Úspory energie v rafineriích zpracovávajících ropu

Transkript

1 178 Úspory energie v rafineriích zpracovávajících ropu Ing. Milan Vitvar eská rafinérská a.s. milan.vitvar@crc.cz, tel Úvod V sou asné dob jsme sv dky trvalého trendu ve strmém zvyšování náklad na paliva a energie. Tento trend je mnohem intenzivn jší než ten, který byl v sedmdesátých letech zp soben tzv. I. ropnou krizí. Nap. v litvínovské lokalit došlo v letech 2002 až 2007 k nár stu cen zemního plynu až o 70 %. Úspory energií celosv tov p edstavují nejžádan jší složku redukce výrobních náklad. Vliv ekologických aspekt snížení energetické náro nosti sahá daleko za hranice dané rafinerie. Jsou rozvíjeny nové metodiky ke snížení spot eb energií a projekty, u kterých bývá snižována požadovaná úrove vnit ní míry návratnosti pod mez, p edepsanou pro ostatní projekty. Výhodou je, že oproti projekt m na zvýšení marže, které mohou být ohroženy konkuren ním prost edím, úspora náklad bývá jistým úsp chem. P i stoupajících nákladech jsou dosaženy deklarované cíle a zpravidla skute ná ekonomika úsporných opat ení je v d sledku r stu cen lepší.. Komplexní úspory náklad se týká všech inností rafinerie a zahrnuje plánování, napln ní kapacit, plynulost zpracování, management technického úseku, údržbu, iniciativy zdola ( operátor ), nové projekty a obnovu za ízení. Za ízení západních rafinerií bylo v p evážné v tšin upravováno v dob po velké ropné krizi a zárove zapo ala probíhat koncentrace výroby do v tších celk s komplexním zpracováním. Podpora výzkumu a nových sm r v oblasti chemického inženýrství, využití prost edk IT a moderního managementu se stalo hlavním sm rem, jak uplatnit novinky a snížit výrobní náklady. Hlavním tématem ovšem z stává styl provozu a pov domí personálu rafinerie o nutnosti šet it. Podle n kterých pramen ( Shell) se dá ušet it až 20 % energií pouhým dodržováním nejlepších praktik bez nutnosti investic. 2. Energetický management Benchmarking Rafinerie se zú ast ují tzv. benchmarkingu, p i kterém se pravideln 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 ada ukazatel, mezi nimiž je také energetická náro nost vyjád ená tepelnými jednotkami nebo indexy a finan n na tzv. marginální palivo. B hem studie se vyhodnotí p íležitost pro zlepšení. Nicmén vypln ní gapu je limitováno ekonomickými nástroji a návratností. Ty jsou vždy specifické a charakteristické pro danou rafinerii, její historii a dlouhodobý vývoj. 1393

2 Denní management Rafinerie, které dosáhly význa ných energetických úspor, mají zaveden úspor s hlavním d razem na denní management a kontrolu. Je stanovena role sm nových manager a technolog, kte í denn kontrolují dodržování technologického režimu jednotek s vlivem na pot eby energií. Úsp šný denní management pot ebuje organiza ní nástroje a softwarové prost edky. Jako minimální jsou elektronicky vedené technologické karty on line, kde je možno sledovat jednotlivé prom nné technologického režimu s d sledkem na zvýšené spot eby energií. D ležitým nástrojem je datový informa ní systém rafinerie, ve kterém je možno vyhledat trendy veli in za zkoumané období a analyzovat další možnosti. Informa ní sytémy umož ují i optimaliza ní funkce a pomocné výpo ty pro technologii a operátory p i ešení mén snadných provozních stav. eská rafinerská vlastní nap. REKON ( Chemplant Technology), který umož uje on-line sledování zanášení vým níkové ady ropné destilace 2. Podle výsledk je tak možno naplánovat išt ní vým ník za provozu k dosažení jejich stabilní ú innosti. Rafinerie používají simula ní modely pro za ízení s vysokou spot ebou energií ( destila ní kolony, n které katalytické procesy) a formou pravidelných provozních test bývají zjiš ovány optimální podmínky. V rafinerii musí být vytvo eno prost edí, kde úspory energií jsou jednou z priorit. K tomuto pat í systém stanovování osobních cíl a úkol, ur ování indikátor výkonnosti (KPI) a ocen ní a odm n pro operátory i sm ny, kterým se da í snižovat spot ebu energií. Hlavní nástroje pro management energií. Podstatnými nástroji pro management energií je pravidelné sledování spot eb energií, jejich vykazování, reportování a analýzy, zadávání cíl, kontrola proces a jejich ízení. Tyto nástroje mají nes etné podoby, ale jejich spole nými rysy jsou nejen vyšší energetická ú innost, ale také snížené prostoje za ízení v d sledku neplánovaných odstávek, redukce náklad na údržbu a snížení zatížení životního prost edí. Vysp lé rafinerie používají i APC (Advance Process Control) pro on-line ízení n kterých provozních jednotek i uzl nebo pokro ilejší metody celkového plánování a ízení technologických proces, které mají vliv na optimální vedení technologického procesu. Údržba za ízení Údržba za ízení s vazbou na spot eby energií je rovn ž jednou z priorit. Opravy izolací za ízení a potrubí, pravidelné išt ní vým ník a pater destila ních kolon, t sné kondenza ní hrnce a svody kondenzátu se považují za samoz ejmost. Pozornost bývá v nována i vzdáleným aktivitám, jakými jsou údržba procesích analyzátor, smy ek m ení a regulace, správné p epo tové rovnice v m i ích nebo ídících systémech atd. Nesprávné údaje v posledn jmenovaných za ízeních mohou mít negativní vliv na spot eby energií i na jejich vykazování. Racionalizace výrobních proces Technologie a výrobní jednotky, postavené p ed asem, mohou mít problém dlouhodob obstát z hlediska pom ru marže a náklad. Mnohé z nich se stávají ztrátovými v d sledku konkurence ( tlak na snížení marže) a volby technologického procesu s vysokými náklady a 1394

3 energetickou náro ností. O takových procesech je nutno rozhodnout, zda budou provozovány dále, zda existuje dostatek d vod pro jejich udržení v provozu nebo jednotky budou uzav eny. Tímto zp sobem lze uspo it suroviny, chemikálie, energie, pracovní sílu, údržbu a v n kterých p ípadech po demolici získat místo pro jiné procesy. Maximální využití stávajících kapacit Každé ze za ízení rafinerie má ztráty tepla do okolí, a to i p es dobrou izolaci, která zpomaluje tepelný tok. Pokud využíváme za ízení na maximum, rozpouštíme tyto ztráty do v tšího množství výrobk a m rné energetické náklady tak klesají. Quality give away Tímto pojmem bývají v rafineriích ozna ovány excesy v kvalitách vnit ních proud nebo výrobk, které nejsou nutné, z nichž nemá užitek ani rafinerie, ani kone ný uživatel výrobku a jejichž udržování stojí mnoho energie. Velké množství energií stojí nap íklad vysoký separa ní index produkt surovinové destilace, bez ohledu na to, že produkty jsou dále rafinovány a destila n upravovány. Sou asná nízkosirná motorová nafta by m la mít obsah síry inklinující spíše k 10 ppm než k 2 3 ppm, kdy nízký obsah síry vede k vysoké spot eb energií, katalyzátoru, vodíku a zatížení životního prost edí. Obdobných p ípad je v b žné rafinerii pom rn dost. 3. Nové investice do úspor energií Pokud je systém ízení rafinerie ádn nastaven a nedochází k plýtvání energiemi, je možno vyhledávat p íležitosti k zlepšení funkce za ízení investi ní povahy. Tyto projekty jsou specifické a jsou vždy ušity na míru pro konkrétní za ízení a podmínky. Nov budované jednotky bývají navrhovány tak, aby dosahovaly nejv tší možné energetické efektivnosti. V p ípad staršího za ízení je otázkou, kde hledat p íležitosti ke zlepšení funkce za ízení. V následujícím p ehledu jsou uvedeny n které obvykle používané metody pro snížení spot eb energií. V p ísp vku nejsou popsány možnosti v podnikových energetikách, protože nebyly p edm tem analýz v rámci eské rafinérské, odkud byly nám ty p evážn erpány. P edeh íva e V pr myslu zpracování ropy dosahují pece výkon v desítkách MW a pat í k nejv tším spot ebi m tepla ( až 60 % celkové spot eby). Nesprávnou funkcí lze proto ztratit mnoho energie. Hlavními metodami kontroly funkce pecí je sledování obsahu kyslíku (nejlépe také CO) ve spalinách, p ednostn v radia ní sekci. Ut sn ním spár, jimiž je p isáván vzduch, se snižuje pokles teploty spalin a zkreslování údaj analyzátoru kyslíku. Celkové množství spalin by m lo být udržováno jako nejnižší možné. Dobrá izolace pece, išt ní vlásenek a jejich pravidelné odkoksování by m ly být p irozenými aktivitami zarážek stejn jako pravidelné išt ní a se izování ho ák. 1395

4 Vým níky pro p edeh ev spalovacího vzduchu spalinami Pomocí vým ník spaliny- vzduch je možno výrazn zlepšit ú innost pecí, aniž by byla produkována nízkotlaká pára ( jiný ze zp sob využití tepla spalin) nebo komplikován proces integrací s p edeh evem media pro jinou jednotku. Efekt se projevuje p ímo v úspo e paliva. Zpravidla nevyhovují p vodní ho áky a p edeh evem vzduchu se zhorší podmínky pro tvorbu NOx. Instalaci nízkonoxových ho ák, které problém eší, musí p edcházet studie, zda nedojde k celkovému zhoršení funkce pece vlivem specifického zp sobu ho ení paliva v nízkonoxových ho ácích. Dolní teplotní mez využitelnosti tepla spalin je dána rosným bodem a možností kondenzace kyselé vody v odvodech spalin nebo komínech. V rámci p ípravy projektu se zvažuje i výhledová koncepce v obsahu síry v palivu. Vým níkové ady velikých spot ebi ( ropná atmosférická a vakuová destilace) Mnohé z jednotek byly stav ny v dob, kdy neexistovaly moderní výpo tové metody, a proto jejich vým níková ada nemusí pracovat v optimálním režimu. PINCH metoda ( viz níže) m že odhalit potenciální zvýšení ú innosti pouhým p epojením vým ník i jejich dopln ním. Analýza reálných systém v praxi 3,4,5 vyžaduje respektovat adu vliv, které ovliv ují energetickou bilanci (r zné provozní režimy, sezónní vlivy, apod.). D ležité je též použití validovaných procesních dat 2. Kotle na odpadní teplo Využití odpadního tepla pro výrobu páry je b žnou metodou pro zlepšení ú innosti pecí a odvodu tepla z proces. Nicmén ú innost stoupá s klesajícím tlakem vyráb né páry. V rafineriích však bývá p ebytek nízkotlaké páry na prahu sytosti, zvlášt v letním období. Je možno využít ejektor a zlepšit entalpii nízkotlaké páry pomocí páry s vyšším tlakem, jeli v procesech taková pára využitelná. Z odluh vysokotlakých kotl je možno získávat páru.. Integrace technologických proces Integrace vým ny tepla mezi rafinérskými procesy umož uje využítí synergií v rafineri a tím lze dosáhnout vysoké energetické efektivnosti. Klasickým p ípadem je kombinace atmosférické a vakuové destilace ropy, která je vždy efektivn jší než ob jednotky provozující separátn, i když jsou navrženy optimáln. Dalšími p ípady mohou být vým na horkých proud, integrace uvnit FCC jednotky a mnohé hluboké integrace nap í rafinerií. Integrace se týká nejenom p edeh ev, ale i chlazení a jako spolehlivý prost edek k odhalení zdroj úspor je možno použít PINCH metodu 1. Metoda sama byla vyvinuta po první ropné krizi v 70. letech univerzitou v Manchesteru, a stala se nejspolehliv jším nástrojem na ešení složitých energetických systém. V principu jde o sestrojení dvou k ivek, pro p edeh ev a chlazení v grafu teplota-entalpie a místo maximálního p iblížení k ivek je pinch bodem, 1396

5 tedy minimálním termodynamickým bodem pro p edeh ev a chlazení. Metoda sama byla mezitím rozší ena i do oblastí mimo energie ( vodíkové hospodá ství, hospoda ení s vodou,zdroje kapitálu, pracovní síly atp). Mnohé z rafinerií již uplatnily již celkové p ezkoumání PINCH metodou pro energetické a hmotové toky. Je publikováno, že úspory energií v t chto rafineriích by mohly teoreticky dosáhnout až 30 %, ovšem po analýze návratnosti bývají skute n navrhovaná opat ení redukována p ibližn na polovinu. Druhým problémem celkové integrace je provozuschopnost v rozumné nezávislosti rafinérských proces. Rafinerie se musí p izp sobovat tržním požadavk m, sezónnosti spot eby paliv a ad jiných mechanism, což by v n kterých p ípadech plná integrace ztížila. Rozvody páry Rozvody (potrubní propojení) by m ly být svojí sv tlostí p im ené. Pokud jsou sv tlosti vyšší, jsou vyšší nejen investi ní náklady a údržba, ale také ztráty tepla. Pokud jsou nižší, m že být jejich integrita ohrožena erozí a mohou se vyskytnout problémy tlakových ztrát. Dobrá izolace m že ušet it až 15 % tepelných ztrát. Jak již bylo výše zmín no, k tomu pat í i ádná údržba izolací a údržby kondenza ních hrnc se zabrán ním p ímých únik páry do expander. Pára z expander je využitelná v závislosti na tlaku pro nízkotlaké systémy, anebo k vytáp ní a oh evu vody. V n kterých starších rafineriích je množství p írubových spoj a m že docházet k net snostem. Spirax navrhl vzorec, kterým je možno odhadnout množství uniklé páry podle výšky vle ky z net snosti a tak kvantifikovat ztrátu finan n. Postup usnad uje rozhodnutí, zda se vyplatí potrubí v. návazných jednotek odstavit a net snost opravit, anebo zda je nutno net snost tolerovat do nejbližší odstávky. P epatrování destila ních kolon Výzkum a vývoj v destila ních patrech vedl v poslední dob k odkrytí d íve netušených možností ve snížení energetické náro nosti. Snížení tlakové ztráty a celkového provozního tlaku a zvýšení ú innosti m že p inést snížení reflexního pom ru a p edeh evu. Obdobné zásahy nejsou náro né ani investi n, ani z hlediska implementace a jejich efekt bývá vysoký. Rekuperace vodíku a flérových odplyn Vodík je možno získat z odplyn po kondenzaci LPG ( membránové technologie, PSA) Obdobn je možno získávat uhlovodíkové odplyny z vedení na fléru. Elektrické motory, kompresory, erpadla A koliv spot eba elektrické energie nebývá v rafineriích zásadní z hlediska náklad, s rostoucími cenami se stále více vyplatí investovat do úprav systém pro dopravu plyn a kapalin a do pohonných jednotek. Ze škály možností je pro elektrické motory nejd ležit jší elektronická kompenzace jalové energie a pro v tší stroje elektronické regulátory otá ek. P i doprav tekutin je podstatná správná velikost erpadel z hlediska výkonu a výtla né výšky. Problémy mohou vznikat v tankovištích, kde zm ny nekopírují a n kdy ani nemohou kopírovat úpravy ve výrobních jednotkách. N které nápravy je možno zajistit prostým zkroužením ob žného kola daného erpadla, jindy mohou pomoci op t regulátory otá ek 1397

6 nebo odstran ní škrcení v trase dopravované tekutiny. P im ená sv tlost potrubí a dimenze regula ních ventil mají p íznivý vliv na dopravu provozních medií. P i kompresi v okruhu ( hydrogenace, hydrokrak) je nutno dbát na nejvyšší možnou kondenzaci v chladi i p ed separátorem a tím minimální hustotu okružního plynu. Expanzní turbíny V rafineriích se v ad jednotek pracuje s vyššími nebo vysokými tlaky plynných medií. Jejich uvoln ní bývá zajiš ováno tradi n škrcením reduk ními i regula ními ventily. Expanzní turbíny mohou p isp t k rekuperaci energie a mohou být za azeny do pohonu erpadel nebo opat eny generátory na výrobu elektrické energie. Tepelná erpadla Tepelná erpadla mají mnoho variant. Je možno je uplatnit p i využití nízkopotenciálního tepla nebo mohou být za azeny i pro p evody tepla v rámci rafinérských jednotek. 4. Záv r Úspory energií pat í k nejd ležit jším sou asným aktivitám rafinerií. Lze je docílit kvalitním energetickým managementem ze stávajících zdroj nebo v d sledku implementace projekt. Vyplývají z požadavku doby vysokých cen energií, zvýšení cen materiál pro energetická za ízení a dále z požadavk na ochranu životního prost edí. A koliv vysoké ceny energií nejsou p íznivým faktorem pro rafinerii, na druhé stran poskytují p íležitost k realizaci projekt, jejichž návratnost by za jiných okolností nebyla nep ijatelná. P ísp vek uvedl n která z b žných technologických opat ení, 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, Validace dat v chemickém pr myslu a energetice. Zpráva CPT , ke stažení na 3. Rozbor energetické náro nosti destilace ropy NRL v rafinérii Litvínov. Zpráva CPT , Ústí nad Labem Rozbor energetické náro nosti destilace ropy AVD v rafinérii Litvínov. Zpráva CPT , Ústí nad Labem Rozbor energetické náro nosti vakuové destilace PSP v rafinérii Litvínov. Zpráva CPT , Ústí nad Labem