Рішення для промислових газів для хімічних заводів

Чому хімічні заводи не можуть дозволити собі ставитися до газового забезпечення як до товару

У хімічній промисловості використовуються сировини, а для значної частини промисловості ці сировини - гази. Водень для гідроочищення. Азот для інертування і покриття. Кислород для окислювальних реакцій. Сингаз для виробництва метанолу та амоніаку. Список продовжується. Це не комунальні послуги, які можна включати і вимикати, як електрику. Це процесні входи з певними вимогами чистоти, специфікаціями тиску та графіками доставки, які безпосередньо впливають на швидкість виробництва та якість продукції.

Хімічний завод, який ставиться до поставки промислового газу як до товару, який можна придбати у того, хто пропонує найнижчу ціну в цьому кварталі, грає в небезпечну гру. Вартість непланового перерви постачання газу не вимірюється в ціні за кубічний метр. Це вимірюється за часом простою реактора, продуктом, що не відповідає вимогам, деградацією каталізатора, і вартістю праці, необхідною для відновлення процесу, який ніколи не був розроблений для припинення.

Промисловий ринок газів значно змінився за останні роки. Виробників тисне необхідність зменшити викиди, підвищити енергоефективність та забезпечити надійність у контексті старіючої інфраструктури й жорсткіших екологічних норм. Рішення, які працювали десять років тому, сьогодні можуть бути недостатніми. Операторам хімічних заводів потрібно по-іншому мислити про те, як вони забезпечують та керують поставками газів.

Варіант виробництва на місці порівняно з товарною поставкою

Перше головне рішення для будь-якого хімічного заводу — чи виробляти промислові гази на місці, чи закуповувати їх у товарного постачальника. Обидва підходи мають своє застосування, а правильний вибір залежить від масштабу, характеру споживання та конкретних газів, необхідних для виробництва.

Генерація на місці надає оператору заводу безпосередній контроль над виробництвом. Не існує залежності від цілісності трубопроводу або графіка поставок третьої сторони. Для великих споживачів — наприклад, для заводу амоніаку, якому потрібно кілька сотень тонн водню щодня, або для установки крекінгу етилену, що споживає величезні обсяги кисню — економічні показники, як правило, сприяють генерації на місці. Капітальні витрати вищі на початковому етапі, але експлуатаційні витрати на одиницю газу нижчі, а надійність повністю перебуває в руках самого заводу.

Натомість комерційні поставки мають сенс для менших споживачів або для газів, які потрібні лише періодично. Наприклад, рідкий азот, що постачається автомобілем-цистерною, є практичним рішенням для об’єкта, якому потрібний інертний газ лише під час технічного обслуговування. Капітальні вкладення мінімальні, а завод не зобов’язаний мати штат і забезпечувати обслуговування установки розділення повітря, яка працює з частковим навантаженням більшу частину часу.

Але постачання від торговця має й власні ризики. Сильне погодне явище, що призводить до закриття шосе, може перервати поставки рідкого газу на кілька днів. Проблема з виробництвом у центральному об’єкті постачальника може мати наслідки для кількох клієнтів одночасно. А в регіонах із недостатньо розвиненою промисловою газовою інфраструктурою конкуренція за поставки може спричинити підвищення цін у періоди пікового попиту.

Один хімічний завод на узбережжі Мексиканської затоки в США дізнався про це на власному досвіді під час сезону ураганів кілька років тому. Об’єкт використовував рідкий азот, що постачався автомобільним транспортом, для потреб інертизації та продувки. Коли буря вдарилася, поставки припинилися майже на тиждень. Заводу довелося зупинити роботу кількох установок і понести значні витрати на їхнє повторне запускання — не кажучи вже про втрату виробництва під час простою. Пізніше експлуатуюча компанія встановила невелику автономну установку для генерації азоту як резервне рішення, проте капітальні витрати на цю модернізацію виявилися набагато вищими, ніж у разі її включення до первинного проекту.

Підбір чистоти газу відповідно до вимог процесу

Не всі промислові гази однакові, і вимоги до їхньої чистоти значно варіюються залежно від різних хімічних процесів. Визначення потрібного рівня чистоти — це балансування між вимогами процесу та витратами.

Для більшості застосувань інертизації та захистного газового середовища азот із чистотою 95–99 % є цілком достатнім. Залишкова кількість кисню настільки низька, що не забезпечує горіння чи окиснення чутливих матеріалів. Використання азоту з чистотою 99,999 % у цих випадках надмірне — це збільшує витрати без будь-якої суттєвої переваги.

Проте для певних спеціалізованих хімічних процесів вимоги до чистоти набагато суворіші. Наприклад, азот класу «напівпровідниковий» має містити вологу й кисень у концентрації на рівні частин на мільярд. Для синтезу аміаку потрібен водень із дуже низьким вмістом сполук сірки, які інакше отруюють каталізатор. Вартість очищення зростає експоненціально зі зменшенням допустимого рівня домішок, тому є сильний стимул вказувати лише ту чистоту, яка дійсно необхідна для конкретного процесу.

Специфікація чистоти також впливає на вибір технології генерації. Адсорбція зі змінним тиском (PSA) дозволяє отримувати азот із чистотою 95–99,5 % за порівняно низьких капітальних витрат. Мембранні системи забезпечують аналогічні діапазони чистоти з ще нижчими експлуатаційними витратами, але можуть не досягати верхнього кінця цього діапазону. Кріогенне розділення повітря — єдиний варіант для отримання азоту дуже високої чистоти (99,999 % і вище) та великих об’ємів, де починають діяти економічні переваги масштабу. Кожна технологія має свою оптимальну сферу застосування, і підрядник, який розуміє компроміси між параметрами, може допомогти оператору установки уникнути надмірної або недостатньої специфікації якості газу.

Інженерія надійності для критичних газових систем

Промислові газові системи на хімічних заводах — це не системи, які достатньо встановити й забути. Вони потребують постійного нагляду для забезпечення надійності, а наслідки відмови можуть бути серйозними.

Зупинка подачі водню до гідроочищувача, наприклад, призводить не лише до зупинки цього агрегату — вона поширюється на весь нафтопереробний завод. Агрегати, що працюють після гідроочищувача й використовують очищені сировинні матеріали, також мають знизити продуктивність або зупинитися. Повторне запускання гідроочищувача після аварійної зупинки триває кілька днів і передбачає точне регулювання температурного режиму та процедури регенерації каталізатора. Втрати виробництва швидко накопичуються.

Інженерія надійності для промислових газових систем починається з резервування. Критичні споживачі повинні мати щонайменше два незалежних джерела постачання — чи то два окремих генератори на місці, чи один генератор на місці й резервне постачання від стороннього постачальника, чи кілька резервуарів для зберігання з достатнім запасом, щоб забезпечити роботу протягом найдовшого очікуваного переривання постачання.

Але сама за собою надлишковість недостатня. Перемикання між джерелами має бути безперервним, а оператори повинні пройти навчання з відповідних процедур. Резервна система, для введення якої в роботу потрібно чотири години ручного керування клапанами, не є резервною — це плацебо.

Іншим аспектом надійності є прогнозне технічне обслуговування. Компресори, експандери та установки очищення мають компоненти, що піддаються зносу й поступово деградують з часом. Моніторинг стану — аналіз вібрації, аналіз мастила, відстеження температурних трендів — дозволяє виявити проблеми до того, як вони переростуть у відмови. У добре організованій промисловій газовій системі чекати, поки щось зламається, перш ніж це виправити, не прийнято. Графік технічного обслуговування визначається даними, а не календарними датами чи аварійними відключеннями.

Під час аудиту об’єкта на хімічному комплексі в Середньому Заході кілька років тому інженерна команда помітила, що головний повітряний компресор блоку генерації азоту демонстрував підвищені рівні вібрації на опорі з боку приводу. Дані показували поступове зростання протягом кількох тижнів, але ніхто не звернув на це уваги. Команда рекомендувала заміну підшипника під час наступного планового простою. Коли компресор розібрали, виявили, що сітка підшипника потріскана й майже готова до виходу з ладу. Вартість заміни становила кілька тисяч доларів США й один день простою, який уже був запланований. Аварія в робочому режимі коштувала б десятки тисяч доларів США на аварійний ремонт плюс дні незапланованої втрати виробництва.

Роль підрядника EPC у інтеграції промислових газів

Впровадження рішень із промисловими газами на хімічному заводі — це не лише вибір відповідного генератора чи підписання контракту на поставку. Це інтеграція газової системи з іншими комунальними службами й технологічними процесами заводу.

Підрядник EPC із досвідом у проектах промислових газів розуміє ключові інтерфейси. Для газової системи потрібні стиснене повітря, охолоджувальна вода та електрична енергія — усе це надходить із систем комунальних послуг заводу. Точки підключення мають бути спроектовані таким чином, щоб газова система не створювала неприпустимих навантажень на системи комунальних послуг під час запуску або аварійних ситуацій. Система керування має бути інтегрована з розподіленою системою керування заводу, щоб оператори могли контролювати й керувати постачанням газу з того самого пульта, яким вони користуються для всіх інших процесів.

Підрядник також повинен подумати про можливість майбутнього розширення. Хімічні заводи рідко зберігають однаковий рівень виробництва протягом усього терміну експлуатації. Проєкти з усунення вузьких місць, розширення потужностей та зміни асортименту продукції впливають на профіль попиту на газ. Газова система, спроєктована без запасу для зростання, згодом стане обмеженням. Натомість система, спроєктована з урахуванням модульності й додаткової потужності, зможе адаптуватися до змінних потреб без повної реконструкції.

Також виникає питання про взаємодію газової системи з екологічними показниками заводу. Вентиляційні потоки з процесів очищення, скидання тиску з компресорів та продувний газ під час пуску й зупинки повинні оброблятися відповідно до дозволів на викиди в атмосферу. Підрядник, який розглядає дотримання екологічних вимог лише як формальну вимогу, а не як ключовий чинник проектування, створює заводу оперативні проблеми — і потенційні штрафи.

Правильні інвестиції в газову інфраструктуру

Рішення щодо промислових газових рішень для хімічних заводів є значним капітальним вкладенням, а вибори, зроблені на етапі проектування, мають довготривалі наслідки. Спокуса зробити спрощення в газовій системі — вибрати дешевший генератор, простішу схему керування чи постачальника з найнижчою початковою ціною — зрозуміла. Але це часто фальшива економія.

Загальна вартість володіння промисловою газовою системою включає не лише капітальні витрати, а й експлуатаційні витрати, витрати на технічне обслуговування, витрати через простої та витрати, пов’язані з проблемами якості продукції через непостійну подачу газу. Система, яка коштує на 10 % менше при будівництві, але споживає на 15 % більше електроенергії та виходить з ладу вдвічі частіше, не є вигідною угодою. Це — фінансовий ризик.

Оператори хімічних заводів повинні оцінювати промислові газові рішення не лише за початковою вартістю, а й за вартістю протягом усього терміну експлуатації, надійністю та доведеною здатністю постачальника чи підрядника забезпечити поставки. Відгуки від інших хімічних заводів, що працюють у схожих умовах, мають більшу вагу, ніж блискучі брошури. Відвідини діючих об’єктів дають набагато більше інформації про реальну ефективність, ніж будь-яка пропозиція.

Для хімічних заводів, де чистота газу, надійність поставок та інтеграція з існуючими системами є безумовними вимогами, компанія Greenfir надає спеціально розроблені рішення, підтверджені сертифікатами ISO 9001, ISO 14001 та OHSAS 18001 — з акцентом на технології розділення, очищення та зрідження багатокомпонентних газів, які відповідають жорстким вимогам хімічної переробки. .