Энергоресурсосбережение является одной из важнейших хозяйственных задач. Рациональное расходование природных ресурсов позволяет не только ослабить экономические проблемы, связанные с нехваткой энергетических ресурсов, но и уменьшить вредную нагрузку на окружающую природную среду. Транспортировка углеводородов по магистральным трубопроводам на большие расстояния связана со значительным потреблением энергии. Стоимость этой энергии составляет немалую часть в цене энергетического продукта [1].
Наиболее значимые эффекты от решения задачи энергоресурсосбережения при транспортировке углеводородов получаются путем рационального планирования технологических режимов перекачки, основанного на оптимизации расходования энергоресурсов, повышении эффективности использования силового оборудования, переносе энергетической нагрузки на менее нагруженные периоды времени и в регионы с более дешевой энергией, на снижении неравномерности загрузки оборудования и уменьшении риска аварий и отказов.
В современных условиях, в силу ряда экономических и политических обстоятельств многие трубопроводы эксплуатируются в условиях недогрузки или неравномерной загрузки. При этом предприятия вынуждены эксплуатировать имеющееся оборудование не на максимальных проектных технологических режимах, обеспечивающих полную загрузку и максимальный КПД насосного или компрессорного оборудования, а на пониженных производительностях, используя не все имеющиеся мощности, либо работать циклически. При этом снижается эффективность использования имеющегося оборудования.
В основе оптимизации энергопотребления при транспортировке углеводородов лежит понятие технологический режим. До настоящего времени нет корректного и однозначного понятия технологического режима или режима перекачки. Различные нормативные документы трактуют это понятие по-разному. Самое простое толкование: режим – это набор включенных перекачивающих агрегатов. Где-то, определяющей характеристикой режима ставится производительность перекачки. Где-то, учитывается электропотребление, где-то в первооснову берутся удельные показатели перекачки. В качестве примера на рисунке 1 приведена трактовка понятий режимов в одном из регламентов ОАО «АК «Транснефть», организующем разработку технологических карт, обеспечивающих планирование и эксплуатацию технологических участков.
Рисунок 1. Примеры толкований понятий технологического и переходного режимов.
Для полноценного контроля перекачки, планирования потребления электроэнергии, создания предпосылок ее экономии этих определений явно недостаточно. В более сложных конструкциях в характеристики режима включают технологические особенности гидравлической схемы, свойства перекачиваемой жидкости, степень наполнения емкостей, концентрации ввода присадок, температуру перекачиваемого продукта, характеристики оборудования.
Кроме того, в нормативных документах используется нечеткое понятие стационарного или установившегося режима (рисунок 2). Это не позволяет в должной мере осуществлять контроль и установившихся режимов, и, особенно, переходных режимов, размывает границу между ними.
Как правило, долгосрочное планирование перекачки на участке выполняется на основе набора ряда установившихся режимов. Чтобы эта работа имела смысл, необходимо иметь достаточно полное, однозначное и технически выполнимое определение установившегося режима, позволяющее отличить один режим от другого. При этом считается, что переходный процесс при смене режима занимает пренебрежимо малую долю времени и вклад его в общую сумму потребления энергии незначителен.
Но, строго говоря, любой турбулентный режим является неустановившимся. И, кроме того, поскольку в процессе перекачки имеет место изменение уровней наполнения резервуаров, изменение температуры и смещение партий жидкости с различными свойствами, любой стационарный режим превращается в режим с медленно изменяющимися параметрами. Т.е. на практике можно говорить о квазиустановившихся режимах, но при этом возникает проблема определения границ, отличающих один режим от другого. Не разрешив для каждого технологического участка вопрос идентификации режима, невозможно говорить об эффективном планировании и контроле технологического режима.
Рис.2. Толкование понятий установившегося режима, в должной мере не позволяющее осуществлять контроль технологического процесса.
Более корректное понятие технологического режима можно дать в следующем виде: Технологический режим – это воспроизводимый с заданной точностью набор определенных параметров, позволяющий идентифицировать режим и осуществлять контроль технологического процесса.
При этом следует заметить, что для разных трубопроводов, с учетом имеющегося оборудования и поставленной технологической задачи перекачки или контроля, набор параметров, определяющих режим, может быть различным. В наиболее широком смысле каждый режим отличают производительность, энергопотребление, характеристики оборудования, стоимость электроэнергии, безопасность, простота запуска, возможности регулирования, возможности резервирования оборудования, ограничения по давлению или скорости в заданных точках, производительности сбросов и подкачек, требования к стабильности, свойства перекачиваемой жидкости и другие технологические ограничения и особенности. При планировании перекачки необходимо осуществлять подбор наилучшей, экономически целесообразной комбинации режимов, отвечающей всем предъявляемым ограничениям.
В настоящее время долгосрочное планирование и программы энергосбережения основываются на минимизации потребления электроэнергии и топливных ресурсов, снижение затрат на топливно-энергетические ресурсы идет во втором эшелоне.
Рисунок 3. Цель программы энергосбережения.
Это приводит к тому, что государственные программы энергосбережения часто строятся не на эффективном и экономически целесообразном расходовании энергии, а на частных случаях экономии энергоресурсов. В рекомендациях по их формированию лежит перечень мероприятий, часто не связанных друг с другом, каждое из которых должно дать эффект экономии. Например, повышение КПД насосного оборудования, применение противотурбулентных присадок, замена насосного оборудования, применение частотно регулируемого привода, строительство лупингов, замена ламп, исключение дросселирования, экономия топлива при отоплении и технологических операциях и др. При этом общий эффект получается простым суммированием эффектов отдельных мероприятий (Рисунок 4).
Рисунок 4. Мероприятия по экономии энергоресурсов.
На простых методиках доказывается, что каждое из этих мероприятий позволяет сэкономить энергоресурсы. При этом часто в стороне остаются вопросы, какой ценой достигается эффект экономии электроэнергии, повышения КПД, сбережения топлива; как мероприятия влияют друг на друга; как они сказываются на безопасности транспортировки; дают ли мероприятия выигрыш только при краткосрочном планировании; обеспечивают ли покрытие расходов на реконструкцию, ремонт, строительство в долгосрочном планировании; оказываются ли в целом предприятие и страна в выигрыше или реализация мероприятий приведет к необоснованной трате средств.
Рассмотрим планирование энергопотребления на примере одного из технологических участков нефтепровода, работающего в условиях недогрузки (Рисунок 5). Трубопровод с оборудованием, по проекту рассчитанный и построенный на производительность 70 тыс.т/сутки, перекачивает 20 тыс.т/сут.
Рисунок 5. Планирование требуемой насосной мощности.
На рисунке 5 зеленая пунктирная линия показывает зависимость требуемой гидравлической мощности для прокачки нефти на технологическом участке от производительности. Черная линия отображает реальную потребляемую мощность установленного насосного оборудования.
Разность между черной и зеленой линией показывает ту максимальную экономию энергии, которая может быть достигнута совершенствованием преобразования энергии в насосно силовом оборудовании, вплоть до достижения КПД равного 100%, что требует больших вложений в науку. При этом свойства жидкости, геометрия трубопровода, характер течения остаются неизменными. Синяя штрих-пунктирная линия показывает планируемое потребление мощности, где за точку отсчета взята проектная производительность участка с соответствующим этой производительности КПД насосных агрегатов. При этом принимается, что КПД насосных агрегатов не изменяется с уменьшением расхода.
Рисунок 6. Эффективность преобразования энергии на технологическом участке.
На рисунке 6 показана реальная зависимость КПД насосного оборудования технологического участка от производительности перекачки. Желание повысить эффективность преобразования энергии требует замены насосного оборудования на насосы меньшей производительности с более высоким КПД. Такая замена не всегда целесообразна, ввиду того, что затраты на реконструкцию и обслуживание нового оборудования могут быть существенно выше стоимости сэкономленной энергии, либо срок окупаемости мероприятия окажется слишком большим.
Красная линия на рисунке 5 показывает планирование от достигнутого, когда в качестве точки отсчета берутся фактические данные за прошлый период в условиях недозагрузки и делается прогноз, что если сохранить эффективность использования насосного оборудования, то при увеличении объемов перекачки можно получать экономию энергопотребления. Но это мнимая экономия.
Существование подходов планирования от проектного и фактического потребления объясняется простотой реализации. Они не требуют расчетов и комбинирования большого количества режимов. Построение же реальных характеристик оптимальных режимов технологических участков трудоемко, но позволяет осуществлять более точное планирование.
Необходимость выполнения программ энергосбережения подводит к постановке задач эффективного долгосрочного грамотного планирования. Грамотное планирование следует понимать не просто как составление плана дел на завтра или на следующий месяц. Это, прежде всего, процесс постоянной разработки каскада взаимоувязанных, построенных на долгосрочных прогнозах и современных достижениях науки и техники планов, включающих планы создания, внедрения новой техники и технологий, планы строительства, реконструкции и ремонта, планы подготовки специалистов и развития социальной сферы.
Все вышеперечисленные планы в большей или меньшей степени представлены в планах транспортировки, а, следовательно, имеют отражение и в планируемых каскадах технологических режимов.
Бездумная погоня за сэкономленными квт часами электроэнергии, иногда может оборачиваться излишними тратами средств и труда.
Не следует также забывать о так называемом «человеческом факторе». Планируя переключения с режима на режим сложного технологического объекта, которым является трубопровод, следует учитывать и сложность, и особенности перехода с режима на режим, и день недели, и время суток, и погодные условия, и присутствие квалифицированного персонала, и праздники, и степень нагружения трубопровода. Иногда безопасность и безотказность работы объекта важнее нескольких сэкономленных квт часов электроэнергии.
В настоящее время при принятии решений в планировании часто решающим фактором является опыт технологов и интуиция руководства. Более надежным подспорьем в принятии решений должен стать оптимизационный анализ каскада технологических режимов при планировании на долгосрочный период.
Сама по себе эта задача оптимизации режимов и экономии энергоресурсов с учетом всех перечисленных выше особенностей кажется неподъемной с учетом большого числа неопределенностей планирования будущих периодов. Решить эту задачу можно с помощью формирования комплексных критериев для оптимизации технологических режимов [2]. Критерии не следует рассматривать как догму. В процессе жизни объекта составляющие критериев могут менять приоритетную важность, добавляться или исчезать. Для различных технологических участков значимыми могут оказаться разные критерии.
Самым универсальным критерием должна выступать экономическая целесообразность мероприятий в долгосрочном (год, 5, 10 лет и т.д.) планировании. При этом, затраты на ремонт реконструкцию, строительство, эксплуатацию, охрану объекта и окружающей среды рассматриваются в комплексе с затратами на транспортировку.
Ввод в нормативную документацию более четких базовых понятий, в частности понятий технологического режима, установившегося режима, комплексных критериев, определяющих эффективность транспортировки по трубопроводам позволят с минимальными затратами осуществлять поиск эффективных решений и осуществлять планирование эффективной работы трубопроводов. Как показывает практика внедрения программ энергосбережения наибольший эффект достигается именно в мероприятиях, связанных с планированием режимов перекачки.
Из всего сказанного выше вытекают следующие принципы оптимизации технологических режимов:
- Оптимизация режимов и программы энергоресурсосбережения при транспортировке углеводородов по трубопроводам должны строиться на основе четких и однозначных понятий технологических режимов и комплексных критериев оценки эффективности.
- В основе оптимизации энергоресурсосбережения при транспортировке углеводородов лежит не один режим, а взаимоувязанный каскад технологических режимов, построенный на основе выбранного комплексного критерия эффективности, обеспечивающий наилучшее решение на планируемый долгосрочный период работы предприятия (страны).
- Комплексный критерий должен учитывать не только наиболее простые характеристики электропотребления (мощность, потребленную электроэнергию, удельные показатели электропотребления, КПД оборудования), но и особенности поставки углеводородов, особенности технологического участка, затраты на приобретение электро и других видов энергии, безопасность технологического процесса, надежность работы оборудования, затраты на эксплуатацию, обслуживание, ремонт, реконструкцию, строительство, модернизацию, наличие и квалификацию персонала, цикличность работы оборудование, наличие резерва, природные и погодные условия, сложность выполнения технологических операций и др.
- Комплексный критерий не является догмой и в процессе жизни предприятия, может по мере изменения общественных или политических приоритетов изменяться, совершенствоваться, упрощаться или усложняться.
- Планы, построенные на основе комплексных критериев должны корректироваться по мере изменения критериев и уточнения исходных данных. Планирование работы трубопровода – непрерывный процесс, связанный с привлечением многих служб (товарно-транспортных, технологических, энергетиков, механиков, эксплуатации трубопроводов, автоматизации, промышленной и экологической безопасности, экономистов и др.).
Выводы
-
Наибольший эффект энергосбережения при транспортировке углеводородов достигается в мероприятиях, связанных с планированием режимов перекачки.
-
Ввод в нормативную документацию более четких базовых понятий, в частности понятий технологического режима, установившегося режима, комплексных критериев, определяющих эффективность транспортировки по трубопроводам позволит с минимальными затратами осуществлять поиск эффективных решений и планировать экономичную работу трубопроводов.
-
Разработка и применение комплексных критериев эффективности дает возможность на основе автоматизированных комплексов расчетов технологических режимов строить системы планирования. Инженеры-технологи должны решать задачи не просто экономии электроэнергии, а задачи эффективного использования энергетических, топливных, человеческих, природных ресурсов на долгосрочный период применительно к технологическому участку, предприятию, отрасли, страны.
- Решение перечисленных задач предопределяет успех поиска эффективных путей энергоресурсосбережения при транспортировке углеводородов.
Литература
1. Мызников М.О. Оптимизация режимов и энергоресурсосбережение при транспортировке углеводородов. //Всероссийская научная конференция «Трубопроводный транспорт углеводородов». 28-29 сентября 2017. г. Омск, Россия. С.160-163.
2. Мызников М.О., Исакова Е.В., Куликов А.С. Сравнительный анализ удельных показателей транспортировки нефти на технологических участках. //Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2013, № 4. С.34-39.
