مدلسازی، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی مصرف آب در پالایشگاه‌ها و مجتمع‌های پتروشیمی

دانش‌ نفت: با توجه به رشد روزافزون جمعیت و توسعه صنایع که افزایش بیش از پیش مصرف آب را به دنبال خواهد داشت اهمیت استفاده مجدد از پساب به عنوان منبعی قابل اطمینان بیشتر نمایان می‌شود. دانشمندان معتقدند آینده از آن کسانی خواهد بود که بهترین استفاده را از آب کنند، بطوری که در سالهای آینده دیگر شاهد جنگ نفت نخواهیم بود و شاید در آینده‌ای نه چندان دور شاهد جدال برای دستیابی به آب در جهان باشیم. از آنجا یکی از محورهای اصلی توسعه پایدار در صنایع مختلف استفاده بهینه‌ از منابع است، در کشورمان نیز شاهد اجرای طرح‌های مختلفی در راستای بهینه‌سازی منابع انرژی هستیم. مهندس مهدی گوگل، کارشناس برجسته مرکز تحقیقات انرژی پژوهشگاه صنعت نفت، تاکنون مسولیت پروژه‌های متعدد بهینه‌سازی را در واحدهای پالایشگاهی، نیروگاهی و پتروشیمی کشور برعهده داشته است. گوگل وضعیت فعلی کشور را در صنایع utility (آب، برق و بخار) ممتاز ارزیابی می‌کند؛ وجود سازندگان بین‌المللی نیروگاه، توربین‌های گازی، دستگاه‌های آب شیرین‌کن در کشور را شاهدی بر این مدعا می‌داند. وی رمز موفقیت صنایع utility در کشور را توجه ویژه به ارتباط قوی صنعت و دانشگاه می‌داند به گونه‌ای اکثر نفرات حاضر در این شرکت‌ها از قلب صنعت آمده‌اند و ملاک جذب نیرو در این شرکت‌ها علم نانوشتۀ تجربه عملیاتی در کنار دروس دانشگاهی است. گوگل معتقد است؛ در فرآیندهای مختلف پالایشگاهی هم، در صورت توجه ویژه به تجربیات با ارزش عملیاتی و بهره‌برداری، این صنعت با جهشی چشمگیر از واردات تجهیزات و دانش فنی از خارج بی‌نیاز خواهد شد. برای آگاهی از روند طرح‌های اجرا شده از سوی پژوهشگاه صنعت نفت، با مهندس گوگل، به عنوان پژوهشگری که مدیریت طرح‌های مدلسازی، شبیه‌سازی را در پالایشگاه‌های نفت، گاز و مجتمع‌های پتروشیمی برعهده داشته گفتگویی داشته‌ایم که در ادامه می‌خوانیم.

جناب گوگل، با تشکر از وقتی که در اختیارمان قرار دادید، لطفا در ابتدا درباره چگونگی پیدایش بحث بهینه‌سازی در صنعت توضیحاتی ارائه فرمایید.

بعد از جنگ جهانی دوم، برای اینکه سود خالص در پروژه‌های صنعتی افزایش پیدا کند و شرکتها قادر باشند در دوره پیشرفتهای تجاری و صنعتی ادامه حیات دهند، رقابت شدیدی برای کاهش هزینه‌های بهره‌برداری که از درآمد کم می‌شود آغاز شد. شایان ذکر است هزینه‌های بهره‌برداری به مواردی شامل (هزینه برق، آب، سوخت، تعمیر و نگهداری، حقوق پرسنل و…) که از درآمد کارخانه کم‌ می‌شود اطلاق می‌شود.

 به این ترتیب تحقیق دانشگاه‌ها برای پیدا کردن راهکارهایی موثر جهت کاهش مصرف انواع سطوح یوتیلتی در صنایع و نیروگاه‌ها آغاز شد. اکنون بیش از 60 سال است که در غرب بر روی بهینه‌سازی و روش‌های کاهش مصرف انرژی کار می‌شود. در طی این سال‌ها ابزارها و روش‌ها جدیدی اختراع شد، رشته‌های جدیدی مانند مهندسی صنایع به وجود آمد و بهینه‌سازی در اشکال گوناگون وارد زندگی روزمره بشر شد. در کشور ما هم با تاخیر، حرکت بهینه‌سازی در دانشگاه‌ها آغاز شد، حرکتی که بدون توجه به دانش عملیاتی در صنایع شروع گردید و طبیعتا نتیجه مطلوبی در برنداشت. این امر باعث خدشه‌دار شدن اعتماد واحدهای صنعتی به مراکز تحقیقاتی در اجرای موفق طرح‌های بهینه‌سازی شد.

چطور شد که پژوهشگاه وارد عرصه بهینه‌سازی انرژی شد؟

در پژوهشگاه با زحمات مهندس کاظم کاشفی، مرکزی به نام انرژی مستقر گردید که رسالت اصلی‌اش بهینه‌سازی مصرف آب، انرژی، سوخت و بخار در صنعت نفت است، یعنی اقلامی که اصطلاحا به utility معروف هستند. مرکز تحقیقات انرژی پژوهشگاه از همان ابتدای کار با در نظر گرفتن اهمیت و نقش حیاتی تجربه عملیاتی و بهره‌برداری در موفقیت پروژه‌ها با به کارگیری افرادی که از دانش عملیاتی بالایی بهره می‌بردند، پروژه‌های متعددی را در حوزه‌های گاز، پالایش و پتروشیمی اجرائی نمود.

عدم توجه به تجربه عملیاتی و بهره‌برداری در کنار دانش تئوری و نرم‌افزاری غیرقابل اجرا شدن نتایج پروژه‌ها و تضمین شکست طرح‌ها تضمین خواهد نمود.

امروزه وجود نرم‌افزارهای اصطلاحاً قفل شکسته سبب شده تا محققان مسیر مدلسازی را فراموش کرده و تنها جهت شبیه‌سازی ادوات و فرآیندها از نرم‌افزار استفاده کنند. اما جهت شبیه‌سازی مدلهای موجود در نرم‌افزارها نیز باید به دانش بهره‌برداری و تجربه سایت مجهز بود و گرنه اطلاعات ورودی نامناسبی جهت صفر کردن درجه آزادی ارائه می‌شود که منجر به عدم انطباق مدل با صنعت خواهد شد.

در پژوهشگاه صنعت نفت، عمده موفقیت‌ها را در کسب دانش فنی، شیمی‌دان‌ها برعهده دارند و بخش عمده‌ای از پتنت‌ها را ثبت نموده‌اند. به این خاطر که ساعات زیادی را در طول روز کاری در صنعت و سایتشان که در واقع همان آزمایشگاه است می‌گذارنند.

البته توجه به اصل مهم قرار گرفتن تجربه حضور در سایت و عملیات در کنار مطالب تئوری برای رئیس وقت مرکز تحقیقات انرژی جناب آقای مهندس ترکی موضوعی بدیهی بود و حتی از سوی ایشان دیکته می‌گردید. زیرا وی فردی است که از قلب صنعت به پژوهشگاه آمده و دارای کوله‌باری از تجربیات ارزشمند در حیطه عملیات و بهره‌برداری است. لذا این مهم نقش کلیدی و غیرقابل انکاری در موفقیت‌های مرکز داشته است.

با در نظر گرفتن عوامل فوق، پروژه‌های تعریف شده یکی پس از دیگری به ثمر رسید و اجرائی شد که از جمله آنها به موارد ذیل اشاره می‌شود:

چگونه از تکنیک‌های شبیه‌سازی و مدلسازی برای برطرف کردن مشکلات واحدهای صنعتی بهره می‌گیرید؟

مسیر علمی به این صورت است که باید در ابتدای هر پروژه‌ای پدیده مورد مطالعه از یک بیان فیزیکی به بیان ریاضی ترجمه شود. یعنی هر پدیده قابل مشاهده مانند انتقال حرارت و جرم در یک دستگاه باید از فیزیک و شیمی به ریاضیات ترجمه شود. در دنیای علم به چنین کاری مدلسازی گفته می‌شود که خود شامل یک مجموعه از معادلات تساوی و نامساوی است. بسیاری از معادلات تساوی و نامساوی در کتاب‌ها، پتنت‌ها و مقالات موجود است، اما بخش بزرگی از این معادلات و نامساوی‌ها در هیچ منبع اطلاعای نیامده‌اند، که همان دانش نانوشته است که از آن به تجربه عملیات و بهره‌برداری تعبیر می‌شود. ما در معادلات ایجاد شده در پژوهشگاه معادلات تساوی، نامساوی که از جنس تجربه عملیات است را به کار می‌بریم، یعنی محدودیتها و ریزه‌کاری‌های راه‌اندازی، تعمیرات، خوردگی، تنش، اقتصاد، مشکلات کارگاهی، جانمائی، ایمنی، آتش‌نشانی، بازرسی، واکنشهای اضطراری، اطمینان مهندسی و بهره‌برداری تجهیزات بخشی از معادلات مدلسازی‌هایمان می‌باشد. سپس تعداد متغیرهای مستقل را با تعداد معادلات تساوی برقرار می‌کنیم. (برای اینکه قادر باشیم دقیقا شبیه آن پدیده‌ای که در صنعت اتفاق می‌افتد را شبیه‌سازی کنیم). بنابراین بعد از مدلسازی، با تکنیک‌های شبیه‌سازی، مدل‌های ریاضی ساخته شده از لحاظ شبیه‌ بودن به مدل واقعی و صنعتی بررسی می‌شوند.

امروزه شرکت‌های معتبر آب، برق و بخار کشورمان که دارای شهرت و اعتبار بین‌المللی هستند، در جذب نیرو علاوه بر مدرک دانشگاهی توجه ویژه به دانش حضور در سایت و تجربه عملیاتی دارند که این رمز موفقیت آنان است.

بعد از شبیه‌سازی، تابع هدف برای مدل ریاضی مشخص می‌شود؛ یعنی به تناسب اهداف مطلوبی نظیر کاهش مصرف آب، کاهش مصرف سوخت، کاهش مصرف آمین در برج‌های جذب، افزایش تولید بنزین در پالایشگاه یا افزایش سوددهی، مدل ریاضی طوری حل می‌‌شود که از بین جواب‌های حاصل، آن که مطلوب‌تر و به هدف تعیین شده نزدیک‌تر است، انتخاب شود که به این کار اصطلاحا بهینه‌سازی گفته می‌شود.

با توجه به اینکه مرکز تحقیقات انرژی، تاکنون طرح‌های بهینه‌سازی متعددی در واحدهای صنعتی کشور با موفقیت کامل به انجام رسانیده است، که در زمره افتخارات پژوهشگاه به شمار می‌روند، لطفا درباره این پروژه‌ها توضیحاتی بفرمایید.

تاکنون در حوزه بهینه‌سازی طرح‌های گوناگونی با موفقیت کامل اجرا شده‌اند و در گوشه و کنار کشور واحدهای صنعتی مختلفی تحت دانش فنی پژوهشگاه مشغول به کار هستند. یکی از مطرح‌ترین این پروژه‌ها، طرح استفاده مجدد از آبهای دورریز بلوکهای اسمز معکوس پتروشیمی فجر است که با اجرای آن 62000 مترمکعب برداشت روزانه این شرکت از رودخانه کارون کاهش یافت. پروژه کاهش مصرف آب در پتروشیمی رازی طرح موفق دیگری از مرکز تحقیقات انرژی است که با اجرای آن 2400 متر مکعب در روز برداشت این شرکت از رودخانه کارون کاهش یافت. همچنین در پالایشگاه گاز شهید هاشمی‌نژاد خانگیران طرح بهینه‌سازی مصرف آب انجام شد که به موجب اجرای این طرح 650 متر مکعب در روز مصرف آب این پالایشگاه کاهش یافت که این میزان برابر با 40 درصد از کل مصرف این واحد صنعتی است. همزمان با اجرای این پروژه، طرح دیگری در پالایشگاه فوق به منظور بالانس بخار فشار پایین اجرا شد که نتیجه آن جلوگیری از اتلاف 50 تن در ساعت بخار فشار پایین در پالایشگاه است. شایان ذکر است در جریان اجرای همه این پروژه‌ها، پژوهشگاه لایسنسور بوده و با همکاری تنگاتنگ کارکنان عملیاتی و صنعتی و مشاورین، طرح‌های مذکور به ثمر رسیده است و رمز موفقیت همه آنها توجه ویژه به دانش عملیات و بهره‌برداری است.

با عنایت به اینکه پروژه بهینه‌سازی در پالایشگاه شهید هاشمی‌نژاد (خانگیران) از جمله طرح‌های شاخص است که با حضور معاون رییس جمهور افتتاح شده و مورد تقدیر کارفرما قرار گرفته، در مورد خصوصیات و روش اجرای این طرح توضیح دهید.

همانطور که می‌دانید، پالایشگاه خانگیران یکی از پالایشگاه‌های مدرن کشور است. از نظر مدیریت علمی هم این پالایشگاه، سرآمد محسوب می‌شود، به گونه‌ای که اکثر مدیران فعلی پالایشگاه‌های گاز کشور مراحل ترقی را در این واحد صنعتی طی کرده‌اند. طبیعتا فعالیت در چنین پالایشگاهی و اجرای یک پروژه صنعتی بسیار سخت به نظر می‌‌رسد. اما ما از بدو کار با همکاری تنگاتنگ با پرسنل این پالایشگاه از جمله آقایان قربانی، محجوبی، علاقه‌بند و بویژه باتقوی با بررسی‌هایی که به عمل آوردیم متوجه شدیم که مقداری از آب‌های دورریز این مجتمع شامل آب‌های دورریز برج‌های خنک‌کننده، بویلرها، سیستم‌های رزینی و آب‌های سطحی قابل بازیافت است. بنابراین این سیستم‌ها را مدلسازی و شبیه‌سازی کردیم، به طوری‌که بهترین سیستم بازیافت را از دیدگاه اقتصادی (توابع NVP و IRR) راحت بودن راه‌اندازی در کنار سهولت تعمیرات و نگهداری، حفظ سطح موجودیت (Availability) و اطمینان مهندسی پالایشگاه که مدنظر همکاران واحد عملیاتی بود را ارائه نمودیم. بعد از مدلسازی شبکه آب و پساب و با وارد کردن سیستم تصفیه انتخاب شده در این مدل، تمامی آب‌های دورریز بازیافت شده به سیستم برگشت و مورد استفاده مجدد قرار گرفت.گفتنی است تا قبل از اجرای این پروژه، تمامی این پساب‌ها از سیستم خارج می‌شد و حتی آلودگی‌های زیست محیطی فراوانی ایجاد می‌کرد. همچنین با بازیافت آب‌هایی که سابقا دور ریخته می‌شد این امکان فراهم گردید تا آب بازیافتی به دست آمده در مصارفی مانند برج‌های خنک‌کننده مورد استفاده مجدد قرار گیرد.

گویا همزمان با اجرای این پروژه، طرح دیگری نیز برای مسئله بهینه‌سازی بخار پالایشگاه شهید هاشمی‌نژاد (خانگیران) با ابتکارات پژوهشگاه ارائه شده است؟ لطفا درباره این پروژه توضیح دهید.

در واقع این مشکل مربوط به بالانس بخار فشار پایین پالایشگاه بود. یعنی بخارهای فشار بالا که توسط بویلرها تولید می‌شد، طی فرآیندهای مختلفی (توسط شیرهای فشارشکن و برخی مصرف‌کننده‌ها) به شکل بخار فشار پایین در می‌آید. از آنجا که حجم فشار پایین تولید شده در سیستم بالا رفته بود و برای مصرف آن تدابیری اندیشیده نشده بود، منجر به تشکیل مقادیری بخار مازاد در سیستم می‌شد. طبیعتا بخار مازاد ایجاد شده می‌بایستی با مصرف برق تبدیل به مایع می‌شد که یک عمل غیرفنی بود و موجب مصرف بیهوده انرژی می‌گردید. ما برای حل این مشکل کل شبکه بخار را مدل کردیم، با این هدف که بخار فشار پایین به میزان معقول تولید شود تا دیگر نیازی به اتلاف انرژی و استفاده از برق برای کاندنس کردن نباشد. اجرای این طرح مستلزم خارج‌سازی برخی سیستم‌های قدیمی از مدار بود. بنابراین سیستم‌های Evaporaor به طریقه standby از خط خارج شد و سیستم‌های تصفیه دیگری برای تامین آب BoilerFeedWater طراحی گردید که این اقدامات تاثیر شگرفی در کاهش مصرف آب داشت، چرا که وقتی بخار دور ریخته شود، برای جبران آن بایستی دوباره آب تصفیه شده برای تبدیل به بخار وارد بویلرها گردد.

از پروژه بهینه‌سازی پتروشیمی فجر به خاطر وسعت کار انجام شده، معمولا با عنوان بزرگترین پروژه بازیافت آب در خاورمیانه نام برده می‌شود؟ روند کار در این طرح به چه صورت بوده است؟

در اهمیت پتروشیمی فجر همین بس که کل نیاز utility (آب، برق و بخار) پتروشیمی‌های منطقه اقتصادی ماهشهر را تامین می‌کند. یعنی در صورت متوقف شدن این واحد، تمامی واحدهای منطقه از حرکت باز می‌ایستند. بنابراین کلیدی‌ترین پتروشیمی در منطقه محسوب می‌شود و از نظر وسعت کار نیز به لحاظ اینکه آب، برق و بخار پتروشیمی‌های متعددی را تامین می‌کند، یکی از بزرگترین یوتیلتی‌های جهان در کنار پتروشیمی مبین در عسلویه است. از سوی دیگر این پتروشیمی از کارکنانی بسیار مجرب و مدیریت علمی قوی برخوردار است که در صدر این مدیران نام مهندس شهریاری که از نوابغ پتروشیمی کشور به شمار می‌رود می‌درخشد. در پتروشیمی فجر هم بهره‌گیری از ترفندهای ارائه شده از سوی مشاور عملیاتی پروژه باعث گردید، از دورریز سیستم‌های تصفیه آب، استفاده مجدد شود و به میزان 20 درصد، برداشت آب از رودخانه کارون کاهش یابد. در واقع پسابهای خروجی از سیستم‌های تصفیه آب کارون که تا قبل از این دور ریخته می‌شد و با سیستم‌های تصفیه مرسوم نظیر اسمز معکوس بدلیل نیاز به فشار بالا و تبخیری بدلیل مسائل اقتصادی غیرقابل تصفیه به نظر می‌رسید را مورد مطالعه قرار دادیم و بگونه‌ای از ترکیب ماژول‌های تصفیه استفاده کردیم که بدلیل شرائط نامطلوب پساب دچار افت شار و افزایش فشار نگردیم. در این راستا نتوانستیم به میزان 73 درصد از پساب‌های خود سیستم‌های تصفیه، به صورت کاملاً اقتصادی بازیافت و به آب مقطر تبدیل نمائیم. به این ترتیب به میزان 20 درصد برداشت آب از رودخانه کارون کاهش یافته که این میزان معادل 62000 متر مکعب در روز است که تا قبل از اجرای پروژه دور ریخته می‌شد و برای جبران نیاز به برداشت آب از رودخانه کارون بود.

کلام پایانی

در اینجا جا دارد از تمامی کسانی که در طی مراحل مختلف پروژه‌ها در شکل‌گیری و اجرا نقش داشته‌اند تشکر کنم. آقای مهندس شهریاری از عوامل اصلی موفقیت پروژه پتروشیمی فجر، مهندس دوکوهکی، مهندس سید نژاد از نوابغ تصفیه آب کشور که از نظر علمی و اجرایی در پروژه نقش حیاتی داشته‌اند و اجرای موفق پروژه بدون حضور این عزیزان قابل تصور نبود. مهندس حسن دزواره مشاور عملیاتی و بهره‌برداری مرکز تحقیقات انرژی، که تمام موفقیت‌هایمان را با ایشان شریک هستیم.