مدل‌سازی و بهینه‌سازی شبکه کار و انرژی (WHEN) در پتروشیمی جم با MATLAB

مقدمه

اهمیت بهینه‌سازی مصرف انرژی در صنایع فرآیندی

صنایع فرآیندی، از جمله صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، همواره با چالش‌های متعددی در زمینه مصرف انرژی مواجه هستند. بهره‌گیری از روش‌های نوین مدیریت انرژی می‌تواند نقش کلیدی در کاهش هزینه‌های عملیاتی، افزایش بهره‌وری و کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی داشته باشد. یکی از رویکردهای مؤثر در این زمینه، استفاده از شبکه‌های تبادل کار و انرژی (WHEN) است که امکان مدیریت بهینه جریان‌های انرژی در یک واحد صنعتی را فراهم می‌کند.

شبکه‌های تبادل کار و انرژی (WHEN)

شبکه‌های تبادل کار و انرژی (Work and Heat Exchange Networks – WHEN) شامل مجموعه‌ای از تجهیزات فرآیندی مانند مبدل‌های حرارتی، توربین‌ها، کمپرسورها و پمپ‌ها هستند که به‌صورت هماهنگ طراحی شده‌اند تا جریان‌های انرژی را بهینه‌سازی کنند. این شبکه‌ها از طریق مدیریت صحیح انرژی، امکان کاهش هدررفت، بازیابی انرژی و توزیع کار و حرارت را فراهم کرده و به کاهش هزینه‌های عملیاتی کمک می‌کنند.

نقش شبیه‌سازی و مدل‌سازی در بهینه‌سازی WHEN

با توجه به پیچیدگی سیستم‌های صنعتی، مدل‌سازی و شبیه‌سازی ابزارهای مؤثری برای تحلیل عملکرد شبکه‌های تبادل انرژی هستند. در این پروژه که برای شرکت پتروشیمی جم انجام شده است، از نرم‌افزار MATLAB برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی شبکه WHEN استفاده شده است. این شبیه‌سازی امکان بررسی سناریوهای مختلف، تحلیل تأثیر تغییر پارامترها و ارائه بهترین راهکارهای بهینه‌سازی را فراهم می‌کند.

اهداف پروژه

طراحی بهینه شبکه تبادل کار و انرژی (WHEN)

هدف اصلی این پروژه، طراحی یک شبکه WHEN بهینه است که بتواند مصرف انرژی را به حداقل برساند و کارایی سیستم را افزایش دهد. این شبکه شامل ارتباطات بین تجهیزات صنعتی مانند توربین‌ها، کمپرسورها و مبدل‌های حرارتی است که باید به گونه‌ای تنظیم شوند که توزیع انرژی بهینه انجام گیرد.

تحلیل عملکرد تجهیزات فرآیندی

یکی از بخش‌های کلیدی این پروژه، ارزیابی عملکرد تجهیزات مختلف از جمله:

• کمپرسورها: بررسی میزان فشرده‌سازی گازها، بازده ایزوترمال و تاثیر فشار ورودی و خروجی بر مصرف انرژی.
• توربین‌ها: تحلیل انتقال انرژی مکانیکی، افت فشار و کارایی کلی سیستم.
• مبدل‌های حرارتی: بررسی تبادل حرارت، بهره‌وری انرژی و کاهش تلفات حرارتی در جریان‌های مختلف فرآیندی.

بهینه‌سازی توزیع کار و حرارت

با تحلیل داده‌های عملیاتی، توزیع بهینه انرژی مکانیکی و حرارتی بین تجهیزات مختلف انجام شده تا میزان اتلاف انرژی به حداقل برسد. در این فرآیند:

• محاسبه میزان انرژی مورد نیاز تجهیزات برای عملکرد بهینه انجام شده است.
• مدل‌سازی تأثیر تغییر فشار و دما بر عملکرد شبکه به‌صورت عددی بررسی شده است.
• بهینه‌سازی جریان‌های کاری و حرارتی با استفاده از الگوریتم‌های ریاضی صورت گرفته است.

پیاده‌سازی مدل‌های ریاضی و الگوریتم‌های بهینه‌سازی در MATLAB

برای رسیدن به بهترین ساختار شبکه، از مدل‌های ریاضی دقیق و الگوریتم‌های پیشرفته بهینه‌سازی در MATLAB استفاده شده است. این مدل‌سازی شامل:

• شبیه‌سازی دینامیکی شبکه برای تحلیل عملکرد در شرایط عملیاتی مختلف.
• استفاده از روش‌های عددی برای حل معادلات انتقال انرژی و تحلیل پایداری سیستم.
• بهینه‌سازی چندمعیاره برای کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش بازده تجهیزات.

تحلیل جریان‌های حرارتی و مکانیکی با استفاده از داده‌های نرم‌افزارهای مهندسی

در این پروژه، داده‌های مربوط به جریان‌های حرارتی و مکانیکی از نرم‌افزارهایی مانند Aspen Plus استخراج شده و برای تحلیل و بهینه‌سازی مدل مورد استفاده قرار گرفته‌اند. مهم‌ترین اقدامات در این بخش شامل:

• تعیین ظرفیت گرمایی جریان‌های مختلف و بررسی نحوه تأثیر آن‌ها بر فرآیندهای تبادل انرژی.
• تحلیل اثرات فشار و دما بر عملکرد کلی سیستم و پیش‌بینی رفتار دینامیکی تجهیزات.
• ارزیابی سناریوهای مختلف عملیاتی برای شناسایی بهینه‌ترین شرایط کاری.

اهمیت اجرای پروژه در پتروشیمی جم

پتروشیمی جم به عنوان یکی از بزرگ‌ترین واحدهای صنعتی کشور، بهینه‌سازی مصرف انرژی را در اولویت خود قرار داده است. اجرای این پروژه نه‌تنها موجب افزایش بهره‌وری انرژی در این مجموعه شده است، بلکه الگویی برای سایر صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی در زمینه بهینه‌سازی شبکه‌های تبادل کار و انرژی ارائه داده است.

با توجه به یافته‌های این پروژه، می‌توان از رویکرد WHEN برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در سایر صنایع نیز بهره برد و هزینه‌های انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش داد.

روش‌شناسی

تحلیل شبکه کار و انرژی (WHEN)

در این مرحله، ابتدا سیستم‌های تبادل حرارت و کار در شبکه صنعتی پتروشیمی جم شناسایی و تحلیل شدند. جریان‌های کاری و حرارتی مختلف شناسایی و بر اساس نیازهای عملیاتی، دسته‌بندی شدند. در این دسته‌بندی، عواملی مانند دمای ورودی و خروجی، فشار و میزان انرژی قابل بازیابی در هر جریان در نظر گرفته شد. تحلیل اولیه نشان داد که امکان بهینه‌سازی قابل‌توجهی در مسیرهای انرژی مکانیکی و حرارتی وجود دارد.

استفاده از نرم‌افزار MATLAB برای مدل‌سازی و تحلیل

به دلیل پیچیدگی و ماهیت چندمتغیره فرآیندهای صنعتی، از نرم‌افزار MATLAB برای مدل‌سازی این سیستم استفاده شد. MATLAB ابزارهای پیشرفته‌ای برای تحلیل ترمودینامیکی، حل معادلات غیرخطی و بهینه‌سازی فرآیندها ارائه می‌دهد. در این مرحله:

• مدل‌سازی معادلات انتقال انرژی بر اساس اصول پایستگی جرم و انرژی انجام شد.
• تحلیل سناریوهای مختلف عملیاتی به کمک MATLAB و مقایسه نتایج شبیه‌سازی با داده‌های واقعی.
• بررسی پایداری و حساسیت مدل نسبت به تغییرات فشار، دما و شدت جریان.

طراحی و شبیه‌سازی شبکه

پس از مدل‌سازی اولیه، فرآیند شبیه‌سازی شبکه WHEN اجرا شد. این شبیه‌سازی شامل مراحل زیر بود:

• تعیین جریان‌های بهینه برای تبادل حرارت و کار بین تجهیزات مختلف.
• تحلیل فرآیندهای افزایش و کاهش فشار در کمپرسورها و توربین‌ها.
• استفاده از داده‌های حاصل از نرم‌افزار Aspen Plus برای بهبود دقت مدل‌سازی و اعتبارسنجی نتایج شبیه‌سازی.
• تدوین استراتژی‌های کنترل و بهینه‌سازی برای کاهش اتلاف انرژی و افزایش کارایی شبکه.

انتخاب تجهیزات مناسب برای بهینه‌سازی مصرف انرژی

یکی از بخش‌های مهم این مطالعه، انتخاب تجهیزات بهینه برای افزایش کارایی شبکه بود. در این بخش:

• تحلیل عملکرد کمپرسورها، توربین‌ها و مبدل‌های حرارتی برای تعیین راندمان هر یک از تجهیزات انجام شد.
• مقایسه انواع تجهیزات موجود در بازار بر اساس معیارهایی همچون هزینه عملیاتی، طول عمر و بازدهی انرژی.
• بررسی هزینه‌های سرمایه‌گذاری و ارزیابی تأثیر جایگزینی تجهیزات بر کاهش مصرف انرژی در طولانی‌مدت.

اصلاح و بهینه‌سازی مدل شبیه‌سازی شده

پس از اجرای مدل‌سازی و شبیه‌سازی اولیه، اصلاحات لازم بر اساس تحلیل جریان‌های انتخابی انجام شد. در این مرحله:

• پارامترهای کلیدی مانند فشار، دما و شدت جریان برای بهینه‌سازی مدل تنظیم شدند.
• اصلاح روابط ریاضی مدل با استفاده از داده‌های استخراج‌شده از نرم‌افزار Aspen Plus.
• اجرای سناریوهای عملیاتی مختلف و مقایسه آن‌ها برای انتخاب بهترین شرایط عملیاتی.

با اجرای این مراحل، مدل نهایی به‌دست‌آمده توانست یک شبکه WHEN بهینه ارائه دهد که مصرف انرژی را کاهش داده و کارایی تجهیزات را افزایش دهد. نتایج حاصل از این تحقیق، راهکاری جامع برای مدیریت و بهینه‌سازی انرژی در صنایع پتروشیمی ارائه می‌دهد و می‌تواند به‌عنوان یک الگوی موفق در سایر صنایع انرژی‌بر نیز مورد استفاده قرار گیرد.

نتایج و دستاوردها

کاهش مصرف انرژی در واحدهای عملیاتی

طراحی بهینه شبکه WHEN منجر به کاهش چشمگیر مصرف انرژی در واحدهای عملیاتی پتروشیمی جم شد. بهینه‌سازی تبادل حرارت و کار بین تجهیزات فرآیندی، باعث شد میزان هدررفت انرژی کاهش یابد و بهره‌وری کلی سیستم افزایش یابد.

بهبود عملکرد فرآیندهای صنعتی با استفاده از الگوریتم‌های بهینه‌سازی MATLAB

استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته MATLAB، بهینه‌سازی توزیع انرژی در تجهیزات مختلف را ممکن ساخت. این بهینه‌سازی منجر به افزایش بازده حرارتی و مکانیکی تجهیزات و کاهش هزینه‌های عملیاتی شد. شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که استفاده از روش‌های عددی در MATLAB باعث دستیابی به نتایج دقیق‌تری نسبت به روش‌های سنتی می‌شود.

انتخاب بهینه تجهیزات برای کاهش هزینه‌های عملیاتی

یکی از مهم‌ترین دستاوردهای این پروژه، انتخاب بهینه تجهیزات برای بهبود عملکرد شبکه کار و انرژی (WHEN) بود. این انتخاب شامل:

• بهینه‌سازی عملکرد توربین‌ها و کمپرسورها برای کاهش مصرف انرژی.
• انتخاب مبدل‌های حرارتی مناسب جهت افزایش کارایی تبادل انرژی.
• کاهش هزینه‌های عملیاتی و تعمیر و نگهداری تجهیزات از طریق استفاده از روش‌های نوین بهینه‌سازی.

تحلیل دقیق‌تر جریان‌های حرارتی و مکانیکی

تحلیل جریان‌های حرارتی و مکانیکی، با استفاده از داده‌های نرم‌افزار Aspen Plus و MATLAB، به مدل‌سازی دقیق‌تر فرآیندها کمک کرد. این تحلیل‌ها شامل:

• بررسی میزان انرژی بازیافتی از جریان‌های گرم و سرد.
• تحلیل افت فشار و تأثیر آن بر عملکرد تجهیزات.
• پیش‌بینی رفتار سیستم در شرایط عملیاتی مختلف.

قابلیت کاربرد نتایج در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی

نتایج به‌دست‌آمده از این پروژه، قابلیت تعمیم و کاربرد در سایر صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی را دارند. اجرای این مدل به سایر واحدهای صنعتی این امکان را می‌دهد که با بهینه‌سازی شبکه کار و انرژی (WHEN)، هزینه‌های عملیاتی خود را کاهش داده و بهره‌وری سیستم را افزایش دهند.

پروژه های مرتبط انجام شده

طراحی و بهینه سازی شبکه مبدل های حرارتی واحد 107 مجتمع پارس جنوبی

طراحی و بهینه سازی شبکه مبدل های حرارتی واحد جداسازی میعانات گازی پارس جنوبی

طراحی و بهینه سازی شبکه مبدل های حرارتی واحد ریفرمینگ پتروشیمی رازی

جمع‌بندی

پروژه مدل‌سازی و شبیه‌سازی شبکه کار و انرژی (WHEN) که توسط شرکت APIPCO برای پتروشیمی جم انجام شد، نشان‌دهنده اهمیت راهکارهای علمی و مهندسی در بهینه‌سازی مصرف انرژی است. نتایج این پروژه ثابت کرد که با بهره‌گیری از مدل‌سازی دقیق، شبیه‌سازی پیشرفته و داده‌های تحلیلی، می‌توان سیستم‌های صنعتی را بهینه کرده و هزینه‌های عملیاتی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش داد.

استفاده از نرم‌افزار MATLAB و روش‌های عددی نوین، این امکان را فراهم کرد که ساختار شبکه انرژی بهینه‌سازی شده و عملکرد تجهیزات کلیدی مانند توربین‌ها، کمپرسورها و مبدل‌های حرارتی بهبود یابد. همچنین تحلیل‌های انجام‌شده با داده‌های به‌دست‌آمده از Aspen Plus، دقت مدل را افزایش داده و تصمیم‌گیری‌های مهندسی را به سطحی بالاتر ارتقا داد.

این پروژه نه‌تنها تأثیر چشمگیری بر کاهش مصرف انرژی و افزایش بازدهی در پتروشیمی جم داشت، بلکه می‌تواند به‌عنوان الگویی برای سایر صنایع انرژی‌بر مانند پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و مجتمع‌های شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. شرکت‌های صنعتی که به دنبال کاهش هزینه‌های انرژی، افزایش بهره‌وری و پایداری محیط‌زیستی هستند، می‌توانند از این مدل برای توسعه و بهینه‌سازی فرآیندهای خود بهره ببرند. شرکت APIPCO به‌عنوان یک مجموعه پیشرو در ارائه راهکارهای مهندسی، آمادگی دارد تا دانش فنی و تجربیات حاصل از این پروژه را در اختیار سایر صنایع قرار دهد. ما به شما کمک می‌کنیم تا با استفاده از فناوری‌های نوین، بهره‌وری انرژی را به حداکثر رسانده و مزیت رقابتی پایداری برای کسب‌وکار خود ایجاد کنید.