Нефтеперерабатывающий завод будущего

Этапы развития нефтеперерабатывающей отрасли

Первые нефтеперерабатывающие заводы стали появляться в конце 18-го века. На протяжении почти всего 19-го века их целью было получение осветительного керосина.

Поворотным моментом в нефтепереработке стало изобретение двигателя внутреннего сгорания. Фракция бензина, которая ранее не находила применения, становится с начала 20-го века одним из самых важных нефтепродуктов.

Нефтепереработка — отрасль достаточно консервативная, основные технологические процессы здесь разработаны сто лет назад.

В настоящее время современные НПЗ применяют условно два способа переработки нефти:

• Первичные процессы, где используется физический метод воздействия на нефть. В их основе лежат различия в физических свойствах сырья, таких как, температура кипения, кристаллизация, растворимость и так далее. Целью данных процессов является очистка нефти и разделения её на отдельные фракции.
• Вторичные процессы, использующие химический метод. Этот метод основан на глубоких деструктивных превращениях, которые претерпевают углеводороды, содержащиеся в нефти и нефтепродуктах под влиянием температуры, давления катализаторов.

В области физики научных открытий в ближайшее время не предвидится.

В переработке нефти, где используются химические методы, открытия могут произойти в вопросах катализа. Нефтеперерабатывающие заводы России зависят от импортных поставщиков-катализаторов. Чтобы снять эту зависимость, нефтяные компании стали инвестировать в производство отечественных катализаторов.

В настоящее время идёт четвертая промышленная революция (4.0).

Первая промышленная революция происходила с 18 века по 19 век: переход от ручного труда к машинному. Данный период характеризовался появлением инновационных технологий, изобретён паровой двигатель.

Вторая революция проходила с 1870 года по 1916 год: возникновение сборочного конвейерного производства; период характеризовался усовершенствованием технологий.

Третья промышленная революция началась в 1980 году, она, как и первая, характеризовалась внедрением новых технологий, автоматизацией и компьютеризацией, в этот период изобретён компьютер.

Четвёртая промышленная революция (4.0) характеризуется усовершенствованием технологий — оптимизацией автоматических и машинных процессов.

Прорывные технологии современности

В настоящее время бурно развиваются восемь технологий: «Интернет вещей», «Искусственный интеллект», «Роботы», «Виртуальная реальность», «Трехмерная печать», «Блокчейн», «Дополненная реальность», «Беспилотные устройства».

Для нефтеперерабатывающей отрасли России наступление эпохи цифровизации стало хорошим стимулом к модернизации. При этом используют в основном три технологии: «Интернет вещей», «Искусственный интеллект» и «Роботы».

Справка

Мировой рынок технологий искусственного интеллекта для отрасли нефти и газа оценивался в $2 млрд в 2019 году. Ожидается, что к 2025 году объем рынка достигнет $3,81 млрд, со среднегодовым темпом роста 10,96%. Россия является одним из лидеров по апасам нефти и газа, для реализации данного потенциала необходимо строить больше заводов по переработке углеводородов.

Алгоритм оцифровывания НПЗ

Можно представить 5 уровней оцифровки НПЗ:

1. Молекулярный уровень;
2. Уровень малых объемов;
3. Уровень рабочей зоны;
4. Уровень аппарата;
5. Уровень агрегата.

На первом уровне оцифровывается сама нефть. Существует множество программ, так называемые «менеджеры нефти», которые позволяют оценивать сырье на предмет получения тех или иных фракций и их количество. Программы устанавливают поточные анализаторы, фиксирующие изменения характеристик сырья и продукции в реальном времени. Данные передаются в лабораторию.

На втором уровне оцифровки подвергаются элементарные процессы (ЭП) на НПЗ: гидромеханические (движение жидкости по трубам), теплообменные (передача тепла), массообменные. ЭП рассчитываются на основе дифференциальных уравнений. Оцифровка уровня малых объемов стала возможна с появлением мощных вычислительных аппаратов.

На третьем уровне оцифровке подвергаются рабочие зоны аппаратов. К примеру, это может быть атмосферный блок аппарата — АВТ (атмосферно вакуумная трубчатка). В данном случае определяются свойства этой зоны. Оцифровка осуществляется с помощью программ и вычислительных машин.

На четвертом уровне оцифровывается аппарат в целом. К примеру, для ЭЛОУ (электрообессоливающая установка) ведется расчет отдельных аппаратов, строятся диаграммы, материальные, тепловые балансы, определяются параметры. Этот уровень характеризуется применением облачных технологий, способствующих оцифровке.

Наконец, на пятом уровне собираются отдельные оцифрованные аппараты ЭЛОУ, АВТ в технологическую схему. Есть специальные программы, которые позволяют это делать.

Преимущества и проблемы с внедрением цифровых технологий

Для моделирования технологического процесса создаётся цифровая модель установки, к примеру, АВТ. С ее помощью изучают оригинал установки, прогнозируют поведение установки в тех или иных технологических условиях. При этом, не трогая сам оригинал, получают опыт управления технологической установкой. Но, следует помнить, что цифровая модель установки не может полностью соответствовать оригиналу, то есть несет в себе системную ошибку. Таким образом, опыт управления оцифрованной установкой не позволяет полностью стать специалистом в управлении оригинальной моделью.

К цифровой модели установки предъявляют следующие требования: она должна быть дешевле оригинальной установки, и результаты, полученные на оцифрованной модели, должны быть с большой точностью перенесены на оригинал установки.

Увеличение прибыльности НПЗ связывают с внедрением новых технологий, которые позволят моделировать технологические процессы и повысят производительность труда, эффективность управления, энергоэффективность, скорость реакции на изменения конъюнктуры рынка.

На сегодняшний день основные технологии, которые приводят к сдвигам в экономике — это облачные решения и максимальное использование «Интернета вещей».

НПЗ является масштабным производственным объек­том, здесь небольшая регулярная экономия — ресурсов, времени, энергии, средств — в итоге дает мощный кумулятивный эффект.

Нефтеперерабатывающие заводы в США и Европе уже начали переходить на новые технологии. Одним из значимых показателей такого перехода является сокращение численности работников.

Сопоставив нефтеперерабатывающие заводы Германии и России, можно увидеть, что при сравнительно одинаковой мощности, численность сотрудников на них отличается значительно.

Уже сейчас есть НПЗ, на которых работает минимальное количество людей. Предприятия управляются удаленно, и срок между ремонтами на этих заводах составляет около 10 лет.

Хотя более широкое использование робототехники и компьютеризации сократит общую численность на производстве, число рабочих мест, где требуются навыки в области информационных технологий и науки о данных, увеличится.

Основные проблемы внедрения новых технологий на НПЗ — нехватка кадров, которые имеют компетенции в операционных технологиях и кибербезопасности, обосновании инвестиций в новые технологии и их окупаемости, взаимодействии между IT-специалистами и специалистами-производственниками.

Расширение возможностей подключения к цепочке поставок имеет важное значение, но для обеспечения безопасного обмена данными требуются меры предосторожности.

Поставщики промышленной автоматизации стараются зафиксировать свою монополию в отношении покупателя. При покупке системы автоматизации клиенту навязывают программные продукты, которые не всегда интегрируются с другим программным обеспечением.

В сфере промышленных систем автоматизации, которые поставляются на НПЗ, необходимо добиться, чтобы системы от разных поставщиков были взаимозаменяемы и могли между собой быть интегрированы, что приведёт к снижению цен.

Нефтеперерабатывающий завод будущего будет:

1. Экологически чистым, энергоэффективным, оцифрованным, сможет принимать разнообразное сырье, включая био;
2. Интегрирован с нефтехимическим производством;
3. Быстро реагировать на спрос, переключаясь с выпуска одного вида топлива на другой;
4. Состоять из заменяемых агрегатов со своим ПО, чем-то напоминать конструктор.

Чтобы быть конкурентными на мировом рынке, российским нефтяным компаниям необходимо инвестировать в отечественное ПО и промышленную автоматизацию.

Предстоит переходить от фрагментарной автоматизации отдельных стадий производств, к полностью автоматизированному цифровому производству, управляемому интеллектуальными системами в режиме реального времени.

Необходимо стимулировать профильные вузы, чтобы они готовили специалистов IT-сферы, заточенных на внедре­ние и использование новых технологий.