NAUKA – финалист премии «Территория технологий» с решением для анализа теплообменных процессов

Премия «Территория технологий» направлена на отбор и продвижение отечественных разработок, повышающих устойчивость, эффективность и технологическую независимость энергетической отрасли страны. В 2026 году она вручалась по 5 тематическим направлениям. В рамках каждого из них конкурсные проекты оценивались по трем номинациям: лучшее промышленное решение, лабораторный прототип и перспективная идея.

NAUKA подала заявку на участие в номинации «Лучшая перспективная идея» трека «Цифровые решения». Данная номинация предназначена для проектов на стадии концепции или ранней разработки, обладающих высоким потенциалом для внедрения в топливно-энергетический комплекс (ТЭК) страны.

Компания представила комплексное решение для анализа снижения тепловой эффективности промышленных теплообменных аппаратов по мере накопления загрязнений. Тепловая эффективность – это отношение фактически переданного количества теплоты к максимально возможному.

Теплообменное оборудование (теплообменники) – это совокупность специализированных аппаратов, предназначенных для эффективной и безопасной передачи тепловой энергии между технологическими потоками. Эти устройства обеспечивают нагрев, охлаждение, а также испарение и конденсацию сырья, продуктов и промежуточных потоков. На многих производствах, в частности на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ), нагрев осуществляется в трубчатых печах, охлаждение – в «воздушных» и «водяных» холодильниках. Также на НПЗ и других энергоемких предприятиях широко практикуется рекуперация тепла, при которой более горячие потоки охлаждаются более холодными.

Актуальность задачи обусловлена масштабом применения теплообменников в ТЭК и ущербом от их загрязнения. По данным учебного пособия «Машины и аппараты химических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств» Томского политехнического университета, удельный вес теплообменного оборудования на предприятиях химической промышленности составляет в среднем 15-18%, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности – 50%. Высокая доля объясняется тем, что почти все основные процессы химической технологии связаны с необходимостью подвода или отвода тепла.

Согласно данным исследования, опубликованным в журнале Heat Transfer Engineering в 2023 году, экономический ущерб от загрязнений теплообменного оборудования в узлах нагрева сырой нефти в нефтеперерабатывающей промышленности США составляет примерно 1-1,2 млрд долларов США в год (в ценах 2019 года). В отчете Европейской комиссии (проект Horizon 2020) приводятся общие затраты, вызванные загрязнением теплообменников в нефтегазовой отрасли промышленно развитых стран: свыше 4,4 млрд долларов США в год.

Автоматизированный анализ эффективности теплообменных аппаратов необходим, чтобы своевременно предупреждать снижение их тепловой мощности из-за воздействия технологической среды на поверхность теплообмена. В основе решения, предлагаемого NAUKA, лежит цифровой двойник технологического объекта на базе математической модели процесса. Модель создается в среде ПО NAUKA.Proxima с учетом конструктивных особенностей теплообменников. После проверки на фактических производственных данных она позволяет регулярно рассчитывать материальные и тепловые балансы. Также вычисляются коэффициент теплопередачи для определения фактической эффективности теплообмена и термическое сопротивление для оценки накопления загрязнений теплообменников. Интеграция модели с производственной базой данных позволит получать актуальные параметры работы оборудования.

Для поиска путей сокращения затрат на нагрев и охлаждение технологических потоков решение предусматривает пинч-анализ, реализуемый также в NAUKA.Proxima.

Применение этого метода позволит ежедневно определять минимальную движущую силу теплопередачи (разницу температур горячего и холодного теплоносителей в точке пинча) в сети и оценивать, насколько фактическая тепловая эффективность отклоняется от максимально возможной под воздействием различных факторов: производственных заданий, параметров процесса, состояния оборудования и каталитических систем и прочее.

Накопленная статистика работы технологического объекта даст возможность прогнозировать состояние его теплообменной сети. С этой целью планируется использовать функционал NAUKA.Energy для построения регрессионных зависимостей поведения объекта. Прогноз покажет, когда с экономической точки зрения целесообразно производить промывку или чистку того или иного теплообменника без остановки всего объекта. Тем самым будут сведены к минимуму последствия снижения тепловой эффективности аппаратов.

Статистику прогноза предполагается связать с оптимальным планированием производства в NAUKA.Plan. Сочетание моделирования технологических процессов, математической статистики и экономических расчетов повышает качество управления теплообменом, что важно для энергоемких производств.

Новизна решения NAUKA состоит в совместном применении цифрового двойника, пинч-анализа и прогноза загрязнений к задаче управления теплообменной сетью. По отдельности эти инструменты использовались, но их интеграция для анализа эффективности теплообменников не выполнялась.

Решение позволяет отслеживать работу теплообменной сети в реальном времени.

Величина порога может варьироваться в зависимости от мощности трубчатых печей, стоимости топлива и других факторов. Так, опыт эксплуатации установки гидроочистки дизельного топлива на одном из крупнейших российских НПЗ свидетельствует о необходимости промывки и очистки теплообменников от загрязнений, когда тепловая эффективность снижается с первоначальных 100% до 30%.

Такой превентивный подход позволяет снизить перерасход топлива в печах и хладагентов в холодильниках, а также потерю производительности объекта, связанную с эксплуатацией неэффективного оборудования.

В рамках проверки прототипа решения были обработаны исторические данные установки первичной переработки нефти одного из крупных российских НПЗ. Выполнен анализ состояний системы теплообмена до и после планового ремонта. На основе фактических данных о расходе топлива и тепловых балансов было выявлено, что для выбранной установки за трехлетний межремонтный пробег в период 2021-2023 гг. перерасход топлива накопительным итогом в ценах 2023 года достиг 170 млн руб. Это составляет 11,8% от затрат на топливо, рассчитанных для случая отсутствия загрязнений теплообменного оборудования.

Следующие этапы – дальнейшая разработка и промышленная апробация решения.