Кейс «Нефтеперерабатывающий завод»
В целях конфиденциальности приведенное ниже исследование является обобщением части результатов, полученных по итогам проектов на мини-НПЗ и двух крупных НПЗ, а также результатом проведенного анализа мирового опыта.
Нефтеперерабатывающий завод имеет непрерывный цикл производства и, казалось бы, является наименее приспособленным для применения технологий управления нагрузками. Однако, как показали результаты наших проектов, даже у таких технологически сложных предприятий есть значительный потенциал использования возможности экономии затрат путем изменения графика потребления электроэнергии.
В частности, существует возможность управления нагрузкой наиболее энергоемкой частью процесса – нагрузкой установки каталитического крекинга.
Нефтепереработка входит в число энергоемких производств.
Удельный расход электроэнергии на тонну произведенной продукции равен обычно (в среднем) 60-80 кВтч/тонну и для отдельных установок достигает 100-150 кВтч/т. В марже на переработку («крэк-спрэде») эта величина является относительно небольшой – около 5-7%.
Однако в пиковые часы, когда снижение нагрузки приводит к снижению оплаты мощности, эта величина повышается в 7-10 раз. Фактически переработка в эти часы оказывается невыгодной.
Очевидно, что кратковременная остановка НПЗ технологически невозможна, а само снижение нагрузки является сложным процессом, связанным с изменением режимов. Еще одним ограничением является фиксированный план производства и отгрузки нефтепродуктов.
Тем не менее, анализ реальных установок каталитического крекинга показал возможность временного снижения нагрузки наиболее энергоемких установок без влияния на конечный выход продукции.
Для анализа была взята самая энергоемкая установка процесса нефтепереработки – установка каталитического крекинга. Энергопотребление установки каталитического крекинга на современных НПЗ может составлять около 25% от общего потребления электроэнергии в нефтепереработке.
В исследовании «Assessment of Industrial Load for Demand Response across U.S. Regions of the Western Interconnect», проведенном в 2013 г национальной лабораторией Oak Ridge для Департамента энергетики США, при оценке потенциальных объемов управления нагрузки промышленных предприятий Запада США, нефтепереработка включена в перечень потенциально доступных и перспективных для управления нагрузками.
В данном исследовании также рассмотрен наиболее энергоемкий процесс нефтепереработки – каталитический крекинг. Исследователи приходят к выводу, что управление нагрузками каталитического крекинга технологически возможно, а приемлемость применения для предприятия – одна из наиболее высоких среди энергоемких отраслей.
Рис. 1. Описание возможностей по управлению нагрузками на установках каталитического крекинга (Assessment of Industrial Load for Demand Response across U.S. Regions of the Western Interconnect, 2013)
Основной объем потребления установки каткрекинга приходиться на потребление энергии мощными компрессорными установками, а также большим количеством насосов различной мощности. Установка состоит, как правило, из трех основных секций, процессы в которых являются непрерывными, поэтому снижение нагрузки отдельных элементов установки в большинстве случаев недопустимо. Однако, потенциально может меняться нагрузка установки в целом.
Место процесса каталитического крекинга в общем процессе переработки
В общей схеме НПЗ установка каткрекинга находится в «средней части» процесса.
В установку поступает вакуумный газойль, полученный после этапа переработки нефти на атмосферно-вакуумных установках.
Продукты переработки (бензин, пропановые и бутановые фракции, мазут или кокс) после нее направляются на дальнейшую переработку (гидроочистку, переработку жирных газовых фракций, вторичную переработку тяжелых фракций).
До и после установки обычно имеются значительные по вместимости буферные емкости. Проведенные расчеты показали, что емкостей на рассмотренных заводах достаточно для снижение потребления установки на период до 2 часов на 20%. Также анализ загрузки установок показывает, что установка практически всегда имеет определенный запас мощности, позволяющий компенсировать недовыработку в пиковые часы в часы с низкими ценами (ночные часы и праздничные дни), для этого требуется очень небольшой резерв – 1-3%.
Рис 2. Условная схема, показывающая место установки каталитического крекинга в НПЗ
Условно целевой график работы установки показан ниже на Рис. 3 (фактический график может быть несколько иным, учитывая возможную инерцию при разгрузке и выходе обратно на режим).
Рис. 3. Сравнение графиков нагрузки установки каталитического крекинга в различных сценариях управления нагрузками
Следующим фактором, влияющим на эффективность стратегии управления нагрузкой, является чувствительность энергопотребления к загрузке оборудования. Статистический анализ на одном из объектов показал, что «эластичность энергопотребления» составляет 50-60%, то есть снижение нагрузки на 20% приводит к снижению потребления на 10%. Очевидно, что снижение потребления мощности в такой ситуации приводит к совокупному росту потребления электроэнергии, что однако незначительно ухудшает экономику проекта.
Более детальный анализ установки позволил выявить также ряд мероприятий, позволяющих повысить «эластичность энергопотребления» до 70-80%.
В масштабах крупного НПЗ такая стратегия дает экономию для 300-400 млн руб в год.
Что дальше?
Управление нагрузками действующих установок является очевидно сложным процессом, требующим перенастройки и наладки оборудования, которое первоначально не проектировалось под подобные задачи.
Однако, по мере развития технологий промышленного интернета вещей, возможности по управления нагрузками могут быть заложены уже на этапе проектирования. Элементы оборудования могут быть уже запроектированы с элементами, позволяющими накапливать промежуточный продукт, которые фактически становиться встроенными накопителями энергии. Одновременно такая модель позволит повысить маневренность оборудования, помогать оптимизировать режимы и повышать ее управляемость и безопасность.
В текущем состоянии у НПЗ, как показывает наш анализ, имеется более простой в реализации ресурс управления нагрузками непроизводственных объектов (административных зданий и хоз. объектов), а также вспомогательных производств.
Сетевые мощности энергосистемы загружены на 20-30%.