. Маляренко Е.Е. Разделение энергозатрат при первичной перегонке нефти // Тези доповідей VIII Міжнародної конференції “Ресурсозбереження у ринкових відносинах”. К.: НДЦ“Нафтохім”. 2001. С. 48-49.

7. Гнедой Н.В., Маляренко Е.Е. Новые методические подходы к определению энергоёмкости продуктов нефтепереработки // Тези доповідей ХІ Міжнародної конференції “Ресурсозбереження у ринкових відносинах”. К.: НДЦ “Нафтохім”. 2004. С. 35-40.

Анотація

Маляренко О.Є. Методи оцінювання енергетичної ефективності для визначення потенціалу енергозбереження та прогнозування енергоспоживання в процесах нафтопереробки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук, спеціальність - 05.14.01 “Енергетичні системи та комплекси”, Інститут загальної енергетики НАН України, м. Київ, 2005 р.

Розроблено методику та запропоновано сітьові моделі розрахунку повної енергоємності продукції нафтопереробки з обгрунтуванням розподілу спільних енерговитрат на низку нафтопродуктів, що виробляються одночасно. Удосконалено методи оцінювання показників енергоефективності згідно із запропонованим способом розподілу спільних енерговитрат. Запропоновано методи оцінки теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження у нафтопереробці з використанням ексергетичних та енергетичних показників енергоефективності. Виділено фактори, що впливають на величину технічно можливого потенціалу. Розроблено макроекономічну модель для оцінки прогнозних рівнів енергоспоживання у нафтопереробці з урахуванням впливу сукупності факторів, що підвищують чи зменшують енергоємність, на основі яких виконано науково обгрунтовану оцінку прогнозного енергоспоживання на основні процеси нафтопереробки з урахуванням розрахованого потенціалу енергозбереження. Прогнозна оцінка виконана за двома сценаріями (1-й - забезпечення потреби України в нафтопродуктах, 2-й - раціональне завантаження виробничих потужностей) та трьома варіантами енергоспоживання у кожному сценарії.