ІНСТИТУТ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

МАЛЯРЕНКО ОЛЕНА ЄВГЕНІЇВНА

УДК 339.4:665.5

МЕТОДИ ОЦІНЮВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ПОТЕНЦІАЛУ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ ТА ПРОГНОЗУВАННЯ ЕНЕРГОСПОЖИВАННЯ В ПРОЦЕСАХ НАФТОПЕРЕРОБКИ

Спеціальність 05.14.01- енергетичні системи та комплекси

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті загальної енергетики Національної академії наук України, м. Київ

.

Науковий керівник | кандидат економічних наук,

Лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки

Гнідий Микола Васильович,

Інститут загальної енергетики НАН України,

завідувач відділу.

Офіційні опоненти: |

доктор фізико-математичних наук

Жовтянський Віктор Андрійович,

Інститут газу НАН України,

завідувач відділу;

кандидат технічних наук, заслужений діяч науки та техніки

Халявко Микола Петрович,

ДП “УкрНДІнафтогазінформ”, директор.

Провідна установа: |

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти та науки України, кафедра енергозбереження та теплотехніки,

м. Київ.

Захист відбудеться 23.02. 2005р., о 15 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д26.233.01 в Інституті загальної енергетики НАН України за адресою:

03680, м. Київ-57, пр. Перемоги, 56, тел. 417-01-42.

З дисертацією можна ознайомитись в Інституті загальної енергетики НАН України.

Автореферат розісланий 18.01. 2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук |

Л.П. Мельничук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Перехід України до ринкової економіки значно вплинув на конкурентоспроможність вітчизняної продукції нафтопереробки, енергетичні витрати на виробництво яких складають 50% собівартості. Тому зниження цієї складової за рахунок впровадження енергозбереження є дуже актуальним. Оцінювання потенціалу енергозбереження потребує визначення показників енергоефективності технологічних процесів, структури потенціалу, факторів, що впливають на енергоспоживання, вибору заходів, які сприяють економії паливно-енергетичних ресурсів. Сьогодні при проведенні модернізації та реконструкції вітчизняних нафтопереробних заводів (НПЗ) та впровадженні схем глибокої переробки нафтових залишків необхідно переглянути існуючі методи розрахунку показників енергетичної ефективності - енергоємності процесів та продуктів нафтопереробки, корисної енергії процесів, енергетичних та ексергетичних коефіцієнтів корисної дії щодо розподілу спільних енерговитрат на низку нафтопродуктів, що виробляються одночасно. Важливим показником енергоефективності кінцевої продукції є повні енерговитрати по всьому технологічному ланцюгу та на кінцевій стадії її виробництва, які дозволяють проаналізувати та вибрати, з урахуванням попиту на нафтопродукти, найменш енергоємний варіант виробництва. Існуючі методи оцінки енергоємності продукції враховують тільки прямі питомі енерговитрати на кінцевій стадії виробництва палив (процесі компаундування), а спільні енерговитрати при їх виробництві у технологічному циклі нафтопереробки розподіляють між цільовими продуктами (бензином та дизпаливом) пропорційно відношенню ціни нафтопродукту до ціни на нафту. Решта нафтопродуктів вважається продуктами з "нульовими енерговитратами".

У зв'язку з удосконаленням схем переробки нафти та повним використанням фракцій в технологічному циклі нафтопереробки актуальними напрямками дослідження є: визначення показників енергетичної ефективності з розподілом спільних енерговитрат на всю вихідну продукцію (замість існуючого способу розподілу на "цільовий" продукт), розробка методів оцінки теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження (з використанням ексергетичних та енергетичних показників енергоефективності), методичних положень з прогнозування енергоспоживання у процесах нафтопереробки, що враховують вплив факторів, які підвищують чи зменшують енергоємність технологічних процесів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації пов’язана з розробкою програм: "Уточнення до Комплексної державної програми енергозбереження України на період до 2010 року" (2000 р.), "Енергетичної стратегії України на період до 2030 р. та дальшу перспективу" (розділ 4 - "Прогнозування потреби України у паливно-енергетичних ресурсах", розділ 7 - "Стратегія розвитку нафтогазового комплексу", розділ 12 - "Перспективні паливно-енергетичні баланси. Імпортно-експортна політика та енергетична дипломатія країни") та науково-дослідних тем Інституту загальної енергетики НАН України, що виконувались за планами Міністерства науки та освіти України: "Системний аналіз енергоємності на різних рівнях управління економікою і розробка методів її визначення" (2000 р., ДР№0198U001400), "Розробка методичних питань визначення повних енергетичних витрат для енергоємної продукції з метою практичної оцінки ефективності енергозберігаючих заходів" (2000 р., ДР№0198U001399), "Розробка наукових основ визначення змін в системах показників енергетичної ефективності та рівнів енергоспоживання з урахуванням міжгалузевих та галузевих структурних зрушень" (2003 р., ДР№0101U002718), "Проведення аналізу, розрахунків і порівняльних оцінок показників енергоємності та повної енергоємності промислової продукції" (2003 р., ДР№ 0101U002717).

Метою дисертаційного дослідження є розробка: методів визначення показників енергетичної ефективності з розподілом спільних енерговитрат на низку нафтопродуктів для оцінювання напрямків енергозбереження, теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження, прогнозування енергоспоживання за умов впровадження розрахованого потенціалу енергозбереження та з урахуванням впливу факторів, що підвищують чи зменшують енергоємність, які мають наукове та практичне значення для енергетичного аналізу в нафтопереробці.

Об’єкт дослідження – система енергоспоживання в нафтопереробці.

Предмет дослідження – показники енергоефективності у нафтопереробці, енерговитрати по повному технологічному ланцюгу виробництва нафтопродуктів (від видобутку нафти до виробництва готової продукції), потреба у котельно-пічному паливі, тепло- та електроенергії, а також напрямки енергозбереження у процесах нафтопереробки.

Методи дослідження. При аналізі ефективності енергоспоживання процесів виробництва нафтопродуктів використано: системний підхід, що включає енергетичний аналіз виробничих процесів від видобутку сировини до виробництва продукції; енергетичний та ексергетичний методи термодинамічного аналізу для визначення показників енергоефективності процесів нафтопереробки та потенціалу енергозбереження; методи сітьового моделювання з метою визначення повної енергоємності нафтопродуктів, економіко-математичного моделювання для прогнозування енергоспоживання, статистичного аналізу та експертних оцінок для визначення питомих витрат енергоносіїв на перспективні періоди.

Відповідно до поставленої мети основну увагу було приділено вирішенню наступних задач:

- дослідженню структури та динаміки енергоспоживання в нафтопереробній промисловості в залежності від обсягів переробки нафти;

- аналізу існуючих методів оцінки енергетичної ефективності процесів нафтопереробки на основі: показників енергоємності технологічних процесів за прямими енерговитратами; повної енергоємності продукції по всьому технологічному ланцюгу та на кінцевій стадії виробництва; аналізу укрупнених енергетичних, теплових та ексергетичних балансів, ККД процесів, втрат ексергії в найбільш енергоємному обладнанні;

- визначенню способів розподілу загальних енерговитрат при первинній переробці нафти для оцінки енергоємності всіх вихідних фракцій, що поступають на вторинні процеси;

- створенню сітьових моделей розрахунку повної енергоємності нафтопродуктів по всьому технологічному ланцюгу виробництва для схем з неглибокою і глибокою переробкою нафти та удосконаленню методики визначення повних енерговитрат на виробництво основних видів нафтопродуктів;

- визначенню методів оцінки теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження у нафтопереробній промисловості на основі розрахованих ексергетичних та енергетичних показників енергоефективності процесів нафтопереробки;

- прогнозування потреби у котельно-пічному паливі, тепло- та електроенергії з урахуванням впливу факторів, що підвищують чи зменшують енергоємність процесів нафтопереробки за двома сценаріями розвитку нафтопереробної промисловості (для забезпечення потреб економіки України у нафтопродуктах та раціонального завантаження виробничого обладнання) та трьома варіантами енергоспоживання (песимістичному, базовому та оптимістичному) на період до 2030 року.

Наукова новизна отриманих результатів визначається наступним:

1. Вперше в Україні для виробництва нафтопродуктів запропоновано розподіл спільних енерговитрат пропорційно до масового виходу усіх вихідних фракцій (а не тільки "цільових"), що дозволило врахувати всі складові енергоємності продукції та удосконалити методи визначення показників енергетичної ефективності: розрахунок корисної енергії процесів, енергетичного та ексергетичного ККД, ексергії фракцій первинної переробки нафти, повної енергоємності нафтопродуктів.

2. Розроблено методику розрахунку повної енергоємності нафтопродуктів та вперше з використанням запропонованих сітьових моделей потоків енергоресурсів (для схем з неглибокою та глибокою переробкою нафти на НПЗ) розраховано повні енергоємності всього спектру нафтопродуктів, що виробляються із "світлих" і "темних" нафтових фракцій, та проведено аналіз їх структурних складових.

3. Запропоновано методи оцінки теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження на основі ексергетичних та енергетичних ККД процесів (на відміну від оцінювання по зниженню прямої енергоємності); виділено структуру та фактори, що впливають на величину технічно можливого потенціалу енергозбереження; систематизовано та оцінено пріоритетні заходи з енергозбереження у нафтопереробці; вперше оцінено теоретичний потенціал енергозбереження у процесі первинної переробки нафти та технічно можливий в основних процесах нафтопереробки на прогнозний період до 2030 року.

4. З використанням розробленої макроекономічної моделі, що враховує вплив сукупності факторів (поглиблення переробки нафти, екологічні вимоги до нафтопродуктів, раціональне завантаження обладнання сировиною, модернізація та реконструкція устаткування, використання енергетичного потенціалу вторинних енергоресурсів) оцінено прогнозні рівні енергоспоживання у нафтопереробній промисловості до 2030 р. за двома сценаріями розвитку нафтопереробки (1-й – для забезпечення власної потреби України у нафтопродуктах, 2-й – для раціонального завантаження технологічного обладнання) та трьома варіантами енергоспоживання (песимістичному, базовому, оптимістичному) у кожному з сценаріїв.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані результати дисертаційного дослідження було впроваджено:

-при уточненні (2000 р.) основних показників Комплексної державної програми енергозбереження України на період до 2010 р. (розділ із оцінки економічно доцільних та технічно можливих рівнів енергозбереження у паливній, у т. ч. нафтопереробній промисловості, яка на сьогодні є основним документом в діяльності органів державної влади з питань проведення енергозберігаючої політики;

-при розробці Енергетичної стратегії України на період до 2030 р. та дальшу перспективу (розділ 4 -"Прогнозування потреби України у паливно-енергетичних ресурсах", розділ 7 -"Стратегія розвитку нафтогазового комплексу", розділ 12 -"Перспективні паливно-енергетичні баланси. Імпортно-експортна політика та енергетична дипломатія країни") для транспортного сектору економіки та нафтової і нафтопереробної промисловостей;

-при розробці проекту модернізації печі Гнідинцівського ГПЗ.

Особистий внесок здобувача. З наукових праць, що опубліковані у співавторстві [1,2,4,5,7], у дисертації автором використано результати, які отримані самостійно: розподіл спільних енерговитрат у комплексному виробництві нафтопродуктів пропорційно до масового виходу усіх фракцій [1,2,5,7]; удосконалення методики розрахунку повної енергоємності нафтопродуктів по технологічних ланцюгах їх виробництва [2,5,7]; ексергетичний аналіз процесу первинної переробки нафти для визначення теоретичного потенціалу енергозбереження [4]; оцінка теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження у нафтопереробці [4]; визначення факторів, що впливають на прогнозне енергоспоживання у процесах нафтопереробки за видами енергоресурсів [3].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:

- Міжнародному семінарі “Теплотехніка-98” “Перспективні енерготехнології в енергетиці та промисловості” (Київ, НТТУ “КПІ”, травень 1998 р.);

-

-

-

-

Публікації. За результатами дослідження опубліковано 7 наукових праць, в тому числі 4 статті у провідних фахових наукових журналах, 2 доповіді та тези в матеріалах наукових конференцій.

Структура та обсяги роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 107 найменувань, 17 додатків. Обсяг дисертації - 131 сторінка основного тексту (в т. ч. 25 таблиць, 3 рисунки) та 74 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дослідження, формулюється мета роботи, визначається її наукова новизна, практична цінність та основні положення, які автор виносить на захист.

У першому розділі наведено результати аналізу енергоспоживання в окремих процесах нафтопереробки на НПЗ України за період 1990 - 2000 рр. та визначено фактори, що впливають на його величину. Так, за період з 1990 по 2000 рр. енергоспоживання на переробку нафти в цілому знизилось на 65% (при зменшенні обсягів переробки на 85%), енергоємність процесу переробки нафти за цей же період збільшилась у 1,7-2,0 рази (у т. ч. первинної переробки - в 1,7-1,8; процесу каталітичного риформінгу - в 1,35; каталітичного крекінгу – в 1,2; гідроочищення – в 1,4-1,7; коксування – в 1,9; виробництва олив – в 1,95 разу).

Аналіз енергоспоживання за окремими технологічними процесами на існуючому обладнанні (в порівнянні із зарубіжними установками) показав, що українська нафтопереробка має значний потенціал енергозбереження за рахунок модернізації та реконструкції (технологічний фактор) існуючих установок. Так, при первинній переробці нафти можливо скоротити енерговитрати на 30-40% за рахунок реконструкції схеми перегонки. Заміна каталізаторів у вторинних процесах дозволить скоротити енерговитрати у процесі каталітичного риформінгу - в 1,7-2,0 рази, гідроочищення - в 1,6-3,0 рази, каталітичного крекінгу - в 3 рази по електроспоживанню та в 4-12 разів по споживанню оборотної води. Процеси переробки важких залишків нафти (коксування, деасфальтизація та ін.) існують не на всіх вітчизняних НПЗ і не в достатніх щодо потреби обсягах. Таким чином, на перевитрати енергоресурсів (підвищення енергоємності процесів переробки нафти) впливають такі чинники: режим неповного завантаження виробничих потужностей; експлуатація технічно застарілого обладнання; недостатній рівень утилізації вторинних енергоресурсів (ВЕР), а також впровадження схем глибокої переробки нафти та додаткових очисних споруд. До факторів, що значно зменшують енергоємність процесів, відносяться: модернізація та реконструкція застарілого технологічного обладнання; впровадження енергозберігаючих заходів; більш повне використання енергетичного потенціалу ВЕР.

У другому розділі проведено аналіз існуючих методів оцінки енергоефективності процесів нафтопереробки на основі укрупнених балансів (енергетичного, теплового та ексергетичного) основних технологічних установок з використанням різних способів розподілу спільних енерговитрат, розраховано ексергію фракцій первинної переробки нафти на виході з установки (табл.1).

Таблиця 1.

Ексергія фракцій первинної переробки нафти на виході з установки

Фракції перегонки нафти | Газ та легкий бензин | Бензин | Дизпаливо | Мазут

Ексергія, кДж/кг | 67,0 | 112,3 | 240,1 | 279,9

Виявлено, що спосіб розподілу нафтопродуктів на цільові ("світлі") та нецільові ("темні"), який прийнятий у нафтопереробці, розповсюджується не тільки на формування цін на нафтопродукти, але й на розподіл спільних енерговитрат. Розглянуто можливі способи розподілу спільних енерговитрат пропорційно до: масового виходу низки фракцій первинної переробки, теплотворної спроможності паливних фракцій, масового виходу та теплотворної спроможності вихідних фракцій, ексергії вихідних фракцій (табл.2). Обгрунтовано, що в процесах фізичного розділу нафти на фракції найбільш прийнятним є спосіб розподілу енерговитрат пропорційно до масового виходу фракцій.

Таблиця 2.

Коефіцієнти розподілу спільних енерговитрат на низку вихідних фракцій первинноі переробки нафти

Фракції первинної переробки | Розподіл енерговитрат пропорційно до

Маси вихідних фракцій | Теплотворної спроможності

фракцій | Маси та тепло-творної спромож-ності фракцій | Ексергії фракцій на виході з установки

Газ | 0,011 | 0,267 | 0,013 | 0,096

Бензин | 0,242 | 0,253 | 0,254 | 0,161

Дизпаливо | 0,281 | 0,247 | 0,287 | 0,343

Мазут | 0,458 | 0,233 | 0,446 | 0,400

Найбільш повно ефективність використання паливно-енергетичних ресурсів характеризує показник повних енерговитрат на кінцеву продукцію по всьому технологічному ланцюгу, що включає всі стадії виробничого процесу. Відповідно до цього розроблено дві сітьові моделі розрахунку повної енергоємності низки нафтопродуктів, що виробляються із одного виду сировини – для схеми паливно-оливного профілю НПЗ (рис.1), та паливного профілю з глибокою переробкою нафти (рис.2). Запропоновано розрахунок повної енергоємності к-го нафтопродукту визначати за формулою:

eнпр к = У(m нпр фр,к / m нпр к)[(mфр, к пер/ mнаф)(eнаф доб +eтр нпз +

к

+eпер)+eвт к +У (mнпр,i гл/ mсир гл)ei гл] + (m нпр к / mнаф)(eовф + eос) ,

і |

(1)

де

m нпр фр,к /m нпр к– | частка напівпродукту, що поступає до блоку змішування товарного нафтопродукту із процесів первинної, вторинної та глибокої переробки;

mфр, к пер/mнаф | - частка к-ї фракції, що виходить із процесу первинної переробки нафти;

eнаф доб– | пряма енергоємність видобутої нафти, що надійшла на переробку на НПЗ;

eтр нпз– | енергоємність транспортування нафти до НПЗ;

e пер– | повна енергоємність процесу первинної переробки нафти;

eвт к– | повна енергоємність процесу вторинної переробки для к-го нафтопродукту у технологічному ланцюгу виробництва;

mнпр гл, mсир гл | - масовий вихід нафтопродукту та маса переробленої сировини в i-му процесі глибокої переробки, відповідно;

ei гл– | повна енергоємність i-го процесу глибокої переробки;

m нпр к/mнаф | - частка нафтопродукту, який вироблено із нафти, в балансі нафти та нафтопродуктів;

eопф– | повна енергоємність основних виробничих фондів;

eос– | енергоємність процесів, що забезпечують природоохоронні заходи.

Енергоємність технологічних процесів (первинної переробки, вторинних, глибокої переробки) розраховується за відомою формулою: епер, вт, гл = еер - евер + есм , де еер - енергоємність енергоресурсів та енергоносіїв; евер – енергоємність вторинних енергоресурсів, що були використані в технологічному процесі; есм – енергоємність сировини та матеріалів, що були використані в технологічному процесі. Зниження енергоємності продукції сприятиме вирішенню і екологічних проблем. Розраховані за формулою (1) величини повної енергоємності нафтопродуктів за схемою сітьової моделі 1 (рис.1) представлені в табл 3.

Таблиця 3.

Повна енергоємність нафтопродуктів, кг у.п./т продукції

Нафтопродукти | Пряма енергоємність | Повна енергоємність*

1990 р. | 1998 р. | 1990 р. | 1998 р.

Бензин:

етильований (А-76 – АІ-93)

неетильований (А-76 – АІ-95) |

59,9-85,3

45,8-66,8 |

176,3-198,0

164,0-186,0 |

112,4-165,3

111,5-162,8 |

280,1-308,2

209,8-282,0

Дизпаливо | 12,4-18,5 | 50,7-70,9 | 75,0-96,0 | 118,6-166,0

Топковий мазут | 0 (21,0-22,7*) | 0(70,3-82,1*) | 70,5-84,0 | 117,5-148,0

*Пряма енергоємність мазуту та повна енергоємність палив розраховані здобувачем.

Рис. 1. Сітьова модель-1 потоків енергетичних ресурсів при виробництві основних нафтопродуктів на НПЗ паливно-оливного профілю:

1 - видобуток нафти на промислах; 2 - транспортування нафти до НПЗ; 3 - електрознесолювання нафти; 4 - первинна перегонка нафти; 5 - газофракціонування; 6 - каталітичний риформінг,

7 - гідроочищення дизпалива; 8 - каталітичний крекінг; 9 - змішування дизельних палив;

10 - компаундування бензину; 11 - змішування топкового мазуту; 12 - деасфальтизація вакуумного газойлю; 13 - селективне очищення вакуумного газойлю; 14 - депарафінізація олив (1-а стадія),

15 - депарафінізація олив (2-а стадія); 16 - гідроочищення олив.

У зв’язку із впровадженням процесів глибокої переробки важких залишків нафти розроблено модернізовану сітьову модель-2 розрахунку повної енергоємності нафтопродуктів для НПЗ з глибокою переробкою важких залишків (рис. 2) та за формулою (1) визначено прогнозну енергоємність бензину (усереднені дані) на кінцевій стадії виробництва до 2015 р. з урахуванням зміни складових товарної продукції (табл. 4).

Таблиця 4.

Прогноз повної енергоємності бензину на кінцевій стадії виробництва до 2015 р.

Складові товарного бензину на кінцевій стадії змішування (% основних складових) | 1998 | 2005 | 2010 | 2015 | Енергоємність бензину в 2015 р. до 1998 р.,%

Енергоємність складових, кг у. п. / т продукції

Фракція каталітичного риформінгу (48,4-34,6%) | 191,6 | 164,5 | 148,0 | 128,5 | 67, 0

Фракція каталітичного крекінгу (34,9-36,0%) | 170,7 | 124,5 | 111,3 | 108,4 | 63,5

Ізомеризація (0-5%) | - | 47,3 | 47,3 | 47,3

Алкілування (0-12,4%) | - | - | 34,3 | 34,3

Бензин неетильований (А-80 – АІ-95) (100%) | 164,0-186,0 | 141,7-184,4 | 123,6-128,2 | 115,8-118,4 | 63,0-69,0

Із таблиці 4 видно, що за рахунок модернізації вторинних процесів зменшується енергоємність основних складових товарного бензину: бензину-каталізату (риформінгу) – на 33%, бензину каталітичного крекінгу – на 36,5% та збільшиться енергоємність товарного бензину за рахунок впровадження нових технологічних процесів – ізомеризації та алкілування, що підвищують якість бензину. В цілому енергоємність товарного бензину знизиться на 31%, в т.ч. для низькооктанового бензину – на 37% від енергоємності бензинів у 1998 році.

Рис.2. Сітьова модель-2 потоків енергетичних ресурсів при виробництві основних нафтопродуктів на НПЗ з глибокою переробкою нафтових залишків:

1 – електрознесолювання та атмосферна перегонка нафти; 2 – вакуумна перегонка мазуту;

3.1 - газофракціонування граничних вуглеводнів; 3.2 - газофракціонування неграничних вуглеводнів;

4 - каталітичний риформінг; 5 - гідроочищення дистилятів; 6 -каталітичний крекінг; 7 - гідрокрекінг дистилятів; 8 - деасфальтизація; 9 - коксування; 10 -виробництво водню; 11 - виробництво скрапленого газу; 12 – виробництво метил-трет-бутилового ефіру; 13 - вісбрекінг; 14 - ізомеризація; 15 - алкілування; 16 - гідрокрекінг залишкової сировини; 17 - компаундування бензину; 18 - змішування реактивних палив;

19 - змішування дизельних палив; 20 - змішування котельних палив; 21 - виробництво асфальту та бітуму; 22 - виробництво нафтового коксу.

У третьому розділі розглянуто існуючі методи оцінки теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження. Запропоновано оцінку теоретичного потенціалу енергозбереження в процесі первинної переробки нафти визначати з використанням методу ексергетичного аналізу процесу на основі ексергетичного ККД установки в цілому та окремих її складових, втрат ексергії у технологічних печах. Проаналізовано розрахований теоретичний потенціал енергозбереження для установки первинної переробки нафти ЕЛОУ-АТ-3 (табл.5) при різних видах технологічних печей: без утилізації тепла відхідних газів; з повітронагрівником і пароперегрівником; з надбудовою печі газотурбінною установкою ГТД-20. Розраховано ексергетичні втрати в печах. Запропоновано теоретичний потенціал енергозбереження для реального процесу, що проходить в ідеальних умовах - Пе теор, визначати за формулою:

Пе теор = Дзex Еg = (зід - зex)Еg = (1- зex)Еg ,

g g g | (2)

де

Дзex – абсолютна різниця між ідеальним (?ід=1) та реальним ексергетичним (?ex<1) ККД процесу;

Еg – обсяг енергоспоживання - сумарний та за g-ми видами енергоресурсів (паливо, електро- та теплоенергія), що використовувались у технологічному процесі.

Таблиця 5.

Показники енергоефективності нагрівальних печей нафтопереробки

Піч |

?Dj,%* |

зexпіч | Потенціал енергозбереження

Пе теор, тис. т у.п. /рік

Без утилізації тепла відхідних газів | 76,3 | 0,237 | 0,763 Впіч

Із пароперегрівником та повітропідігрівником | 65,1 | 0,349 | 0,651 Впіч

Надбудована газотурбінною установкою ГТД-20 | 59,3 | 0,407 | 0,593 Впіч

*-% від ексергії палива; ?Dj – втрати ексергії від незворотності процесів; Впіч - витрата палива в печі, тис.

т у.п. /рік.

Оцінити теоретичний потенціал енергозбереження можна тільки приблизно. Якщо вважати, що всі технологічні печі вітчизняних НПЗ мають утилізаційне обладнання (повітронагрівники, котли-утилізатори, пароперегрівники), то теоретичний потенціал енергозбереження при 100%-му завантаженні установок сировиною складає близько 685 тис. т у.п. Подальше зниження втрат тепла (з відхідними газами, з охолоджуючими повітрям та водою) можливе при надбудові печей газотурбіними установками, що дозволить додатково знизити втрати тепла ще на 5,8%.

Технічно можливий потенціал енергозбереження Пе у загальному вигляді при впровадженні енергозберігаючих заходів визначався за формулами:

- на рівні нафтопереробної промисловості:

Пе= (egб – egt)Vt ,

g | (3)

- на рівні установки - за двома варіантами:

- при реконструкції технологічного обладнання:

Пе= ( 1- зеб/ зен) Еg ,

g | (3.1)

- при утилізації ВЕР:

Пе= (зен- зеб) Еg ,

g | (3.2)

де, крім раніше визначених величин

egб , egt – енергоємність процесів нафтопереробки у базовому та прогнозному році;

зеб, зен – енергетический ККД базової (існуючої) і нової (що вводиться) установки;

Vt – обсяг переробки нафти у прогнозному році.

При оцінюванні енергоефективності заходів з енергозбереження, які впроваджуються на рівні технологічного процесу, що включає кілька установок, можливе використання як показників енергоємності (3), так і ККД процесу (3.1)-(3.2), що розраховуються за укрупненими енергетичними балансами.

Для розрахунку технічно можливого потенціалу енергозбереження були проаналізовані основні напрямки енергозбереження у нафтопереробній промисловості:

1. Технологічне енергозбереження, що включає вдосконалення режимів завантаження обладнання нафтопереробних підприємств, впровадження новітніх енергоощадних технологій, устаткування, схем когенерації, комбінування технологічних процесів.

2. Утилізація вторинних енергоресурсів для максимального використання енергетичного потенціалу відхідних газів технологічних установок, нагрітих продуктових потоків, енергії, що виділяється при зниженні тиску в процесі дроселювання пари.

3. Організаційно-технічні заходи по підвищенню енергоефективності процесів нафтопереробки шляхом впровадження частотно-регульованих електроприводів, автоматизованого управління процесом спалювання в печах.

В структурі технологічного напрямку потенціалу енергозбереження найбільш вагомою складовою є модернізація та реконструкція технологічного обладнання, частка якої складає 65% від технологічного напрямку потенціалу енергозбереження. Вихід на режим раціонального завантаження технологічного обладнання (85-100% від встановленої виробничої потужності) дозволить скоротити енерговитрати ще на 35%. У табл. 6 наведено зниження енерговитрат в основних процесах нафтопереробки за рахунок технологічного напрямку енергозбереження відносно показників енергоємності 2000 року.

Таблиця 6.

Зниження енерговитрат за рахунок модернізації нафтопереробки відносно 2000 р., тис. т у.п.

В окремих процесах нафтопереробки | 2015 г. | 2030 г.

первинна переробка | 746-852 | 1480-1575

каталітичний риформінг | 242-264 | 625-723

каталітичний крекінг | 291-336 | 434-486

гідроочистка дистилятів | 208-238 | 350-390

коксування | 27-30 | 43-46

Переробка нафти-всього | 1541-1721 | 2932-3220

Зниження енерговитрат від модернізації та реконструкції обладнання доцільно розраховувати при 100% завантаження старого та нового обладнання. При цьому технологічне енергозбереження за рахунок модернізації, реконструкції та збільшення обсягів переробки нафти у 2030 р. складе 1000-1067 тис. т у.п., при додатковому впровадженні енергозберігаючих заходів енергозбереження - 490-520 тис. т у.п. У загальній структурі технічно можливого потенціалу енергозбереження на технологічний напрямок припадає у середньому 67%, на впровадження додаткових енергоощадних заходів – 33% (у т. ч. за рахунок додаткового використання потенціалу ВЕР– 8%). Сумарний технічно можливий потенціал енергозбереження у 2030 р. може скласти 1490-1587 тис. т у.п.

У четвертому розділі викладено методичні положення з оцінки прогнозних рівнів енергоспоживання у нафтопереробній промисловості на період до 2030 р., на основі яких виконано сценарні прогнози за трьома варіантами енергоспоживання. Обсяги переробки для двох сценаріїв розвитку розроблялись: 1-й - для задоволення потреб України у нафтопродуктах - 25,0-30,0 млн. т нафти (Енергетична стратегія України), 2-й - для раціонального завантаження виробничих потужностей по переробці - 47,0-50,0 млн. т нафти.

Основними напрямами дослідження енергоспоживання галузі були: визначення структури та рівнів енергоспоживання при існуючій технології виробництва; виділення факторів, що впливають на енергоспоживання та тенденції змінени рівнів енергоспоживання за різними сценаріями розвитку виробництва; аналіз показників ефективності споживання енергоресурсів (енергетичний та ексергетичний ККД, питомі витрати окремих видів енергоресурсів та енергоємність вироблюваної продукції).

Потреба в g-ому виді енергоресурсу в n-й вершині структури енергоспоживання в t-ому році – Engt для нафтопереробної промисловості визначається таким функціональним виразом:

Engt = f (бntNnt; engб; engt; Int; вtIверt) , | (4)

де

бntNnt - завантаження обладнання відносно встановленої потужності Nnt;

engб, engt - величини питомих витрат енергоресурсів - базовий та новий варіант, відповідно;

Int - можлива економія енергоресурсів від впровадження енергозберігаючих заходів;

вtIверt - рівень використання ВЕР від можливого енергетичного потенціалу Iверt.

Структурна схема енергоспоживання у нафтопереробній промисловості представлена на рис. 3. |

І

ІІ | ІІІ | (3)

1 | 2

1.1 | 1.2 | 1.3 | 2.1 | 2.2 | 2.3 | 3.1 | 3.2 | 3.3 | 3.4 | 3.5 | 3.6 | 3.7 | 3.8

2.3.1 | 2.3.2

Рис. 3. Структура енергоспоживання у нафтопереробній промисловості України

Вершини структури (n= І...ІІІ):

Рівень нафто-переробної промисловості | І - Процес нафтопереробки-всього, ІІ - загальні для нафтопереробних заводів процеси, ІІІ - спеціальні процеси, що залежать від профілю заводу.

Рівень

технологічних процесів | Первинна переробка (1): електрознесолювання (1.1), атмосферна перегонка (1.2), вакуумна перегонка (1.3).

Вторинні процеси (2): газофракціонування (2.1), каталітичний риформінг (2.2), гідроочищення дистилятів (2.3) – дизпалива (2.3.1), керосину (2.3.2),

Процеси глибокої переробки нафти (3): ізомеризація (3.1) каталітичний крекінг (3.2), алкілування (3.3), гідрокрекінг (3.4), гідроочищення газойлю (3.5), коксування гудрону (3.6), деасфальтизація та виробництво бітуму (3.7), вісбрекінг гудрону (3.8).

Розмір економії g-ого виду енергоресурсу при впровадженні енергоощадних заходів в n-й вершині структури енергоспоживання (технологічний процес) – ДEngt визначається із вирішення задачі, критерієм якої є максимум економії g-ого виду енергоресурсу:

G G

ДEngt = бnt Nnt(engб – engmt)? max ,

g=1 g=1 |

(5)

де крім раніше описаних позначень

m – варіанти видів або схем технологічного обладнання.

При цьому враховуються обмеження по групі взаємозамінних енергозберігаючих заходів, по гранично можливій за даного рівня розвитку технології питомій витраті g-ого виду енергоресурсу. Результати розрахунків перспективних рівнів енергоспоживання в основних процесах нафтопереробки наведено в табл. 7.

Таблиця 7.

Сумарне енергоспоживання в процесах переробки нафти, тис. т у.п.

Процес | 2000 р.-факт | 2005 р. | 2010 р. | 2015 р. | 2020 р. | 2030 р.

1-й сценарій - забезпечення потреби України в нафтопродуктах

Сумарне енергоспоживання на переробку нафти

I варіант

II варіант

III варіант |

1192,1 |

2060-2306

1886-2100

1747-1860 |

2185-2456

1919-2170

1790-1993 |

2335-2743

2024-2372

1898-2215 |

2635-3163

2237-2692

2076-2480 |

3036-3685

2573-3120

2413-2911

Первинна переробка

I -II варіанти

III варіант |

613,4 |

900-1000

820-910 |

902-1012

794-890 |

937-1097

826-967 |

1030-1235

904-1086 |

1151-1397

1030-1250

Процеси вторинної та глибокої переробки

I варіант

II варіант

III варіант |

578,7 |

1160-1306

986-1100

927-950 |

1283-1444

1017-1158

996-1103 |

1398-1646

1087-1275

1072-1248 |

1605-1928

1207-1457

1172-1394 |

1885-2288

1422-1723

1383-1661

у т.ч. нові процеси глибокої переробки,

I -III варіанти |

- |

19-19 |

141-169 |

168-197 |

235-269 |

333-390

2-й сценарій - раціональне завантаження виробничих потужностей

Сумарне енергоспоживання на переробку нафти

I варіант

II варіант

III варіант |

1192,1 |

2291-2398

2029-2114

1888-1979 |

3255-3470

2887-3076

2641-2813 |

3801-4339

3310-3724

3000-3400 |

4603-4870

3723-4244

3513-3797 |

5440-5771

4440-4703

3950-4183

Первинна переробка

I -II варіанти

III варіант |

613,4 |

948-998

862-908 |

1317-1407

1166-1248 |

1527-1746

1327-1523 |

1794-1922

1442-1682 |

1974-2100

1712-1828

Процеси вторинної та глибокої переробки,

I варіант

II варіант

III варіант |

578,7 |

1342-1399

1080-1115

1025-1070 |

1939-2062

1570-1668

1474-1565 |

2274-2593

1783-1978

1702-1931 |

2808-2948

1928-2322

2157-2201 |

3146-3339

2493-2902

2367-2508

у т.ч. нові процеси глибокої переробки,

I -III варіанти |

- |

19,0 |

232-241 |

314-361 |

455-494 |

617-647

Таким чином, сумарне енергоспоживання у 2030 р. при I-му (песимістичному) варіанті складе 3036-3685 тис. т у.п. або 5440-5771 тис. т у.п., відповідно до сценаріїв розвитку; при II-му (базовому) - 2573-3120 тис. т у.п. або 4440-4703 тис. т у.п., при III-му (оптимістичному) варіанті - 2413-2911 тис. т у.п. або 3950-4183 тис. т у.п., відповідно до сценаріїв розвитку нафтопереробної промисловості.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі, що полягає в: удосконаленні методів визначення показників енергоефективності відповідно до запропонованого способу розподілу спільних енерговитрат на низку нафтопродуктів; розробці методики розрахунку повної енергоємності нафтопродуктів; запропонуванні методів оцінки теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження на основі ексергетичних та енергетичних ККД; розробленні макроекономічної моделі, з використанням якої оцінено прогнозні рівні енергоспоживання, що враховують вплив сукупності факторів, які впливають на підвищення чи зменшення енергоємності процесів нафтопереробки.

1. Визначено основні фактори, що впливають на енергоспоживання у нафтопереробній промисловості, до яких відносяться: рівень завантаження технологічного обладнання відносно встановленої потужності; технічний стан виробничого обладнання, глибина та схема переробки нафти; рівень впровадження заходів з енергозбереження, використання енергетичного потенціалу ВЕР, які враховані при розробці макроекономічної моделі із прогнозування енергоспоживання.

2. На основі аналізу існуючих способів розподілу спільних енерговитрат між кількома вихідними фракціями первинної переробки нафти виявлено можливі варіанти такого розподілу та розраховані коефіцієнти пропорційності енерговитрат до: масового виходу фракцій, їх теплотворної спроможності, маси та теплотворної спроможності, ексергії фракцій на виході з установки.

3. Запропоновано розподіл енерговитрат в комплексному виробництві нафтопродуктів пропорційно до масового виходу всіх фракцій, що дозволило врахувати в енергоємності товарної продукції всі її складові, що надходять із процесів первинної, вторинної та глибокої переробки.

4. Удосконалено методи визначення показників енергоефективності технологічних процесів, а саме: обгрунтовано введення до складу корисної енергії процесів енергії всіх фракції, що утворюють нафтопродукти; розрахунок енергетичних та ексергетичного ККД, ексергії фракцій первинної переробки нафти, прямої та повної енергоємності нафтопродуктів з урахуванням енергії не лише "цільових", а й "темних" фракцій, що було використано при оцінюванні потенціалу енергозбереження у нафтопереробці.

5. Розроблено методику розрахунку повної енергоємності нафтопродуктів по всьому технологічному ланцюгу і на кінцевій стадії їх виробництва, та запропоновано дві сітьові моделі розрахунку повної енергоємності нафтопродуктів (для схем з неглибокою та глибокою переробкою нафти), які дозволили вперше розрахувати повні енергоємності всіх основних нафтопродуктів із "світлих" та "темних" фракцій і провести аналіз їх складових.

6. Запропоновано методи оцінки теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження у нафтопереробній промисловості на основі ексергетичних та енергетичних ККД процесів (на відміну від оцінювання по зниженню прямої енергоємності). Складено алгоритм розрахунку ексергії усіх прямогонних фракцій при їх невідомому вуглеводневому складі, що було використано для визначення енергетичного потенціалу теплових ВЕР (на відміну від визначення за ентальпією нагрітих нафтопродуктів). Теоретичний потенціал енергозбереження у процесі первинної переробки нафти склав 685 тис. т у.п., технічно можливий у 2030 р. – 385-420 тис. т у.п., для нафтопереробки в цілому технічно можливий потенціал енергозбереження у 2030 році може скласти 1490-1587 тис. т у.п.

7. Виконано аналіз структурних складових технічно можливого потенціалу енергозбереження, який дозволив визнати головним напрямком енергозбереження - технологічний (величина цієї складової становить 1000-1067 тис. т у.п. або 67% від розрахованого потенціалу). Впровадження пріоритетних енергозберігаючих заходів, що вибрані здобувачем в результаті енергетичного аналізу технологічних процесів, може дати у 2030 р. додаткову економію в розмірі 490-520 тис. т у.п. або 33% (в т. ч. за рахунок невикористаного потенціалу ВЕР –8%).

8. Розроблено макроекономічну модель для оцінки прогнозних рівнів енергоспоживання з урахуванням сукупності факторів, що підвищують (впровадження процесів глибокої переробки, екологічні вимоги) чи зменшують (раціональне завантаження виробничих потужностей, модернізація та реконструкція існуючого обладнання, більш повне використання енергетичного потенціалу ВЕР) енергоємність процесів; виконано сценарний прогноз питомих витрат палива, електро- і теплоенергії в основних процесах нафтопереробки до 2030 року.

9. На основі макроекономічної моделі та прогнозу питомих витрат енергоресурсів проведено науково обгрунтовану оцінку прогнозної потреби нафтопереробної промисловості у паливі, електро- та теплоенергії, а також сумарного енергоспоживання до 2030 р. за двома сценаріями розвитку нафтопереробки та трьома варіантами енергоспоживання, яка складе: при песимістичному (I-му) варіанті – 3036-3685 або 5440-5771 тис. т у.п., відповідно до сценаріїв розвитку, при базовому (IІ -му) –2573-3120 або 4440-4703 тис. т у.п., при оптимістичному (III-му) – 2413-2911 або 3950-4182 тис. т у.п. відповідно до сценаріїв розвитку нафтопереробки, що дозволить оцінити доцільность введення додаткових енергогенеруючих установок.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Панченко Г.Г., Усик А.Ф., Кесова Е.Е. Энергетическая эффективность применения заготовок повышенной производственной готовности // Проблемы энергосбережения.–1995.-№2-3.– С. 60-63.

2. Гнедой Н.В., Маляренко Е.Е. Методические вопросы оценки энергоёмкости отдельных продуктов нефтепереработки // Технічна електродинаміка. -1999. - №2.– С. 78-80.

3. Маляренко Е.Е. Анализ структуры и особенностей энергопотребления в нефтеперерабатывающей промышленности Украины // Проблеми загальної енергетики.–2002.- №7. – С.38-42.

4. Данилов Л.Л., Маляренко Е.Е. Определение потенциала энергосбережения в нефтепереработке с использованием эксергетического метода анализа (на примере процесса первичной переработки нефти) // Энергетика и электрификация. – 2004. - №5. – С. 35-40.

5. Гнедой Н.В., Маляренко Е.Е. К вопросу оценки энергоёмкости котельно-печного и моторного топлива // Вісник УБЕНТЗ. – 1998. - №8. – С. 39-42.

6. Маляренко Е.Е. Разделение энергозатрат при первичной перегонке нефти // Тези доповідей VIII Міжнародної конференції “Ресурсозбереження у ринкових відносинах”.-К.:НДЦ“Нафтохім”.–2001.– С.48-49.

7. Гнедой Н.В., Маляренко Е.Е. Новые методические подходы к определению энергоёмкости продуктов нефтепереработки // Тези доповідей ХІ Міжнародної конференції “Ресурсозбереження у ринкових відносинах”. – К.: НДЦ “Нафтохім”. – 2004. – С. 35-40.

АНОТАЦІЯ

Маляренко О.Є. Методи оцінювання енергетичної ефективності для визначення потенціалу енергозбереження та прогнозування енергоспоживання в процесах нафтопереробки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук, спеціальність – 05.14.01 “Енергетичні системи та комплекси”, Інститут загальної енергетики НАН України, м. Київ, 2005 р.

Розроблено методику та запропоновано сітьові моделі розрахунку повної енергоємності продукції нафтопереробки з обгрунтуванням розподілу спільних енерговитрат на низку нафтопродуктів, що виробляються одночасно. Удосконалено методи оцінювання показників енергоефективності згідно із запропонованим способом розподілу спільних енерговитрат. Запропоновано методи оцінки теоретичного та технічно можливого потенціалів енергозбереження у нафтопереробці з використанням ексергетичних та енергетичних показників енергоефективності. Виділено фактори, що впливають на величину технічно можливого потенціалу. Розроблено макроекономічну модель для оцінки прогнозних рівнів енергоспоживання у нафтопереробці з урахуванням впливу сукупності факторів, що підвищують чи зменшують енергоємність, на основі яких виконано науково обгрунтовану оцінку прогнозного енергоспоживання на основні процеси нафтопереробки з урахуванням розрахованого потенціалу енергозбереження. Прогнозна оцінка виконана за двома сценаріями (1-й – забезпечення потреби України в нафтопродуктах, 2-й - раціональне завантаження виробничих потужностей) та трьома варіантами енергоспоживання у кожному сценарії.

Ключові слова: енергоємність, енергоефективність, енергозбереження, потенціал енергозбереження, енергоспоживання, прогнозування, процеси нафтопереробки.

АННОТАЦИЯ

Маляренко Е.Е. Методы оценки енергетической еффективности для определения потенциала энергосбережения и прогнозирования энергопотребления в процессах нефтепереработки. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук, специальность – 05.14.01 “Энергетические системы и комплексы”, Институт общей энергетики НАН Украины, г. Киев, 2005 г.

Переход Украины к рыночной экономике значительно повлиял на конкурентоспособность продукции нефтепереработки. Возникла необходимость проведения модернизации и реконструкции оборудования отечественных НПЗ, внедрения процессов глубокой переработки нефтяных остатков. Это привело к пересмотру существующих методов расчёта энергоёмкости процессов и продукции нефтепереработки, полезной энергии технологических процессов, энергетических коэффициентов полезного действия в связи с изменением способа распределения общих энергозатрат между всеми выходящими фракциями первичной переработки; теоретических основ расчёта потенциала энергосбережения и прогнозирования энергопотребления в нефтеперерабатывающей промышленности. Существующие методы оценки энергоёмкости промышленной продукции учитывают только удельные прямые энергозатраты на конечной стадии производства - процессе смешения нефтяных фракций в блоке компаундирования. Величину общих энергозатрат при переработке нефти обычно распределяют только на целевые продукты нефтепереработки (бензин и дизтопливо) пропорционально отношению их цен к цене на сырую нефть. К нецелевым продуктам относят продукцию из "тёмных" фракций, составляющую 45-50% от объёма сырья, которая направляется на дальнейшую переработку.

Важными показателем энергоэффективности конечной продукции являются полная энергоёмкость по всей технологической