Оптимизация химико-технологической системы нефтеперерабатывающего завода с использованием энергосберегающих методов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Кашин, Олег Николаевич

• Кашин, Олег Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кашин, Олег Николаевич

Список обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Аналитический обзор.

1.1 Структура современного нефтеперерабатывающего завода.

1.2 Повышение энергоэффективности теплотехнического оборудования нефтепереработки.

1.3 Моделирование нефтеперерабатывающего производства.

1.4 Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. Оптимальная структура нефтеперерабатывающего завода.

ГЛАВА 3. Разработка оптимальной технологической схемы теплообмена установки первичной переработки нефти.

3.1 Эвристический алгоритм синтеза систем теплообмена.

3.2 Система теплообмена установки первичной переработки нефти АВТ-12 (атмосферный блок).

3.3 Система теплообмена установки первичной переработки нефти АВТ-12 (атмосферный блок и вакуумный блоки).

ГЛАВА 4. Разработка оптимальной технологической схемы процесса изомеризации углеводородов с минимальным энергопотреблением.

4.1 Постановка задачи оптимизации высокоэнергоемкого процесса изомеризации.

4.2 Разработка модели процесса.

4.3 Модель реактора.

4.4 Оптимальная технологическая схемы процесса изомеризации.

ГЛАВА 5 Энерготехнологическое комбинирование производства электроэнергии и тепла с использованием газотурбинных технологий

5.1 Интеграция газотурбинных установок с печами огневого нагрева.

5.2 Сочетание паровых и газотурбинных циклов на НПЗ.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация химико-технологической системы нефтеперерабатывающего завода с использованием энергосберегающих методов»

В последние годы в мировой нефтепереработке сложилась благоприятная ситуация, когда цены на светлые нефтепродукты растут вдвое быстрее, чем цены на сырую нефть. Увеличение прибыльности отрасли ведет к тому, что нефтедобывающие страны стали активно инвестировать свои финансовые средства в строительство новых мощностей по переработке нефти, чтобы экспортировать не сырье, а нефтепродукты и товары нефтехимии.

Устойчивая тенденция ужесточения экологических требований, направленных на снижение вредных выбросов при сжигании топлива, диктует постоянный рост качества нефтепродуктов. Наиболее быстро растет спрос на высококачественные дистиллятные дизельные топлива и бензины, а потребность рынка в котельном топливе снижается.

Известно [1,2,4], что нефтеперерабатывающая отрасль России отстает в своем развитии от промышленно развитых стран мира. Основными проблемами отрасли остаются:

• низкая глубина переработки нефти,

• невысокое качество выпускаемых нефтепродуктов,

• отсталая структура производства,

• высокая степень износа основных фондов

• высокий уровень энергопотребления.

Российские нефтеперерабатывающие предприятия отличаются низким уровнем конверсии нефтяного сырья в более ценные продукты переработки. В среднем по Российской Федерации выход автобензина и дизельного топлива уступает показателям нефтепереработки в промышленно развитых странах мира, а доля выработки топочного мазута наиболее высока.

Загрузка отечественных НПЗ составляет 70-75%, в то время как для мировой нефтепереработки сегодня из-за огромного спроса и высоких цен на нефтепродукты она близкая к 100%.[1,2] г

Экспорт российской нефтепереработки представлен, главным образом, относительно дешевыми нефтепродуктами, в том числе, прямогонным бензином, вакуумным газойлем, дизельным топливом низкого качества в сравнении с европейскими требованиями по содержанию серы, а также топочным мазутом и базовыми маслами. Доля товарных нефтепродуктов с высокой добавленной стоимостью мала.

Невысокое качество выпускаемых продуктов обусловлено существующей* структурой нефтепереработки на российских НПЗ.

Очевидно, что производство бензинов и дизельных топлив, соответствующих нормам ЕВРО-4 и ЕВРО-5, невозможно без использования деструктивных углубляющих процессов; к числу которых относятся каталитический крекинг, алкилирование, гидрокрекинг и др. [2].

Значительной проблемой нефтеперерабатывающей промышленности России является высокая степень износа основных фондов, составляющая до 80%, а также использование устаревших энергоемких и экономически несовершенных технологий. В результате российская нефтепереработка характеризуется высоким уровнем энергопотребления, что негативно отражается на экономической эффективности отрасли. Удельный расход энергоресурсов на действующих российских заводах в 2-3 раза превышает зарубежные аналоги [12]. Несмотря на выполняемые мероприятия по энергосбережению, доля затрат на топливо в структуре себестоимости продукции предприятий нефтегазовой отрасли растет.

В то же время внедрение процессов, позволяющих увеличить глубину переработки нефти, требуют потребления дополнительных энергоресурсов, поэтому проблема экономии энергопотребления встает особенно остро.

Основными направлениями ресурсо - и энергосбережения на предприятиях отрасли являются более полное использование газов нефтепереработки^ оптимизация структуры производства и автоматизация оптимального ведения режимов технологических цепочек.

Мощности нефтеперерабатывающих предприятий размещены на территории России неравномерно и нерационально: Большинство российских НПЗ расположены в глубине страны, вдали от морских экспортных перевалочных баз, что существенно снижает эффективность экспорта нефтепродуктов. Благодаря^ выгодному географическому положению компания «Роснефть» реализует проект, направленный на удвоение мощности Туапсинского НПЗ мощностью около 20 млн. тонн в год [1].

В условиях ужесточения требований к энергоресурсосбережению и качеству нефтепродуктов основной задачей нефтепереработки является разработка оптимальной ХТС нефтеперерабатывающего производства, приносящей наибольший экономический эффект и удовлетворяющей потребительский спрос на товарную продукцию.

Целью диссертации является разработка оптимальной ХТС нефтеперерабатывающего производства на основании - структурно-параметрического синтеза технологического комплекса с использованием энергосберегающих методов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: выполнить анализ существующих ХТС нефтеперерабатывающих предприятий, определить наиболее энергозатратные элементы системы; построить математическую модель НПЗ с учетом ограничений на параметры и ресурсы; разработать методы синтеза оптимальной ХТС и уменьшить энергопотребление предприятия.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Кашин, Олег Николаевич

Выводы

1. Впервые поставлена и решена задача синтеза оптимальной химико-технологической системы НПЗ, которая получена на основании анализа технологической последовательности нефтеперерабатывающего производства, заданной конечной совокупности технологических процессов и описываемой уравнениями материального баланса, ограничениями на структурные и технологические параметры, материальные ресурсы, а также на размеры территории, занимаемой НПЗ.

2. Разработан программный комплекс, реализующий- линейную математическую модель нефтеперерабатывающего предприятия, с помощью которого решена задача определения оптимальной ХТС завода с учетом ограничений на размеры занимаемой территории глубиной4переработки 95%.

3. Разработан метод и . алгоритм поиска оптимальной системы теплообмена тепловых ХТС НПЗ, представляющий собой комбинацию эвристических и пинч-методов, позволяющий с учетом изменения коэффициента теплопередачи деление потоков на подпотоки' с переменной разностью температур на концах теплообменника. С его помощью решена задача повышения эффективности энергообеспечения установки первичной; переработки нефти за счет максимального использования рекуперации теплоты и оптимизация режимов работы технологических установок.

4. Разработана система теплообмена установки первичной переработки нефти АВТ-12 на НПЗ в г. Туапсе с использованием тепла верхних погонов ректификационных колонн, за счет чего удалось снизить потребление вспомогательного горячего теплоносителя.

5. Разработана модель реактора изомеризации углеводородов, основанная на допущении о пропорциональности скорости изомеризации пентана скоростям реакций основных компонентов легких бензиновых фракций и предложен двухуровневый метод синтеза оптимальной ХТС энергоемкого процесса изомеризации углеводородов.

6. Рассмотрена задача комбинированного производства электроэнергии и тепла на нефтеперерабатывающем предприятии путем интеграции газотурбинных установок с печами огневого цикла или совместного использования газотурбинных и паровых циклов. По расчетам автора, приведенным в диссертации, ожидаемый экономический эффект от интеграции ГТУ с печами установки АВТ-6 составляет 77,592 млн. руб./год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кашин, Олег Николаевич, 2011 год

1. A.B. 'Бородачева, М.И. Левинбук: Тенденции развития нефтеперерабатывающей промышленности и экономические особенности нефтепереработки в России// Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева. 2008. т. LII. № 6.- С.37-43.

2. A.A. Калинину A.A. Калинин. Возможные-направления совершенствования переработки нефти в России // Проблемы прогнозирования .2008.№1. С.73-91

3. М.Г. Рудищ В.Е. Сомов, A.C. Фомин Карманный справочник нефтепереработчика. ОАО «ЦНИИТЭнефтехим», Москва,2004,334с

4. Калинин A.A. Экономические проблемы современной нефтепереработки в России // Экономист. 2006. № 5. С.24-33.

5. Брагинский О. Б. Сомнения на заданную тему // Нефть России. 1996. № 3-4.

6. Коржубаев А.Г., Эдер JI.B. Современное состояние и прогноз развития нефтяного рынка АТР // Минеральные ресурсы России. Экономика и» управление. 2004. № 1.

7. Мваптер, В.В., Узяков М.Н. Будущее России: инерционное развитие или инновационный прорыв // Проблемы прогнозирования. 2005. № 5. С. 17— 63.

8. Некрасов A.C., Синяк Ю.В. Перспективы развития топливно-энергетического комплекса России на период до 2030 года // Проблемы прогнозирования. 2007. № 5. С.21-53

9. Каминский Э.Ф., Хавкин В.А. Глубокая переработка нефти: технологический и экологический аспекты.М.: Техника, 000*«Тума групп», 2001.

10. Капустин В.М., Кунес С.Г., Бертолусини Р.Г. Нефтеперерабатывающая промышленность США и бывшего СССР. М.: Химия, 1995.

11. Конь М.Я., Зелькинд Е.М., Шершун В.Г. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность за рубежом. М.: Химия, 1986, 184с.

12. Еженедельный обзор средств массовой информации по вопросам недро-природопользования и ТЭК в России и странах мира. 2010. Вып.50. 83 с.

13. Гидрирование ароматических соединений. Заявка 2008142366/04, 22.11.2006(24)

14. Соловьев A.A. Технология получения компонента бензинов с пониженным содержанием бензола и ароматических углеводородов С9+ на основе риформата. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа, 2003.-23с.

15. Нефть и капитал. Плюс изомеризация всей нафты. 23.04.2008.

16. Бурдыгина Е.В. Повышение энергоэффективности теплотехнического оборудования первичной переработки нефт. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа — 2003.-21с.

17. Патент РФ №2081146. Рабочее вещество для турбогенератора- утилизатора тепла. Термодинамический центр Госкомнефтегаза Украины. Заявка №94018328. Зарегистрировано 10.06.1997.

18. Разработка энергосберегающих схем в технологических процессах нефтепереработки и нефтехимии. Отчет о НИР (заключительный)/НТУУ «Киевский политехнический институт».- Инв; № 15/2.043.- К.,2003. 100с.

19. Пикашов B.C., Великодный В.А. Исследование радиационных харакеристик покрытия для чернения кладки печей //Промышленная теплотехника. 1985.№3. С. 102-105.

20. Гареев Р.Г. Эйергообесбечение и энергоснабжение при пререработке нефти //Химия и технология топлив и масел 2002. №2. С. 7-8.

21. Лейтес И.Л. Второй закон и его 12 заповедей. Популярная термодинамика и химическая энерготехнология. М.: Изд-во МГУ, 2002,176 с.

22. Кафаров В. В., Мешалкин В. П., Гурьева Л. В. Оптимизация теплообменных процессов и систем. М., 1988. 192 с.

23. Викторов В. К., Кузичкин HI В., Холоднов В. А. Методы синтеза подсистем теплообмена химико-технологических систем. Учебное пособие, 1986. 49 с.

24. Викторов В: К., Кузичкин Н. В., Жуковец М. В. Синтез теплоинтегрированных систем ректификации // ТОХТ. 2001. Т.35, №1. С .4956.

25. Кузичкин Н.В., Викторов В.К. Метод синтеза оптимальных тепловых систем с использованием термодинамических эвристик // ТОХТ. 1998. т.32, №6, С.634-640.

26. Викторов В. К. Метод синтеза больших систем оптимального теплообмена //ТОХТ. 1984. Т. 18. №5. С.706—709.

27. Victorov V. К. New combinatorial method for synthesis of heat exchanger networks // Trans IChE. 1995 V.75A p.915

28. Linnhoff В., Flower J. R. Synthesis of heat exchanger networks // AIChE J. 1978 v.24 №4. P.633

29. Linhoff В., Town send D.W.e.a. User guide on process integration for efficient use of energy Ichem E., Rugdy, UK, 1991.

30. Linhoff В., Flower J. R. et. al. A user quide on process integration for the efficient use of energy. I Chem E., 1983, Rugby, CV213HQ, England. 523 p

31. Лисицын H.B., Викторов В.К., Кузичкин Н.В. Химико-технологические системы: Оптимизация и ресурсосбережение. СПб, Менделеев, 2007 г., 311 с.

32. Химико-технологические системы. Синтез, оптимизация и управление. / Под редакцией И.П. Мухленова Л., 1986. 424 с.

33. Данцлов Л.Л., Маляренко Е.Е. Определение потенциала энергосбережения в нефтепереработке с использованием эксергетического метода анализа//Энергетика и электрофикация. 2004. №5. С.35-40.

34. Соболь И.Д. ТЭЦ малой мощности на базе котельных предприятий.-К.: Майстерия,1996. 56 с.

35. Булат А.Ф., Чемерис И.Ф., Перепелица В.Г., Подтуркин Д.Т. Когенерационные технологии прогрессивный путь решения проблем энергопотребления в промышленных регионах Украины // ЭСТА. 2002. №2. С44-46.

36. Писаренко Б.И. Использование вторичных энергоресурсов на НПЗ. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1982 -47с.

37. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы автоматизированного проектирования химических производств, М.: Наука, 1987.-623 с.

38. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные производственные системы в химической промышленности, М.: Химия, 1990. -320с.

39. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии.-М.:Химия, 1985.448 с.

40. Подгорный И.И. Энергосбережение в бюджетной сфере: Опыт и предложения по распространению энергосберегающих технологий. М.: ОМННО «Совет Гринпис», 2007.-28 с.

41. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1976. 464 с.

42. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. М.: Химия, 1991. 432 с.

43. Викторов В.К., Кузичкин Н.В., Вениаминова Г.Н. и др. Методы оптимизации химико-технологических систем: Учебное пособие. СПб: СПбГТИ, 1999. 166 с.

44. Лисицын H.B. Оптимизация нефтеперерабатывающего производства. СПб: Химиздат, 2003. 184 с.

45. Лисицын Н.В. Методология оптимизации интегрированных нефтеперерабатывающих производственных систем //Химическая промышленность. 2003. Т. 80. № 3. С. 46-50.

46. Круг Г. К., Сосулин Ю. А., Фатуев В. А. Планирование, эксперимента в задачах идентификации и экстрополяции. М.: Наука, 1977. 208 с.51 .Растригин Л. А. Статистические методы поиска. М., 1968. 320 с.

47. Задание на разработку тендерной документации по выбору Генерального Контрактора на строительство нового нефтеперерабатывающего завода на территории ОАО «НК Роснефть-Туапсинский НПЗ»; Ленгипронефтехим, 2006 г.,

48. Бурсиан Н.Р: Технология изомеризации парафиновых углеводородов. Л.: Химия, 1985. 191с.

49. Финни Д:.Введение в теорию планирования экспериментов. М.:Наука, 1970. 287с.

50. Leroy С., Legault A.: Thermal energy savings through process integration. Cannet, Energy diversification research laboratory Cuebec. Canada, 2001.

51. Лейтес И.Л., Сосна М.Х., Семенов В.П. Теория и практика химической энерготехнологиии /Под редакцией ИШ. Лейтеса. М.: Химия, 1988. 280с.

52. Сомов В.Е, Лисицын Н.В., Ануфриев А.Н., Кузичкин Н.В. Повышение эффективности функционирования систем теплообмена установки первичной переработки нефти // Нефтепереработка и нефтехимия. 2002. № 1. С. 10-17

53. Ahmad S.,Linnhoff В., Smith R. Cost optimum heat exchanger networks-2. Targets and design for detail capital cost models. Computers chem.Engng, vol. 14,No. 7,pp.751-767,1990

54. Polley, G. T and Panjeh Shahi, M. H., 1991, Interfacing heat exchanger network synthesis and detailed heat exchanger design, Chem Eng Res Des, 69: 445.

55. Tompson R.W., King C.J. Systematic Synthesis of Separation Schemes.-AICHE J.,1972, v. 18, №5,p.941.

56. Кафаров B.B., Мешалкин В.П., Перов В.Л. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств: Методология проектирования и теория разработки оптимальных технологических схем. М.: Химия, 1979: 320с.

57. Кузнецов А.А., Кагерманов С.М. ,Судаков Е.Н., Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности.-Ленинградское отделение.: Химия, 1974. 342 с.

58. Варгафтик Н.Б. Справочник по тепло физическим свойствам газов и жидкостей, М.: ФизматгизД 963,708 с.

59. Чеканцев Н.В. Оптимизация реакторного оборудования и условий промышленной эксплуатации процесса изомеризации пентан-гексановой фракции. Автореферат диссертации на соискание ученой степени' кандидата технических наук, Томск, 2009. 24 с.

60. Кинякин А.С. Разработка совмещенного реакционно ректификационного процесса изомеризации пентан-гексановой фракции Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2009.23 с.

61. Ricker Д. The use of quadratic programming for constrained internal model control//Ind. Eng. Chem. Proc.Des.Dev.1985. V24.No.10 P.925

62. Umeda T.,Hirai A.,Ichikawa A.- Chem.Eng.Sci.,1972,v.27,p.795-804.

63. Островский Г.М.,Шевченко А.Л. TOXT, 1979,т.13,№3, с.428-435.

64. Островский Г.М., Бережинский Т.А. Оптимизация химико-технологических процессов. Теория и практика. М.: Химия, 1984, 240с.

65. А.В. Тимошенко, Е.А. Анохина. Методы энергосбережения при ректификации смесей органических веществ.// Ползуновский вестник 2010. № 3, с.134-136.

66. Salamon P., Nulton h D. // Europhysics Let-ters.1998. V.42 P. 571-576

67. Jimenez E.S., Salamon P., Rivero-R., Rendon C., Hoffman K.H., Schaller M., Andersen B. // Conference Proceedings of ECOS, 2003. P.215

68. Andresen T.R., Siragusa G., Andresen В., Salamon P., Joergensen S.B. // in Proceedings of ESCAPE, 2000, edited by Sauro Pierucci, published as part of series in Computer-Aided Chemical Engineering, El-sevier, Pisa, 2000. P.l 12.

69. Jimenez E.S, Salomon P, Rivero R., Rendon C, Hoffmann KH, Schaller M, et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 2004. V.43. №23. P. 7566-7571.

70. Horiuchi, K., Yanagimoto, K., Kataoka, K., Nakaiwa, M:, Iwakabe, K. and Matsuda, K. // Journal of Chemi-cal Engineering of Japan. 2008. V. 41. P. 771'-778.

71. Бруно Домерг, Лоран Ватрипон. Дальнейшее развитие технологии изомеризации парафинов // Нефтепереработа и нефтехимия 2001. № 4. с. 15-27.

72. Бруно Домерг, Лоран Ватрипон. Передовые решения для процессов изомеризации парафинов // Нефтепереработа и нефтехимия 2003. № 7. с. 3-9

73. Буй Чонг Хан, Нгуен Ван Ты, Ахметов А.Ф. Сравнительный анализ различных схем изомеризации пентан-гексановой фракции // Нефтепереработка и нефтехимия 2008. № 2 С. 22-25.

74. Ясакова Е.А., Ситдикова А.В., Ахметов А.Ф. Тенденции развития процесса изомеризации за рубежом// Нефтегазовое дело. 2010, С. 1-11

75. Справочник современных нефтехимических процессов// Нефтегазовые технологии. 2001. №6. С.45-55

76. Ольховский Г.Г.Совершенствование технологий комбинированной выработки электроэнергии и тепла на ТЭЦ России. Электроэнергетика. Энергоэффективность: опыт, проблемы, решения. 2004. Вып. 1-2. С.65-67

77. HYSYS. Process, version 3.2,documentation: Customization Guide.Cambridge (USA): Aspentech,2003,332р.

78. Цанаев C.B., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: МЭИ, 2002,581 с.

79. Кузичкин Н.В., Саутин С.Н., Пунин А.Е., Холоднов ВА.А., Шибаев В.А. Методы и средства автоматизированного расчета химико технологических систем. Л.: Химия, 1987, 152 С.