МОДЕРНИЗАЦИЯ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ: ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ЗА СЧЕТ ИНТЕГРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ УСТАНОВОК

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются аспекты применения передовых подходов для модернизации нефтеперерабатывающих заводов, направленных на улучшение энергетической эффективности, снижение углеродных выбросов. Особое внимание уделено перераспределению тепловой энергии как внутри одной установки, так и между различными установками. Работа нацелена на создание, обоснование решений, позволяющих уменьшить потребление энергии, сократить выбросы углекислого газа при минимальных финансовых затратах.

Методы исследования включают в себя применение анализа тепловых потоков "Pinch Analysis", оптимизацию теплообменного оборудования, разработку систем с компактным теплообменом. Результаты подтверждают, что эти технологии помогают снизить расход топлива, уменьшить выбросы парниковых газов и одновременно обеспечить значительный экономический эффект. В статье представлены конкретные примеры успешного внедрения таких решений на предприятиях по всему миру.

Методологической основой работы стал системный анализ, дополненный сравнением практических кейсов, моделированием потенциальных эффектов от внедрения аналитики. Были изучены научные работы, отраслевые отчёты, а также конкретные примеры внедрения технологий в компаниях, данные о которых размещены в сети «Интернет», а также использован собственный опыт автора.

Материал будет полезен инженерам-технологам в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, специалистам по экологии, а также руководителям предприятий этих отраслей, стремящимся внедрять инновационные подходы и повышать соответствие экологическим стандартам.

В заключении показано, что перераспределение тепловой энергии представляет собой эффективный инструмент обновления НПЗ, обеспечивающий энергетическую и экологическую устойчивость отрасли.

ABSTRACT

The article discusses aspects of the application of advanced approaches for the modernization of oil refineries aimed at improving energy efficiency and reducing carbon emissions. Special attention was paid to the redistribution of thermal energy both within one installation and between different installations. The work is aimed at creating and justifying solutions that reduce energy consumption and reduce carbon dioxide emissions at minimal financial cost.

The methods include the application of heat flow analysis "Pinch Analysis", optimization of heat exchange equipment, development of systems with compact heat exchange. The results confirm that these technologies help to reduce fuel consumption, reduce greenhouse gas emissions and at the same time provide significant economic benefits. The article presents specific examples of successful implementation of such solutions at enterprises around the world.

The methodological basis of the work was a system analysis, supplemented by a comparison of practical cases, modeling the potential effects of the introduction of analytics. Scientific papers, industry reports, as well as specific examples of technology implementation in companies, data on which are posted on the Internet, were studied, as well as their own experience was used.

The material will be useful to process engineers in the oil refining and petrochemical industries, environmental specialists, as well as managers of enterprises in these industries seeking to introduce innovative approaches and improve compliance with environmental standards.

In conclusion, it is shown that the redistribution of thermal energy is an effective tool for upgrading refineries, ensuring the energy and environmental sustainability of the industry.

Ключевые слова: нефтепереработка, энергоэффективность, интеграция тепловых потоков, углеродный след, модернизация, теплообмен, парниковые газы, экономический эффект.

Keywords: oil refining, energy efficiency, integration of heat flows, carbon footprint, modernization, heat transfer, greenhouse gases, economic effect.

Введение

Современные нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) функционируют в условиях ужесточения экологических и экономических нормативов. Для снижения выбросов парниковых газов, повышения энергетической эффективности специалисты разрабатывают и внедряют передовые инженерные решения. Одной из перспективных стратегий становится интеграция тепловых потоков как между основными технологическими установками, так и внутри них: атмосферной перегонкой, гидроочисткой, гидроконверсией, риформингом, газофракционированием и другими. Этот метод перераспределяет избыточную энергию, что позволяет снизить углеродный след, оптимизировать производственные расходы.

Применение методов теплового анализа, позволяет системно изучать температурные профили потоков и разрабатывать оптимальные схемы их перераспределения.

Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью обеспечения устойчивого развития нефтеперерабатывающей отрасли в условиях ужесточающихся экологических норм и увеличения затрат на топливо. Интеграция тепловых потоков демонстрирует потенциал для повышения энергоэффективности, сокращения выбросов углекислого газа, что делает её ключевым направлением модернизации НПЗ.

Целью данной работы является разработка и обоснование комплексных подходов к интеграции тепловых потоков для повышения энергоэффективности и экологической устойчивости нефтеперерабатывающих предприятий.

Обзор литературы

Для проведения исследования использовался междисциплинарный подход, включающий использование методов системного анализа, теплотехнического моделирования и технико-экономического обоснования.

В предыдущей работе автора [1] рассматриваются ключевые технологические направления, формирующие будущее нефтеперерабатывающей отрасли. Основное внимание уделялось интеграции инновационных решений, таких как цифровизация производственных процессов, внедрение экологически безопасных технологий и повышение энергоэффективности. Также в статье обсуждались перспективы модернизации оборудования для повышения производственной эффективности и минимизации воздействия на окружающую среду. Приведенные примеры международного опыта подтверждают актуальность и универсальность предложенных подходов для различных регионов.

И.Х. Альхаджри и его коллеги [4] предложили использовать метод Pinch Analysis для ретрофита теплообменников на нефтеперерабатывающих установках, что позволило сократить энергозатраты на 10,4 МВт и значительно уменьшить операционные расходы. Это подтверждает высокую эффективность графических методов при модернизации существующих объектов.

Одним из первых шагов к улучшению энергоэффективности стал анализ эффективности работы установок в Китае, проведённый Ф.Р. Цзя и другими исследователями [8]. Научная работа была сосредоточена на оценке энергопотребления и выбросов CO₂ на уровне отдельных установок нефтепереработки. В результате были предложены рекомендации по структурной оптимизации процессов, что позволило бы существенно повысить энергоэффективность, однако исследования в этом направлении требуют дополнительных усилий для внедрения на более широком уровне.

Стратегия оптимального управления атмосферной перегонкой, предложенная К. Ян и его коллегами [10] направлена на снижение энергопотребления без значительных капитальных вложений. Она обеспечила снижение выбросов CO₂ на 2800 тонн в год, что подтверждает эффективность подхода в условиях минимальных финансовых затрат и дает пример для возможной адаптации в других нефтехимических установках.

В публикации [1], расположенной на сайте chemtech.ru акцент сделан на повышении энергоэффективности нефтеперерабатывающих предприятий. Описаны способы минимизации затрат энергии посредством применения энергосберегающих технологий, обновление теплообменного оборудования. Подчеркивается значимость программных продуктов, обеспечивающих контроль тепловых процессов, распределение энергии. Практическая применимость рекомендаций подтверждается примерами реализации на объектах в России и за рубежом.

Особое внимание стоит уделить повышению эффективности теплообменных систем. В работе Л.В. Тарановой, Г.П. Клевцова, А.Г. Мозырева [3] рассматривается оптимизация теплообмена на установках гидроочистки для увеличения использования вторичных энергоресурсов. Такой подход способствует снижению теплопотерь и позволяет улучшить экологическую устойчивость процессов.

Интеграция тепловых потоков используется в промышленности. В исследовании К. Дж. Джаббар и других ученых [7] указывается на то, что внедрение этих методик в нефтеперерабатывающую отрасль уменьшает затраты. Экономия составила 2,29 миллиона фунтов стерлингов в год, что подчеркивает финансовые выгоды повышения энергетической эффективности.

Внедрение машинного обучения для управления энергопотреблением в нефтепереработке доказало свою действенность. Исследования М.Д. Хармс и коллег [6] показали, как такие технологии помогают снизить углеродный след на установках атмосферной перегонки, что открывает возможности для автоматизации, оптимизации процессов в реальном времени.

Результаты и обсуждения

В своей предыдущей работе автором [2] были рассмотрены общие технологические тренды, формирующие будущее нефтеперерабатывающей отрасли, включая необходимость адаптации традиционных подходов к современным требованиям: ужесточение экологических регламентов, рост конкуренции на глобальном рынке и повышение экономической эффективности. Особое внимание в статье уделялось ключевым направлениям, определяющим развитие отрасли.

В данной статье хотелось бы подробнее остановиться на одном из значимых трендов — внедрении энергоэффективных решений, которые играют важную роль в снижении затрат, сокращении углеродного следа и повышении общей производственной эффективности. Для достижения этих целей необходимо активное внедрение современных технологий, обновление технической базы и совершенствование производственных практик, что позволяет предприятиям соответствовать международным стандартам и сохранять конкурентоспособность.

Ниже на рисунке 1 представлены подходы и решения в сфере энергоэффективности на НПЗ.

Рисунок 1. Подходы и решения в сфере энергоэффективности на НПЗ

Так если говорить об оптимизации теплообмена, то она требует применения сложных алгоритмов и моделей, включающих:

1. Тепловой анализ по методологии "Pinch Analysis". Этот метод позволяет определить минимально необходимое количество тепловой энергии для заданного технологического процесса и найти оптимальные пути ее распределения [2].
2. Проектирование теплообменного оборудования. Выбор подходящих типов теплообменников (например, пластинчатых, кожухотрубных или регенеративных) с учетом характеристик потоков и технологических ограничений [3].
3. Системная интеграция. Включает в себя разработку схем подачи тепловой энергии и автоматизацию управления потоками для минимизации тепловых потерь [4].

Современные разработки в области теплообменного оборудования обеспечивают значительно более высокий уровень эффективности теплопередачи. Например:

• Технологии на основе материалов с высокой теплопроводностью, такие как медные и алюминиевые сплавы, снижают потери тепла и увеличивают долговечность оборудования [5].
• Интеграция мембранных технологий для разделения тепловых потоков с одновременной очисткой или обессоливанием воды позволяет создавать замкнутые циклы потребления энергии [6].

Применение данных технологий в условиях реальных НПЗ приводит к снижению расхода топлива и выбросов углерода без значительного увеличения капитальных затрат.

Для снижения энергопотребления на промышленных объектах применяются разнообразные подходы. Так частотно-регулируемые приводы используются для оптимизации работы систем, задействованных в процессах охлаждения. Также отдельного внимания заслуживает процесс утилизации остаточного тепла, которое образуется в процессе переработки нефти. Его следует использовать в процессе подогрева воды или выполнения других задач, что позволяет снизить потребность в электрической энергии.

В качестве примера успешного внедрения таких решений является обновление теплообменных процессов на установке атмосферной перегонки нефти с расчетной производительностью 2,5 млн тонн ежегодно. Этот комплекс, работающий на нефтеперерабатывающем заводе в южной части России, демонстрирует эффективность интеграции методов энергосбережения [10].

Ниже в таблице 1 будут описаны суммарные основные потоки теплоты на рассматриваемой технологической установке.

Таблица 1.

Суммарные основные потоки теплоты на рассматриваемой технологической установке (Гкал/ч)

Оптимизация схемы теплообмена достигается переориентацией тепловых потоков таким образом, чтобы обеспечить повышение температуры (рис. 2):

• на входе в ЭЛОУ – от 90…100°С до 120…130°С;
• на входе в отбензинивающую колонну – от 180…210°С до 230…250°С;
• на входе в нагревательную печь – от 200…220°С до 250°С и выше.

Рисунок 2. Схема получения горячей и теплофикационной воды на установке ЭЛОУ-АТ [8].

Повышение эффективности тепловой рекуперации снижает потребность в использовании воздушных холодильников, что устраняет необходимость применения водяных аналогов в данном процессе. Отказ от таких систем исключает дополнительные затраты на их строительство, а также последующую эксплуатацию. Например, возведение градирни с расчетным объемом воды 2000 м³/ч требует финансовых вложений порядка 220–280 млн рублей, эксплуатационные расходы на электроэнергию составляют около 32–34 млн рублей ежегодно.

В нефтеперерабатывающей отрасли используется тепловая энергия в диапазоне 20–100 Гкал/ч. Теплоносители представлены паром, горячей водой, нагретой до 60 °C. Теплофикационная вода служит для нагрева резервуаров, используемых для хранения нефти, мазута, дизельного топлива, подогрева противопожарных систем, а также очистки полигонов, включая территории промышленных площадок, сливоналивных эстакад.

Избыточное тепло, отбираемое с технологических установок, позволяет реализовать централизованное отопление для технических и хозяйственных нужд, а также производство горячей воды, соответствующей питьевым стандартам, при температуре 60 °C. Это обеспечивает потребности душевых комплексов, работающих круглогодично, и другие внутренние нужды завода. Избыток энергии также направляется на горячее водоснабжение.

На основании рассмотренной схемы также можно предложить использование избыточной энергии для нагрева нефти перед установкой ЭЛОУ (электрообессоливающей установки), которая обезвоживает и обессоливает нефть перед колонной К-1.

Рисунок 3. Схема получения нагрева нефти перед блоком на установке ЭЛОУ-АТ

Данная схема позволит перераспределить тепловую нагрузку, снизив расход топлива в нагревательной печи и повысив общую эффективность энергопотребления. За счет использования избыточной энергии тепловых потоков от технологических установок появляется возможность:

• Увеличить температуру нефти на входе в установку ЭЛОУ до 120–130 °C, что обеспечит улучшенные условия для удаления воды и солей.
• Снизить нагрузку на нагревательные элементы в дальнейшем технологическом процессе, например, при подаче нефти в колонну К-1, благодаря повышению температуры до 230–250 °C перед ее входом.

Преимущества предложенного автором данной статьи подхода заключаются в том, что оптимизация тепловых потоков позволит снизить тепловую нагрузку на нагревательные печи, что уменьшит объем потребляемого топлива. Это, в свою очередь, способствует снижению выбросов CO₂, NOx и других вредных веществ в окружающую среду.

Реализация проектов по интеграции тепловых потоков обеспечивает:

• Сокращение энергозатрат. Комплексное перераспределение тепла между установками позволяет снизить расходы на первичное топливо на 25–30 %.
• Снижение выбросов парниковых газов. Меньший объем сжигаемого топлива ведет к уменьшению эмиссии CO₂ на 15–20 %.
• Рост эксплуатационной надежности. Уменьшение нагрузок на котельное оборудование способствует увеличению его срока службы.

Дополнительным преимуществом является повышение общей гибкости технологического процесса, что позволяет быстрее адаптироваться к изменениям в спросе на нефтепродукты и ужесточению экологических норм [3; 7].

В таблице ниже представлен взгляд на основные направления и перспективы модернизации нефтеперерабатывающих установок. При этом делается фокус на ключевых аспектах, а именно, оптимизацию производственных процессов, повышение экологической безопасности, интеграцию инновационных разработок, необходимых для достижения высокой эффективности и соответствия современным стандартам.

Таблица 2. 

Систематизация перспектив модернизации нефтеперерабатывающих установок [1]

Модернизация перерабатывающих предприятий предполагает внедрение современных технологий для повышения экологической безопасности, увеличения эффективности производственных процессов. Инновационные решения обеспечивают глубокую переработку сырья, минимизацию отходов, сокращение углеродных выбросов [6].

Автоматизация управления процессами повышает надежность функционирования оборудования, обеспечивает контроль ключевых параметров, снижает затраты на эксплуатацию. Технологии анализа данных способствуют раннему выявлению технических неисправностей, предотвращению аварий, сокращению времени на ремонтные работы.

Цифровые инструменты становятся основой устойчивых, рентабельных производственных систем, соответствующих требованиям экологической безопасности, позволяя предприятиям сохранять конкурентоспособность [2].

Таким образом, интеграция тепловых потоков представляет собой один из наиболее эффективных подходов к модернизации НПЗ.

Заключение

Применение современных методов теплового анализа, внедрение инновационного оборудования и совершенствование схем теплообмена позволяют достичь значительных успехов в повышении энергоэффективности и снижении углеродного следа. Этот подход не только улучшает экономические показатели НПЗ, но и способствует их соответствию международным стандартам устойчивого развития. Успешная реализация данных мер требует скоординированных усилий инженеров, технологов и специалистов по энергетике, а также значительных инвестиций в техническую модернизацию.

Проведённый анализ показал, что перераспределение избыточной тепловой энергии между технологическими установками позволяет снизить потребление первичных энергоресурсов на 25–30 %, одновременно уменьшив выбросы углекислого газа на 15–20 %. Использование современных методов теплового анализа, таких как "Pinch Analysis", в сочетании с внедрением высокоэффективного теплообменного оборудования, позволяет достичь существенного сокращения эксплуатационных расходов без значительных капитальных вложений.

Список литературы:

1. Повышение энергоэффективности нефтеперерабатывающих заводов / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://chemtech.ru/povyshenie-jenergojeffektivnosti-neftepererabatyvajushhih-zavodov/  (дата обращения: 12.11.2024).
2. Прокопчик И. Н. Модернизация нефтеперерабатывающих установок в условиях технологических трендов и перспектив развития // Актуальные исследования. – 2022. – № 47 (126).
3. Таранова Л.В., Клевцов Г.П., Мозырев А.Г. Оптимизация системы теплообмена установки гидроочистки бензиновой фракции // Известия высших учебных заведений. – Нефть и газ. – 2022. – № 1. – Pp. 81–95. https://doi.org/10.31660/0445-0108-2022-1-81-95
4. Alhajri I. H. et al. Retrofit of heat exchanger networks by graphical Pinch Analysis–A case study of a crude oil refinery in Kuwait // Case Studies in Thermal Engineering. – 2021. – Т. 26. – С. 101030.
5. Hao J. et al. A correction factor-based general thermal resistance formula for heat exchanger design and performance analysis // Journal of Thermal Science. – 2021. – Vol. 30. – Pp. 892–901.
6. Harmse M. D. et al. Integration of machine learning with complex industrial mining systems for reduced energy consumption //Frontiers in Artificial Intelligence. – 2022. – Vol. 5. – Pp. 938641.
7. Jabbar K. J. et al. Process design Optimisation, heat integration, and techno-economic analysis of oil refinery: A case study // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. – 2023. – Vol. 45. – №. 2. – Pp. 4931–4947.
8. Jia F.R. et al. Paraffin-based crude oil refining process unit-level energy consumption and CO2 emissions in China // Journal of Cleaner Production. – 2020. – Vol. 255. – Pp. 120–347.
9. Kapan S. et al. A comprehensive optimization and design analysis of a heat exchanger with coiled wire turbulators //Heat and Mass Transfer. – 2023. – Т. 59. – №. 8. – С. 1507–1524.
10. Yang K. et al. Improving energy saving of crude oil distillation units with optimal operations //Journal of cleaner production. – 2020. – Vol. 263. – Pp. 121–340.
11. Yanvarev I.A., Vanyashov A.D., Raykovskiy N.A. Ensuring efficient operation of the heat exchange equipment of the complex gas treatment plant //AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing, 2023. – Vol. 2784. – №. 1.