Повышение эффективности систем топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий

Ленькова, Александра Викторовна

Энергетические системы и комплексы

автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Повышение эффективности систем топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий

кандидата технических наук: Ленькова, Александра Викторовна
город: Саратов
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.14.01

Диссертация по энергетике на тему «Повышение эффективности систем топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий»

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности систем топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий"

На правах рукописи

Ленькова Александра Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ТОПЛИВООБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ми ?ри

I ¿.и I г

005547786

Саратов 2014

005547786

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Ларин Евгений Александрович

Официальные оппоненты: Ноздренко Геннадий Васильевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», профессор кафедры «Тепловые электрические станции»

Удалов Владимир Павлович

кандидат технических наук, доцент, ГАУ «Агентство энергосбережения» Саратовской области, заместитель директора

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

технический университет»

Защита состоится «10» июня 2014 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая,77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан «_» апреля 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета С^а^д С Ларин Евгений Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В Энергетической стратегии России на период до 2030 года определены основные пути повышения эффективности и развития энергетической отрасли, основными из которых являются развитие генерирующих мощностей на основе использования новейших технологий и оборудования, внедрение новых высокоэффективных технологий производства, транспортирования и распределения энергоресурсов, создание эффективных систем управления функционированием и развитием энергетических комплексов, обеспечивающих минимальный уровень затрат. В соответствии с отраслевой концепцией ОАО «Газпром», согласующейся с общей стратегией развития энергетики России, развитие и модернизация энергетического хозяйства его производственных подразделений будут осуществляться в направлении газосбережения - снижения потребления газа на собственные нужды за счет использования потенциала технологического оборудования, газофакельных систем и создания высокоэффективных внутрипроизводственных источников тепло- и электроснабжения. Реализация научно обоснованных решений по основным направлениям повышения эффективности топливной системы газоперерабатывающих предприятий (ГПП), как элемента их энергетического комплекса (ЭК) и технологической системы (ТС), позволит одновременно решить некоторые проблемы обеспечения тепловой и электрической энергией от внешних систем, связанные, в первую очередь, с дефицитом генерирующих мощностей в ряде энергосистем страны, процессом старения основного оборудования электростанций и сетей, усложнением обеспечения надежности энергоснабжения в условиях динамичных режимов эксплуатации ГПП. Совершенствование системы топливообеспечения ЭК ГПП, оптимизация ее структуры, повышение эффективности в процессах потребления и генерации преобразованных видов энергии представляются достаточно сложной научной задачей, решение которой должно учитывать режимы работы ГПП, особенности технологических процессов агрегатов и установок, состав перерабатываемого сырья, климатические условия и ряд других факторов, которые, как правило, не стабильны. В условиях внедрения новых энергосберегающих технологий переработки углеводородного сырья (УВС) на предприятиях ОАО «Газпром», развития действующих и создания новых газо-химических комплексов, создания индустрии синтетических жидких топлив потребуются соответствующее энергетическое обеспечение технологических производств и создание высокоэффективных систем энергообеспечения, входящих в структуру ЭК ГПП.

Настоящая работа выполнена в рамках выполнения работ по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме «Разработка методологии исследования и создание энергоэффективных систем управления потреблением электрической и тепловой энергии в энергоемких промышленных комплексах» (ГК 14.740.11.01.07 от 10.09.2010 г.), а также по гранту У.М.Н.И.К. (ГК № 9553р/14177 от 04.07.2011 г.).

Объект исследования - система топливообеспечения энерготехнологического комплекса многопрофильных предприятий по переработке гетерогенного углеводородного сырья, во взаимосвязи с тепло- и электротехнической подсис-

темами, внутрипроизводственными системами обеспечения энергоносителями и внешними системами энергоснабжения.

Предмет исследования: системный анализ и теоретическое обоснование технических решений по повышению энергоэффективности системы топливо-обеспечения энергетического комплекса предприятий переработки природного газа и газового конденсата.

Цель работы: повышение эффективности системы топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий на основе системного анализа, математического моделирования и научного обоснования направлений и технических решений по интеграции с внешними генерирующими энергоисточниками.

Задачи исследования:

1. Разработка методики системного анализа и обоснование показателей энергетической эффективности топливной системы в структуре энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий.

2. Разработка комплекса математических моделей расчета показателей термодинамической эффективности и энергетических характеристик топливогене-рирующих и топливопотребляющих установок топливной системы с учетом взаимосвязи с технологической системой, энергетическим комплексом и внешними системами энергообеспечения в динамике технологических, климатических, экологических факторов.

3. Разработка моделирующих алгоритмов и программ, объединенных в информационно-аналитическую систему анализа эффективности топливной системы в структуре энергетического комплекса предприятия переработки углеводородного сырья с любой технологической топологией.

4. Научное обоснование технических решений по повышению эффективности топливной системы с вовлечением в энергетический баланс низкопотенциальных горючих газов перерабатывающих углеводородное сырье предприятий;

5. Технико-экономическое обоснование создания систем тепло-, электроводоснабжения с утилизацией горючих отходов и стоков в составе энергетического комплекса предприятий газопереработки.

Научная новизна:

1. Разработаны новые научно-методические положения анализа эффективности топливной системы в составе энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий, развивающие методологию системных исследований в энергетике, включающие ее структурирование, установление многофакторных функциональных взаимосвязей с электро- и теплоэнергетической подсистемами, технологическими процессами и внешними энергогенерирующими источниками и позволяющие решить задачу оптимизации состава оборудования комплекса и режимов его эксплуатации.

2. Предложена и обоснована система показателей эффективности топливо-генерирующих и топливопотребляющих установок технологической системы в составе энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий на всех уровнях иерархии объекта, позволяющая определить рациональную структуру подсистем и диапазоны параметров режимов генерации и потребления отдельных видов энергоресурсов.

3. Разработан комплекс математических моделей расчета энергетических характеристик элементов топливной системы с учетом взаимосвязи с техноло-

гической системой, энергетическим комплексом и внешним источником обеспечения энергоресурсами в динамике технологических, климатических, экологических факторов.

4. Разработаны моделирующие алгоритмы и программы, объединенные в информационно-аналитическую систему анализа эффективности топливной системы в структуре энергетического комплекса предприятия переработки углеводородного сырья с любой технологической топологией.

5. Разработана обобщенная экономико-математическая модель технико-экономического обоснования направлений и технических решений по повышению эффективности топливной системы и создания систем тепло-, электро-, водоснабжения с утилизацией горючих отходов и стоков в составе энергетического комплекса предприятий газопереработки.

Практическая значимость и реализация работы:

1. Методика системного анализа системы топливоснабжения в составе энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий может быть использована при решении задач повышения эффективности генерации и потребления энергоресурсов на предприятиях газовой отрасли;

2. Разработанные программные модули расчета показателей эффективности топливной системы в составе информационно-аналитической системы планирования, учета и нормирования потребления и генерации топливно-энергетических ресурсов используются производственным отделом на Астраханском газоперерабатывающем заводе и могут быть внедрены на аналогичных предприятиях по переработке углеводородного сырья для перспективного планирования и оперативного анализа фактических показателей объекта;

3. Разработанные перспективные направления повышения эффективности использования топлива и предложенные новые технические решения по совершенствованию системы топливоснабжения энергетического комплекса предприятий газопереработки позволяют выработать стратегию его модернизации и совершенствования в условиях увеличения степени конверсии и глубины переработки сырья.

Обоснованность н достоверность полученных результатов обеспечивается теорией, построенной на известных принципах и подходах системного анализа сложно структурированных объектов, использованием фундаментальных положений математики, теоретических основ теплотехники и термодинамики. Разработанные математические модели и методы расчета не противоречат законам сохранения массы и энергии и согласуются с результатами экспериментальных данных, полученных при энергоаудите ряда предприятий газопереработки.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика системного исследования и математического моделирования системы топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий.

2. Методические положения оценки термодинамической и экономической эффективности технических решений по повышению эффективности топливной системы энергетического комплекса.

3. Результаты рационализации системы топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий с утилизацией горючих отходов и интеграцией с внешней системой энергообеспечения.

Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Теплоэнергетика» и ПНИЛ ТЭУ и СЭ СГТУ имени Гагарина Ю.А., на Международных конференциях: «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2010); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24» (Саратов, 2011); УШ Международной научно-практической конференции «Найновите научни постижения - 2012» (София, 2012); International Congress on Information Technologies - 2012 (ICIT-2012) (Саратов, 2012); XIV Международной конференции «Проблемы управления в сложных системах» (Самара, 2012); VIII Miçdzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Dynamika naukowych badan - 2012» (Перемышль, 2012); Международной молодежной научной школы «Энергосбережение - теория и практика» (Томск

2012); XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25» (Волгоград, 2012); III International research and practice conférence «European Science and Technology» (Мюнхен, 2012); International research and practice conférence «Science, Technology and Higher Education» (Вествуд, 2012); Восьмой Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2013» (Иваново,

2013); 2" International Conférence of Informatics and Management Sciences -ICTIC-2013 (Жилина, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации - 258 страниц, включая 63 рисунка, 14 таблиц, 158 литературных источников и 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, отражены научная и практическая значимость полученных результатов, апробация работы, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Топливная система энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий и анализ методов исследования ее эффективности» проанализированы топливные системы энергоемких ГПП с различной технологической структурой основных процессов по данным энергетического аудита этих предприятий. Установлено, что в балансе первичных энергоносителей на долю газа приходится около 80 % (с учетом расхода газа на выработку пара в котельных агрегатах), на долю электроэнергии - 20% потребляемых топлива и энергетических ресурсов (ЭР), а в балансе топливного газа до 30 % от общего топливопотребления составляют технологические полупродукты и горючие отходы ГПП.

Выявлены специфические технологические, режимные, эколого-климатические, технико-экономические факторы, влияющие на стратегию развития топливной системы в составе ЭК ГПП и ее взаимодействие с внешними системами энергообеспечения (СЭВ). Показано, что разработка рациональных топливных систем ГПП различного технологического профиля с учетом всех

влияющих факторов возможна только при системном анализе объекта и научном обосновании таких направлений повышения его эффективности, которые позволят максимально использовать низкопотенциальные технологические газы и горючие отходы (ГО), снизить потребление товарного газа для ТС и ЭК, уменьшить потребление ЭР от СЭВ и общие удельные затраты топлива в системе.

Анализ выполненных исследований по системному анализу энергетического хозяйства предприятий нефтегазовой отрасли, вопросам его интеграции с объектами СЭВ, методологии математического моделирования и управления потреблением и генерацией ЭР, экспериментальным и опытно-конструкторским разработкам в области создания топливных и комбинированных систем обеспечения ЭР на основе технологий утилизации вторичных энергоресурсов (ВЭР) и ГО показал актуальность и необходимость системного анализа потребления и генерации топлива на ГПП с учетом внутрипроизводственных и внешних взаимосвязей ТС, ЭК и СЭВ и решения проблемы их оптимальной структуры и режимов эксплуатации на всех этапах жизненного цикла ГПП. В результате анализа теоретических и экспериментальных работ, методов исследования эффективности энергетических объектов и комплексов крупных ГПП и предприятий-аналогов, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе «Методические положения анализа эффективности систем топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий» предложена методика построения структуры топливной системы ЭК ГПП, приведены основные положения системного подхода к анализу эффективности генерации и потребления газо-топливных потоков, обоснованы показатели термодинамической и топливной эффективности систем топливообеспечения, разработана обобщенная экономико-математическая модель расчета эффективности системы топливообеспечения, учитывающая ее надежность, технологические, режимные и эколого-климатические факторы.

Взаимосвязи топливной системы с ТС, электротехнической и теплотехнической системами ЭК и СЭВ установлены на основании разработанной энерготехнологической схемы многопрофильного ГПП, которая в общем виде представлена 6-уровневой блочно-иерархической древовидной структурой с внутренними взаимосвязями на 2-м и 3-м уровнях - уровнях ТС и ЭК, их систем и производств. Первый уровень соответствует внешним системам обеспечения УВС, ЭР и водой; второй - ГПП в целом и содержит ЭК и ТС. На третьем уровне рассматриваются базовые производства ТС (подготовка и переработка УВС, утилизация отходов, хранение и транспортирование продукции) и системы ЭК (топливная, электро-, теплотехническая, водоснабжения, водоотведения и др.), включающие элементы 4-го уровня - установки, которые, в свою очередь, содержат элементы 5-го уровня - оборудование (реакторы, нагревательные и реакционные технологические печи, теплообменники различного типа, паровые и газовые турбины, компрессоры, насосы, газодувки, электродвигатели, котлоаг-регаты), причем в ряд установок входят энерготехнологические агрегаты, одновременно относящиеся к двум элементам 2-го уровня - к ТС и ЭК. Последний, 6-й уровень представлен ресурсами и матрицей соответствующих взаимосвязей элементов 5-го уровня в процессах генерации, транспортирования, преобразования и потребления топлива, электроэнергии, тепловой энергии, технологической воды.

Разработана матрица взаимосвязи газовых потоков и производств ТС и ЭК и составлено формализованное описание структуры топливной системы в составе ГПП, включающее множества математических описаний энерготехнологических балансов (ЭТБ) на каждом иерархическом уровне с учетом всех установленных взаимосвязей элементов.

Задача анализа и синтеза оптимальной структуры топливной системы в составе ЭК ГПП и режимов ее функционирования решена поэтапно на основе де-композиционно-агрегативного подхода. На первом этапе выполнена последовательная декомпозиция объекта - топливной системы, ее целей и функций в составе ЭК ГПП, задач повышения энергетической эффективности и методов их решения. На втором этапе на каждом уровне детализации (аппаратов, установок, производств, систем, ГПП) осуществлен синтез вариантов топливной системы с выбором оптимальной структуры и режимов функционирования в соответствии с разработанным комплексом критериев эффективности на основании формализованного описания задачи, включающего соотношения: 1) множество возможных принципов построения л е. Р, основным из которых является максимальная замкнутость с минимизацией потребления ЭР от СЭВ, водопотреб-ления и водоотведения; 2) множество выполняемых взаимосвязанных функций Ф{л), из которого выбрано подмножество ф& Ф(л), достаточное для оценки энергоэффективности и реализации задачи управления топливопотреблением; 3) ср: \ф е Ф(л")]->[яе Д] - отображение элементов множества феф(л) на элементы множества взаимосвязанных подсистем ЭК и производств ТС ае А.

Для оценки системной эффективности потребления и генерации ЭР и топлива при переработке УВС на ГПП обоснован комплекс показателей, включающий наряду с известными технологическими, термодинамическими и экономическими критериями новые коэффициенты - рационализации энерготехнологического, топливного, водного балансов, и векторный критерий эффективности топливной системы - функцию «полезности».

Технологические показатели (степень превращения УВС или степень конверсии его компонентов х- в продукты и производительность установок по сырью или продукту) применены для элементов топливной системы при разработке балансовых уравнений установок и производств.

Энергетические показатели эффективности включают критерии, характеризующие элементы рассматриваемого объекта на каждом уровне иерархии.

Удельное топпивопотребление к-го элемента (Ьк) на уровне аппаратов и установок зависит от расходной характеристики технологического потока (Сд,), конструктивных(2), технологических (П), климатических (экологических) (5) параметров и факторов для аппарата или установки в соответствующий момент времени г. С учетом фактора времени (т - текущего или Е - системного; те Е) Ьк представлено в виде интегральной функции

кг' ■^к! > $к!» №. (1)

Удельное приведенное топпивопотребление на выработку продукции, тепловой и электрической энергии в ЭК, обеспечение вспомогательных производств по утилизации отходов и стоков

Ети = £{еЪ + Бэ%)= + • (2)

;=1 У=1/=1

где £-;пгу, Е^., /:, Е%ю - удельный расход условного топлива в производстве ] (всего производств N) и установке / (всего установок /) ТС и ЭК, т у. т./единица нормируемого потока.

Показатель удельной приведенной обобщенной энергоемкости позволил оценить возможности вовлечения в топливный баланс низкопотенциальных горючих газов и отходов ТС ГПП

' (3)

где ЕП — расход всех видов топлива и ЭР основных и вспомогательных производств у, т у. т.; V - объем переработанного УВС, тыс. или тыс. т; /3] - коэффициент использования всех видов ВЭР, в том числе ГО, в вариантах ЭК ГПП; = f\£lj,7.j,Sj,t)\ ЕI31' - объем ВЭР, т у. т., отходящих от производства}. Технически реализуемый потешает энергосбережения в топливной системе

РТ = + ) £В№ -1(V; ■ Еу;о + Ь} ■ т) , (4)

У=1

где срт, ф0 - доля факторов, обеспечиваемых за счет изменения технологической структуры и улучшения технического состояния или модернизации обо-

рудования установок и производств и составляющая 34-57 %; ~ факти-

ческое потребление топливного газа основными и вспомогательными производствами ТС и ЭК ГПП, т у. т./год; V^ — объем нормируемого технологического потока в соответствующей размерности; Ещ - удельные нормы расхода топливного газа, т у. т.; ЬГ - нормативные расходы топливного газа, т у. т./ч, и время работы, ч/год, установок периодического действия.

Задача рационализации потребления и генерации топлива и ЭР, а также во-допотребления и водоотведения, решалась с применением коэффициента рационализации балансов - энерготехнологического (А-'ротк)' топливного (Л"рТ), водопотребления ), водоотведения (ллрС):

л'рэтб = 1-(£:урд/£унд); (5) крТ = 1-(£грпп/£гпп); (6)

^ = 1-КРпп/^гНпп); (7) ^рс=1-(СгРпп/Сгпп). (8)

где £"д, £рПП, £рпп - приведенные энергоемкости, рассчитанные по нормализованному и рационализированному (оптимальному) энерготехнологическим балансам (3) и приведенное топливопотребление ГПП (2), нормализованное и оптимальное соответственно; 1УГНПП, СрПП, и7,!],,,, СрПП - соответственно удельное водопотребление и водоотведение для нормализованного и оптимального варианта ТС, топливной системы и ЭК ГПП.

Термодинамические критерии эффективности топливной системы обобщены в виде эксергетического КПД {т}ех), определенного для различных элементов системы через сумму эксергий на выходе (Xехш*) и входе (Xехвх) или сумму потерь в системе (£ехп = Оптимальный вариант топливной сис-

темы соответствует не только минимуму потерь и отходов, но и минимальному потреблению газа из сети товарной продукции. 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 (рис. 1). Рассмотрены основные и вспомогательные производства и установки, формирующие топливный баланс Г1111: 1 - осушки газа; 2 - производства серы; 3 - стабилизации конденсата и обезвреживания стоков; 4 - сжигания промышленных отходов; 5 - факельные системы; 6 - котельная; 7-11 - переработки газового конденсата (7, 8 - атмосферная и вторичная перегонка, 9 - газофракционирование, 10 — гидроочистка дизельных фракций, 11 - каталитический риформинг).

Анализ эксергетических балансов крупных ГПП - Астраханского, Оренбургского, Сосногорского ГПЗ, Сургутского завода стабилизации конденсата, Уренгойского завода подготовки конденсата к транспорту показал, что величина суммарных технологических и энергетических потерь превышает эксергию подведенного топлива и ЭР, а основной потенциал повышения эффективности топливной системы и ЭК 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 (ДВэк) в предположении выработки тепловой и электрической энергии в энергоисточнике собственных нужд (ЭСН)

АЯэк=(Ясис+0-Втац, (9)

где Втс , Вкот , отэц - расходы топлива на выработку необходимого количества электрической и тепловой энергии при раздельном производстве электроэнергии в энергосистеме, технологического пара в котельной, комбинированном способе их производства на ТЭЦ, соответственно, т у. т.

Относительная экономия топлива в системе обеспечения ЭР с утилизацией отходов ТС ГПП определялась показателем А/3 = АВЗК/Вгп .

Экономико-математические исжазашелм_эффективности топливной системы объединены в два расчетных модуля - определения изменяющейся части эксплуатационных затрат, связанных с потреблением и генерацией топлива и ЭР, и определения интегральных экономических показателей эффективности

28%

Рис. 1. Потребление эксергии топливного газа установками ГПП

потребления и генерации ЭР как на действующих ГПП, так и на проектируемых и реконструируемых объектах.

Удельное потребление энергоресурсов (ИЭРуд) за анализируемый период времени в денежном эквиваленте представлено в свернутом виде функцией

з II / N м \ з п [ N к м I

А (10)

ЭРуд

IXе +Им1

п=1 т=1

= Е1Х + 11Х

^ф Кп=1к =! ш=//=1

где Уф - фактический объем переработанного сырья; Ц„ - соответствующие

тарифы на ¡и-й ЭР (топливо, электроэнергию, тепловую энергию); , /и™,

//*„, //Д - потребление //-го ЭР в л-м производстве ТС ш-м производстве ЭК, к -м аппарате п -го производства ТС и 1-м аппарате т-го производства ЭК.

В зависимости (10) учтены технологические и режимные факторы - степень конверсии сырьевых компонентов, состав УВС (в том числе конденсатно-газовый фактор кг , ), производительность ГПП, состав топлива, коэффициенты

загрузки оборудования. Для получения расчетных зависимостей потребления топлива в СЭВ и его потерь вследствие редуцирования и охлаждения пара во внутрипроизводственной системе теплоснабжения ГПП разработан информационный граф расчета ЭТБ топливной системы и ЭК ГПП и энергобаланса внешнего источника обеспечения тепловой энергией - котельной (рис. 2).

.....у, 5

1.1А. + 1м .....У,.)

ГАГ

к]

9/ :

(Ьсн

йтс

Рис. 2. Информационный граф расчета ЭТБ ГПП и тогшивопотребления котельной I - 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

Вершины графа соответствуют отдельным элементам исходных данных и расчета, а дуги - базовым информационным переменным с коэффициентами преобразования потоков, однозначно определяющим взаимосвязь вершин: (2ХС, Р- - тепловое потребление элементов ТС и давление пара на соответствующем уровне ЭК; {V,, У2,..., V,,}, [В,, В2,..., В„} — потоки технологические и топливные; {|2ку/.0ку2.-.ОкуЛ. бэен' Сгпп - теплопроизводительность котлов-утилизаторов, тепловая выработка внутрипроизводственного источника и тепловое потребление ГПП от котельной; Вкот - потребление топлива в котельной; ДВ — потери топлива от преобразования пара высокого давления в котельной

до давления . Коэффициенты преобразования соответствуют материальным и энергетическим потокам: технологическим (Л/, Я2,... ,Л„)', топливным {Ь,,Ь2,...,Ь„), {р„р2,...,рп)\тепловым (й„д2,-,й„), 8.

Разработана фазовая диаграмма установки утилизации ГО с выработкой ЭР, позволяющая определять зависимость расхода топливного газа от влияющих режимно-технологических факторов.

Климатические и экологические факторы учтены в экономических показателях на уровне систем и производств, особенно для предприятий переработки УВС с высоким содержанием сероводорода, коэффициентом снижения производительности по сравнению с номинальной и числом дней эксплуатации установок в соответствующих ] -х режимах.

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.

Надежность энергообеспечения ГПП при создании ЭСН обеспечивается включением затрат на создание аварийного резерва электрической и тепловой 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 отказавшего оборудования.

В качестве основного критерия эффективности для проектируемых и реконструируемых объектов в разработанных моделях принят чистый дисконтированный доход (интегральный эффект затратная часть которого включает перечисленные составляющие.

В третьей главе «Математические модели системного анализа энергоэффективности топливообеспечения» приведены математическое описание расчета генерации и потребления газа в элементах систем топливообеспечения ЭК и ТС ГПП, алгоритмы выбора рациональной структуры и расчета оптимальных параметров систем топливообеспечения, дана оценка системной эффективности функционирования систем топливообеспечения ЭК.

Комплекс моделей ЭТБ разработан в соответствии с формализованным описанием структуры ТС и ЭК ГПП и в общем виде включает модели расчета (множество функций) генерации и потребления топлива и ЭР элементами уровней иерархии ГПП — производств, установок и аппаратов.

Математическая модель для разработки, модернизации, оптимизации топливной системы ЭК в соответствии с принятыми критериями эффективности получена в виде отображений множества математических описаний элементов ГПП на множестве функций Т7 = {/у,...,/^,...,/ф|, частными случаями которой

являются следующие функции-отображения:

— расчета, анализа, оптимизации потребления или генерации т-го вида ЭР в к-и аппарате, где протекает у-й процесс п -го производства ТС

/ф.тс.т • (Ах.ш' ТП^а ) —> /7ТС; (11)

- расчета, анализа, оптимизации потребления или генерации т-го вида ЭР в 1-м аппарате, где протекает 1-й процесс т-й подсистемы ЭК

/(».ЭК-.М : {^эк.!!! > ) —> ПжФт . (12)

Математическая модель множества функций F (отображений /ц. ф)лс.О. .м)

и /(1...ф).эк.(1...м) в ^с.'(ьл1)'ф) 11 я!^1мм)''ф)) в координатном пространстве технологических, конструктивных и экономических характеристик в общем виде представлена основными логически законченными блоками: 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. Вычислительные блоки математической модели рассматриваются как совокупность операторов, качественно и количественно преобразующих входные переменные и параметры Х([) в выходные переменные У(с). На основании математических моделей созданы алгоритмы выбора структуры топливной системы в составе ЭК ГПП для оптимизации топливного баланса и ЭТБ путем изменения конструктивных или эксплуатационных характеристик оборудования всего объекта, включая внешние источники обеспечения ЭР, вплоть до их замены ЭСН.

Разработанные программные модули расчета оборудования и систем ЭК ГПП включены в программный комплекс, с использованием которого выполнен системный анализ эффективности топливной системы. Анализ проведен по нескольким факторам, определяющим удельные показатели топливопотребления на технологические нужды ТС и ЭК ГПП и обеспечение ЭР от внешних источников - производительности установок, составу УВС, степени конверсии сероводорода, конденсатно-газовому фактору, климатическим условиям.

На рис. 3 приведены результаты расчета показателей топливопотребления в виде функций двух параметров - производительности и состава УВС. Анализ полученных результатов показывает, что при переработке высокосернистого УВС с собственной выработкой пара в утилизационных энерготехнологических агрегатах уменьшение производительности по перерабатываемому сырью приводит к увеличению теплового потребления от внешнего источника и соответствующему увеличению расхода топлива в системе.

Влияние степени конверсии сероводорода на показатели топливопотребления рассмотрено для случая переработки высокосернистого УВС; учтена также динамика производительности ГПП во времени (рис. 4, 5). Степень конверсии сероводорода оказывает наибольшее влияние на абсолютные значения выработки и потребления топлива на начальных этапах эксплуатации при номинальной производительности.

Конденсатно-газовый фактор имеет большое значение для ГПП, перерабатывающих гетерогенное УВС - газ и газовый конденсат. При неразвитой системе утилизации теплоты при переработке газового конденсата суммарное потребление топлива из товарной сети на выработку тепловой и электрической энергии будет определяться расходом жидкофазной части сырья и в меньшей степени зависит от степени загрузки установок производства серы (рис. 6, 7).

900 700 500 .100 100

1.100

1100 900 ТОО 500

зоо

100

Производительность. °£> а

1100 900 700 500

100 90 70 60 50 Производительность. °о б

Рис. 3. Зависимость годового расхода газа от производительности 1-6-газ: 1 - углеводородный смешанный (выработка); 2 - из товарной сети; 3 - потребление ТС и ЭК; 4, 5 - на выработку теплоты и электроэнергии во внешней сети; 6 - суммарный во внешней сети; а, б, в - соответственно I, II, III составы газа

100 90 70 60 Производительность. %

900 I

.996

Л'муГ-0.85 90 70 60 50 Производительность, %

Рис. 4. Зависимость показателей топливной системы от степени конверсии и производительности для УВС состава I

1 - выработка углеводородных газов ГПП

2 - потребление топливного газа ТС и ЭК

3 - потребление топливного газа во внешней сети на выработку теплоты

0.16 11.14 0.12 0,10 0.08 0,06 0.04

100

Прснпвояигельиость. %

Рис. 5. Удельное топливопотреблепие внешней сети в зависимости от степени конверсии и производительности 1 -3 - удельный расход для состава I при соответствующем значении X нз=0,85\ 0,95; 0,996;4,5 -удельный расход для составов II и III при Xн ¡=0,996

юо 'ад 70 во ?о

Производительность, аь

Рис, 6. Зависимость показателей топливной системы от &кгф и производительности

Рис. 7. Зависимость внутреннего и системного потребления топлива

от ккгф при двух значениях производительности (УВС состава 1 и Xн 5 =0,996) 4 - потребление топливного газа во внешней сети на выработку электроэнергии 1-3 - то же, что на рис. 6

для УВС состава I и Хнл =0,996

1 - выработка углеводородных газов ГПП

2 - потребление топливного газа ТС и ЭК

3 - потребление топливного газа

во внешней сети на выработку теплоты

Выполненный многофакторный системный анализ топливной системы ЭК ГПП показывает, что динамичная эксплуатация оборудования ТС и ЭК ГПП при оптимальных затратах топлива в системе не может быть в полной мере обеспечена при ее взаимосвязи с внешним генерирующим энергоисточником существующей структуры и требуется разработка направлений совершенствования ЭК ГПП, основным из которых является создание ЭСН с утилизационными установками нового поколения, использующими в качестве топлива низкопотенциальные горючие отходы производств.

В четвертой главе «Экономическая эффективность интеграции систем утилизации горючих газов с энергетическим комплексом газоперерабатывающих предприятий» обоснованы направления рационализации топливного баланса предприятий газопереработки, технические решения утилизации горючих газов в технологических установках ГПП с оценкой их экономической эффективности, определена экономическая эффективность создания источника тепло-, энерго-, водоснабжения на базе горючих отходов ГПП.

Обоснованы три направления технической реализации потенциала повышения эффективности топливной системы ЭК ГПП: 1) утилизация горючих отходов в ТС и ЭК с системной экономией топливных ресурсов до 7,6 % от суммарного потребления; 2) совершенствование теплотехнической системы - более глубокая утилизация ВЭР, децентрализация теплоснабжения с интеграцией источника и потребителя тепловой энергии, уменьшение множественного редуцирования пара для многоуровневых систем и многие другие вопросы структурной и параметрической оптимизации, с уменьшением топливолотребления на 3,4 %; 3) комплекс решений по совершенствованию электротехнической системы ЭК - водоснабжения, производства сжатого воздуха и холода, системам регенерации механической энергии, а также вопросам внедрения альтернативного газотурбинного и паротурбинного привода. Эти основные направления совершенствования ЭК взаимосвязаны, а разрабатываемые технические реше-

ния носят комплексный характер, поэтому для корректной оценки системной эффективности был сформирован векторный критерий, так называемая функция «полезности», включающая ранжированные по степени значимости частные показатели и критерии эффективности топливной системы - коэффициенты рационализации балансов, интегральный эффект и срок окупаемости инвестиций

й = 0,381К„П1 +0,252К.г +0,16К „ + 0,101^,,. +0,0643^-0,0437ОК. (13)

В соответствии с основными направлениями повышения энергетической эффективности объекта были разработаны и запатентованы [6-8] технические решения по утилизации горючих низкопотенциальных газов установок ТС и варианты структуры ЭК ГПП различной технологической топологии, реализующие принципы максимальной замкнутости по энергетическим и водным ресурсам, с оценкой этих решений по векторному критерию (13).

В установке регенерации абсорбента с утилизацией горючих отходов [6] достигается снижение удельного потребления топлива на регенерацию абсорбента (на 0,178 м" на 1000 м3 сырья), уменьшается токсичность уходящих дымовых газов, а также увеличивается срок межремонтной эксплуатации оборудования. Для установки производительностью 43,3 тыс. т/год по регенерируемому абсорбенту интегральный эффект от внедрения предложенных научно обоснованных решений составит около 2 млн. рублей при сроке окупаемости дополнительных капитальных затрат, не превышающем трех лет.

Создание источника теплоэнергоснабжения на базе горючих отходов предприятий газопереработки [8] позволяет решить как глобальную задачу повышения энергетической эффективности ГПП с организацией практически замкнутых циклов водопотребления, водоотведения и минимизацией потребления ЭР от внешних источников, так и локальные вопросы оптимизации энерго- и водопотребления в отдельных процессах и установках. Для отдельных технологических процессов ГПП вариант энергообеспечения с использованием инновационной технологии обеспечения топливом и ЭР в элементах установок позволяет снизить удельное потребление топливного газа из сети товарного газа на 3654 % и минимизировать потребление воды на технологию от внешнего источника по сравнению с вариантом традиционной схемы.

В установках сепарации, осушки природного газа и его подготовки к транспорту при внедрении нейтрализатора промышленных стоков с утилизацией горючих отходов (элемент системы теплоэлектроводоснабжения - СТЭВС) удельное потребление топливного газа из сети товарного газа снижается с 0,120,13 до 0,072-0,076 кг у. т. на 1000 м3 сырьевого газа. Реализация всей схемы СТЭВС на крупном ГПП или объекте добычи и подготовки газа к транспорту позволяет снизить удельный годовой расход топлива в системе на выработку 1 МВт(э).ч на 12-14 %.

В приложении приведены свойства топливной системы, характеризующие ее параметрическую и структурную сложность; итерационные расчеты ЭТБ с использованием матричного метода; потоковые графы материальных балансов процессов переработки УВС; расчетные зависимости свойств веществ и процессов; характеристики процесса теплообмена; расчетные зависимости математических моделей аппаратов и установок - элементов топливной системы ЭК ГПП; экранные формы модулей и структурированных данных программного комплекса для синтеза оптимальных топливных систем ГПП различной технологической топологии.

Выводы по работе

1. Разработаны методические положения системного анализа энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий, позволившие впервые установить структуру и содержание внутренних и внешних взаимосвязей между технологическими процессами (конденсатно-газовый фактор, степень конверсии сырьевых потоков, производительность, климатический фактор, внутрипроизводственное топливопотребление), топливной системой и внутренними и внешними источниками энергообеспечения.

2. Предложена и обоснована система показателей эффективности топливогене-рирующих и топливопотребляющих установок технологической системы в составе энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий на всех уровнях иерархии объекта, включающая технологические, термодинамические, экономические критерии, коэффициенты рационализации энерготехнологического баланса и позволяющая определить рациональную структуру подсистем, а также объемы генерации и потребления отдельных видов энергоресурсов.

3. Разработан комплекс математических моделей, алгоритмов и расчетных программ расчета материального, топливного, энерготехнологического балансов и показателей энергетической эффективности системы топливоснабжения в составе энергетического комплекса предприятий газопереработки, позволяющий выполнить расчетные исследования эффективности генерации и потребления топливно-энергетических ресурсов на различных уровнях иерархии объекта- аппаратов, установок, производств, предприятия.

4. С использованием разработанных методик, алгоритмов и расчетных программ проведены расчетно-теоретические исследования влияния важнейших факторов и режимов работы установок переработки природного газа и газового конденсата на показатели системной эффективности системы топливоснабжения. Показано, что снижение производительности ГПП на 10 % приводит к росту удельного системного расхода топлива на 5,2-8,1 % в зависимости от состава перерабатываемого сырья. Установлено влияние конденсатно-газового фактора на системную эффективность использования топлива для выработки тепловой энергии. Так, повышение конденсатно-газового фактора в диапазоне 0,25-0,55 кг/м приводит к снижению потребления топлива от внешнего источника от 95 до 56 кг у. т. /млн. м3 товарного газа.

5. На основе многофакторного системного анализа системы газоснабжения энергетического комплекса газоперерабатывающего предприятия определены технически и экономически обоснованный потенциал повышения ее эффективности на примере Астраханского ГПЗ, а также основные направления системной экономии топливных ресурсов, связанных с разработкой технических решений по утилизации горючих отходов в технологических системах и энергетическом комплексе, который достигает 7,6 % от суммарного потребления топлива.

6. Предложена и запатентована установка регенерации абсорбента, обеспечивающая повышение энергетической эффективности за счет использования газов дегазации в виде топлива и нейтрализации промышленных стоков -уменьшение удельного потребления топливного газа с 0,317 м3 до 0,178 м3 на 1000 м3 газа, подаваемого на осушку.

7. Разработан комплекс научно-технических решений по совершенствованию топливной системы предприятий подготовки и переработки уг-

леводородного сырья с утилизацией горючих отходов и промышленных стоков, позволяющий снизить удельное потребление топливного газа на 36-54 %. Для объектов добычи, подготовки или переработки газа и газового конденсата внедрение инновационной ресурсоэффективной системы энергоснабжения позволяет снизить удельный годовой расход топлива в системе на 12-14 %, при этом удельная системная годовая экономия топлива составит 45-49 т у. т./МВт(э)год. Инвестиционная привлекательность предложенной системы энергообеспечения характеризуется следующими показателями -удельный чистый дисконтированный доход составит 8,0618,01 млн. руб./МВт(э), внутренняя норма доходности 22-26 индекс доходности 2,4-3,5 руб./руб., срок окупаемости инвестиций - от 7 до 9 лет.

Основные положения и результаты диссертации изложены в следующих публикациях (наиболее значимые работы):

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ

1. Ленькова, A.B. Моделирование и оптимизация технических решений по утилизации горючих отходов установок подготовки и переработки углеводородного сырья / И.В. Долотовский, A.B. Ленькова, Е.А. Ларин // Вестник Саратовского технического университета. - 2012. - № 1 (63). Вып. 1.-С. 64-68.

2. Ленькова, A.B. Эффективные системы энерго- и водообеспечения предприятий добычи, подготовки, переработки газа и газового конденсата / И.В. Долотовский, Е.А. Ларин, A.B. Ленькова, Н.В. Долотовская // Вестник Саратовского технического университета. - 2012. - № 3 (67). - С. 127-131.

3. Ленькова, A.B. Теоретические и практические аспекты системного анализа эффективности энергетического комплекса предприятий переработки углеводородного сырья / A.B. Ленькова, И.В. Долотовский, Е.А. Ларин, Н.В. Долотовская // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. -2013. - №9-10. - С. 31-40.

4. Ленькова, A.B. Установка регенерации абсорбента с утилизацией горючих отходов / A.B. Ленькова, И.В. Долотовский // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2013.-№ 8. -С. 17-19.

5. Ленькова, A.B. Энергоэффективная система энерго- и водоснабжения предприятий добычи и подготовки к транспорту природного газа / И.В. Долотовский, Е.А. Ларин, A.B. Ленькова, Н.В. Долотовская // Энергосбережение и водоподготовка. - 2013. - № 5 (85).-С. 31-37.

6. Ленькова, A.B. Методология разработки энергоэффективных топливных систем предприятий газового комплекса // СПНиО. - 2013. - № 6. www.science-education.ru.

Патенты, программы для ЭВМ

7. Пат. №134993 РФ, M ПК F01К 17/02. Установка злектро-тепло-водоснабжения / Долотовский И.В., Ленькова A.B., Долотовская Н.В. - № 2013130457/06; заявл. 02.07.2013; опубл. 27.11.2013, Бюл. №33.

8. Пат. №135080 РФ, МПК F23D 14/02. Горелка факельная инжекционная / Долотовский И.В., Долотовский В.В., Ленькова A.B. - №2013109874/06; заявл. 05.03.2013; опубл. 27.11.2013, Бюл. № 33.

9. Пат. №114424 РФ, МПК ВОЮ 53/96, B01D 53/26. Установка регенерации абсорбента с термической утилизацией горючих отходов / Долотовский И.В., Ленькова A.B. -№ 2011148186/05; заявл. 25.11.2011 ; опубл. 27.03.2012, Бюл. №9.-2 с.

10. Огневой трубный испаритель: программа для ЭВМ; свидетельство о гос. регистрации № 2012612728 / Долотовский И.В., Долотовская Н.В., Ленькова A.B. -№2012610297; заявл. 17.01.2012; опубл. 16.03.2012.

11. Программный комплекс «Аппараты воздушного охлаждения»: программа для ЭВМ; свидетельство о гос. регистрации № 2012613267 / И.В. Долотовский, А.В. Ленько-ва, Н.В. Долотовская -№ 2012611239; заявл. 21.02.2012; опубл. 06.04.2012.

12. Теплообменник кожухотрубный: программа для ЭВМ; свидетельство о гос. регистрации № 2012613266 / И.В. Долотовский, А.В. Ленькова. - № 2012610296; заявл. 21.02.2012; опубл. 06.04.2012.

Публикации в других изданиях (основные)

13. Кульбякнна (Ленькова), А.В. Моделирование и оптимизация технических решений по утилизации горючих отходов установок подготовки углеводородного сырья / А.В. Кульбякина, И.В. Долотовский, Е.А. Ларин // Математические методы в технике и технологиях: ММТТ-24. Материалы XXIV Международной научной конференции. Участники школы молодых ученых и программы У.М.Н.И.К. - Саратов, 2011. - С. 73-75.

14. Ленькова, А.В. Концепция повышения эффективности топливной системы энергетического комплекса предприятий добычи, подготовки и переработки газа / А.В. Ленькова, Е.А. Ларин, И.В. Долотовский // Проблемы теплоэнергетики: сб. науч. трудов. Вып. 2. -Саратов: СГТУ, 2012. - С. 177-182.

15. Ленькова, А.В. Математические модели энергетических характеристик блоков регенерации абсорбентов / И.В. Долотовский, А.В. Ленькова // Новейшие научные достижения -2012: материалы VIII международной научно-практической конференции. Т. 32. Современные технологии в информатизации. - София: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2012. -С. 36-39.

16. Ленькова, А.В. Программные модули расчета и выбора оборудования установок регенерации абсорбента / А.В. Ленькова, И.В. Долотовский, Е.А. Ларин // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. тр. XXV Междунар. науч. конф.: в Ют. Т. 8. Секция 12. - Волгоград: Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012. - С. 20-22.

17. Ленькова, А.В. Ресурсосберегающая установка энерго- водоснабжения / А.В. Ленькова, И.В. Долотовский // Теплоэнергетика // Энергия-2013: материалы Восьмой Междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, конференции: в 7 т. Т. 1. Ч. 2. - Иваново: ФГБОУ ВПО Ивановский гос. энерг. ун-т имени В.И. Ленина, 2013.-С. 172-176.

18. Ленькова, А.В. Система управления потреблением энергоресурсов предприятий переработки углеводородного сырья / Е.А. Ларин, И.В. Долотовский, А.В. Ленькова,

H.В. Долотовская // Проблемы управления в сложных системах: тр. XIV Междунар. конф., Самара, Россия, 19-22 июня 2012 г. / под ред.: акад. Е.А. Федосова, акад. Н.А. Кузнецова, проф. В.А. Виттиха. - Самара: Самар. науч. центр РАН, 2012. - С. 343-350.

19. Ленькова, А.В. Система энерго- и водоснабжения предприятий добычи и подготовки к транспорту природного газа и информационно-аналитическое сопровождение оптимизации ее структуры и параметров / И.В. Долотовский, А.В. Ленькова // Энергосбережение - теория и практика: материалы Междунар. молодеж. науч. шк. / Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - Томск:Изд-во ООО «СПБ Графике», 2012.-С. 39-42.

20. Lenkova A. Energy efficiency of fuel system in energy complex of gas production processing plants / I.V. Dolotowsky, A.V. Lenkova // Science, Technology and Higher Education [Text]: materials of the international research and practice conference, Vol. II, Westwood, December 11th-12th, 2012 / publishing office Accent Graphics communications. - Westwood -Canada, 2012.-P. 390-395.

21. Lenkova A. Fuel system optimization of gas-processing plants / A.V. Lenkova,

I.V. Dolotowsky, E.A. Larin, N.V. Dolotowskaya // Proceedings in Conference of Informatics and Management Sciences: The 2nd International Conference IC-TIC-2Q13. 25-29 March. -Zilina. Slovak Republic: EDIS - Publishing Institution of the University of Zilina, 2013. -P. 441-443.

22. Lenkova A. Information and Communication Technology in Human Resource Support Energy Audits and Energy Efficiency of Industrial Enterprises / A.V. Lenkova,

l.V. Dolotowsky, E.A. Larin, N.V. Dolotowskaya // International Congress on Information Technologies - 2012 (ICIT-2012): Information and Communication Technologies in Education, Manufacturing and Research. - 6-9 June 2012, Saratov. - P. 54.

23. Lenkova A. Information and Communication Technology in Human Resource Support Energy Audits and Energy Efficiency of Industrial Enterprises / l.V. Dolotowsky, E.A. Larin, N.V. Dolotowskaya, A.V. Lenkova // Динамика научных исследований - 2012. Материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф., Перемышль, Польша, 7-15 июля 2012 г. Т. 23. -Przemysl: Nauka I studia, 2012 - С. 76-79.

24. Lenkova A. Researches energy efficiency enterprises for processing of hydrocarbon raw materials using information technology / l.V. Dolotowsky, E.A. Larin, N.V. Dolotowskaya, A.V. Lenkova // European Science and Technology [Text]: materials of the III international research and practice conference, Vol. I, Munich, October 30th—31sl, 2012: publishing office Vela Verlag Waldkraiburg. - Munich - Germany, 2012. - P. 133-136.

25. Разработка технологии утилизации горючих отходов в блоке регенерации абсорбента установок подготовки газа: отчет о НИОКР (заключит.): ГК № 9553р/14177 от 04.07.2011. - Сарат. гос. техн. ун-т; рук. Долотовский И.В.; отв. исп. Ленькова А.В. - Саратов, 2012. - 28 с. - Библиогр.: с. 28. - № ГР 01201170490. Инв. № 02201259638.

26. Разработка технических заданий на нетиповое оборудование установки утилизации горючих отходов в блоке регенерации абсорбента и эксплуатационной документации на объектах подготовки газа: отчет о НИОКР (заключит.): ГК № 9553р/14177 от 04.07.2011. - Сарат. гос. техн. ун-т; рук. Долотовский И.В.; отв. исп. Ленькова А.В. - Саратов, 2013. - 24 с. - Библиогр.: с. 24. - JV» ГР 01201170490. Инв. № 02201362535.

ЛЕНЬКОВА Александра Викторовна

Автореферат Корректор Л.А. Скворцова

Подписано в печать 07.04.14 Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл.-печ. л. 1,0 Заказ 49

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

Текст работы Ленькова, Александра Викторовна, диссертация по теме Энергетические системы и комплексы

ФГБОУ ВПО «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.»

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Ларин Е.А.

Саратов - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................... 5

Глава 1. ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ЕЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ..................................... 13

1.1 Общая характеристика энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий................................................................................................................. 13

1.2 Характеристика системы топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий. Состояние и пути повышения эффективности.............................................................................................................. 18

1.3 Методы исследования систем топливообеспечения энергетического комплекса. Анализ выполненных исследований по проблеме повышения эффективности систем топливообеспечения.................................................. 27

1.4 Цели и задачи исследования........................................................................................... 40

Глава 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ТОПЛИВООБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ 42

2.1 Методика построения структуры топливной системы энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий.................................................. 42

2.2 Основные положения системного подхода к анализу эффективности систем топливообеспечения............................................................................................ 47

2.3 Обоснование и расчет показателей термодинамической и топливной эффективности систем топливообеспечения 50

2.4 Разработка обобщенной экономико-математической модели расчета эффективности системы топливообеспечения 70

2.4.1 Методика учета технологических и режимных факторов...................... 70

2.4.2 Учет климатических факторов и охраны окружающей среды 82

2.4.3 Методика учета надежности энергообеспечения предприятия 85

2.4.4 Интегральные показатели экономико-математической модели расчета эффективности топливной системы 87

и-

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТОПЛИВООБЕСПЕЧЕНИЯ.............................. 93

3.1 Математические модели расчета генерации и потребления газа в элементах систем топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий 93

3.2 Алгоритмы выбора рациональной структуры и расчета оптимальных параметров систем топливообеспечения................................................................... 135

3.3 Оценка системной эффективности функционирования систем топливо-

обеспечения энергетического комплекса 150

Глава 4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНТЕГРАЦИИ СИСТЕМ УТИЛИЗАЦИИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ С ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ........... 167

4.1 Направления рационализации топливного баланса предприятий газопереработки............................................................................................................................ 167

4.2 Разработка технических решений и оценка экономической эффективности утилизации горючих газов в технологических установках газоперерабатывающих предприятий............................................................................172

4.3 Экономическая эффективность создания источника тепло- энергоснабжения на базе горючих отходов предприятий газопереработки 179

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ................................................................................................. 186

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................................... 189

Приложение А Свойства топливной системы ЭК ГПП, характеризующие ее

параметрическую и структурную сложность...................................................................... 209

Приложение Б Итерационные расчеты ЭТБ с использованием матричного

метода.................................................................................................................................................... 211

Приложение В Потоковые графы материальных балансов процессов

переработки углеводородного сырья...................................................................................... 220

Приложение Г Расчетные зависимости свойств веществ и процессов.

Характеристики процесса теплообмена................................................................................ 231

Приложение Д Расчетные зависимости математических моделей аппаратов и

установок............................................................................................................................................. 238

Приложение Е Формы расчетных модулей и структурированных данных программного комплекса............................................................................................................. 246

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АВО аппарат воздушного охлаждения

АГПЗ Астраханский газоперерабатывающий завод

ВГПУ Вуктыльское газопромысловое управление

внд внутренняя норма доходности

ВЭР вторичные энергоресурсы

гкм газоконденсатное месторождение

го горючие отходы (жидкие и газофазные)

ГПА газоперекачивающий агрегат

гпп газоперерабатывающее предприятие

ГС топливная (газотопливная) система

ГТУ газотурбинная установка

зпкт Ново-Уренгойский завод по подготовке конденсата к транспорту

ид индекс доходности

КУ котел-утилизатор

кэс электростанция конденсационного типа

МБ материальный баланс

мив модель идеального вытеснения

мис модель идеального смешения

ОА огнетехнический агрегат

ПГ процесс горения

ПГУ парогазовая установка

ПДВ предельно допустимые выбросы

ПК программый комплекс

пм процесс массообмена

пт процесс теплообмена

СГПЗ Сосногорский газоперерабатывающий завод

сзск Сургутский завод стабилизации конденсата

СТЭВС система тепло-электро-водоснабжения

СУ система управления

СЭВ система энергоснабжения внешняя

ТС технологическая система

ТЭК топливно-энергетический комплекс

ТЭР топливно-энергетические ресурсы

УВС углеводородное сырье

УРА установка регенерации абсорбента

чдц чистый дисконтированный доход

ШФЛУ широкая фракция легких углеводородов

ЭК энергетический комплекс

ЭР энергоресурсы

ЭСН электростанция собственных нужд

ЭТБ энерготехнологический баланс

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В Энергетической стратегии России на период до 2030 года определены основные пути достижения поставленных целей, основными из которых являются развитие генерирующих мощностей на основе использования новейших технологий и оборудования, внедрение новых высокоэффективных технологий производства, транспортирования и распределения энергоресурсов, создание эффективных систем управления функционированием и развитием энергетических комплексов, обеспечивающих минимальный уровень затрат. В соответствии с отраслевой концепцией ОАО «Газпром», согласующейся с общей стратегией развития энергетики России, развитие и модернизация энергетического хозяйства его производственных подразделений будет осуществляться в направлении газосбережения - снижения потребления газа на собственные нужды за счет использования потенциала технологического оборудования, газофакельных систем, и создания высокоэффективных внутрипроизводственных источников тепло- и электроснабжения. Реализация научно обоснованных решений по основным направлениям повышения эффективности топливной системы газоперерабатывающих предприятий (ГПП), как элемента их энергетического комплекса (ЭК) и технологической системы (ТС), позволит одновременно решить некоторые проблемы обеспечения тепловой и электрической энергией от внешних систем, связанные, в первую очередь, с дефицитом генерирующих мощностей в ряде энергосистем страны, процессом старения основного оборудования электростанций и сетей, усложнением обеспечения надежности энергоснабжения в условиях динамичных режимов эксплуатации ГПП.

Анализ выполненных исследований в данных направлениях показал, что задача совершенствования ЭК ГПП, представляющего собой структурно-сложную техническую систему взаимосвязанных по материальным продуктов и полупродуктов, а также потокам энергетических ресурсов различных видов, комплекс энерготехнологических энергоустановок с генерированием и

потреблением топлива, электрической и тепловой энергии, до настоящего времени не решена. При этом для технологических нужд и генерации тепловой энергии в технологических агрегатах ГПП потребление топлива составляет более половины потребления энергетических ресурсов. Особенностью ЭК ГПП является его взаимосвязь с внешними системами обеспечения топливом, тепловой и электрической энергией, поскольку этот объект интегрирован в топливно-энергетический сектор экономики страны не только по потокам энергетических ресурсов, но и по товарным потокам готовой продукции - газу, стабильному конденсату, продуктам их переработки.

Таким образом, современные предприятия по переработке газа и газового конденсата включают энерготехнологические установки, образующие сложную производственную структуру, эффективность которой зависит от состава оборудования и режимов эксплуатации энергетического комплекса, объединяющего все внутрипроизводственные источники энергоресурсов, включая технологические агрегаты, а также всех потребителей, и взаимосвязанного с внешней системой энергообеспечения.

Совершенствование системы топливообеспечения ЭК ГПП, оптимизация его структуры, повышение ее эффективности в процессах потребления и генерации преобразованных видов энергии представляется достаточно сложной научной задачей, решение которой должно учитывать режимы работы ГПП, особенности технологических процессов агрегатов и установок, состав перерабатываемого сырья, климатические условия и ряд других меняющихся в процессе эксплуатации факторов. При этом технологии переработки углеводородного сырья на предприятиях ОАО «Газпром» развиваются в современных условиях в направлении создания и внедрения новых энергосберегающих газо-химических комплексов и индустрии синтетических жидких топлив, что потребует соответствующего энергетического обеспечения технологических производств с созданием высокоэффективных ЭК ГПП.

Объект исследования: система топливообеспечения энергетического комплекса многопрофильных предприятий по переработке гетерогенного углеводородного сырья, в состав энергетического хозяйства которых входят топливная, теплотехническая, электротехническая подсистемы, и внутрипроизводственные системы обеспечения энергоносителями.

Предмет исследования: системный анализ и теоретическое обоснование технических решений по повышению энергоэффективности системы топливообеспечения энергетического комплекса предприятий переработки природного газа и газового конденсата.

Задачи исследования:

1 Разработка методики системного анализа и обоснование показателей энергетической эффективности топливной системы в структуре энергети-ческого комплекса газоперерабатывающих предприятий.

2 Разработка комплекса математических моделей расчета показателей термодинамической эффективности и энергетических характеристик топливо-генерирующих и топливопотребляющих установок топливной системы с учетом взаимосвязи с технологической системой, энергетическим комплексом и

внешними системами энергообеспечения в динамике технологических, климатических, экологических факторов.

3 Разработка моделирующих алгоритмов и программ, объединенных в информационно-аналитическую систему анализа эффективности топливной системы в структуре энергетического комплекса предприятия переработки углеводородного сырья с любой технологической топологией.

4 Научное обоснование технических решений по повышению эффективности топливной системы с вовлечением в энергетический баланс низкопотенциальных горючих газов перерабатывающих углеводородное сырье предприятий.

5 Технико-экономическое обоснование создания систем тепло- электроводоснабжения с утилизацией горючих отходов и стоков в составе энергетического комплекса предприятий газопереработки.

Научная новизна:

1. Разработаны новые научно-методические положения анализа эффективности топливной системы в составе энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий, развивающие методологию системных исследований в энергетике, включающие ее структурирование, установление многофакторных функциональных взаимосвязей с электро- и теплоэнергетической подсистемами, технологическими процессами и внешними энергогенерирующими источниками, и позволяющие решить задачу оптимизации состава оборудования комплекса и режимов его эксплуатации.

2. Предложена и обоснована система показателей эффективности топливогенерирующих и топливопотребляющих установок технологической системы в составе энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий на всех уровнях иерархии объекта, позволяющая определить рациональную структуру подсистем и диапазоны параметров режимов генерации и потребления отдельных видов энергоресурсов.

3. Разработан комплекс математических моделей расчета энергетических характеристик элементов топливной системы с учетом взаимосвязи с технологической системой, энергетическим комплексом и внешним источником обеспечения энергоресурсами в динамике технологических, климатических, экологических факторов.

5. Разработана обобщенная экономико-математическая модель технико-экономического обоснования направлений и технических решений по повышению эффективности топливной системы и создания систем тепло-электро- водоснабжения с утилизацией горючих отходов и стоков в составе энергетического комплекса предприятий газопереработки.

Практическая ценность:

3. Разработанные перспективные направления повышения эффективности использования топлива и предложенные новые технические решения по

совершенствованию системы топливоснабжения энергетического комплекса предприятий газопереработки позволяют выработать стратегию его модернизации и совершенствования в условиях увеличения степени конверсии и глубины переработки сырья.

Автор защищает: методику системного исследования и математического моделирования системы топливообеспечения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий; методические положения оценки термодинамической и экономической эффективности технических решений по повышению ее эффективности; технические решения по рационализации системы топливообеспечения и повышению эффективности энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий.

Личный вклад автора заключается в следующем:

- выполнен системный анализ эффективности системы топливоснабжения энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий на основе разработанных методических положений с установлением содержания взаимосвязей между топливной, электро- и теплоэнергетической подсистемами, а также технологическими процессами и внешними системами энергообеспечения;

- р

Похожие работы

Энергетика
05.14.00