авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«ФГБОУ ВПО «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.» На правах рукописи ЛЕНЬКОВА Александра ...»

-- [ Страница 2 ] --

(2.11) bу f Gkt, уt, Z уt, S уt,t dt. (2.12) Для оценки эффективности использования топлива в ГС ГПП на выработку продукции, тепловой и электрической энергии в ЭК, обеспечение вспомогательных производств по утилизации отходов и стоков, предложен показатель удельного приведенного топливопотребления перечисленных процессов на соответствующих уровнях иерархии ГПП N N I П П У У EГПП ETCj EЭКj ETCi EЭКi, (2.13) j j1 j 1i У У П П где ETCj, EЭКj, ETCi, EЭКi – удельный расход условного топлива в производстве j (всего производств N ) и установке i (всего установок I ) ТС и ЭК, т у. т./единица нормируемого потока.

Следует отметить, что удельные показатели установок, рассчитанные по (2.12) нельзя получить суммированием удельных расходных характеристик A аппаратов, определенных по (2.11): bу ba. Это связано с различными a значениями расхода Gkt для отдельных аппаратов.

Аналогичным образом, при расчете показателей (2.13) величина нормируемого технологического потока должна быть одинакова для всех установок и производств ТС, ГС и ЭК ГПП (например, единица сырьевого потока - перерабатываемой углеводородной смеси, или единица какой-либо продукции – товарного газа). Это обстоятельство не позволяет получить аналитические зависимости для решения задачи параметрической оптимизации ГС на верхних уровнях иерархии – установок, производств и ГПП, в связи с многочисленными взаимосвязями элементов. Эти задачи решены численными методами с локальной параметрической оптимизацией элементов ГС на уровне аппаратов.

Возможности вовлечения в топливный баланс низкопотенциальных горючих газов и отходов ТС ГПП оценивается по удельной приведенной обобщенной энергоемкости N EП j E ВЭР j j j Е уд, (2.14) V где E П – расход всех видов топлива и ЭР основных и вспомогательных j производств j, т у. т.;

V – объем переработанного УВС, тыс. м3 или тыс. т;

– коэффициент использования всех видов ВЭР (в том числе горючих j отходов) в вариантах ЭК ГПП;

;

(2.15) f j, Z j, S j,t j E ВЭР – объем ВЭР, т у. т., отходящих от производства j.

j Функция (2.15) определялась при имитационном моделировании различных вариантов ГС в структуре ЭК различных ГПП с использованием результатов энергетического аудита.

Потенциал повышения эффективности использования топлива оценивается в общем виде разностью годового фактического и нормативного потребления [49, 53] N N T, (2.16) B jф V j EУДj bj T O j1 j где T – технически реализуемый потенциал энергосбережения в топливной системе, т у. т./год;

– доля факторов, обеспечиваемых за счет изменения технологической, T O структуры и улучшения технического состояния или модернизации оборудования установок и производств;

N – фактическое потребление топливного газа основными и B jф j вспомогательными производствами ТС и ЭК ГПП, т у. т./год;

V j – объем нормируемого технологического потока в соответствующей размерности (м3/год или т/год);

EУДj – удельные нормы расхода топливного газа (т у. т.), отнесенные к единице соответствующего технологического потока;

– нормативные расходы топливного газа, т у. т./ч, и время работы, ч/год, bj, установок периодического действия.

Влияние некоторых факторов, в том числе и O, на потенциал T повышения энергетической эффективности в системе использования топливного газа предприятия подготовки и переработки газоконденсатной смеси иллюстрирует диаграмма, полученная на основании анализа характеристик топливопотребляющего оборудования крупных ГПП (рис. 2.5).

1i Климатический фактор 0, Режимы 0, эксплуатации 0, 0,6 Состав сырья 0, 0, Техническое состояние 0, оборудования 0, Технологическая 0,1 структура Рис. 2.5. Влияние различных эксплуатационных факторов i на структуру несоответствия проектного и фактического топливопотребления Из приведенных на рис. 2.5 данных видно, что потенциал энергосбережения имеет по возможностям реализации различную оценку.

Очевидно, что техническое состояние оборудования – это один из основных факторов, позволяющих реализовать практические решения по повышению эффективности топливоиспользования в ЭК и ТС ГПП.

Для действующих производств такие решения связаны с реконструкцией горелочных устройств, оптимизацией режимов эксплуатации (с изменением отдельных конструктивных характеристик) технологических трубчатых печей, подогревателей газа, модернизацией установок огневой регенерации абсорбентов и факельного хозяйства. Большой эффект может быть получен при внедрении автоматизированных систем управления процессами использования топлива в аппаратах ТС и ЭК. Относительное значение технического фактора в решении вопросов экономии топлива в ГС ЭК ГПП составляет от 19 до 35 %.

Технологическая структура основных технологических производств также позволяет разработать мероприятия, внедрение которых приведет к снижению удельного потребления топлива газа или увеличению выхода товарной продукции. В рамках этого фактора, доля которого в решении вопросов эффективности использования топлива составляет от 15 до 22 %, значительный эффект может быть получен при утилизации низкопотенциальных горючих отходов в огнетехнических агрегатах.

Таким образом, суммарное значение факторов, позволяющих реализовать теоретический потенциал повышения эффективности ГС, находится в диапазоне 34–57 % Анализ фактического состояния ГС и ЭК ГПП выполнялся по значениям коэффициента экономии или перерасхода ЭР Еф Е н 1, (2.17) О где ЕФ – фактический удельный расход ЭР (в аппарате, установке, производстве, на предприятии), определенный по (2.11)–(2.14);

ЕН – нормативный удельный расход ЭР (обычно является регламентируемой величиной, характеризующей данный элемент системы).

Если о 0, то имеет место экономия ЭР;

при о 0 фактическое значение удельного потребления ресурса больше нормативного.

Задача рационализации потребления / генерации топлива и ЭР, а также водопотребления и водоотведения, решалась с применением коэффициента рационализации балансов:

– энерготехнологического р н К рЭT Б 1 Еуд Еуд ;

(2.18) – топливного р н К рT ЕГПП ЕГПП ;

(2.19) – водопотребления р н К рW WГПП WГПП ;

(2.20) – водоотведения р н К рC CГПП CГПП, (2.21) н р н р где Еуд, Еуд, Е ГПП, Е ГПП – приведенные энергоемкости, рассчитанные по нормализованному и рационализированному (оптимальному) энерго технологическим балансам (2.14) и приведенное топливопотребление ГПП (2.13) нормализованное и оптимальное соответственно;

н н р р W ГПП, C ГПП, W ГПП, C ГПП – соответственно, удельное водопотребление и водо отведение для нормализованного и оптимального варианта ТС, ГС и ЭК ГПП.

Показатели (2.20) и (2.21) при отсутствии очевидной связи с ГС ГПП не вполне относятся к энергетическим характеристикам этой системы, но, как будет показано в главе 4, оптимизация топливопотребления при системном подходе отражается на эффективности всех элементов ТС и ЭК, что позволяет использовать коэффициенты рационализации и в качестве К рC К рW энергетических показателей эффективности ГС и ЭК.

По значению К pТ, определена энергетическая эффективность некоторых технических решений (более подробно рассмотренных в главе 4) по модернизации структуры и режимов эксплуатации оборудования в системах генерации и использования топливного газа на АГПЗ. Пример изменения удельного потребления топлива за расчетный период и сравнения его с нормализованными показателями представлен в графической форме (рис.2.6) для основных производств этого ГПП [53].

1 К PT 0, 0, 0, -0, Получение серы -0, Стабилизация конденсата -0, -0, -0, -0, Переработка конденсата -0, -0, -0,, мес.

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 1 Рис. 2.6. Изменение коэффициента K pT за период расчета Анализируя приведенные на рис. 2.6 данные, можно отметить что снижение удельного потребления топлива за расчетное время осуществляется в течение двух периодов. В начальный период 1, продолжительностью от 1,5 до 2-х лет, за счет устранения эксплуатационных потерь топливопотребление снижается до уровня нормализованного значения ( K pT = 0). В дальнейшем – в период 2, составляющем 1,0–2,5 года для различных производств, снижение топливопотребления ниже нормативного значения обеспечивается в масштабе производств с привлечением дополнительных инвестиций на модернизацию оборудования, реконструкцию и строительство установок.

Термодинамические критерии эффективности ГС обобщены в виде эксергетического КПД, определенного для различных элементов системы ex через сумму эксергий на выходе exвых и входе exвх или сумму потерь в системе D [138, 141, 142]:

exп exп ;

(2.22) exвых exвх ex exвх 0. (2.23) exп D exвх exвых На рис. 2.7 показаны в общем виде энергетический и эксергетический балансы элемента ГПП, в котором осуществляются процессы с подводом и отводом электрической (механической) энергии Э, теплоты Q, и энергии технологического потока J.

Эксергия потока вещества (практически все технологические потоки ГПП содержат горючие компоненты) в общем виде представляется суммой exJ exпот exкинет exфиз exхим, (2.24) где – эксергии, равные соответствующим видам энергии exпот, exкинет (потенциальной и кинетической) вещества / потока;

в рамках поставленных задач эти виды эксергии не учитываются;

exфиз, exхим – физическая и химическая эксергии, соответственно.

Э Э вход выход Q Q J J а) Э Э ехQ ехвых ехQ ехвх ехJ ехJ Di De D б) Рис. 2.7. Балансы системы: а – энергетический, б – эксергетический Эксергия единицы массы потока вещества (физическая эксергия) соответствует удельной работе, которую может произвести эта масса с параметрами торможения (давление, температура, удельные P, T, H, s энтальпия и энтропия) при обратимом взаимодействии с окружающей средой, параметры которой P0, T0, H 0, s T0 s s0. (2.25) exфиз H H Эксергия химическая равна сумме химических эксергий компонентов системы, определяемых разностью удельных мольных термодинамических потенциалов каждого компонента (для систем, процессы которых протекают i в потоке при фиксированных значениях давлений и температур термодинамическим потенциалом является энергия Гиббса) и окружающей среды при обратимом взаимодействии системы, содержащей ni молей i компонентов, с окружающей средой [142] exхим ni. (2.26) i i Химическая эксергия жидкофазных и газофазных технологических потоков ТС и ГС в соответствии с [138] определялась по высшей теплоте в сгорания Qр в 0,975Qр ;

(2.27) exхим.ж в 0,95Qр. (2.28) exхим.г Потери эксергии D разделены на две группы:

– внутренние Di, связанные с необратимостью процессов, протекающих внутри элемента или системы;

– внешние De, связанные с условиями взаимодействия элементов и систем ГПП с окружающей средой и внешними источниками и приемниками энергии и рабочего вещества (при химических превращениях).

Внутренние потери учтены в расчетах дросселирования потока, гидравлических сопротивлений, тепло- и массообмена при конечных градиентах (разностях температур или концентраций).

Внешние потери учитывались при расчетах, связанных с разностью параметров источников и приемников энергии, потерь через тепловую изоляцию, с потоками рабочих веществ, выходящих из установок, эксергия которых не используется (дымовые газы, факельные выбросы, отходы и стоки).

Эксергетический анализ ГС выполнен во взаимосвязи с ТС и ЭК совместно с материальным балансом ГПП, структура которого приведена на рис.2.2 и 2.3.

Эксергетический баланс ГПП с обеспечением тепловой и электрической энергией от внешних источников (рис. 2.3) имеет вид D, (2.29) exJ exQ exL exW exR exC exD где exJ, exQ, exL, exW, exR, exC, exD – эксергии сырья, тепловой и электрической энергии, воды, продукции, стоков, отходов;

D – потери эксергии материальных и энергетических потоков.

Для топливной системы этого же предприятия (рис. 2.2) эксергетический баланс выражается уравнением / // D, (2.30) exTTC exT exDTC exTTC exTQ exTЭ exD где exTTC, exTTC, exT, exDTC, exTQ, exTЭ, exD – эксергии технологических газов на / // входе / выходе, топливного газа из сети товарной продукции, горючих отходов ТС, газа на выработку тепловой и электрической энергии в собственном источнике этих видов ЭР, отходов (в том числе неиспользованных горючих газов и жидкофазных сточных вод, содержащих горючие компоненты);

D – потери эксергии в процессах потребления газа.

Оптимизация ГС и ЭК ГПП как системы по критерию термодинамических потерь состоит в минимизации суммы exC D.

exD Оптимальный вариант ГС соответствует не только минимуму потерь D и отходов exC, но и минимальному потреблению газа из сети exD товарной продукции: exT min.

exD D Термодинамическая оценка возможности минимизации указанных составляющих топливной системы выполнена на основании результатов энергетического аудита для предприятия, перерабатывающего гетерогенное сырье с выработкой товарного газа, котельно-печного и моторного топлива.

Рассмотрены следующие основные и вспомогательные производства и установки, формирующие топливный баланс ГПП: 1 – осушки газа;

2 – производства серы;

3 – стабилизации конденсата и обезвреживания стоков;

4 – сжигания промышленных отходов;

5 – факельные системы;

6 – котельная;

7– – переработки газового конденсата (7, 8 – атмосферная и вторичная перегонка, 9 – газофракционирование, 10 – гидроочистка дизельных фракций, 11 – каталитический риформинг).

Структура распределения эксергии потребляемого топливного газа для наиболее крупных из рассмотренных производств приведена на рис. 2.8, из которого видно, что наибольший потенциал повышения эффективности топливной системы сосредоточен в установках переработки газового конденсата, производства серы и котельной. Очевидно, что последний потребитель – котельная ГПП, не может рассматриваться только во взаимосвязи с топливной системой, поскольку является также элементом ЭК и имеет детерминирующие связи с ТС и внешней системой энергообеспечения.

6% 27% 5 24% 1% 3, 7, 8, 10, 14% 28% Рис. 2.8. Потребление эксергии топливного газа установками ГПП Фактические данные (средние часовые эксергии потребленного топливного газа) наиболее крупных установок-потребителей и факельных систем, определенные в рамках энергетического аудита за несколько последних лет эксплуатации, приведены в таблице 2.2. Расходы даны в сопоставлении со средними значениями, определенными на основании регламентов производств.

Анализ приведенных данных констатирует негативное увеличение фактического потребления энергетического потенциала топливного газа, что требует дополнительного анализа состояния оборудования ТС и ЭК ГПП.

Таблица 2.2 – Потребление эксергии топливного газа, ГДж/ч Диапазон Установка, Регламентное фактического производство потребление потребления Производство серы 37,42–39,51 30, Сжигание промышленных отходов 16,80–17,85 13, Факельные системы 8,34–8,35 8, Атмосферная перегонка 28,54–30,00 21, Гидроочистка дизельных фракций 6,85–7,15 6, Каталитический риформинг 8,64–8,88 6, Эксергетические балансы рассмотренного ГПП и его топливной системы в виде диаграмм Грассмана показаны на рисунках 2.9 и 2.10. Котельная на приведенных диаграммах не входит в структуру ГПП, а относится к внешней системе обеспечения тепловой энергией.

Тепловая энергия Электроэнергия 4,6 0, Сырье 95, Х 100 10, III I II 15, 28,61 24, IХ 1, IV 6, V VI VII VIII 4,52 2,73 2,41 1, I – газ товарный;

II – стабильный конденсат;

III – сера;

IV – дизельное топливо;

V – ШФЛУ;

VI – мазут;

VII – сжиженный газ;

VIII – топливный газ для аппаратов ТС;

IX – фракция НК-62;

Х – потери Рис. 2.9. Диаграмма эксергетического баланса, %, многопрофильного ГПП с внешним источником обеспечения тепловой и электрической энергией Сырьевой поток на рис. 2.9 представляет собой газоконденсатную смесь, эксергия которой в общей эксергии сырья и воды для технологических нужд составляет почти 100 % (99,998 %).

Анализ баланса ГПП, приведенного на рис.2.9, показывает, что потери эксергии технологических потоков ТС (более 10 %) превышают суммарную эксергию топлива, тепловой и электрической энергии, используемых в процессах переработки (около 6,5 %). Поэтому основные направления повышения эффективности ГС в составе ЭК ГПП связаны, в первую очередь, с использованием потенциала потоков технологических процессов – газов дега зации, стабилизации и других низконапорных углеводородсодержащих газов.

ОГ ФС СПО IV 1,85 6, 1, 27, I 57,7 ПС 24, ГС СК V 11, II 72, 14, III АТ 28, 18, ГОД КР 4,2 5, газ: I – товарный;

II – регенерации;

III – производств переработки стабильного газового конденсата;

IV – топливный для внешнего источника теплоты;

V – топливный ТС и ЭК ГПП установки: ОГ – осушки и отбензинивания газа;

ПС – производства серы;

СК – стаби лизации конденсата и обезвреживания стоков;

СПО – сжигания промотходов;

ФС – факельных систем;

АТ – атмосферной перегонки;

ГОД – гидроочистки дизельных топлив;

КР – каталитического риформинга Рис. 2.10. Диаграмма эксергетического баланса топливопотребления производств ГПП и внешнего источника (котельной), % Следует отметить, что структура эксергетического баланса ГПП, приведенного на рис. 2.9, характерна для всех предприятий по переработке газа и газового конденсата – в таблице 2.3 приведены эксергетические балансы сырьевых и энергетических ресурсов наиболее крупных ГПП ОАО «Газпром», сформированные по результатам энергетического аудита [54] этих объектов.

Таблица 2.3 – Эксергетический баланс ГПП, % Газоперерабатывающий завод ЗПКТ СЗСК Астраханский Оренбургский Сосногорский Сырье, 95,05 98,47 98,17 99,932 98, в том числе топливо 8,93 1,98 1,68 0,882 1, Электроэнергия 0,35 0,25 0,36 0,068 0, Тепловая энергия 4,6 1,28 1,47 0 0, Всего ЭР 4,95 1,53 1,83 0,068 1, Как показывает анализ данных таблицы 2.3, наибольший эксергетический потенциал сырьевого потока, используемый в качестве топлива в ТС и ЭК, характерен для АГПЗ, в установках которого сжигаются как технологические газы, вырабатываемые при переработке газового конденсата, так и товарный газ (см. также рис. 1.6 и 2.10).

Для оценки потенциала повышения эффективности ГС рассмотрим эксергетические балансы основных топливопотребляющих производств этого предприятия. Диаграммы эксергетических балансов установок осушки газа, стабилизации конденсата, производства серы и утилизации отходов приведены на рис. 2.11–2.13, установок переработки газового конденсата – на рис. 2.14.

Электротехническая система ЭК I – сырой очищенный от Теплотехническая система ЭК «кислых» компонентов газ XII II – пар среднего давления VIII V II 5, 0,01 4,46 III – химочищенная вода 8, IV – товарный газ в магистраль VI V – ШФЛУ 2, VI – газ регенерации на Осушка VII очистку 0, I VII – углеводородный IV и 94,53 конденсат 79, отбензи VIII – пар низкого нивание давления газа IX – потери технологические III Х – потери энергетические 0,01 IX XI XI – газ топливный X 4, 0, XII - электроэнергия 1, ГС (сеть товарного газа) Рис. 2.11. Диаграмма эксергетического баланса установки осушки и отбензинивания газа, % Электротехническая система ЭК I – нестабильный VI конденсат 0, II – обессоленная вода III – сточные воды VIII 23,21 IV – газ на обработку воды Стабилизация V – топливный газ конденсата VI – электроэнергия VII – стабильный конденсат I VII VIII – газ стабилизации на 96, 68,16 IX и компримирование 0, обработка IX – вода на сжигание сточных X II промотходов вод 0, 0, Х – вода в пласт III XI – газ на производство 1,04 серы IV V 0,31 1,93 XII - потери XII XI ГС (сеть товарного газа) 8,28 0, Рис. 2.12. Диаграмма эксергетического баланса установки стабилизации конденсата и утилизации стоков, % Электротехническая система ЭК Теплотехническая система ЭК I – кислый газ VII II – пар среднего давления II V VI 7, 0,04 4,24 0,26 III – воздух к печам IV – топливный газ Производство IХ V – пар на эжекторы серы 12, VI – электроэнергия VII – сера VII I VIII – пар низкого 39, 92, давления IX – пар среднего давления Х – потери суммарные XI X XI – дымовые газы 3, 38, III 0,4 IV 3, ГС (сеть топливного газа) Рис. 2.13. Диаграмма эксергетического баланса производства серы, % Электротехническая система ЭК Теплотехническая система ЭК 0,06 0, 0, III IV Атмосферная 23,84 5, перегонка Гидроочистка дизельных топлив, VI I 27, вторичная 97, перегонка, II Газофрак 58, циони- VII каталитический рующая 19, риформинг установка V 10, а б г а б д V 0,47 1,55 0,18 0,65 0,5 2, 11, ГС (сеть газа технологического) ГС (сеть товарного газа) технологические потоки: I – стабильный конденсат и ШФЛУ;

II – сырье установки гидро очистки дизельных топлив;

III – котельно-печное топливо;

IV – пропанобутановая фракция и бутан технический;

V – потери;

VI – бензиновые фракции;

VII – дизельное топливо газ: а – топливный из сети ГПП;

б – топливный собственного производства;

г – стабилизации установки АТ;

д – водородосодержащий, углеводородный (установка гидроочистки дизельных топлив), стабилизации (установка каталитического риформинга) Рис. 2.14. Диаграмма эксергетического баланса производств переработки газового конденсата, % Эксергетические КПД, ex, %, производств, определенные по (2.22) и разработанным балансам (рис. 2.11–2.14), имеют следующие значения:

– осушка и отбензинивание газа 90, – стабилизация конденсата и утилизация стоков 91, – производство серы 58, – переработка газового конденсата 78, Во всех приведенных элементах ТС внутренняя структура производств на данном уровне иерархии ГС не рассматривалась, поскольку дальнейшая детализация объекта на уровне аппаратов будет выполнена при разработке математических моделей расчета показателей эффективности.

Значительный потенциал газосбережения имеется в установках первичной подготовки газа и газового конденсата – осушки, дегазации, стабилизации [66, 68, 145, 151]. Данные объекты входят в структуру не только ГПП, но и являются основными технологическими топливопотребляющими блоками (исключая наиболее энергоемкие компрессорные станции) газовых и газоконденсатных промыслов. Для газопромысловых объектов решение вопросов утилизации низконапорных технологических газов наиболее актуально, поскольку позволяет одновременно сформировать практически замкнутые экологически безопасные системы ЭК на базе ЭСН с минимальными выбросами в окружающую среду.

Анализ существующего состояния топливопотребления в блоках регенерации абсорбента установок осушки газа при его первичной подготовке к транспорту выполнен на основании эксергетического баланса (рис. 2.15).

I – насыщенный абсорбент I II – топливный газ Установка 30,6 IV III – электроэнергия III 57,0 V 8, IV – регенерированный огневой 10, абсорбент II VI V – дымовые газы регенерации 60,8 4, абсорбента VI – газопаровая смесь с верха испарителя VIII VII VII – газ дегазации 19,4 9, VIII – потери Рис. 2.15 Диаграмма эксергетического баланса установки регенерации абсорбента (УРА), % Регенерация осуществляется в комплексе оборудования с испарителями огневого типа. Эффективный эксергетический КПД, ex, составляет 57 % (эксергия регенерированного абсорбента). Остальные потоки эксергии – дымовых газов, газопаровой смеси на выходе отпарной колонны испарителя, газов дегазации, практически являются отходами и полезно не используются.

На некоторых объектах подготовки газа, имеющих собственную сеть технологических газов, используемых в качестве топлива (см. рис. 1.5 и 2.14), в огневых испарителях частично сжигаются газы дегазации.

В результате термодинамического анализа элементов ГС и ЭК ГПП определены наиболее энергоемкие производства и величина суммарных технологических и энергетических потерь, которая превышает эксергию подведенного топлива и ЭР.

Установлено, что основной потенциал повышения эффективности ГС и ЭК ГПП сосредоточен в технологических потоках – сбросных углеводородных газах и жидкофазных горючих отходах.

Оценка целесообразности реализации технических решений по утилизации данных потоков проводилась по величине системной экономии топлива в предположении выработки тепловой и электрической Bэк энергии на ЭСН Всис Вкот ВТЭЦ, Bэк (2.31) где Bсис, Bкот, BТ ЭЦ – расходы топлива на выработку необходимого количества электрической и тепловой энергии при раздельном производстве электроэнергии в энергосистеме, технологического пара в котельной, комби нированном способе их производства на ЭСН – ТЭЦ, соответственно, т у. т.

Расходы топлива определяются по известным зависимостям КЭС н Всис ВКЭС Эвыр Qр ;

(2.32) э н Вкот Qвыр Qр ;

(2.33) кот где ВКЭС – расход топлива на выработку электрической энергии на тепловой станции конденсационного типа (КЭС), т у. т.;

Э выр, Qвыр – выработка электрической и тепловой энергии за соответствующий расчетный период, МДж;

КЭС – соответственно, электрический КПД КЭС и КПД котельной;

, э кот н Qр – теплота сгорания условного топлива, МДж/т у. т.

Для вариантов утилизации горючих отходов производств на комбинированную выработку электроэнергии и технологического пара на ЭСН ЭК ГПП, включающей в себя ГТУ, котлы-утилизаторы и паровые турбины с технологическими отборами, системная экономия топлива определяется его расходом в камеру сгорания ГТУ.

Относительная экономия топлива в системе обеспечения ЭР с утилизацией отходов ТС ГПП определяется следующим показателем Bэк ВТЭЦ. (2.34) Таким образом, разработанные показатели эффективности ГС в составе ЭК ГПП позволяют разработать и научно обосновать направления ее структурной и параметрической оптимизации по энергетическим и технологическим критериям с учетом взаимосвязей объекта с ТС и внешними системами обеспечения ЭР. Для решения задач технической реализации разработанных направлений развития объекта полученные критерии необходимо дополнить технико-экономическими показателями эффективности.

2.4 Разработка обобщенной экономико-математической модели расчета эффективности системы топливообеспечения 2.4.1 Методика учета технологических и режимных факторов В соответствии с разработанной общей методикой расчета показателей энергетической эффективности аппаратов, установок и производств ТС и ЭК ГПП, методическими положениями расчета системной эффективности технических решений по повышению энергетической эффективности ГПП в экономико-математических моделях разработаны два расчетных модуля – модуль определения изменяющейся части эксплуатационных затрат, связанных с потреблением и генерацией топлива и ЭР, и модуль определения интегральных экономических показателей эффективности потребления и генерации ЭР как на действующих ГПП, так и на проектируемых и реконструируемых объектах.

В первом модуле общая математическая модель расчета удельного потребления энергоресурсов за анализируемый период времени в денежном эквиваленте представлена следующей системой уравнений Цт Цт N M N K ML тс эк И т.уд A A Bn Bm Bkn Blm Vф Vф n1 m1 n 1k 1 m 1l Цэ Цэ N M NK ML тс Э эк И э.уд Эn ЭA Э lm A (2.35) m kn Vф Vф n1 m1 n 1k 1 m 1l Цq Цq N M NK ML тс эк И q уд A A Qn Qm Qkn Qlm Vф Vф n1 m1 n 1k 1 m 1l где И т.уд, И э.уд, И q уд – удельные эксплуатационные затраты на потребление топлива, электроэнергии, тепловой энергии на ГПП, руб./ед. сырья;

Vф – фактический объем переработанного сырья, тыс. м3 или тыс. т;

Ц т, Ц э, Ц q – соответствующие тарифы на топливо, руб./м3, электроэнергию, руб./кВт ч, тепловую энергию, руб./ГДж;

Bn, Э n, Q n и Bm, Э эк, Q m – потребление топлива, электроэнергии, тепловой тс тс эк тс эк m энергии в n -м производстве ТС (всего N производств) и m -м производстве ЭК (всего М производств);

Bn, Э n, Q n и Bm, Э эк, Q m – потребление топлива, электроэнергии, тепловой тс тс эк тс эк m энергии в k -м аппарате n -го производства ТС и l -м аппарате m -го производства ЭК.

Общие удельные затраты на потребление трех видов ЭР И ЭРуд определятся соответствующей суммой И ЭРуд И т.уд И э.уд И q уд. (2.36) Рассмотрим влияние отдельных значимых технологических факторов на показатели потребления и генерации топлива и ЭР на ГПП, обратив особое внимание на глубину переработки исходного жидкофазного сырья – газового конденсата. Это обусловлено изменением сырьевой базы газовой промышленности с вовлечением в переработку нефтегазоносного сырья, общими тенденциями в формировании баланса «добыча – переработка», ориентированного на получение более ценных продуктов, стратегией расширения экспортных возможностей России за счет повышения качества конечной товарной продукции до мировых стандартов, развитием производств моторных топлив на основе GTL-технологий.

Глубина переработки газоконденсатного сырья, определяемая технологическим профилем ГПП, оказывает большое влияние на величину энергетических показателей (как на выработку, так и на потребление энерго ресурсов). Расход потребляемого топлива возрастает с глубиной переработки и повышением температурного уровня нагрева сырья [115] (таблица 2.4).

Таблица 2.4 – Зависимость расхода топлива от глубины переработки сырья Расход Температура нагрева Выход продукта, Процесс топлива, сырья, С % кг/т сырья Первичная перегонка 310–330 42–55 21– Вакуумная перегонка 330–420 50–60 36– Термический крекинг 450–500 40–45 50– Каталитический крекинг 460–510 45–60 60– Пиролиз дистиллятного сырья 650–700 60–63 150– Учет глубины переработки гетерогенного УВС в экономико математическом описании ГС осуществляется на уровне формирования множества принципов (2.4), когда этот фактор входит в состав исходных данных при решении задачи создания структуры ГС и при синтезе оптимальной ГС в составе ЭК ГПП с использованием методов имитационного моделирования объекта.

Другим технологическим фактором является состав перерабатываемого сырья, который определяет отображение множества функций ГС ЭК ГПП на множестве элементов ТС и ЭК (2.5)–(2.7). Состав сырья учитывается при описании внутренних взаимосвязей систем ТС и ЭК и определении показателей Анализ этого фактора на (2.10)–(2.15), (2.18)–(2.21), (2.31)–(2.34).

топливопотребление элементов ТС и ЭК выполнено на примере АГПЗ, перерабатывающего газ и газовый конденсат с выработкой сухого очищенного природного газа, сжиженных газов и жидкофазной углеводородной продукции – котельно-печного топлива, бензинов различных марок, дизельного топлива.

Одной из характеристик перерабатываемого гетерогенного УВС является такой показатель, как конденсатно-газовый фактор k кгф, кг/м3. Установлено, что от величины k кгф зависит количество тепловой энергии, потребляемой ГПП от внешнего источника – котельной, и, следовательно, расход топлива в системе внешнего энергообеспечения. На основании результатов энергетического аудита АГПЗ были получены и статистически обработаны экспериментальные данные о взаимосвязи потребления топлива в котельной Bкот на выработку тепловой энергии и состава газоконденсатного сырья [101–103] (рис. 2.16).

Поскольку в системе технологического теплопотребления ЭК ГПП имеются множественные редуцирования вырабатываемого в котельной пара, часть топлива Вред, потребляемого в котельной, относится к его системным потерям (рис. 2.17).

Для получения расчетных зависимостей Bкот f k кгф и Bред f V k кгф проведено имитационное моделирование данной системы в соответствии с информационным графом расчета ЭТБ ГС и ЭК ГПП и энергетического баланса внешнего источника обеспечения тепловой энергией – котельной (рис. 2.18). Вершины графа соответствуют отдельным элементам исходных данных и расчета, а дуги – базовым информационным переменным с коэффициентами преобразования потоков, однозначно определяющим взаимосвязь вершин.

расход топлива в котельной, т у. т./ч Расчетные данные Экспериментальные данные 0,25 0,27 0,29 0,31 0,33 0, Конденсатно-газовый фактор, кг/м Рис. 2.16. Зависимость топливопотребления котельной Bкот от конденсатно-газового фактора сырья ГПП 1, Системные потери от редуцирования пара, % от потребления топлива котельной 2 1, 1, 1, 1, 0, 0,6 0, 0, 80 90 100 110 Расход технологического потока, % от номинального значения 1, 2, 3 – теплота сгорания топлива 37,8;

76,6;

81,8 кДж/м Рис. 2.17. Зависимость потерь топлива при редуцировании пара Bред от расхода сырья на переработку газового конденсата b1 q b2 q 2 B1, B2,..., Bn 2 QКУ 1,QКУ 2,..., QКУn V1,V2,...,Vn......

......

k кгф bn qn QГПП n n 1 2 3 4 Pj QT C b 1 b 2 V1,V2,...,Vn n...... QЭСН bj Vj Bкот j bn j n 8 Pj QT C Bред вершины: 1 – исходные данные;

2 – материальный баланс;

3 – топливный баланс элементов ТС и ЭК ГПП;

4 – тепловой баланс системы утилизации ВЭР ТС и ЭК;

5 – тепловой баланс ГПП;

6 – тепловой и топливный баланс котельной;

7 – энергетический баланс системы редуцирования пара;

8 – тепловой и топливный баланс ЭСН ЭК ГПП исходные данные и переменные: QT C, Pj – тепловое потребление элементов ТС и давление пара на соответствующем уровне ЭК;

– потоки технологические и топливные;

QКУ1, QКУ 2,..., QКУn, QЭСН, QГПП – теплопроиз V1, V2,..., Vn, B1, B2,..., Bn водительность котлов-утилизаторов, тепловая выработка внутрипроизводственного источника и тепловое потребление ГПП от котельной;

Bкот – потребление топлива в котельной;

Bред – потери топлива от редуцирования пара высокого давления в котельной до давления Pj Рис. 2.18. Информационный граф расчета ЭТБ ГПП и топливопотребления внешнего источника Коэффициенты преобразования соответствуют следующим материальным и энергетическим потокам:

– технологическим ;

1, 2,..., n – топливным b1, b2,...,bn, ;

1, 2,..., n – тепловым q1, q2,...,qn,.

Производительность установок по переработке газа и газового конденсата (массив переменных V1, V2,..., Vn ) определялась по методике АНИПИГАЗ [122, 123]. В соответствии с обозначениями и информационными связями, приведенными на рис.2.18, расход топлива в котельной определялся на основании решения следующих уравнений.

Потребление топлива (товарный газ и технологические горючие газы) в аппаратах ТС n n n k кгф. (2.37) BT C bj Bj bj jV j j j j1 j1 j Потребление топлива в собственном источнике тепловой и электрической энергии – ЭСН на выработку пара n V j k кгф. (2.38) BЭСН bj j j Выработка тепловой энергии за счет утилизации теплоты в котлах утилизаторах ТС n q j QКУj BT C. (2.39) QВЭР j Выработка тепловой энергии в собственном источнике n V j k кгф. (2.40) QЭСН bj j j Тепловое потребление ГПП от котельной QЭСН. (2.41) QГПП QТС QВЭР Потребление топлива в котельной на выработку теплоты ГПП и собственные нужды QГПП Вкот, (2.42) н Qр кот сн н где Qр – теплота сгорания потребляемого котельной топлива;

– коэффициент, учитывающий затраты теплоты в котельной на сн собственные нужды.

Следует отметить, что экспериментальные данные, приведенные на рис. 2.16 и 2.17, соответствуют структуре ГПП без ЭСН и режимам эксплуата ции с минимальной выработкой тепловой энергии за счет утилизации ВЭР.

Идеальным вариантом структуры и режимов эксплуатации ГС ЭК и ТС ГПП является вариант отсутствия внешнего теплопотребления, когда уравнение (2.42) имеет вид равенств: QТС 0. Как будет показано в QВЭР QЭСН ;

QГПП главе 4, этот вариант реализуется за счет утилизации горючих отходов в системе генерации тепловой энергии и создания ЭСН.

Помимо конденсатно-газового фактора, состав сырьевой компоненты содержит ряд других показателей, влияющих на потребление топлива установками ТС, ЭК и внешней системы энергообеспечения. Для таких ГПП как АГПЗ и ОГПЗ, перерабатывающих сырье с высоким содержанием кислых компонентов (Н2S и СО2) и выработкой серы, к таким показателям относятся концентрация кислых компонентов в сырье C H 2 S, степень конверсии CO сероводорода в серу x H 2 S, расход кислых газов с установок очистки или производительность установок производства серы по сырью Vкг.

Перечисленные режимно - технологические факторы влияют в конечном итоге на выработку тепловой энергии в котлах-утилизаторах производства серы – уравнение (2.39), и, следовательно (см. рис. 2.18), на тепловое потребление от внешнего источника и затраты топлива в системе. При максимальных значениях C H 2 S, x H 2 S, Vкг возможна эксплуатация ГПП с минимальным CO потреблением тепловой энергии от внешнего источника и максимальной экономией топлива в системе.

Результаты экспериментально-расчетных исследований зависимости потребления топлива в котельной от перечисленных режимно технологических факторов, выполненных в рамках энергетического аудита АГПЗ приведены на рис. 2.19, 2.20.

Экономия топлива в котельной, % 87 86 88 90 92 94 96 98 Производительность установок производства серы, % Рис. 2.19. Зависимость системной экономии топлива от производительности установок серы ГПП Vкг 73, Концентрация, % по объему Зависимость экономии топлива 68, в системе от концентрации C H 2 S CO 63, 58, Зависимость экономии топлива Расход сырья, % в системе от расхода сырья 97, 93, 87, 76 78 80 82 84 86 88 Экономия топлива в системе, % Рис. 2.20. Зависимость системной экономии топлива от производительности установок серы ГПП Vкг и концентрации кислых компонентов C H 2 S CO Расчетные зависимости и Bкот f Vкг,C H 2 S, xH 2 S CO – уравнения (2.37)–(2.42) получены при Bред f Vкг,C H 2 S, xH 2 S CO имитационном моделировании в соответствии с информационным графом (рис. 2.18), где дуга связи вершин 1 и 2 содержит перечисленные технологические параметры – C H 2 S, x H 2 S, Vкг.

CO На уровне аппаратов и установок ГС ЭК ГПП технологические и режимные факторы отражены в экономико-математических моделях в виде состава потребляемого топлива (его теплоты сгорания) и коэффициентах загрузки оборудования по целевым технологическим потокам. Особое внимание уделено системам утилизации горючих отходов производств с выработкой тепловой, электрической энергии и искусственного холода. Так, для варианта ГС с утилизацией жидких горючих отходов в энерготехнологической установке с выработкой тепловой энергии в котле-утилизаторе (КУ) и холода в абсорбционном преобразователе теплоты (АПТ), принципиальная схема которой приведена на рис. 2.21, на количество дополнительного топлива, подаваемого из сети товарного газа, влияют следующие технологические и режимные факторы:

н – расход горючих отходов, GГО, и их теплота сгорания Qр ;

ГО н – теплота сгорания топливного газа Qр ;

– холодопроизводительность АПТ (тепловая нагрузка испарителя) Q0 ;

– тепловая нагрузка потребителя теплоты Qп ;

– температуры в АПТ высшая (в генераторе) Tг ;

низшая (в испарителе) T0 ;

средняя (охлаждающей среды в конденсаторе и абсорбере) Tc ;

– коэффициент сохранения теплоты циклонный предтопок ц.п ;

котел-утилизатор КУ ;

генератор АПТ г.

Искомая расчетная зависимость получена в виде функции от технологических и режимных параметров в соответствии с взаимосвязями элементов системы утилизации ГО и выработки ЭР, приведенными на структурной схеме рис. 2.22, где показаны только те элементы, которые необходимы для решения поставленной задачи.

Охлаждающая АПТ К Дымовые Дымовые Горючие вода газы газы отходы Пар Д КУ Т Г И Н Д Тепло Топливный Подпиточная Пар носитель Хладо газ вода А П агент Конденсат Охлаждающая пара вода Т – циклонный предтопок;

КУ – котел-утилизатор;

П – технологический потребитель теплоты;

Г – генераторный блок АПТ;

А – абсорбционный блок АПТ;

К – конденсатор;

Д – дроссель;

И – испаритель;

Н – насос Рис. 2.21. Схема системы утилизации горючих отходов с выработкой ЭР н Qр ГО н Qр GВЭР Qп T Tc 1 3 B Q0 Qг QКУ н н f 2 Qп, Qг, Tг f1 T0, Q0, Tc, Tг, f 3 QКУ,Qр,Qр,GГО, КУ г ц.п ГО г КУ ц.п 1 – АПТ;

2 – котел-утилизатор;

3 – циклонный предтопок Рис. 2.22. Структурная схема установки утилизации горючих отходов На рисунке 2.22 приняты обозначения параметров и переменных объекта:

– тепловая нагрузка (количество выработанной / потребленной теплоты):

Qц.п – циклонный предтопок;

QКУ – котел-утилизатор;

Qг – генератор АПТ;

– В – расход топливного газа.

Математическая постановка решаемой задачи формулируется как определение в общем виде функциональной зависимости н н B f 3 QКУ,Qр,Qр,GГО, ц.п ГО н н f 3 QКУ Qп,Qг,,Qр,Qр,GГО, КУ ц.п ГО н н f 3 QКУ Qп,Qг T0,Q0,Tc,,,Qр,Qр,GГО, (2.43) г КУ ц.п ГО В соответствии со структурной схемой установки решение задачи осуществляется последовательно, начиная с первого элемента – АПТ, для которого определяется зависимость. (2.44) Qг f1 T0, Q0, Tc, г С использованием известного уравнения для удельного расхода тепловой энергии на выработку холода в АПТ [142] получаем аналитическое выражение (2.44) – зависимость выходной переменной Qг от входных меняющихся параметров технологической системы и температуры охлаждающей среды Q0 1 T0 1 Tc. (2.45) Qг 1 Tc 1 Tг г Для второго элемента, котла-утилизатора, искомая зависимость (2.46) QКУ f 2 Qп, Qг, КУ определяется из уравнения теплового баланса этого аппарата, (2.47) QКУ Qп Qг КУ где тепловая нагрузка Qп является заданным параметром.

Для третьего элемента, циклонного предтопка, функциональная зависимость расхода топливного газа от влияющих технологических факторов н н B f 3 QКУ,Qр,Qр,GГО, (2.48) ц.п ГО также является решением уравнения теплового баланса этого элемента системы н н B QКУ GГО Qр Qр. (2.49) ц.п ГО После подстановки в (2.49) уравнений (2.45) и (2.47) получим итоговое уравнение для определения зависимости расхода топливного газа от перечисленных влияющих входных параметров и переменных Q0 1 Т 0 1 Тс н н. (2.50) B Qп GГО Qр Qр ц.п КУ ц.п КУ г 1 Тс 1 Тг ГО Один из возможных вариантов фазовой диаграммы рассмотренной установки утилизации теплоты горючих отходов показан на рис. 2.23.

Кроме перечисленных режимно- технологических факторов, влияющих на показатели потребления топлива и ЭР в ТС и ЭК ГПП, следует отметить также режимы загрузки отдельного оборудования непрерывно действующих объектов, согласованные с графиками их текущих и капитального ремонтов.

Данный режимный фактор учтен в информационно-аналитическом обеспечении расчетов соответствующими коэффициентами загрузки установок.

Таким образом были определены и включены в разработанные моделирующие программы расчета показателей эффективности объекта все наиболее существенные режимно- технологические взаимосвязи ГС с элементами ТС и ЭК ГПП. В экономико-математических моделях эти взаимосвязи входят в виде функций в составляющие сумм удельных затрат системы уравнений (2.35).

2.4.2 Учет климатических факторов и охраны окружающей среды В общем случае климатические факторы региона расположения ГПП учитываются на уровне систем и производств, особенно для предприятий переработки УВС с высоким содержанием сероводорода. Это связано с зависимостью функции рассеивания выбросов от температуры и влажности окружающей среды. В неблагоприятных условиях окружающей среды возникает необходимость снижения производительности установок по исходному сырью.

Холодопроизводительность, кВт Тепловая нагрузка генератора, кВт 900 Тепловая нагрузка КУ, кВт 300 Температура холода, К 263 268 273 278 1500 1700 1900 2100 2300 Расход топливного газа, м /с 0,050 0, Холодопроизводительность, кВт 0,045 0, 0,040 0, 0,035 0,035 0,030 0, 0,025 0,025 0,020 0, Температура холода, К 0, 0,015 Тепловая нагрузка КУ, кВт 0,010 0, 1500 1700 1900 2100 2300 2500 263 268 273 278 Рис. 2.23. Фазовая диаграмма установки утилизации горючих отходов с выработкой ЭР для определения зависимости расхода топливного газа от холодопроизводительности АПТ и температуры холода н н (параметры системы: Qп =1030 кВт, Qр ГО =23 МДж/кг, Qр = 36 МДж/м3, GГО = 0,05 кг/с, Tc = 303 К, Tг =413 К) В экономико-математической модели данный фактор учитывается коэффициентом снижения производительности и числом дней Sj эксплуатации установок в соответствующих j -х режимах нj N J, (2.51) Vф Vnj нj j Snj n 1j где Vnj – номинальный часовой расход сырья в производстве n для режима эксплуатации j ;

– время работы производства n ТС в режиме j без учета климатических j факторов за расчетный период (обычно год), ч/год;

– число часов с неблагоприятными климатическими условиями, ч/год;

нj – климатический коэффициент, учитывающий снижение нагрузки Snj производства n в режиме j.

Экологические факторы оцениваются в экономико-математических моделях в виде платы за ущерб, причиняемый выбросами в окружающую среду, и платы за утилизацию стоков и твердых отходов k У M it, (2.52) i i1 t где – коэффициент, учитывающий регион расположения ГПП;

M it – плата за единицу выбросов, утилизацию стоков, твердых отходов i -го i, вида и их масса за период времени t.

Для учета экологического фактора в систему уравнений (2.35) добавляются удельные затраты, связанные с оплатой причиняемого окружающей среде ущерба при выбросе вредных веществ в пределах ПДВ N M тс эк И S уд. Уn Уm, (2.53) Vф n1 m тс эк где У n и У m – плата за ущерб, причиняемый выбросами в n -м производстве ТС и m -м производстве ЭК, определяемые по (2.52).

При разработке технических решений, связанных с утилизацией горючих отходов производств ТС ГПП в новых установках, изменением структуры ЭК при внедрении ЭСН, реконструкцией, модернизацией или при проектировании объектов экологическая составляющая суммарных затрат определяется с учетом капитальных вложений в оборудование соответствующих систем обезвреживания отходов T k to t ЗS Зit У it, (2.54) Mi Mi 1E t 0i где ЗS – изменяющаяся часть интегральных затрат в системе, связанная с экологической составляющей технического решения по повышению эффективности ГС ЭК ГПП;

– дополнительные капитальные и текущие удельные затраты на Зit Mi реализацию мероприятий по обеспечению снижения вредных выбросов по i-у ингредиенту на величину M i ;

M i – предотвращенная величина выбросов i-го ингредиента;

У it – величина ущерба окружающей среде, причиняемого выбросами вредных веществ в пределах ПДВ;

определяется по формуле (2.52);

t – шаг расчета;

t = 0, 1,..., Т;

Т – горизонт расчета;

T иT ;

E – постоянная норма дисконта.

Расчетные зависимости (2.52)–(2.54) входят в интегральный технико экономический критерий эффективности оптимизационных решений.

2.4.3 Методика учета надежности энергообеспечения предприятия Оценка уровня надежности энергообеспечения ГПП в экономико математической модели выполнялась в расчетах сравнительного системного эффекта при структурной и параметрической оптимизации ГС ЭК с утилизацией горючих отходов в собственных источниках – генераторах тепловой и электрической энергии. Величина затрат на обеспечение надежности суммирует затраты на создание аварийного резерва Зf э т электрической ( N р ) и тепловой ( Qр ) мощности, топливо при пусках-остановах резервных установок, компенсацию ущерба, наносимого ухудшением качества электрической и тепловой энергии вследствие нарушения баланса мощностей при аварийном останове генерирующего оборудования, ремонт или замену оборудования.

Эффект от создания собственных источников генерации ЭР за счет утилизируемых газов и дополнительного топлива сравнивается с базовым вариантом ЭК ГПП по дополнительным затратам для поддержания заданного (оптимального) уровня надежности теплоэнергоснабжения (а не по наносимому ущербу от ненадежности энергообеспечения от ЭСН). Таким образом, варианты сравниваются корректно в сопоставимых условиях [85]. При этом заданный (оптимальный) уровень надежности энергоснабжения потребителей определяется на более высоком иерархическом уровне – уровне внешней системы энергообеспечения.

В общем виде затраты на обеспечение резерва З f определяются суммой системных затрат Э Зf ЗС ЗС, Q (2.55) Э где ЗC, ЗC – дополнительные системные затраты, связанные с ущербом от Q аварийного останова электрогенерирующей установки и дополнительные затраты на резервирование оборудования теплогенерирующей установки собственного источника.

Составляющие затрат (2.55) определяются в соответствии с методикой расчета надежности систем энергетики и их оборудования [85].

Затраты на обеспечение надежности электрогенерирующей установки Э П ЗС Ni ЦТ bP Ц тр b Цт Nр ЗР, bi/ (2.56) bi q Р ПЛ P где bi и bi/ – соответственно удельный расход топлива i-й установкой мощностью Ni в режиме работы на номинальной и на пониженной частоте;

– время запаздывания ввода резервной установки;

p q – коэффициент аварийности установки;

– плановое число часов работы внедряемой установки в году;

пл bp, b – удельный расход топлива резервной и внедряемой установки;

Ц тр – стоимость топлива резервной установки;

N p – мощность резервного блока;

П З Р – затраты топлива на пуск-останов резервного оборудования в системе.

Дополнительные затраты на обеспечение надежности в системе теплоснабжения связаны с введением резерва производительности котельной П ЗС Цт ЗT ЗПР, / / Q (2.57) QP n K P b ф.а.

где n – число резервных котлов производительностью Q P с удельными / капиталовложениями K P ;

/ b – удельный расход топлива в котельной;

– коэффициент, учитывающий условия финансирования строительства ф.а.

резервной мощности котельной и амортизационные отчисления;

– число часов работы резервных котлов, зависящее от требуемой надежности теплоснабжения потребителей ГПП.

Зависимости (2.55)–(2.57) включены в интегральный технико экономический критерий эффективности оптимизационных решений.

2.4.4 Интегральные показатели экономико-математической модели расчета эффективности топливной системы Экономико-математические модели разработанного модуля расчета ориентированы на определение интегральных экономических показателей эффективности потребления и генерации топлива и ЭР на ГПП и оптимизацию этих показателей для элементов каждого иерархического уровня и всего комплекса в целом, как в условиях эксплуатации действующих производств, так и при разработке стратегии развития, реконструкции и проектировании.


Модель базируется на общих принципах, сформулированных в Методических рекомендациях по оценке инвестиционных проектов [80].

Наиболее важными показателями являются интегральный эффект или чистый дисконтированный доход (ЧДД), дисконтированный срок окупаемости инвестиций (ТОК), индекс доходности (ИД), внутренняя норма доходности (ВНД). Анализ численных значений перечисленных критериев оценки эффективности технических решений позволяет формировать оптимальную структуру и режимы эксплуатации оборудования.

В качестве основного критерия эффективности для проектируемых и реконструируемых объектов в разработанных моделях принят чистый дисконтированный доход (интегральный эффект Э ) определяемый как сумма текущих эффектов за анализируемый период, приведенных к начальному шагу T ЧДД Э Зt, (2.58) Rt t t где Rt – результаты, достигаемые на t-м шаге расчета;

Зt – затраты, осуществляемые на этом же шаге;

– коэффициент дисконтирования, определяемый для постоянной нормы t дисконта E t 1E. (2.59) t Индекс доходности представляет собой отношение суммы приведенных эффектов к величине капиталовложений T ИД Зt* K Rt, (2.60) t t где К – величина капитальных вложений;

Зt* – затраты на t-м шаге (без капитальных затрат).

При ИД 1 проект эффективен, при ИД 1 – неэффективен.

Дисконтированные капитальные затраты T K Kt t. (2.61) t Внутренняя норма доходности (ВНД) представляет собой ту норму дисконта Eвн, при которой величина приведенных эффектов равна приведенным капиталовложениям и является решением уравнения T T t t Зt*. (2.62) Rt 1 Eвн Kt 1 Eвн t0 t В случае Eвн Е капиталовложения в данное техническое решение целесообразны.

Эффективность инвестиционного проекта оценивается также по сроку окупаемости – минимальному временному интервалу (от начала осуществления проекта), за пределами которого интегральный эффект становится и в дальнейшем остается неотрицательным. Другими словами – это период, начиная с которого первоначальные вложения и прочие затраты, связанные с проектом, покрываются суммарными результатами его осуществления. Срок окупаемости определяется с использованием дисконтирования при решении уравнения Tок Tок t t Зt* Rt 1 Eвн Kt 1 Eвн. (2.63) t0 t Составляющие основного критерия эффективности (2.58) Rt и Зt представим следующим образом.

Результаты Rt – это сумма стоимости отпущенной потребителям технологической и энергетической продукции, вырабатываемой на ГПП R G rt Ц r Эt Ц э Qt Ц q, (2.64) Rt r где – соответственно количество отпущенной потребителям Цr G rt, технологической продукции за период времени t и ее цена;

Э t, Qt – количество энергетической продукции (электрической и тепловой энергии), отпущенной потребителям.

В затратной части Зt выделим изменяющиеся составляющие расчетного периода времени t :

N K ML Зt Vt И ЭРудt И W удt И S удt Зf, ao A ao A (2.65) knt K kn knt K lm n 1k 1 m 1l где И ЭРудt, И W удt, И S удt – суммарные удельные затраты на топливо, электроэнергию и тепловую энергию, потребляемые от внешних источников, и удельные затраты на водопотребление и охрану окружающей среды, отнесенные к единице переработанного сырья;

Vt – объем переработанного сырья;

– стоимость k -го аппарата n -го производства ТС и коэффициент, A ao K kn, knt учитывающий отчисления от капитальных затрат на амортизацию и обслуживание этого аппарата;

– стоимость l -го аппарата m -го производства ЭК и коэффициент, A ao K lm, lm t учитывающий отчисления от капитальных затрат на амортизацию и обслуживание аппарата соответственно.

Для вариантов ЭК ГПП с ЭСН основной критерий эффективности (2.58) трансформирован в сравнительный интегральный экономический эффект альтернативных вариантов, рассчитываемый как T Т to t Э Зпрt Зпt Зct З ft ФТ 1 Е, (2.66) 1E t где Зпt – соответственно экономия затрат в ЭК и ТС ГПП при Зпрt, производстве и потреблении топлива и ЭР, водопотреблении и утилизации отходов в t-й год эксплуатации;

Зct – стоимостная оценка сравнительного социального эффекта в t-й год в сравниваемых вариантах;

З ft – стоимостная оценка сравнительного системного эффекта вариантов ЭК ГПП, отличающихся уровнем надежности снабжения ЭР потребителей в t-й год;

ФТ – разность остаточной стоимости основных фондов на конец расчетного периода времени Т в сравниваемых вариантах.

Затраты в производственную инфраструктуру ЭК и ТС ГПП ( Зпр, Зп ) формируются как функция капитальной составляющей с учетом способа и условий инвестирования и текущей составляющей, а также совокупных дополнительных системных затрат на обеспечение требуемой маневренности и надежности энергоснабжения. Содержание этих затрат определялось для каждого технического решения индивидуально в сравни с базовым вариантом объекта по зависимости (2.65).

Социальная составляющая сравнительного интегрального эффекта ( Зc ) учитывается включением в (2.66) расходов на осуществление природоохранных мероприятий ( ЗS ), стоимости использования трудовых ( З тр ) и природных ресурсов Зc Зтр ЗS. (2.67) Основой расчета затрат на использование трудовых ресурсов З тр является численность персонала и норматив эффективности, отражающий связь с непроизводственной деятельностью [80]. Разность затрат на привлечение трудовых ресурсов в сравниваемых вариантах записывается в виде T to t Зтр qt 1 1E, (2.68) t t где – коэффициент, учитывающий эффективность использования трудовых ресурсов, = 0,35 в соответствии с [80];

– разность среднегодовой численности эксплуатационного персонала qt, t и фонда заработной платы соответственно в сравниваемых вариантах в t–м году.

Критерием выбора оптимальных технических решений по оптимизации режимов эксплуатации действующих ГПП или по оптимизации структуры проектируемых и реконструируемых объектов является условие максимума (2.58) или (2.66) ЭY max, (2.69) Y opt где Y – вектор оптимизируемых переменных ГС, ТС и ЭК ГПП.

Задача оптимизации критерия эффективности может решаться на каждом уровне иерархии ГПП – аппаратов, производств, предприятия по отдельным энергетическим системам и комплексу в целом. При этом определяются локальные критерии эффективности и глобальная целевая функция с учетом взаимосвязи элементов.

Очевидно, что одного знания локальных оптимумов составляющих системы и умения находить входные значения оптимизирующих переменных, отвечающих этим оптимумам, недостаточно для определения глобального оптимума всего объекта в целом. Особенности оптимизации ГС ЭК и ТС ГПП обычно возникают не из-за факта существования нескольких локальных целей, а вследствие не координированного стремления к ним. Сложность объясняется взаимодействием этих множественных целей и основными факторами, влияющими на конфликт между целями различных элементов ГС ЭК и ТС ГПП – технологическая топология, неполнота и неточность информации о параметрах, неточность управления или оптимизации. Все три фактора связаны, но первичным является технологическая топология. Поэтому при оптимизации режимов функционирования и структуры ГС ЭК ГПП большое значение имеет соответствие данной технологической топологии выбранным целевым функциям (функциям «полезности»).

Зависимости (2.58)–(2.69) использованы при определении эффективности систем утилизации горючих газов с ЭК ГПП [50–53, 57, 59, 66–69, 124, 151].

Содержательная часть критериев и показателей эффективности ГС ЭК ГПП определена на основе разработанных математических моделей всех ее элементов на различных уровнях иерархии объекта исследования.

Глава 3. Математические модели системного анализа энерго эффективности топливообеспечения 3.1 Математические модели расчета генерации и потребления газа в элементах систем топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий Системный анализ эффективности ГС в составе ЭК ГПП выполнен на основе разработанных математических моделей расчета баланса генерации газовых потоков в ТС и потребления топлива в огнетехническом оборудовании основного и вспомогательного производств во взаимосвязи с внешней системой обеспечения ЭР, объединенных в программный модуль расчета ЭТБ ГПП с заданной технологической топологией. Комплекс моделей ЭТБ разработан в соответствии с системой уравнений формализованного описания структуры ТС и ЭК ГПП (2.1)–(2.3) и в общем виде включает модели расчета (множество функций) генерации и потребления топлива и ЭР элементами уровней иерархии ГПП – производств, установок и аппаратов (рис.2.1).

Уровень III:

– J технологических процессов ТС ТП T C ТП T C,..., ТП Tj C,..., ТП T C ;

1 J (3.1) – I технологических процессов ЭК ТП ЭК ТП ЭК,..., ТП ЭК,..., ТП ЭК, 1 i I (3.2) ТП T C...ТП T C 1 J где – математическое описание термохимических, термокаталитических, массообменных, тепловых и других технологических процессов, необходимых для реализации основной производственной задачи – выпуска продукции;

ТП ЭК...ТП ЭК – комплекс математических моделей процессов генерации, 1 I преобразования, транспортирования и потребления топлива и ЭР.

Формализованное описание элементов IV и V уровней включает множества математических моделей аппаратов и установок:

– ТС (всего K аппаратов или агрегатов) 1 k K AT C AT C,..., AT C,..., AT C ;

(3.3) – ЭК (общее число аппаратов или установок L ) 1 l L AЭК AЭК,..., AЭК,..., AЭК. (3.4) На VI иерархическом уровне разработаны математические описания решения задач анализа и оптимизации потребления и генерации каждого из M видов ЭР в соответствии с количеством систем ЭК W1,...,Wm,...,WM. (3.5) W При этом, как было отмечено ранее, по отдельным видам энергоресурсов математические описания процессов входят как во множество (3.1), так и во множество (3.2), т.е. пересечение множеств ТП ТС и ТП ЭК не является пустым множеством:


ТПТС ТП ЭК. (3.6) Математическое описание энерготехнологических агрегатов входит в непустое множество, образованное пересечением множеств математических описаний аппаратов ТС AТС и установок ЭК AЭК :

. (3.7) AТС AЭК Отображая множества (3.1)–(3.5) математических описаний элементов ГПП во множестве функций F, получим математическую f 1,..., f,..., f модель для разработки, модернизации, оптимизации ГС ЭК в соответствии с принятыми критериями эффективности.

Частными случаями множества функций являются следующие F отображения:

– функции для решения единичных задач расчета, анализа, оптимизации потребления или генерации m -го вида ЭР в k -м аппарате, где протекает j -й технологический процесс n -го производства ТС : Aтс,m, ТП тс,m Птс,m ;

k, j, n, (3.8) f, тс,m где – отображение в на пространстве Aтс,m, ТП тс,m П тс,m k, j, n, f, тс, m технологических, конструктивных характеристик ТС, Z тс тс экологических / климатических S, экономических факторов для m-го Ц вида ЭР;

– функции для решения единичных задач расчета, анализа, оптимизации потребления или генерации m -го вида ЭР в l -м аппарате, где протекает i -й технологический процесс m -й подсистемы ЭК : Aэк, m, ТП эк, m Пэк,, m, l, i, m (3.9) f, эк, m где – отображение в на пространстве Aэк, m, ТП эк, m П эк,, m l, i, m f, эк, m технологических, конструктивных характеристик ЭК, Z эк эк экологических / климатических S, экономических факторов для m-го Ц вида ЭР.

Математическая модель множества функций (отображений F 1...М, и в П тс, 1N M1... и Пэк, 1...M1... в координатном 1..., f 1... f 1...

, тс, 1...M, эк, 1...M...

пространстве технологических, конструктивных и экономических характеристик в общем виде представлена следующими основными логически законченными блоками (рис.3.1): расчета – ЭТБ (материального и энергетического балансов), гидродинамики и свойств материальных потоков и ЭР, кинетики процессов;

базы данных – параметров и констант по аппаратам и процессам;

методических положений расчета, оптимизации и регулирования генерации и потребления ЭР;

результатов энергетического аудита и экспериментальных исследований. Блочный принцип позволил разбить общую задачу построения математической модели на отдельные подзадачи и тем самым упростить ее решение, модернизировать и заменять отдельные блоки новыми, не изменяя при этом остальные. Вычислительные блоки математической модели рассматриваются как совокупность операторов, качественно и количественно преобразующих входные переменные и параметры X t в выходные переменные Y t (рис. 3.2).

Энергетический Материальный баланс Модели Z баланс гидродинамики Модели расчета Математическая Уравнения кинетики теплофизических модель процессов свойств веществ F Модели экономики Блоки расширения База данных Блоки расширения Ц Аппараты Процессы Методики Энергоаудит Эксперимент Рис. 3.1. Блочная структура математической модели Z Xt Xt Yt Ц Рис. 3.2. Элемент расчетного блока как технологический оператор Операторы в блоках соединены по принципу последовательной, параллельной или рециклической связи. Зависимость выходных и входных переменных и параметров операторов определяется в данный момент времени t некоторым функционалом :

Yt Xt. (3.10) Задача каждого вычислительного блока состоит в расчете всех необходимых значений выходных переменных по заданным значениям входных переменных и параметров. Принципиально каждый блок математической модели имеет математическое описание входящих в него операторов с различной степенью детализации. Важно лишь, что входные и выходные переменные всех блоков модели находятся во взаимном соответствии, обеспечивая получение замкнутой системы уравнений математической модели всего объекта. Последовательность обращения к вычислительным блокам задается с помощью специальной организующей программы. Разработка математической модели осуществлялась по принципу «нисходящего» проектирования, когда предполагались заданными конструктивные характеристики элементов нижнего уровня – аппаратов из разработанной базы данных, и формировалась система функций (3.8)–(3.9).

Модели материального баланса и ЭТБ Основными элементами системы (3.8)–(3.9) решения задач повышения эффективности ГС ЭК ГПП являются модели расчета материального и энергетического балансов [49, 57–59, 63], для разработки которых использован метод структурного анализа и проектирования SADT [81] и экспериментальные данные действующих производств [54, 122, 123].

Методология SADT в виде организационной диаграммы расчета ЭТБ показана на рис. 3.3. Диаграмма разработана на основании схем: общей структурной ТС и ЭК ГПП (рис. 2.1), взаимосвязей ГС с ТС и ЭК (рис.2.2), ЭТБ на блочно-иерархическом уровне ГПП (рис.2.3). На диаграмме приведены основные элементы расчета ЭТБ ГПП и внешних систем обеспечения ЭР, водой и водоотведения в виде информационных полей расчета, а также информационные потоки в виде дуг связи – входящие (обозначение I ) и исходящие (обозначение O ).

Входящие дуги:

I – параметры сырьевого потока, характеристики внешних систем обеспечения ЭР, водой и водоотведения, необходимые для расчета балансов в соответ ствующих элементах A0, A1, A2, A3, A4, A5 ;

I I.0, I.1, I.2, I.3, I.4, I.5 ;

– технологические потоки, рассчитанные по I.0.1, I.0.2, I.0.3, I.0.4, I.0. материальному балансу ТС, необходимые для балансов в элементах A1 A5 ;

I.1.0, I.1.2, I.1.3, I.1.5, I.1.6 – расходы топливного газа, потребляемые в агрегатах ТС, источниках тепловой и электрической энергии ЭК ГПП, установках обезвреживания стоков, внешней системе энергообеспечения;

I. СЫРЬЕ I. БАЛАНС БАЛАНС А6 А I ЭР СИСТЕМНЫЙ ВОДНЫЙ СИСТЕМНЫЙ I. I. I. I.5 O.6 O. МАТЕРИАЛЬНЫЙ (I.4.2, I.4.3, А БАЛАНС O.5 (I.5.1, I.5.3, I.5.7) O. I.4.5, I.4.7) I.6.3 I.7. I.6.2 I.7. БАЛАНС БАЛАНС А4 А ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ ВОДООТВЕДЕНИЯ I.6. O.0 I.0.4 I.0. I.0.1= (I.0.1.1, I.1.0 I.0.2 I.1.5 I.0. I.0.1.2) I.1.2 I.1. ТОПЛИВНЫЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС А1 А2 А БАЛАНС БАЛАНС ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (I.2.1, I.2.3, I.2.4, I.2.5, O. (I.3.1, I.3.2, I.3.6) O. I.2.6, I.2.7) O. I. I.1. Рис. 3.3. Организационная диаграмма расчета энерготехнологического баланса ГПП, внешних систем обеспечения ЭР, водой и водоотведения – тепловые потоки теплотехнической I.2.1, I.2.3, I.2.4, I.2.5, I.2.6, I.2. системы ЭК, необходимые для определения затрат топлива, электроэнергии, технологической воды для выработки тепловой энергии, расчета баланса водоотведения, системных балансов ЭР и водоснабжения, включая потери;

I.3.1, I.3.2, I.3.6 – энергетические потоки электротехнической системы ЭК, используемые в расчете потребления топлива для выработки электроэнергии и тепловой энергии в собственном источнике, и системного баланса ЭР;

I.4.2, I.4.3, I.4.5, I.4.7 – потоки технологической воды, необходимые для расчета балансов: теплового, электроэнергии, водоотведения, системного водного;

I.5.1, I.5.3, I.5.7 – потоки системы водоотведения (стоки), необходимые для расчета балансов: топливного, электроэнергии, системного водного;

I.6.1, I.6.2, I.6.3 – потребление топлива внешней системой энергообеспечения и замыкающие энергетические потоки теплотехнической и электротехнической систем ЭК ГПП;

– замыкающий поток системы внешнего водоснабжения и I.7.4, I.7. граничное условие (лимитирующая производительность) системы водоотведения.

Исходящие дуги:

– множество технологи O.0 I.0.1 I.0.1.1, I.0.1.2, I.0.2, I.0.3, I.0.4, I.0. ческих потоков (управляющих переменных) ТС, значения которых однозначно определяют генерацию и потребление топливного газа I.0.1 I.0.1.1, I.0.1.2, тепловой энергии I.0.2, электроэнергии I.0.3, водопотребление I.0.4, водоотведение I.0.5 ;

I.1.0, I.1.2, I.1.3, I.1.5, I.1.6 – расход топливного газа ГС, включая газы O. собственных технологических процессов – дегазации, стабилизации, перегонки, разделения, и товарный газ – замыкающий поток;

I.2.1, I.2.3, I.2.4, I.2.5, I.2.6, I.2.7 – суммарный поток генерируемой и O. потребляемой в ТС и ЭК тепловой энергии, включая потери системы теплоснабжения ГПП;

I.3.1, I.3.2, I.3.6 – суммарное количество генерируемой и потребляемой O. в ТС и ЭК электроэнергии с учетом потерь в сети электроснабжения ГПП;

– общее количество воды, получаемой и O.4 I.4.2, I.4.3, I.4.5, I.4. потребляемой в основных и вспомогательных процессах ТС и системах ЭК ГПП с учетом потерь этого вида ресурса;

I.5.1, I.5.3, I.5.7 – суммарный объем стоков ГПП;

O. – количество тепловой и электрической энергии, O.6 I.6.1, I.6.2, I.6. подаваемой на ГПП из внешней системы энергообеспечения с учетом потерь ЭР в сетях;

– количество воды, подаваемой на ГПП от внешнего O.7 I.7.4, I.7. источника, и количество утилизируемых во внешних установках отходов.

Разработанная организационная диаграмма расчета ЭТБ позволяет сформировать диаграммы ее отдельных элементов и их математические модели расчета потребления и генерации топлива и ЭР, сложность которых определяется сложностью технологической топологии и числом управляющих переменных. Модели расчета и анализа показателей эффективности ГС ЭК ГПП во взаимосвязи с внешними системами обеспечения ресурсами разработаны в соответствии с иерархической структурой, описываемой уравнениями (3.1)–(3.5), и представлены моделями процессов (функции системы) и моделями аппаратов (данные системы).

Для предприятий по переработке гетерогенного УВС базовой математической моделью процессов является модель материального баланса (МБ) двух типов – топологической (потоковые и информационные графы) и символической (расчетные зависимости, ограничения, матрицы). В данном исследовании впервые были разработаны потоковые и информационные графы расчета ЭТБ производств по переработке высокосернистой газоконденсатной смеси.

МБ основных технологических процессов переработки УВС с достаточной точностью рассчитаны по системе линейных или линеаризованных уравнений с использованием экспериментальных данных о кинетике и динамике эксплуатационных режимов [4, 34–36, 73, 102, 115, 122, 123].

В общем виде система материального баланса любого процесса переработки УВС представлена в виде матричного уравнения A, (3.11) BC b где B – матрица выходных потоков элемента процесса;

bJ c11 c1I – матрица коэффициентов уравнений МБ;

C c J 1 c JI a – матрица входных потоков процесса.

A aI Для некоторых элементарных процессов уравнение (3.11) преобразуется в зависимость вида P k G /j G jk, (3.12) c jk j1 k P где G /j – сумма массовых расходов материальных потоков на выходе j элемента;

G jk и c jk – массовый расход k -го входного потока и коэффициент его конверсии на различных стадиях элементарного процесса.

Реализация данного подхода к расчету МБ некоторых процессов приведена в приложении Б.

Необходимо отметить, что разработанные модели МБ помимо основных технологических потоков, участвующих в процессе преобразования УВС и выработки продукции, содержат также потоки водяного пара, конденсата, воды технологической и питательной энерготехнологических агрегатов и котлов утилизаторов, чем существенно отличаются от моделей МБ химико технологических систем, предложенных в [34–36].

В соответствии с организационной диаграммой разработки обобщенного ЭТБ (рис. 3.3), включающего все материальные потоки сырья, продуктов, пара, конденсата, воды и стоков в общем виде на блочно-иерархическом уровне ТС и ЭК, представлен следующей последовательностью расчетных и логических операций:

– ввод исходных данных, основными из которых являются состав сырья, параметры внешних источников обеспечения тепловой энергией и водой;

– составление матриц инциденций входных и выходных потоков;

– образование общей матрицы инциденций;

– образование матрицы смежности;

– определение порядка расчета элементов системы;

– расчет i -го элемента соответствующего уровня системы по моделям, включающим все математические модели элементов нижних уровней;

– проверка условия расчета всех элементов уровня;

– вывод и анализ полученных результатов расчета.

Данный алгоритм расчета ЭТБ реализован для предприятия переработки гетерогенного сернистого УВС, содержащего газ, газовый конденсат, пластовую воду, при генерировании вариантов технологической структуры которого получена схема, представленная на рис. 3.4 [101]. Решение задачи разработки ЭТБ по материальным потокам приведена в приложении Б.

Вода деминерализованная Газ регенерации Газ товарный Отсепарированный газ Газ очищенный Очистка газа Осушка и отбензинивание газа Кислый газ Пластовая очистки Пар смесь Газы Сепарация пластового газа Пар Нестабильный конденсат Пластовая дегазации Кислый вода Очистка и Газы Производство серы Сера газ компримирование газов Сжиженный газ Кислый стабилизации Пар Пар Обработка газ Товарные стоков Газы Конденсат осушки нефтепродукты Стабильный конденсат Переработка стабильного конденсата Стабилизация конденсата Утилизация сточных вод Пар Газ и сжигание промотходов Пар топливный Вода Газ топливный в пласт Подсистема технологического Подсистема Подсистема Пар Пар от внешней сети водоснабжения топливоснабжения пароснабжения Вода от внешней сети Газ топливный Факельное хозяйство Вода деминерализованная Рис. 3.4. Функциональная схема переработки гетерогенного сернистого УВС Разработанные топологические и символические модели МБ ГПП широкого профиля, перерабатывающего высокосернистое сырье, приведены в приложении В. Для этого же объекта баланс технологических потоков ГС, который является частным случаем МБ ГПП, разработан в виде трехуровневой топологической модели (рис. 3.5) и символической математической модели – зависимости (3.13)–(3.14).

В соответствии с принятыми на рис. 3.5 обозначениями потоков, необходимое количество товарного газа, подаваемого в ГС ЭК ГПП для обеспечения всех технологических производств по переработке газа и газового конденсата, а также для сжигания промышленных отходов, утилизации стоков и выработки ЭР в собственном источнике, определится из уравнения баланса потоков V2 V10 V15 V17 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V (3.13) V12 V13 V14 V16.

Топливная система Собственный источник ЭР V Газ собственного производства (технологический) Газ товарный V Системы ЭК V Переработка газового конденсата Переработка газа V17 V Производства ТС V V V 1 V11 V12 V13 V14 V ГО ГФУ ВП КР АТ V V 2 V15 V V 3 6 Установки 1–6 – установки (1 – осушки и отбензинивания газа;

2 – получения серы;

3 – стабилизации конденсата и обработки стоков;

4 – сжигания промышленных отходов;

5, 6 – факельные);

АТ, ВП, ГФУ, ГО, КР – установки переработки газового конденсата (АТ, ВП – атмосферная и вторичная перегонка, ГФУ – газофракционирование, ГО – гидроочистка, КР – каталитический риформинг);

V1 V17 – объемные расходы топливного газа Рис. 3.5. Потоковый граф расчета МБ ГС установок переработки газа и газового конденсата Анализ результатов работ по энергоаудиту ГПП [54, 59, 100–104] показал, что для наиболее крупных потребителей регламентные расходы топливного газа существенно отличаются от фактического топливопотребления, что связано с изменением характеристик огнетехнических агрегатов, расчетным временем их эксплуатации, переменным составом топливного газа. Последний фактор влияет на вид теплового баланса технологических установок, когда в качестве определяющей величины принимается количество теплоты топливного газа, а не его объемный расход. Поэтому баланс потоков в ГС во взаимосвязи с ТС и ЭК ГПП целесообразно формировать на основании тепловых балансов производств и установок. В общем виде уравнение теплового баланса для рассмотренной выше технологической структуры установок преобразуется из уравнения (3.13) в зависимость P P P P V2 QH ТГ V10QH ГО V15QH КР V17 QH АТ P V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 QH ТГ (3.14) P V11 V12 V13 V14 V16 QH СР, где QH ТГ, QH ГО, QH КР, QH АТ, QH СР – объемные теплоты сгорания товарного газа, P P P P P технологических газов установок и топливного газа среднего состава для огнетехнических агрегатов ТС и ЭК.

Для решения уравнения (3.14) относительно V2 и последующих расчетов топливопотребления элементов ГС на уровне аппаратов и установок необходимы данные о свойствах веществ и процессов, представленные в виде функций основных параметров материальных и энергетических потоков – давления, температуры, концентрации.

Математическое описание свойств веществ В исследовании эффективности ГС ГПП при разработке математических описаний физико-химических свойств веществ и процессов были проанализированы известные термодинамические закономерности, методы подобия и соответственных состояний, сравнительные методы расчета, аппроксимационные соотношения в заданных интервалах параметров. Так, для природного газа стандартного состава сопоставление рассчитанных по разработанным аппроксимационным зависимостям свойств веществ и справочных данных [15] приведено в таблице 3.1, из которой видно, что наибольшую погрешность расчета имеют физико-химические свойства газа (плотность и коэффициент сжимаемости) при повышенном давлении и температуре. С калорическими данными (энтальпия, теплоемкость) наблюдаемые отклонения менее существенны и находятся в пределах 2–3 % в реальном рабочем диапазоне эксплуатации оборудования.

Таблица 3.1 – Анализ результатов расчета свойств газа по аналитическим зависимостям на ЭВМ Теплоемкость, Коэффициент Плотность, кг/м3 Энтальпия, кДж/кг сжимаемости кДж/(кг К) Погрешность, % Погрешность, % Погрешность, % Погрешность, % Справ.

Справ.

Справ.

Справ.

Расчет Расчет Расчет Расчет Давление, МПа Т=250 К 0,10 0,792 0,806 -1,8 0,996 0,983 1,31 1080 1076 0,37 2,102 2,106 -0, 3,00 26,27 26,37 -0,4 0,901 0,900 0,11 1040 1035 0,48 2,432 2,471 -1, 12,00 146,8 147,2 -0,3 0,645 0,645 0 887,2 883,8 0,38 4,534 4,606 -1, Т=293,15 К 0,10 0,674 0,657 2,52 0,998 1,017 -1,9 1172 1169 0,25 2,177 2,183 -0, 3,00 21,38 21,44 -0,3 0,945 0,935 1,1 1142 1139 0,26 2,365 2,402 -1, 12,00 98,75 100,9 -2,2 0,818 0,789 3,5 1048 1027 2,00 3,209 3,185 0, Т=450 К 0,10 0,439 0,419 4,56 0,999 1,030 -3,1 1548 1490 3,75 2,661 2,629 1, 3,00 13,22 12,56 4,99 0,995 1,049 -5,4 1535 1498 2,41 2,721 2,711 0, 12,00 52,86 56,37 -6,6 0,996 0,961 3,5 1500 1520 -1,33 2,899 2,794 3, На основании анализа точности расчета свойств других веществ (высших углеводородов, дымовых газов, воздуха, воды, водяного пара) было установлено, что аналитические представления этих данных в виде функций одной, двух или нескольких переменных позволяют рассчитать необходимые величины с погрешностью не более 3 %. Поэтому моделирующие алгоритмы и программы расчета элементов ГПП содержат аналитические аппроксимационные зависимости, основные из которых для природного газа, углеводородов, дымовых газов, водяного пара, воздуха приведены в приложении Г.

Математическое описание гидродинамики процессов В аппаратах ТС и ЭК встречаются, в основном, однофазные и двухфазные (газ-жидкость) потоки.

В то же время, уравнения гидродинамики для реальных потоков либо весьма сложны, либо в ряде случаев вообще не могут быть записаны в общем виде (для двухфазных потоков). Поэтому при создании математических моделей расчета процессов переноса теплоты и массы в элементах ТС и ЭК из множества идеализированных схем движения потоков рассматриваются две схемы, а реальный аппарат в этих условиях представляется комбинацией идеализированных гидродинамических моделей [34–36]:

идеального смешения (МИС);

идеального вытеснения (МИВ).



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.