178
program
Úspory energie v rafineriích zpracovávajících ropu Ing. Milan Vitvar ýeská rafinérská a.s.
[email protected], tel 476 164 477
1. Úvod V souþasné dobČ jsme svČdky trvalého trendu ve strmém zvyšování nákladĤ na paliva a energie . Tento trend je mnohem intenzivnČjší než ten, který byl v sedmdesátých letech zpĤsoben tzv. I. ropnou krizí. NapĜ. v litvínovské lokalitČ došlo v letech 2002 až 2007 k nárĤstu cen zemního plynu až o 70 %. Úspory energií celosvČtovČ pĜedstavují nejžádanČjší složku redukce výrobních nákladĤ. Vliv ekologických aspektĤ snížení energetické nároþnosti sahá daleko za hranice dané rafinerie. Jsou rozvíjeny nové metodiky ke snížení spotĜeb energií a projekty, u kterých bývá snižována požadovaná úroveĖ vnitĜní míry návratnosti pod mez, pĜedepsanou pro ostatní projekty. Výhodou je, že oproti projektĤm na zvýšení marže, které mohou být ohroženy konkurenþním prostĜedím, úspora nákladĤ bývá jistým úspČchem. PĜi stoupajících nákladech jsou dosaženy deklarované cíle a zpravidla skuteþná ekonomika úsporných opatĜení je v dĤsledku rĤstu cen lepší.. Komplexní program úspory nákladĤ se týká všech þinností rafinerie a zahrnuje plánování, naplnČní kapacit, plynulost zpracování, management technického úseku, údržbu, iniciativy „zdola“ ( operátorĤ), nové projekty a obnovu zaĜízení. ZaĜízení západních rafinerií bylo v pĜevážné vČtšinČ upravováno v dobČ po velké ropné krizi a zároveĖ zapoþala probíhat koncentrace výroby do vČtších celkĤ s komplexním zpracováním. Podpora výzkumu a nových smČrĤ v oblasti chemického inženýrství, využití prostĜedkĤ IT a moderního managementu se stalo hlavním smČrem, jak uplatnit novinky a snížit výrobní náklady. Hlavním tématem ovšem zĤstává styl provozu a povČdomí personálu rafinerie o nutnosti šetĜit. Podle nČkterých pramenĤ ( Shell) se dá ušetĜit až 20 % energií pouhým dodržováním nejlepších praktik bez nutnosti investic. 2. Energetický management Benchmarking Rafinerie se zúþastĖují tzv. benchmarkingu, pĜi kterém se pravidelnČ hodnotí nezávislými specializovanými subjekty stav v porovnání s ostatními rafineriemi obdobné velikosti a složení jednotek a které operují v tržním prostoru se srovnatelnými podmínkami. Hodnotí se Ĝada ukazatelĤ, mezi nimiž je také energetická nároþnost vyjádĜená tepelnými jednotkami nebo indexy a finanþnČ na tzv. marginální palivo. BČhem studie se vyhodnotí pĜíležitost pro zlepšení. NicménČ vyplnČní „ gapu“ je limitováno ekonomickými nástroji a návratností. Ty jsou vždy specifické a charakteristické pro danou rafinerii, její historii a dlouhodobý vývoj.
APROCHEM 2008 • Odpadové fórum 2008
1393
14.–16. 4. 2008 Milovy
program
Denní management Rafinerie, které dosáhly význaþných energetických úspor, mají zaveden program úspor s hlavním dĤrazem na denní management a kontrolu. Je stanovena role smČnových managerĤ a technologĤ, kteĜí dennČ kontrolují dodržování technologického režimu jednotek s vlivem na potĜeby energií. ÚspČšný denní management potĜebuje organizaþní nástroje a softwarové prostĜedky. Jako minimální jsou elektronicky vedené technologické karty on line, kde je možno sledovat jednotlivé promČnné technologického režimu s dĤsledkem na zvýšené spotĜeby energií. DĤležitým nástrojem je datový informaþní systém rafinerie, ve kterém je možno vyhledat trendy veliþin za zkoumané období a analyzovat další možnosti. Informaþní sytémy umožĖují i optimalizaþní funkce a pomocné výpoþty pro technologii a operátory pĜi Ĝešení ménČ snadných provozních stavĤ. ýeská rafinerská vlastní napĜ. program „REKON“ ( Chemplant Technology) , který umožĖuje on-line sledování zanášení výmČníkové Ĝady ropné destilace2. Podle výsledkĤ je tak možno naplánovat þištČní výmČníkĤ za provozu k dosažení jejich stabilní úþinnosti. Rafinerie používají simulaþní modely pro zaĜízení s vysokou spotĜebou energií ( destilaþní kolony, nČkteré katalytické procesy) a formou pravidelných provozních testĤ bývají zjišĢovány optimální podmínky. V rafinerii musí být vytvoĜeno prostĜedí, kde úspory energií jsou jednou z priorit. K tomuto patĜí systém stanovování osobních cílĤ a úkolĤ, urþování indikátorĤ výkonnosti (KPI) a ocenČní a odmČn pro operátory þi smČny, kterým se daĜí snižovat spotĜebu energií. Hlavní nástroje pro management energií. Podstatnými nástroji pro management energií je pravidelné sledování spotĜeb energií, jejich vykazování, reportování a analýzy, zadávání cílĤ, kontrola procesĤ a jejich Ĝízení. Tyto nástroje mají nesþetné podoby, ale jejich spoleþnými rysy jsou nejen vyšší energetická úþinnost, ale také snížené prostoje zaĜízení v dĤsledku neplánovaných odstávek, redukce nákladĤ na údržbu a snížení zatížení životního prostĜedí. VyspČlé rafinerie používají i APC (Advance Process Control) pro on-line Ĝízení nČkterých provozních jednotek þi uzlĤ nebo pokroþilejší metody celkového plánování a Ĝízení technologických procesĤ, které mají vliv na optimální vedení technologického procesu. Údržba zaĜízení Údržba zaĜízení s vazbou na spotĜeby energií je rovnČž jednou z priorit. Opravy izolací zaĜízení a potrubí, pravidelné þištČní výmČníkĤ a pater destilaþních kolon, tČsné kondenzaþní hrnce a svody kondenzátu se považují za samozĜejmost. Pozornost bývá vČnována i „vzdáleným“ aktivitám, jakými jsou údržba procesích analyzátorĤ, smyþek mČĜení a regulace, správné pĜepoþtové rovnice v mČĜiþích nebo Ĝídících systémech atd. Nesprávné údaje v poslednČ jmenovaných zaĜízeních mohou mít negativní vliv na spotĜeby energií þi na jejich vykazování. Racionalizace výrobních procesĤ Technologie a výrobní jednotky, postavené pĜed þasem, mohou mít problém dlouhodobČ obstát z hlediska pomČru marže a nákladĤ. Mnohé z nich se stávají ztrátovými v dĤsledku konkurence ( tlak na snížení marže) a volby technologického procesu s vysokými náklady a APROCHEM 2008 • Odpadové fórum 2008
1394
14.–16. 4. 2008 Milovy
program
energetickou nároþností. O takových procesech je nutno rozhodnout, zda budou provozovány dále, zda existuje dostatek dĤvodĤ pro jejich udržení v provozu nebo jednotky budou uzavĜeny. Tímto zpĤsobem lze uspoĜit suroviny, chemikálie, energie, pracovní sílu, údržbu a v nČkterých pĜípadech po demolici získat místo pro jiné procesy. Maximální využití stávajících kapacit Každé ze zaĜízení rafinerie má ztráty tepla do okolí, a to i pĜes dobrou izolaci, která zpomaluje tepelný tok. Pokud využíváme zaĜízení na maximum, „rozpouštíme“ tyto ztráty do vČtšího množství výrobkĤ a mČrné energetické náklady tak klesají. Quality give away Tímto pojmem bývají v rafineriích oznaþovány excesy v kvalitách vnitĜních proudĤ nebo výrobkĤ, které nejsou nutné, z nichž nemá užitek ani rafinerie, ani koneþný uživatel výrobku a jejichž udržování stojí mnoho energie. Velké množství energií stojí napĜíklad vysoký separaþní index produktĤ surovinové destilace, bez ohledu na to, že produkty jsou dále rafinovány a destilaþnČ upravovány. Souþasná nízkosirná motorová nafta by mČla mít obsah síry inklinující spíše k 10 ppm než k 2 – 3 ppm, kdy nízký obsah síry vede k vysoké spotĜebČ energií, katalyzátoru, vodíku a zatížení životního prostĜedí. Obdobných pĜípadĤ je v bČžné rafinerii pomČrnČ dost. 3. Nové investice do úspor energií Pokud je systém Ĝízení rafinerie ĜádnČ nastaven a nedochází k plýtvání energiemi, je možno vyhledávat pĜíležitosti k zlepšení funkce zaĜízení investiþní povahy. Tyto projekty jsou specifické a jsou vždy „ušity na míru“ pro konkrétní zaĜízení a podmínky. NovČ budované jednotky bývají navrhovány tak, aby dosahovaly nejvČtší možné energetické efektivnosti. V pĜípadČ staršího zaĜízení je otázkou, kde hledat pĜíležitosti ke zlepšení funkce zaĜízení. V následujícím pĜehledu jsou uvedeny nČkteré obvykle používané metody pro snížení spotĜeb energií. V pĜíspČvku nejsou popsány možnosti v podnikových energetikách, protože nebyly pĜedmČtem analýz v rámci ýeské rafinérské, odkud byly námČty pĜevážnČ þerpány. PĜedehĜívaþe V prĤmyslu zpracování ropy dosahují pece výkonĤ v desítkách MW a patĜí k nejvČtším spotĜebiþĤm tepla ( až 60 % celkové spotĜeby). Nesprávnou funkcí lze proto ztratit mnoho energie. Hlavními metodami kontroly funkce pecí je sledování obsahu kyslíku (nejlépe také CO) ve spalinách, pĜednostnČ v radiaþní sekci. UtČsnČním spár, jimiž je pĜisáván vzduch, se snižuje pokles teploty spalin a zkreslování údajĤ analyzátoru kyslíku. Celkové množství spalin by mČlo být udržováno jako nejnižší možné. Dobrá izolace pece, þištČní vlásenek a jejich pravidelné odkoksování by mČly být pĜirozenými aktivitami zarážek stejnČ jako pravidelné þištČní a seĜizování hoĜákĤ.
APROCHEM 2008 • Odpadové fórum 2008
1395
14.–16. 4. 2008 Milovy
program
VýmČníky pro pĜedehĜev spalovacího vzduchu spalinami Pomocí výmČníkĤ spaliny- vzduch je možno výraznČ zlepšit úþinnost pecí, aniž by byla produkována nízkotlaká pára ( jiný ze zpĤsobĤ využití tepla spalin) nebo komplikován proces integrací s pĜedehĜevem media pro jinou jednotku. Efekt se projevuje pĜímo v úspoĜe paliva. Zpravidla nevyhovují pĤvodní hoĜáky a pĜedehĜevem vzduchu se zhorší podmínky pro tvorbu NOxĤ. Instalaci nízkonoxových hoĜákĤ, které problém Ĝeší, musí pĜedcházet studie, zda nedojde k celkovému zhoršení funkce pece vlivem specifického zpĤsobu hoĜení paliva v nízkonoxových hoĜácích. Dolní teplotní mez využitelnosti tepla spalin je dána rosným bodem a možností kondenzace kyselé vody v odvodech spalin nebo komínech. V rámci pĜípravy projektu se zvažuje i výhledová koncepce v obsahu síry v palivu. VýmČníkové Ĝady velikých spotĜebiþĤ ( ropná atmosférická a vakuová destilace) Mnohé z jednotek byly stavČny v dobČ, kdy neexistovaly moderní výpoþtové metody, a proto jejich výmČníková Ĝada nemusí pracovat v optimálním režimu. PINCH metoda ( viz níže) mĤže odhalit potenciální zvýšení úþinnosti pouhým pĜepojením výmČníkĤ þi jejich doplnČním. Analýza reálných systémĤ v praxi3,4,5 vyžaduje respektovat Ĝadu vlivĤ, které ovlivĖují energetickou bilanci (rĤzné provozní režimy, sezónní vlivy, apod.). DĤležité je též použití validovaných procesních dat2.
Kotle na odpadní teplo Využití odpadního tepla pro výrobu páry je bČžnou metodou pro zlepšení úþinnosti pecí a odvodu tepla z procesĤ. NicménČ úþinnost stoupá s klesajícím tlakem vyrábČné páry. V rafineriích však bývá pĜebytek nízkotlaké páry na prahu sytosti , zvláštČ v letním období . Je možno využít ejektorĤ a zlepšit entalpii nízkotlaké páry pomocí páry s vyšším tlakem, jeli v procesech taková pára využitelná. Z odluhĤ vysokotlakých kotlĤ je možno získávat páru. . Integrace technologických procesĤ Integrace výmČny tepla mezi rafinérskými procesy umožĖuje využítí synergií v rafineri a tím lze dosáhnout vysoké energetické efektivnosti. Klasickým pĜípadem je kombinace atmosférické a vakuové destilace ropy, která je vždy efektivnČjší než obČ jednotky provozující separátnČ, i když jsou navrženy optimálnČ. Dalšími pĜípady mohou být výmČna horkých proudĤ, integrace uvnitĜ FCC jednotky a mnohé hluboké integrace „napĜíþ“ rafinerií. Integrace se týká nejenom pĜedehĜevĤ, ale i chlazení a jako spolehlivý prostĜedek k odhalení zdrojĤ úspor je možno použít PINCH metodu1. Metoda sama byla vyvinuta po první ropné krizi v 70. letech univerzitou v Manchesteru, a stala se nejspolehlivČjším nástrojem na Ĝešení složitých energetických systémĤ. V principu jde o sestrojení dvou kĜivek, pro pĜedehĜev a chlazení v grafu teplota-entalpie a místo maximálního pĜiblížení kĜivek je „pinch“ bodem, APROCHEM 2008 • Odpadové fórum 2008
1396
14.–16. 4. 2008 Milovy
program
tedy minimálním termodynamickým bodem pro pĜedehĜev a chlazení. Metoda sama byla mezitím rozšíĜena i do oblastí mimo energie ( vodíkové hospodáĜství, hospodaĜení s vodou,zdroje kapitálu, pracovní síly atp). Mnohé z rafinerií již uplatnily již celkové pĜezkoumání PINCH metodou pro energetické a hmotové toky. Je publikováno, že úspory energií v tČchto rafineriích by mohly teoreticky dosáhnout až 30 %, ovšem po analýze návratnosti bývají skuteþnČ navrhovaná opatĜení redukována pĜibližnČ na polovinu. Druhým problémem celkové integrace je „provozuschopnost v rozumné nezávislosti“ rafinérských procesĤ. Rafinerie se musí pĜizpĤsobovat tržním požadavkĤm, sezónnosti spotĜeby paliv a ĜadČ jiných mechanismĤ, což by v nČkterých pĜípadech plná integrace ztížila. Rozvody páry Rozvody (potrubní propojení) by mČly být svojí svČtlostí „pĜimČĜené“. Pokud jsou svČtlosti vyšší, jsou vyšší nejen investiþní náklady a údržba, ale také ztráty tepla. Pokud jsou nižší, mĤže být jejich integrita ohrožena erozí a mohou se vyskytnout problémy tlakových ztrát. Dobrá izolace mĤže ušetĜit až 15 % tepelných ztrát. Jak již bylo výše zmínČno, k tomu patĜí i Ĝádná údržba izolací a údržby kondenzaþních hrncĤ se zabránČním pĜímých únikĤ páry do expanderĤ. Pára z expanderĤ je využitelná v závislosti na tlaku pro nízkotlaké systémy, anebo k vytápČní a ohĜevu vody. V nČkterých starších rafineriích je množství pĜírubových spojĤ a mĤže docházet k netČsnostem. Spirax navrhl vzorec, kterým je možno odhadnout množství uniklé páry podle výšky vleþky z netČsnosti a tak kvantifikovat ztrátu finanþnČ. Postup usnadĖuje rozhodnutí, zda se vyplatí potrubí vþ. návazných jednotek odstavit a netČsnost opravit, anebo zda je nutno netČsnost tolerovat do nejbližší odstávky. PĜepatrování destilaþních kolon Výzkum a vývoj v destilaþních patrech vedl v poslední dobČ k odkrytí dĜíve netušených možností ve snížení energetické nároþnosti. Snížení tlakové ztráty a celkového provozního tlaku a zvýšení úþinnosti mĤže pĜinést snížení reflexního pomČru a pĜedehĜevu. Obdobné zásahy nejsou nároþné ani investiþnČ, ani z hlediska implementace a jejich efekt bývá vysoký. Rekuperace vodíku a flérových odplynĤ Vodík je možno získat z odplynĤ po kondenzaci LPG ( membránové technologie, PSA) ObdobnČ je možno získávat uhlovodíkové odplyny z vedení na fléru. Elektrické motory, kompresory, þerpadla Aþkoliv spotĜeba elektrické energie nebývá v rafineriích zásadní z hlediska nákladĤ, s rostoucími cenami se stále více vyplatí investovat do úprav systémĤ pro dopravu plynĤ a kapalin a do pohonných jednotek. Ze škály možností je pro elektrické motory nejdĤležitČjší elektronická kompenzace jalové energie a pro vČtší stroje elektronické regulátory otáþek. PĜi dopravČ tekutin je podstatná správná velikost þerpadel z hlediska výkonu a výtlaþné výšky. Problémy mohou vznikat v tankovištích, kde zmČny nekopírují a nČkdy ani nemohou kopírovat úpravy ve výrobních jednotkách. NČkteré nápravy je možno zajistit prostým zkroužením obČžného kola daného þerpadla, jindy mohou pomoci opČt regulátory otáþek APROCHEM 2008 • Odpadové fórum 2008
1397
14.–16. 4. 2008 Milovy
program
nebo odstranČní škrcení v trase dopravované tekutiny. PĜimČĜená svČtlost potrubí a dimenze regulaþních ventilĤ mají pĜíznivý vliv na dopravu provozních medií. PĜi kompresi v okruhu ( hydrogenace, hydrokrak) je nutno dbát na nejvyšší možnou kondenzaci v chladiþi pĜed separátorem a tím minimální hustotu okružního plynu. Expanzní turbíny V rafineriích se v ĜadČ jednotek pracuje s vyššími nebo vysokými tlaky plynných medií. Jejich uvolnČní bývá zajišĢováno tradiþnČ škrcením redukþními þi regulaþními ventily. Expanzní turbíny mohou pĜispČt k rekuperaci energie a mohou být zaĜazeny do pohonu þerpadel nebo opatĜeny generátory na výrobu elektrické energie. Tepelná þerpadla Tepelná þerpadla mají mnoho variant. Je možno je uplatnit pĜi využití nízkopotenciálního tepla nebo mohou být zaĜazeny i pro pĜevody tepla v rámci rafinérských jednotek. 4. ZávČr Úspory energií patĜí k nejdĤležitČjším souþasným aktivitám rafinerií. Lze je docílit kvalitním energetickým managementem ze stávajících zdrojĤ nebo v dĤsledku implementace projektĤ. Vyplývají z požadavku doby – vysokých cen energií, zvýšení cen materiálĤ pro energetická zaĜízení a dále z požadavkĤ na ochranu životního prostĜedí. Aþkoliv vysoké ceny energií nejsou pĜíznivým faktorem pro rafinerii, na druhé stranČ poskytují pĜíležitost k realizaci projektĤ, jejichž návratnost by za jiných okolností nebyla nepĜijatelná. PĜíspČvek uvedl nČkterá z bČžných technologických opatĜení, která mohou být použita pro zlepšení energetické bilance. 5. Literatura 1. Linnhoff, B. aj.: User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy. The Institution of Chemical Engineers, 1982 2. Validace dat v chemickém prĤmyslu a energetice. Zpráva CPT-204-05, ke stažení na www.chemplant.cz 3. Rozbor energetické nároþnosti destilace ropy NRL v rafinérii Litvínov. Zpráva CPT-18704, Ústí nad Labem 2004 4. Rozbor energetické nároþnosti destilace ropy AVD v rafinérii Litvínov. Zpráva CPT-19004, Ústí nad Labem 2004 5. Rozbor energetické nároþnosti vakuové destilace PSP v rafinérii Litvínov. Zpráva CPT199-05, Ústí nad Labem 2005
APROCHEM 2008 • Odpadové fórum 2008
1398
14.–16. 4. 2008 Milovy
