Цифровой энергоменеджмент для предприятий энергетической и нефтегазохимической отраслей

тел.: +7 (495) 737‑7868

 

Цифровизация в настоящее время является одним из важнейших инструментов для повышения эффективности производств и снижения издержек. Важным фактором сокращения издержек на предприятии и повышения эффективности производства в целом является системная модернизация процесса управления энергоэффективностью с одновременным осуществлением энергосберегающих мероприятий на предприятии,применением наилучших практик и внедрением необходимых обеспечивающих IT/OT решений.

Цифровизация энергоменеджмента находится на пути раннего становления, но цифровая трансформация неизбежна. Чтобы оставаться конкурентоспособным, предприятие должно следовать новым веяниям, быть гибким, внедрять не просто современные, а передовые технологии и, главное, делать это правильно.

Одним из мировых лидеров в области энергоменеджмента и энерготехнологической оптимизации является компания KBC Advanced Technologies (KBC). В 2016 году произошло слияние KBC и Yokogawa Electric Corporation, что позволило совместно применять апробированные решения по повышению производственной эффективности путем внедрения передовых операционных моделей, наилучших практик, систем управления производством (MES) и современных технологий автоматизации.

Для того, чтобы энергоменеджмент на предприятиях энергетической и нефтегазохимической отраслей приводил к экономии затрат на энергию и снижению выбросов в атмосферу, необходимо учитывать все области энергоэффективности (рис. 1), такие как:

• оптимизация энергообеспечения;
• оптимизация потребности в энергии;
• утилизация теплоты и использование ВЭР.

Рис. 1. Области энергоэффективности

Все области энергоэффективности должны рассматриваться комплексно, учитывать взаимное влияние друг на друга и должны быть реализованы с помощью поддерживающих IT/OT решений.

ОПТИМИЗАЦИЯ СНАБЖЕНИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСАМИ

Под оптимизацией энергообесечения понимается процесс поиска самого экономичного варианта распределения энергетических потоков, учитывая технологические, экологические, договорные ограничения и требования безопасности.

Оптимизация распределения энергетических потоков, используемых в технологических процессах, эффективна для тех предприятий, которые используют несколько видов энергоресурсов и могут рассматривать различные способы их получения и использования, а именно: приобретать у различных поставщиков; генерировать энергию самостоятельно; использовать несколько взаимозаменяемых видов топлива в котлах.

Оптимизация распределения энергетических потоков на сегодняшний день практически не выполняется на предприятиях ввиду сложности и отсутствия внедренных технических инструментов, способных выполнять данную задачу. Однако реализация оптимизации распределения энергоресурсов при помощи современных IT/OT решений может привести к значительному экономическому эффекту. Примером такого решения является Visual MESA-EMS.

Visual MESA EMS – это on-line-оптимизатор. С выбираемой периодичностью (для примера каждые 15 или 30 мин) происходит сбор измерений производственных параметров в реальном времени, а также данные по ценам на энергоносители и нормам выбросов. Затем производятся вычисления и определяется оптимальный способ перераспределения энергоносителей на производственном участке с целью достижения минимально возможных затрат на энергоносители с учетом контрактных, технологических и экологических ограничений.

Оптимизация распределения энергоресурсов при помощи IT/OT инструментов может привести к снижению затрат на энергоресурсы оценочно на 3-5 %. При этом величина экономии будет зависеть от заданных переменных и количества параметров оптимизации. Данные системы обеспечивают существенный экономический эффект при наличии соответствующих переменных оптимизации, основные из которых:

• наличие нескольких альтернативных источников энергии;
• возможность работы оборудования на более чем одном виде топлива;
• наличие переключаемых паровых/электрических приводов;
• наличие генерирующего оборудования с целью оптимизации его загрузки.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОТРЕБНОСТИ В ЭНЕРГИИ

Для оценки уровня энергоэффективности предприятий компания KBC разработала собственную методологию анализа с применением индекса BT (Best technology), представляющего собой отношение текущего энергопотребления к минимально возможному для данной конфигурации предприятия уровню энергопотребления. Методология BT разрабатывалась на основе проведенных энергоаудитов – более 200 НПЗ и нефтехимических предприятий по всему миру.

На рис. 2 представлено изменение индекса BT. Все заказчики, по которым KBC проводила анализ и энергоаудит, разбиты на 4 квартиля. К сожалению, согласно графику на рис. 2, российские производства в четвертом квар тиле и значительно отстают от аналогичных предприятий по всему миру.

Серым показан показатель до оптимизации, красным – при реализации дорожной карты, предложенной экспертами KBC.

Рис. 2. Распределение индекса BT до и после оптимизации

Как мы видим, снижение энергопотребления может составлять от 5 до 15 %.

При проведении анализов энергоэффективности специалисты выявляют проекты, позволяющие достичь быстрого экономического эффекта (“быстрых побед”).

Типичные “быстрые победы” включают в себя:

• снижение кратности орошения в дистилляционных колоннах;
• оптимизация кратности циркуляции водородсодержащего газа и сырья на установках гидроочистки и риформинга;
• закрытие открытых байпасов на теплообменниках;
• чистка теплообменников;
• настройка печей;
• оптимизация расхода пара на отпарку и пара, используемого для других технологических целей;
• повышение производительности за счет увеличения использования более энергоэффективных установок, если параллельно эксплуатируется несколько технологических установок;
• оптимизация температуры обмена потоками между установками.

Важной составляющей при выполнении задач оптимизации энергопотребления является моделирование технологических процессов, которое является отправной точкой выявления всех последующих оптимизационных мероприятий для того, чтобы количественно выявить потенциал энергосбережения, прогнозировать эффекты. Для этого используются специализированные инструменты инженерного моделирования, такие как Petro-SIM.

Petro-SIM представляет собой полнофункциональную среду моделирования технологических процессов, использующихся в области переработки углеводородов от добычи и трубопроводного транспорта до процессов глубокой переработки на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях. Petro-SIM также обладает функционалом моделирования энергосистем на установках включая генерирующее и потребляющее оборудование, в том числе: котлы-утилизаторы, печи, горелочные устройства, газотурбинные установки, паровые и пароконденсатные коллекторы, деаэраторы, РОУ.

Модель процесса в среде Petro-SIM может быть реализована в качестве Цифрового двойника, рассчитывающего в режиме онлайн целевые значения параметров для достижения энергоэффективности технологического процесса

УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЭР

Для решения задач по повышению эффективности процессов нагрева и охлаждения применяется пинч-анализ. Пинч-анализ представляет собой методологию, целью которой является минимизация энергопотребления процесса, за счет расчета и анализа термодинамически обоснованных объемов энергопотребления. Затем следует дальнейшее приближение к этим показателям с помощью оптимизации теплопередачи между процессами, а также различных методов энергосбережения и самих характеристик данных технологических процессов. Если отдельные технологические узлы/установки имеют возможность прямого теплообмена, так как связаны в рамках эксплуатации и находятся близко друг к другу, то их можно объединить в единую (более крупную) технологическую установку и оценивать их совместный потенциал по улучшению тепловой интеграции.

Оптимизация интеграции тепла посредством пинч-анализа позволяет достичь:

• снижения потребления энергии (на 10-35 %);
• снижения выбросов CO2;
• повышения производительности (на 10-20 %), в тех местах, где наличие энергии является узким местом;
• улучшения окупаемости инвестиций;
• снижения нагрузки на системы охлаждения.

Для проведения пинч-анализа специалисты KBC используют разработанную компанией программу SuperTarget, которая используется совместно с Petro-SIM.

Преимущества использования пинч-технологии и программного обеспечения Super Target:

• возможность определить оптимальную точку между затратами, связанными с энергопотреблением, и капитальными затратами, которая может быть достигнута для существующего набора технологических потоков и потоков энергоносителей;
• определение практически достижимых целевых значений энергопотребления как существующей, так и новой схемы теплообмена;
• всесторонний и широкий анализ проблем, связанных с тепловой интеграцией потоков, помогает определить взаимодействия между потоками, которые бывает сложно увидеть на технологической схеме установки или на схеме энергоресурсов предприятия.

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЦИФРОВОГО ЭНЕРГОМЕНЕДЖМЕНТА

Все области энергоэффективности должны быть объединены в интегрированную систему цифрового энергоменеджмента (рис. 3), которая позволит реализовать максимум из имеющегося потенциала снижения затрат на энергию.

Рис. 3. Концепция цифрового энергоменеджмента

Функции цифрового энергоменеджмента соответствуют всем требованиям, которые можно предъявить к подобным решениям, основными из которых являются:

• наглядное моделирование систем энергообеспечения, энергопотребления и выбросов с учетом в модели множества контрактных данных, параметров (например, суточные и почасовые колебания тарифа могут быть представлены в виде соответствующих шаблонов) на электроэнергию и энергоресурсы;
• расчет и хранение ключевых показателей энергоэффективности (КПЭ) для отдельных установок и для всего предприятия;
• комплексная оптимизация снабжения энергоресурсами с учетом существующих ограничений методом частично-целочисленного нелинейного программирования. Расчет экономического эффекта при оптимизации;
• составление энергобалансов, обнаружение потерь энергоресурсов, управление ошибками баланса;
• проверка данных в реальном времени и оценка суммарной погрешности;
• хранение свойств всех видов используемого топлива, включая удельную теплоту сгорания и состав;
• отражение термодинамических характеристик технологических потоков на предприятии с помощью встроенных таблиц состояния воды и водяного пара (давление, температура, энтальпия);
• анализ с детализацией с возможностью перехода от графического к подробному представлению информации, или от схемы верхнего уровня к детальной схеме. Данная функция полезна для поиска причины отклонения показателя энергоэффективности при возникновении сигнализации или для обозначения причины ненормального использования энергии;
• содержание в модели эксплуатационных характеристик всего оборудования, имеющего отношение к энергоресурсам;
• автономная работа и проработка возможных изменений оценки эффекта различных сценариев (“что, если…”). Планирование инвестиций в базовое проектирование, расширение установок, изменение ТП. Изменение конфигурации системы энергообеспечения (например, строительство новой установки когенерации);
• составление отчетов к текущей и/или оптимизированной энергетической системе, включая информацию об отдельных составляющих компонентах;
• определение целевых значений энергопотребления и отставаний по индексу BT;
• оперативный доступ ко всем данным по энергоэффективности, даже через планшет и мобильный телефон.

Таким образом, внедрение цифрового энергоменеджмента является важнейшим инструментом для повышения энергоэффективности. Реализация комплексного подхода с применением современных IT/OT решений позволит повысить эффективность энергетического менеджмента и сократить ежегодные расходы на энергоресурсы предприятий энергетической и нефтегазохимической отраслей за счет снижения энергопотребления технологических процессов, оптимизации энергообеспечения, оперативного контроля над системой энергообеспечения и показателями энергоэффективности.