CC BY
22
УДК 001.891.573, 66.045.7 https://doi.org/10.24412/2310-8266-2021-3-4-60-62
Внедрение цифровых моделей для повышения эффективности процессов газоперерабатывающих предприятий: моделирование блока АВО
К.В. Ермишов, А.Ю. Жаров, У.Н. Копычева
ООО «НИОСТ», 634067, г. Томск, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6700-7552, E-mail: ermishovkv@niost.sibur.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5977-747X, E-mail: zharovayu@niost.sibur.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8854-0367, E-mail: kopychevaun@niost.sibur.ru
Резюме: Повышение температуры окружающего воздуха в летнее время года оказывает негативное влияние на эффективность работы аппаратов воздушного охлаждения, что ведет к снижению выработки целевых компонентов на газоперерабатывающих заводах. Использование комплексных цифровых моделей, позволяющих учесть совокупность технологических факторов, оказывающих влияние на эффективность работы предприятия в целом, позволяет решить данную задачу наиболее эффективным способом. В работе приведено описание методов повышения эффективности аппаратов воздушного охлаждения, основанных на результатах технологических расчетов на базе цифровой технологической модели предприятия.
Ключевые слова: цифровизация, технологическое моделирование, мелкодисперсное орошение, аппараты воздушного охлаждения.
Для цитирования: Ермишов К.В., Жаров А.Ю., Копычева У.Н. Внедрение цифровых моделей для повышения эффективности процессов газоперерабатывающих предприятий: моделирование блока АВО // НефтеГазоХимия. 2021. № 3-4. С. 60-62. D0I:10.24412/2310-8266-2021-3-4-60-62
IMPLEMENTATION OF DIGITAL MODELS FOR INCREASING OF THE EFFICIENCY OF GAS-PROCESSING ENTERPRISES: SIMULATION OF AIR-COOLING UNITS Kirill V. Ermishov, Alexey YU. Zharov, Ulyana N. Kopycheva
NIOST LLC, 634067, Tomsk, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6700-7552, E-mail: ermishovkv@niost.sibur.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5977-747X, E-mail: zharovayu@niost.sibur.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8854-0367, E-mail: kopychevaun@niost.sibur.ru
Abstract: The increase of the ambient air temperature in the summertime has the negative influence on the efficiency of air-cooling units, which leads to a decrease in the production of target components at gas processing plants. Using complex digital models that take into account all scope of technological factors allows to provide the solution to this problem in the most effective way. The paper describes methods for improving the efficiency of air cooling units, based on the results of the first-principle process simulation of the enterprise. Keywords: digitalization, first-principle process simulation, finely dispersed irrigation, air-cooling units.
For citation: Ermishov K.V., Zharov A.YU., Kopycheva U.N. IMPLEMENTATION OF DIGITAL MODELS FOR INCREASING OF THE EFFICIENCY OF GAS-PROCESSING ENTERPRISES: SIMULATION OF AIR-COOLING UNITS. Oil & Gas Cheymistry. 2021, no. 3-4, pp. 60-62. DOI:10.24412/2310-8266-2021-3-4-60-62
Введение
ПАО «СИБУР Холдинг» является крупнейшей нефтегазохимической компанией России, реализующей продукцию в трех интегрированных бизнес-сегментах: олефины и полио-лефины, пластики и эластомеры, газопереработка и инфраструктура.
Более 29% от выручки компании приходится на газоперерабатывающий сегмент, суммарная переработка попутного нефтяного газа (ПНГ) в 2020 году составила 25,4 млрд м3. Разработка и внедрение технологий, позволяющих улучшить качество переработки газа на предприятиях, является одним из ключевых факторов для обеспечения устойчивого развития [1].
Для оценки и внедрения технологических решений в компании широко используются современные цифровые инструменты, в том числе инструменты технологического моделирования. Моделирование позволяет проводить системный анализ действующего предприятия, который заключается в представлении процесса как сложной функции, связывающей его физико-химические, технологические и конструктивные параметры [2].
Использование комплексных цифровых моделей действующих производств позволяют не только оценить возможность технической реализации той или иной идеи, но и выбрать наиболее экономически эффективное решение. Одним из успешно реализованных проектов в данной области является проект по созданию цифрового двойника Южно-Балыкского газоперерабатывающего завода (ЮБ ГПЗ). Модель позволила провести расчетную оценку для ряда задач по оптимизации и технологическому перевооружению предприятия, которые были приняты
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
£
к реализации. Увеличение влажности воздуха в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) за счет применения мелкодисперсного орошения стало одним из таких мероприятий, что позволило повысить энергоэффективность производства и нивелировать влияние климатического фактора в летний период.
Методы повышения эффективности работы АВО
Аппараты воздушного охлаждения получили широкое распространение на предприятиях газоперабатывающей промышленности. В основном данный вид теплообменников применяется для межступенчатого охлаждения при компримировании газа, для конденсации хладагента в холодильных циклах и дополнительного охлаждения газа на входе в установки.
В летний период при повышении температуры окружающего воздуха эффективность работы АВО снижается. При снижении эффективности охлаждения увеличивается количество целевых компонентов С3+ в сухом отбензиненном газе (СОГ) и сокращается выработка широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ).
Существует несколько путей по митигации влияния повышенной температуры окружающего воздуха на АВО [3-4]:
- увеличение поверхности теплообмена, то есть установка дополнительных секций в аппарате;
- увеличение расхода охлаждающего воздуха, то есть замена существующих приводов на более мощные;
- установка системы мелкодисперсного орошения, то есть увеличение влажности охлаждаемого воздуха.
Установка дополнительной теплообменной секции представляет собой наиболее капиталоемкое мероприятие. В табл. 1 приведена оценка влияния поверхности теплообмена на температуру охлаждаемой среды. Расчет произведен в специализированном программном обеспечении Aspen EDR V11.
При увеличении температуры окружающей среды более 25 °С, значения температуры охлаждающего воздуха будут стремиться к рассчитанной температуре выхода газа, вследствие чего увеличение поверхности теплообмена за счет установки дополнительных секций малоэффективно.
Второй вариант, позволяющий снизить температуру газа за счет увеличения расхода воздуха, как правило, характеризуется меньшими финансо-
выми затратами. Однако может возникнуть ряд сложностей с установкой новых приводов и вентиляторов, связанных с конструктивными ограничениями существующего оборудования [5].
На рис. 1 приведено сравнение температуры газа на выходе с АВО при охлаждении воздухом с влажностью 70% и влажностью 100%. Использование мелкодисперсного орошения позволяет снизить температуру охлаждаемого газа на 2,4 °С при сопоставимых значениях расхода воздуха. Для достижения аналогичного температурного эффекта с использованием сухого воздуха необходимо увеличить расход воздуха на 16,4% от начального значения.
Результаты расчета с использованием математической модели
Для оценки эффективности применения мелкодисперсного орошения на АВО использовался цифровой двойник производства ЮБ ГПЗ. Модель позволила оценить эффект в натуральных единицах, а именно определить дополнительную выработку ШФЛУ в период повышенной температуры окружающего воздуха.
На первом этапе с учетом данных по технологическому режиму были верифицированы основные блоки газоразделения, а также блоки по компримированнию ПНГ, до-жимные компрессорные станции и пропан-холодильные установки. Оценка погрешности расчетов, проведенных на математической модели, проводилась по составу и расходу продуктовых потоков, отклонение составило не более 3%.
На следующем этапе был произведен расчет АВО, учитывающий мощности приводов, конструктивные характеристики и данные технологического режима. На базе данного расчета был определен требуемый расход воздуха, подаваемого на охлаждение.
Далее была проведена оценка влияния влажности воздуха на температуру охлаждаемого газа (рис. 2), расчет произведен в Aspen EDR V11.
Таблица 1
Влияние поверхности теплообмена на температуру охлаждаемого газа
Количество секций Поверхность теплообмена, м2 Расход охлаждающего воздуха, т/ч Температура охлаждаемого газа, °С
1 x 450 43,71
2 2x 9 000 29,42
3 3x 13500 26,57
Влияние расхода воздуха на температуру охлаждаемой среды
44
от
а
*
от с
от >
ь от
сю
42
40
38
36
-♦-влаж ♦ влаж -нос: ■: возд кность возд 1уха 100% 1уха 70%
__
— <
"""-«г
Влияние влажности воздуха на температуру охлаждаемой среды
34
450000 500000 550000 600000 650000 700000 Расход воздуха, м3/ч
о
о
СП СО СП
О
55
50
45
40
от >
ь от
35
30
•позиция 1 -позиция 2
--•--позиция 3
70 80 90
Относительная влажность воздуха, %
100
Рис. 1
Рис. 2
3-4 • 2021
НефтеГазоХимия 61
Расчет произведен для ряда позиций АВО различных конструкций при различном расходе воздуха и параметров охлаждаемой среды. При этом увеличение влажности воздуха на всех позициях позволяет повысить эффективность охлаждения, снижая температуру трубного пространства на выходе более чем на 2,4 °С.
На заключительном этапе с использованием цифрового двойника ЮБ ГПЗ была проведена оценка увеличения дополнительной выработки ШФЛУ при повышении эффективности захолаживания на АВО.
Заключение
Повышения эффективности работы АВО является важным фактором стабильной работы газоперерабатывающего предприятия в летний период. Мелкодисперсное орошение позволяет сократить содержание целевых компонентов в СОГ и увеличить выработку ШФЛУ, которое является сырьем для нефтехимических предприятий. При повышении относительной влажности воздуха до 100% температура охлаждаемой среды снижается более чем на 2,4 °С, что позволяет увеличить выработку ШФЛУ на 0,25% в летний период.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ПАО «СИБУР Холдинг» Единый отчет за 2020 год. URL: https://www.sibur. ru/press-center/news/SIBUR-opublikoval-Edinyy-otchet-za-2020-god/ (дата обращения 01.09.2021).
2. Лисицын Н.В., Викторов В.К., Кузичкин Н.В., Федоров В.И. Химико-технологические системы: оптимизация и ресурсосбережение. СПб.: Менделеев, 2013. 392 с.
3. Сухорукова В.Г., Шмеркович В.М. Аппараты воздушного охлаждения в химической промышленности. М.: НИИТЭХИМ, 1976. № 8. С. 98.
4. Самородов А.В., Теляев Р.Ф., Кунтыш В.Б. Методика теплового расчета аппарата воздушного охлаждения в режиме свободной конвекции воздуха // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2002. № 1-2. С. 20-30.
5. Бахмат Г.В., Еремин Н.В., Степанов О.А. Аппараты воздушного охлаждения газа на компрессорных станциях. СПб.: Недра, 1994. 102 с.
REFERENCES
1. PAO «SIBUR Kholding» Yedinyy otchetza 2020 god (SIBUR Holding PJSC Unified report for 2020) Available at: https://www.sibur.ru/press-center/news/ SIBUR-opublikoval-Edinyy-otehet-za-2020-god/ (accessed 01 September 2021).
2. Lisitsyn N.V., Viktorov V.K., Kuzichkin N.V., Fedorov V.I. Khimiko-tekhnologicheskiye sistemy: optimizatsiya i resursosberezheniye [Chemical-technological systems: optimization and resource conservation]. St. Petersburg, Mendeleyev Publ., 2013. 392 p.
3. Sukhorukova V.G., Shmerkovich V.M. Apparaty vozdushnogo okhlazhdeniya
vkhimicheskoypromyshlennosti [Air coolers in the chemical industry]. Moscow, NIITEKHIM Publ., 1976. p. 98.
4. Samorodov A.V., Telyayev R.F., Kuntysh V.B. Method of thermal calculation of an air cooling apparatus in the free air convection mode. Izv. vuzov. Problemy energetiki, 2002, no.1-2, pp. 20-30 (In Russian).
5. Bakhmat G.V., Yeremin N.V., Stepanov O.A. Apparaty vozdushnogo okhlazhdeniya gaza na kompressornykh stantsiyakh [Gas air coolers at compressor stations]. St. Petersburg, Nedra Publ., 1994. 102 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Ермишов Кирилл Вячеславович, руководитель, Центр технологического моделирования ООО «НИОСТ», аспирант факультета экономики и финансов, Северо-Западный институт управления - филиал РАНХиГС. Жаров Алексей Юревич, ведущий специалист, Центр технологического моделирования ООО «НИОСТ».
Копычева Ульяна Николаевна, специалист, Центр технологического моделирования ООО «НИОСТ», аспирант отделения химической инженерии, Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
Kirill V. Ermishov, Head, Process Simulation Center, NIOST LLC, Postgraduate Student at the Faculty of Economics and Finance, North-West Institute of Management.
Alexey YU. Zharov, Leading Specialist, Process Simulation Center, NIOST LLC Ulyana N. Kopycheva, Specialist, Process Simulation Center, NIOST LLC, Postgraduate Student of the Department of Chemical Engineering, National Research Tomsk Polytechnic University.
