پایان نامه بهبود عملکرد شبکه بخار در شرکت پالایش نفت شیراز

پایان نامه کارشناسی ارشد

گرایش سیستم های انرژی

بهینه سازی شبکه بخار در شرکت پالایش نفت شیراز

هزینه های تأمین نیرو و توان مورد نیاز فرآیندهای عملیاتی بخش قابل توجهی از منابع مالی و

هزینه های هر مجتمع صنعتی را بخود اختصاص می دهد و تأمین متداوم انرژی مورد نیاز همواره یکی از دغدغه های اصلی ذهن طراحان و مدیران صنایع است . هدر رفت بخش قابل توجهی از انرژی مصرفی صنایع و مشکلات زیست محیطی ناشی از آن،اهمیت بهینه سازی مصرف انرژی( بعنوان یکی از

اصلی ترین مؤلفه های توسعه پایدارکشور) را در جایگاه بسیار والائی قرار می دهد.

در سال اصلاح الگوی مصرف، مدیریت صحیح مصارف حاملهای انرژی نقش اساسی در فرایند بهینه سازی مصرف را دارا می باشد . مدیریت انرژی فعالیتی در راستای کاهش هزینه های انرژی به ازای واحد تولید محصول می باشد واهداف عمده آن را می توان بصورت زیر خلاصه نمود:

1- کاهش هزینه های مصرف حامل های انرژی و افزایش سودآوری شرکت از این طریق

2- شفاف نمودن هزینه های حاملهای انرژی و افزایش حساسیت مدیران وکارکنان نسبت به مصارف و اهمیت انرژی و در نتیجه توسعه بستر فرهنگی مناسب برای بهینه سازی مصرف انرژی و

اصلاح الگوی مصرف

3- کاهش هزینه های تعمیرات ونگهداری

4- کاهش آلاینده های زیست محیطی

در این پایان نامه تلاش میگردد  با توجه به موارد یاد شده فوق در راستای ایجاد بستر مناسبی برای مدیریت انرژی در شرکت پالایش نفت شیراز وهدایت افکار و رفتار سازمانی پرسنل در این سو

اقدام نمود.

شرکت پالایش نفت شیراز واقع در کیلومتر 22 اتوبان شیراز – تخت جمشید یکی از واحدهای مهم صنعتی در جنوب کشور محسوب می گردد . طراحی و ساخت این پالایشگاه متعلق به فن آوری دهه 50 شمسی است و لذا ضرورت استفاده از فن آوری های جدید در بهبود فرآیندهای عملیاتی و استفاده بهینه از منابع و امکانات موجود در پالایشگاه ، بخوبی مشاهده می گردد. بخار به عنوان اصلی ترین حامل انرژی مصرفی در فرآیندهای این پالایشگاه ضمن بحرکت درآوردن توربوژنراتورهای مولد برق،

تأمین کننده نیروی محرکه ماشین آلات مهم نیز می باشد . بهینه سازی مصارف بخار(ونیروی الکتریسیته) با استفاده از آموخته های دانشگاهی ، بیش از دو دهه تجربیات کاری اینجانب و مدل سازی رایانه ای با دیدگاه حداکثر سودآوری با فروش حامل های انرژی ( بیشتر نیروی الکتریسیته ) دیدگاه اصلی حاکم بر این پایان نامه می باشد .

در ابتدا با بررسی منابع عملی،کارهای انجام شده پیشین را گردآوری و سپس اقدام به جمع آوری اطلاعات کلی مصارف حاملهای انرژی و شناسایی منابع تولید آنها در شرکت و مدل سازی شبکه موجود بخار گردید، در این راستا با کمک اطلاعات دریافتی از منابع مختلف منجمله مدیریت مالی شرکت خصوصا" واحدهای حسابداری عمومی و حسابداری صنعتی، تابع هدف مشخص و با استفاده از مدل ساخته شده سناریوهای مختلف عملیاتی بررسی و نتایج حاصله با هم مقایسه گردیده است . تعیین هزینه تمام شده شبکه تولید و توزیع بخار در سناریوهای مختلف عملیاتی و اقدام جهت کاهش هزینه های تمام شده بخار بر اساس شرایط بهینه تعیین شده در هر شرایط کاری و شناسایی پارامترهای معتبر در فرآیند تولید بخار و کار تولید شده در توربین ها و استفاده از آنها در راستای کاهش هزینه های عملیاتی و در نتیجه سود اقتصادی بیشتر شرکت پالایش نفت شیراز از نتایج اصلی این پروژه می باشد.

انجام عملیات بهینه سازی بکمک مدل پیشنهادی بیانگر این واقعیت است که، با توجه به هزینه های سرمایه گذاری در تولید بخار وقیمت خریدو فروش برق (توسط شرکت تامین نیروی ایران) همچنین قیمت فروش گاز طبیعی در حال حاضر گزینه تولید برق با استفاده از بخار ، فاقد سود وتوجیه اقتصادی می باشد و کمترین هزینه عملیاتی سیستم تولید وتوزیع بخار در شرکت پالایش نفت شیراز هنگامی است که اتلاف بخار و تخلیه بخار به آتمسفر کاملا" حذف و برای کاهش فشار بخار از یک سطح به سطح پایین تر از توربین های تولید برق استفاده و مابقی برق مورد نیاز عملیات پالایش از شبکه سراسری برق خریداری گردد. باانجام این اقدامات می توان هزینه های سیستم تولید و توزیع بخار را از نزدیک به چهارصدوچهل میلیارد ریال درسال به ششصد وهفتاد میلیون ریال یعنی  8/99 درصد کاهش داد.

میزان تاثیر حذف اتلافها و تخلیه به آتمسفر (سناریوی دوم)در کاهش هزینه های سرویسهای جانبی در شرکت پالایش نفت شیراز  نزدیک به دویست وپنجاه میلیارد ریال در سال و برای استفاده از ظرفیت اضافی توربوژنراتورها ودیگهای بخار (سناریوی سوم) میزان تاثیر افزایش هزینه هابه مقدار

سی و هشت میلیارد ریال در سال و برای خارج کردن توربو ژنراتورها از مدار تولیدو خرید برق از شبکه سراسری (سناریوی چهارم) کاهش هزینه های عملیاتی برابر چهار میلیارد وپانصدوهشتاد میلیون ریال برآورد می گردد. بیشترین تاثیردر کاهش هزینه های عملیاتی سیستم سرویسهای جانبی را پیشنهاد پنجم مبنی بر حذف اتلافها و تخلیه به آتمسفر و جایگزینی توربین تولید برق بجای ایستگاههای تقلیل فشاربخاردارمی باشد. کاهش هزینه های عملیاتی اجرای این پیشنهاد در مقایسه با حالت عملیات فعلی  به میزان  چهار صدو سی و هفت  میلیارد ریال در سال برآورد می گردد . 

1- مقدمه

تا کنون روشهای ریاضی و ترمودینامیکی مختلفی برای بهینه سازی و طراحی سیستم سرویس های جانبی و انتخاب سطوح فشار خطوط اصلی بخار پیشنهاد شده است که در سطور آینده به برخی از آنها  اشاره می گردد.

یکی از مهمترین مسائل در طراحی سیستم سرویس های جانبی، انتخاب سطوح فشار خطوط اصلی بخار می باشد. در سال 1977، نیشیو برای اولین بار موضوع انتخاب سطوح بهینه فشار خط اصلی بخار را مطرح کرد و یک روش جستجوی مستقیم را که با حل همزمان معادلات کوپل شده بود، ارائه نمود]1[.

سپس نیشیو و جانسون[1] یک روش ترمودینامیکی را پیشنهاد کردند، در این کار نیشیو و همکارانش از یک مدل LP  نیز به منظور انتخاب بهینه وسایلوتجهیزات مورد استفاده در سیستمهای تولید و توزیع بخار و توان و پیش بینی هزینه حداقل سرویسهای جانبی (Utilities ) استفاده کردند. این روش تلاش می کرد وسایلی برای سرویس جانبی انتخاب کند که اتلاف انرژی در دسترس برای هر واحد را حداقل کند و گرداننده های مورد استفاده  در فرآیند ( Drivers ) اعم از توربینها و موتورهای الکتریکی را با استفاده از برنامه ریزی خطی (LP)  بصورت بهینه مشخص کند. تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی انرژی در دسترس، بر مبنای یک دسته از قوانین ابتکاری که برای تعیین ساختار کارخانه و شرایط طراحی به کار برده می شد، صورت می گرفت . اگر چه حداقل کردن اتلاف انرژی در دسترس به حداکثر کردن بازده کارخانه می انجامید، اما هزینه های سرمایه گذاری مربوط به واحدهای سرویس جانبی در این قسمت مورد توجه قرار نگرفته بود. همچنین یکی از نقاط ضعف چنین روشی این بود که برخی تصمیمات اصلی برای تعیین شکل کارخانه بر مبنای قوانین ابتکاری[2] بوده و در نتیجه ممکن است تعدادی از آلترناتیوهایی که شامل راه حل بهینه نیز باشند، را از دست بدهد. محدودیت مهم دیگر این بود که هزینه های سرمایه گذاری با ظرفیت ها ، مطلقاً خطی در نظر گرفته شده بودند و بنابراین افزایش تولید به منظور سرشکن کردن هزینه سربار[3] در این مدل لحاظ نشده بود ]2[.

پترولاس و رکلاتیس[4] یک روش تجزیه و تحلیل برای سیستم سرویسهای جانبی بر مبنای تجزیه ای از دو زیرشاخه که با هم کوپل شده اند را پیشنهاد کردند. اولین زیرشاخه تعداد خطوط اصلی بخار بعلاوه فشار در هر خط اصلی را تعیین می کرد و به عنوان یک برنامه ی پویا[5] که اتلاف انرژی های در دسترس را حداقل می کرد، مدل شده بود. دومین زیرشاخه شامل انتخاب درایور بود و به عنوان یک LP با هدف حداقل کردن انرژیهای ورودی (بخار و الکتریسیته)، فرمول بندی شده بود. به عبارت دیگر آنها یک روش برنامه ریزی پویا را برای بهینه کردن شرایط خط اصلی بخار به عنوان متغیر های پیوسته و یک روش LP را برای تعیین مکان بهینه درایورها  با هدف عمومی حداقل کردن اتلاف کار واقعی، به کار بردند. در این روش چنین عنوان شده بود که اگر نیاز به وجود دیگ بخار باشد، این دیگ بخار باید در بالاترین سطح فشار، بخار تولید کند، زیرا کوپل کردن دو زیرشاخه در بازده درایورها و بار حرارتی دیگ بخار تأثیر می گذاشت. اما در مسئله بهینه سازی نیاز به تخمین شرایط بخار با فشار خیلی بالا (VHPS)، دمای هر سطح بخار، بار حرارتی دیگ بخار، سرویس جانبی خنک کننده و کار محوری تولیدی بوسیله شبکه توربین بخار در هر منطقه نیز می‌باشد که در این روش لحاظ نشده است. محدودیت دیگر این روش این بود که هزینه های سرمایه گذاری واحدهای کارخانه را به حساب نمی آورد و امکان استفاده از درایور توربینهای گازی را در نظر نمی گرفت. همچنین ممکن است فرمول بندی LP برای مسئله انتخاب درایور در بعضی موارد مناسب نباشد، به عنوان مثال ممکن است توربینهای بخاری با چند ورودی یا دو درایور مختلف (توربین بخار و موتور الکتریکی) انتخاب شود، اما این مدل همان نیاز کار و توان قبل را به دست می‌داد ]3[.

در راستای استفاده از روشهای ترمودینامیکی، در سال 1982 براون[6]  نشان داد  که هر سیستم سرویس جانبی ممکن است با نسبت توان به گرمای فرآیند (P/H) مشخص شود که این نسبت  وابستگی ضعیفی به نوع سوخت مصرفی دارد. ( برای وسایل صنعتی عمومی ،  نسبت P/H  مورد نیاز کمتر از دو درصد است . )]4[

Abstract:

Utility system design greatly influences the total site design and operation.

In this paper, it has been attempted to apply a method of assimilating solution to determine the optimum consumption of utilities by considering the variation of physical and thermodynamic properties due to temperature and pressure changes. Mathematical programming methods are also used to reach the maximum profit. The total site includes chemical plant, heat exchangers network and utility systems.

Commonly, for the design of the utility system, arrangement of equipment must be taken into consideration. Optimizing can be generally reached through the two following methods:

 1- Thermodynamic methods

 2- Mathematical methods and optimization techniques.

In order to determine the optimum level of the utility system, a great number of models have been presented, some of which will be mentioned in this paper.

But what is clear is that in all researches having been done so far, the physical & thermodynamic properties of fluid such as density, heat capacity, viscosity and heat conduction during the operation, are considered constant and their variation due to temperature and pressure haven't been considered. This may make a difference between computed amount (theory) and real estate, so the resulted optimum conditions may be incorrect. Omidkhah & Hojatti proposed  that, analyzing the utility system can be formulated as a MINLP and can overcome a great deal of limitations or problems of methods which have been examined and presented to now, if there must exist optimum state in superstructure. They considered variation on fluid physical and thermodynamic properties. [15]

It was concluded that assuming constant physical and thermodynamic properties for steam would likely result in a considerable error in design results. The difference in the final results can't often be ignored, although assuming constant properties minimizes the number of equations (esp. non-linear ones).

 Such an assumption can significantly affect the exchanger heat loads. For instance, in one case study, there was about 17% of difference between the two states of assuming either constant or variable physical and thermodynamic properties.

Furthermore, the arranging model of the equipment, in all investigations, is the same in the final structure. In other words, assuming variation of physical and thermodynamic properties for steam would not change the final structure of the steam distribution network. Thus, it can be suggested that: "First assume constant physical and thermodynamic properties for steam and design the final structure of the steam network. Then considering variation of physical and thermodynamic properties of steam, find the optimum steam consumption and heat load of exchangers."

It can be suggested that, by using MINLP method and solving the model, we determine steam consumption amount and each unit loads will be optimized, preferred operation condition will be known and it leads us to install new equipment for more profitable production and we can decide about amount of utility production and amount of sell.

After steam network, operation and financial data gathering, mathematical model presenting, equations have been solved by GAMS software.

 By solving our model for different operating scenarios we conclude that, production of electricity by steam generators for sell, have not any operation and economic benefits. The best case with minimum cost is the case which steam letdown stations substituted by turbo generators and reminder purchased from electricity network.

 With these actions we can reduce Shiraz refinery steam network costs about 99.8 percent from 44 million to 67,000 $/year.

Also Shiraz refinery achieved following benefits by using this produced model:

Reduction of total steam production costs in various operation scenarios.

Identification important steam and shaft work production parameters.

Recognition and reduction energy loss sources.

Suitable management to reduce expenses of energy consumption & goods production.

Prediction of steam consumption in various goods production.

Reduction air pollution by reducing fuel consumption.