Расчет баланса и оценка эффективности использования водорода для российского НПЗ в Приволжском регионе

В связи с возросшим за последние годы требованием по увеличению глубины переработки нефти все большую актуальность приобретает вопрос рационального использования водорода на НПЗ. Хорошо известно, что дефицит данного ресурса препятствует проведению гидрогенизационных технологических процессов. Это приводит к уменьшению объёмов производства высокомаржинальных светлых нефтепродуктов. Профицит же нередко вынуждает непродуктивно его расходовать — сбрасывать излишки водородсодержащих газов (далее — ВСГ, смеси с концентрацией водорода более 70% об.) и углеводородных газов (далее — УВГ, смеси с его концентрацией менее 70% об.) в топливную сеть.

Это не только влечёт за собой потерю столь необходимого ресурса, но и может негативно влиять на работу оборудования, сокращая срок его службы. Так, повышение доли водорода в топливном газе снижает плотность смеси и её калорийность, что приводит к необходимости увеличения давления в системе для сохранения уровня тепловой мощности и, соответственно, усилению нагрузки на форсунки и трубы печей.

Возможности решения NAUKA.H₂ вызвали интерес у заказчика, и после консультаций со специалистами NAUKA была достигнута договорённость о реализации пилотного проекта, включающего:
• создание потоковой модели сети распределения ВСГ и УВГ (далее «водородной сети») для предприятия;
• расчёт материального баланса выработки и потребления водорода (далее «водородного баланса»);
• пинч-анализ водородной сети предприятия с предложениями по оптимизации выработки и потребления водорода.

Основной целью заказчика является определение текущей эффективности использования водорода на предприятии, а также способов её повышения, поскольку выработка дополнительного водорода оказывает прямое влияние на себестоимость товарной продукции, получаемой после вторичных процессов переработки нефти.

В качестве критерия успешности проекта была заявлена сходимость водородного баланса с отклонением между выработкой и потреблением водорода не более 10%.

1. Сбор и обработка исходных данных

Заказчиком была предоставлена следующая информация:

• Технологическая блок-схема выработки и потребления водорода на предприятии.

• Результаты лабораторного анализа 42 потоков ВСГ, в состав которых помимо водорода могут входить до 17 примесей, включая азот, кислород, оксиды углерода II и IV, сероводород, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, н‑бутан, изобутан, н‑бутилен, изобутилен, н‑пентан, изопентан, н‑гексан.
• Данные измерений технологических параметров ВСГ и УВГ (температуры, давления, расходов потоков) контрольно‑измерительными приборами (КИП).
• Технологические регламенты 18 объектов (установок, секций, блоков), генерирующих или потребляющих водород.

В состав описания водородной сети вошли модели 18 технологических объектов (установок, секций, блоков).

Производители водорода:

• две установки производства водорода (УПВ);
• две установки каталитического риформинга (КР) бензинов.

Потребители водорода:

• 8 установок (или блоков) гидроочистки (ГО);
• две установки изомеризации (И) лёгких бензиновых фракций, каждая из которых включает блок гидроочистки;
• две установки кислотного алкилирования (КА) для производства бензина, каждая из которых включает два технологических блока, где требуется водород: блок селективного гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов, а также изомеризации н-бутана в изобутан;
• установка производства серы (ПС);
• блок очистки керосина (ОК).

Особая роль в описании водородной сети отведена установке короткоцикловой адсорбции (КЦА), которая фактически выступает в роли «делителя» ВСГ низкой концентрации и концентрации, близкой к 100%.

2. Расчет водородного баланса и определение эффективности использования водорода

Расчёту водородного баланса предшествовало создание потоковой модели водородной сети, которая включает в себя следующее:

• технологические объекты (установки, секции, блоки), генерирующие и потребляющие водород;
• сборные и распределительные коллекторы ВСГ и УВГ;
• технологические потоки, связывающие объекты и коллекторы.

* С установки КЦА также выходит «хвостовой газ» — остаток после концентрирования ВСГ — с содержанием водорода 44,53% об. и расходом 381 кг/ч в пересчете на 100%-й водород.

Суммарно общий баланс в пересчете на 100%-й водород выглядит следующим образом:

Выработка: 14 145,0 кг/ч
Потребление: 9875,8 кг/ч
Сброс в топливную сеть: 4269,9 кг/ч
Отклонение: 1,5 кг/ч (около 0,01%)

На основании баланса была определена эффективность (отношение количества потребленного водорода к выработанному) использования водорода на предприятии, которая составила 69,8%.

3. Пинч-анализ водородной сети и разработка сценариев оптимизации

В основе решения NAUKA.H₂ лежит пинч-метод. С его помощью становится возможным определение точки («пинч») максимального сближения кривой избытка ВСГ и области баланса водородной сети. Разница между изначальным положением данной кривой и ее смещением, полученным после расчетов, позволяет определить избыток водорода, который можно перенаправлять к потребителям без ущерба для производственного процесса на НПЗ.

Отталкиваясь от собранных данных, — топологии сети, технологических регламентов работы установок и других вводных, полученных на этапе сбора информации, а также результатов расчета баланса водорода, для предприятия были предложены 4 сценария оптимизации.

Сценарий 1

Согласно выполненным расчетам, часть ВСГ, полученного на установке концентрирования заводских отходящих газов (КЦА), в количестве 2618 кг/ч поступает в топливную сеть предприятия. Данный поток предлагается перенаправлять на установку гидроочистки дизельного топлива и бензина, которая на текущий момент получает ВСГ высокой концентрации от УПВ-2.

В отличие от КЦА, которая предполагает «отделение» чистого водорода из всего объема потока газа, поступающего на установку, функция УПВ — выработка нового ВСГ. Необходимым условием для протекания реакции парового риформинга, лежащей в основе получения синтез-газа (а затем и чистого водорода при отделении его от оксидов углерода) на УПВ, является поддержка температурного режима на уровне 800 ºС, что требует кратно больших энергозатрат в сравнении с КЦА.

Таким образом, при перенаправлении потока ВСГ высокой концентрации от КЦА на установку гидроочистки дизельного топлива, отсутствии технических ограничений по снижению нагрузки на УПВ-2 и информации о себестоимости выработки чистого водорода на данной установке, равной 57 руб./кг, потенциал экономии может составить:

На рис. 3 графически обозначен этот и еще три возможных сценария оптимизации водородной сети предприятия.

Сценарий 2

В настоящее время 472 кг/ч водорода (в потоке с концентрацией 99,99%) подается от УПВ-2 на КЦА, где происходит его повторное концентрирование, что нецелесообразно. Можно избежать вынужденной подачи ВСГ от УПВ-2 на КЦА, понизив производительность (при отсутствии технических ограничений) УПВ-2 на 472 кг/ч по получаемому продукту в пересчете на 100%-й водород.

Сценарий 3

С установки гидроочистки ГО-3 поток неизрасходованного в процессе реакции ВСГ в количестве 698 кг/ч (в пересчете на 100% водород), направляется вместе с отходящими газами на газораспределительный пункт (ГРП), откуда уходит в топливную сеть. Часть этого потока с концентрацией водорода 90,45% и расходом 325 кг/ч предлагается перенаправить на КЦА.

Сценарий 4

ВСГ в количестве 4968 кг/ч (в пересчете на 100% водород) с установки каталитического риформинга КР-1 направляется в коллектор ВСГ, откуда частично поступает на установку гидроочистки ГО-3, а частично сбрасывается в топливную сеть. При этом есть техническая возможность перенаправить его из топливной сети на КЦА, что и предлагается сделать.

4. Полученное решение

С учетом фактических расходов потоков и ограничений по работе установок (производительность, диапазон устойчивого функционирования, концентрации водорода и др.) разработана модель водородной сети, сведен баланс в пересчете на 100%-й водород, определена эффективность его использования.

Выполнен пинч-анализ сети с предложением возможных сценариев по снижению нецелевого использования водорода.

Заказчик признал проект успешным:

• погрешность расчёта водородного баланса составила около 0,01% при допустимых 10%;
• по результатам расчёта водородного баланса вычислена эффективность использования водорода на предприятии — 69,8%;
• выявлен потенциал оптимизации водородной сети с повышением эффективности применения водорода более чем на 22,5% — за счёт перенаправления водородсодержащего газа из топливной сети на объекты предприятия и, соответственно, снижения производства водорода;
• предлагаемая оптимизация подразумевает экономию свыше 100 млн руб./мес. — 2618 кг/ч или 1885 т/мес. в пересчёте на 100%-й водород.

Заказчик отметил главное преимущество решения NAUKA.H₂ — не только возможность расчёта материального баланса сети ВСГ, но и разработка конкретных сценариев, направленных на оптимизацию производства водорода. Ценность сценариев, по мнению заказчика, также заключается в том, что они не подразумевают капитальных затрат на реконструкцию или модернизацию существующих технологических объектов, а значит — могут быть в дальнейшем реализованы без дополнительных инвестиций.