Thermodynamic performance indicators in offshore oil and gas processes

Παπαδημητρίου, Χρυσάνθη; Papadimitriou, Chrysanthi

dc.contributor.author	Παπαδημητρίου, Χρυσάνθη	el
dc.contributor.author	Papadimitriou, Chrysanthi	en
dc.date.accessioned	2022-01-20T09:05:40Z
dc.date.available	2022-01-20T09:05:40Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54375
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22073
dc.rights	Default License
dc.subject	Εξεργειακή ανάλυση	el
dc.subject	Exergy analysis	en
dc.subject	Δείκτες απόδοσης	el
dc.subject	Καταστροφή εξέργειας	el
dc.subject	Απώλειες εξέργειας	el
dc.subject	Μονάδα παραγωγής πετρελαίου και φυσικού αερίου	el
dc.subject	Παράμετροι σχεδιασμού	el
dc.subject	Συνθήκες πλαισίου	el
dc.subject	Προδιαγραφές	el
dc.subject	Τουρμπίνα πολυφασικής ροής	el
dc.subject	Μέθοδος βαθμολόγησης	el
dc.subject	Thermodynamic performance indicators	en
dc.subject	Exergy destruction	en
dc.subject	Exergy losses	en
dc.subject	Oil and gas field	en
dc.subject	Design parameters	en
dc.subject	Frame conditions	en
dc.subject	Specifications	en
dc.subject	Multiphase expander	en
dc.subject	Scoring process	en
dc.title	Thermodynamic performance indicators in offshore oil and gas processes	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Process engineering	en
heal.language	en
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-07-07
heal.abstract	Με την περιβαλλοντική ευαισθητοποίηση να αυξάνεται ολοένα και περισσότερο τις τελευταίες δεκαετίες και την επικείμενη προοπτική ουδετερότητας άνθρακα (carbon neutrality), ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί στους τρόπους με τους οποίους οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου και οι ενεργειακές απαιτήσεις που συνδέονται με τις βιομηχανικές δραστηριότητες μπορούν να μειωθούν, ιδίως στον τομέα της παραγωγής πετρελαίου και φυσικού αερίου που κατέχει εξέχουσα θέση στην παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας. Οι ενεργειακοί και εξεργειακοί δείκτες απόδοσης αποτελούν ένα χρήσιμο εργαλείο για την αξιολόγηση των διεργασιών πετρελαίου και φυσικού αερίου που μπορούν να οδηγήσουν στη βέλτιστη λειτουργία των υπεράκτιων (offshore) πλατφορμών. Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η πραγματοποίηση ενεργειακής και εξεργειακής ανάλυσης για μία τυπική μονάδας επεξεργασίας πετρελαίου και φυσικού αερίου που τοποθετείται στη Βόρεια Θάλασσα, η εξέταση των απαιτήσεων σε ισχύ και θερμότητα για διαφορετικές παραμέτρους σχεδιασμού (design parameters) και προκαθορισμένες συνθήκες (πχ. πίεση εξόδου του αερίου προς εξαγωγή) (frame conditions), καθώς και ο υπολογισμός και η αξιολόγηση διαφόρων βαθμών απόδοσης που παρουσιάζονται στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, αποτιμάται η ενεργειακή και εξεργειακή απόδοση προκειμένου να προσδιοριστούν δυνατότητες βελτίωσης, ενώ προτείνεται μία νέα ιδέα με στόχο την αποτελεσματικότερη απόδοση των διαδικασιών πετρελαίου και φυσικού αερίου. Τέλος, στην εργασία αυτή παρουσιάζεται μια απλοποιημένη μέθοδος για την αξιολόγηση των εξεταζόμενων δεικτών. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετάται η προσομοίωση μίας τυπικής offshore πλατφόρμας, η οποία βασίζεται σε ρεαλιστικά δεδομένα που παρέχονται από την πετρελαϊκή βιομηχανία Equinor, Νορβηγία . Το σενάριο αυτό προσομοιώνεται σε περιβάλλον ASPEN HYSYS ® και αποτελεί τo βασικό σενάριο διεργασίας παραγωγής φυσικού αερίου και πετρελαίου που εξετάζεται (Base Case scenario). Για τη δεδομένη μονάδα επεξεργασίας πραγματοποιείται ενεργειακή και εξεργειακή ανάλυση και υπολογίζονται οι θερμοδυναμικοί δείκτες απόδοσης. Οι δείκτες που πραγματεύεται η παρούσα εργασία είναι οι ακόλουθοι: Ειδικές εκπομπές CO2 (Specific CO2 emissions), Ειδική κατανάλωση ενέργειας (Specific energy use), Ειδική κατανάλωση εξέργειας (Specific exergy use), Ειδική κατανάλωση ισχύος (Specific power consumption), Ειδική καταστροφή εξέργειας (Specific exergy destruction), Ολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης (Total exergy efficiency), Εξεργειακός βαθμός απόδοσης διάκρισης λειτουργιών(Task exergy efficiency), Εξεργειακός βαθμός απόδοσης διάκρισης συστατικών (Component-by-Component exergy efficiency), Λόγος καταστροφής εξέργειας (Exergy destruction ratio), Λόγος απώλειας εξέργειας (Exergy loss ratio) και Ειδική καταστροφή διαθέσιμης εξέργειας (Efficiency defect). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των υπολογισμών που πραγματοποιούνται, η κατανάλωση ισχύος της πλατφόρμας ανέρχεται στα 23,1 MW και εντοπίζεται κυρίως στο τμήμα συμπίεσης και εξαγωγής του παραγόμενου αερίου (compression train) (20,5 MW). Οι απαιτήσεις σε θερμότητα κυμαίνονται στα 11,2 MW, ενώ η ενέργεια ψύξης φτάνει τα 42,8 MW. Ο συνολικός ρυθμός καταστροφής της εξέργειας (Exergy destruction rate) είναι περίπου 19,1 MW και οφείλεται κυρίως στην στραγγαλιστική αποσυμπίεση (choking) που λαμβάνει χώρα στο τμήμα πολλαπλής εισαγωγής (Production manifold) του ρευστού του ταμιευτήρα. Οι απώλειες εξέργειας στο περιβάλλον (Exergy losses) που κυμαίνονται γύρω στα 5,2 MW προκύπτουν κυρίως από την ψύξη, η οποία αντιστοιχεί στο 65,2% των συνολικών εξεργειακών απωλειών. Προκειμένου να ληφθεί μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα σχετικά με την απόδοση των δεικτών που εξετάζονται, ορίζονται διαφορετικές μελέτες περιπτώσεων (Case studies) που αφορούν αλλαγές σε συνθήκες πλαισίου (frame conditions), και παραμέτρους σχεδιασμού (design parameters) για το βασικό σενάριο, ενώ παράλληλα διερευνάται η επίδραση της χημικής εξέργειας των καθαρών συστατικών (Component chemical exergy) και της διάρκειας ζωής της πετρελαιοπηγής. Ειδικότερα, οι παράμετροι που ελέγχονται είναι οι ακόλουθες: σύσταση ρευστού δεξαμενής (reservoir fluid composition), προδιαγραφές Cricondenbar pressure (CDB) και True Vapor pressure (TVP), πίεση εξαγωγής του παραγόμενου αερίου (pressure of export gas), βαθμός απόδοσης των συμπιεστών και των αντλιών (efficiency of the rotating equipment), θερμοκρασία ψύξης (temperature of cooling) και επίπεδα θερμοκρασίας και πίεσης στο τμήμα του διαχωρισμού (temperature and pressure levels of the separation train). Οι μελέτες περίπτωσης αυτές (Case studies) δείχνουν ότι συνολικά οι ενεργειακοί δείκτες είναι ευκολότεροι και πιο γρήγοροι στη χρήση. Μάλιστα, στην περίπτωση που εξετάζεται μία δεδομένη πλατφόρμα με μικρές αποκλίσεις στα προϊόντα οι δείκτες αυτοί μεταβάλλονται ανάλογα με τις διακυμάνσεις στις απαιτήσεις θερμότητας και ισχύος. Ωστόσο, ορισμένοι από αυτούς (Specific power consumption, CO2 intensity) ενδέχεται να μην αντικατοπτρίζουν σημαντικές αλλαγές στα φορτία θέρμανσης παρέχοντας ελλιπείς πληροφορίες σχετικά με την λειτουργία της διαδικασίας. Όταν μελετώνται διαφορετικές πλατφόρμες, οι βαθμοί απόδοσης αυτοί εστιάζουν στο είδος του ρευστού προς επεξεργασία και δεν προωθούν την αποδοτικότερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων. Οι δείκτες ExU και ExD φαίνεται να συμπεριφέρονται παρόμοια, ωστόσο όταν εκφράζονται ανά εξέργεια παραγόμενου προϊόντος (ExUexergy, ExDexergy) εκτός από την επίδραση του έργου και της θερμότητας εκφράζουν και την επίδραση των διαφορετικών συνθηκών εξαγωγής. Ο δείκτης Total exergy efficiency δεν είναι ευαίσθητοι σε κανένα τύπο μεταβολών στη διεργασία, λόγω του υψηλού εξεργειακού περιεχομένου των ρευμάτων υδρογονανθράκων που διέρχονται από το σύστημα με αποτέλεσμα να προκύπτουν παραπλανητικά αποτελέσματα και συμπεράσματα σχετικά με την απόδοση της πλατφόρμας. Από την άλλη πλευρά, οι βαθμοί Task και Component-by-Component exergy efficiency επικεντρώνονται στη βέλτιστη αξιοποίηση των εξεργειακών πόρων μιας μονάδας επεξεργασίας και όχι στον τύπο της υπό εξέτασης πηγής. Η εξεργειακή απόδοση Task exergy efficiency εΙΙ-3 επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις διακυμάνσεις στις συνθήκες της ροής εισόδου και των παραγόμενων προϊόντων, οδηγώντας ακόμη και σε αρνητικά αποτελέσματα που δυσχεραίνουν τη διαδικασία αξιολόγησης. Επιπλέον, ο δείκτης Task exergy efficiency εΙΙ-4 ανταποκρίνεται σε αλλαγές τόσο στις απαιτήσεις θερμότητας και ισχύος, όσο και στις συνθήκες εξόδου της πλατφόρμας ή στην κατανομή των συστατικών στα δύο προϊόντα. Οι βαθμοί απόδοσης Task exergy efficiency εΙΙ-5 και Component-by-Component exergy efficiency εΙΙI λαμβάνουν υπόψη τον καταμερισμό των συστατικών στις δύο ροές προϊόντων, ωστόσο ο τελευταίος σημειώνει υψηλότερη ευαισθησία στις συνθήκες εισόδου και εξόδου, καθώς και στις μεταβολές χημικής εξέργειας (chemical exergy increases) μεταξύ των ρευστών εισόδου και εξόδου. Οι δείκτες Exergy destruction ratio και Efficiency defect παρέχουν έλεγχο σχετικά με την κατανομή της εξέργειας στα υποσυστήματα της διαδικασίας, με τον πρώτο να δίνει πιο ακριβή αποτελέσματα ακόμη και χωρίς τον υπολογισμό της χημικής εξέργειας των καθαρών συστατικών (Component chemical exergy). Επιπλέον, ο βαθμός απόδοσης Exergy loss ratio συνεισφέρει στον εντοπισμό των τμημάτων της διεργασίας όπου περισσότερη εξέργεια χάνεται και αξιολογείται πιο χρήσιμος όταν το τμήμα παραγωγής ενέργειας (utility system) συμπεριλαμβάνεται στο υπό μελέτη σύστημα. Η εξεργειακή ανάλυση που πραγματοποιείται για το βασικό σενάριο (Base Case) σημειώνει ότι αναποτελεσματικότητες εντοπίζονται κυρίως στο τμήμα πολλαπλής εισαγωγής (Production manifold) του ρευστού του ταμιευτήρα λόγω της καταστροφής της εξέργειας που σχετίζεται με στραγγαλιστική αποσυμπίεση (throttling). Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται μια νέα ιδέα, που στοχεύει στη εξοικονόμηση ενός μέρους της εξέργειας που χάνεται λόγω στραγγαλισμού και τη μετατροπή αυτού σε χρήσιμη ενέργεια, έργο. Η προσέγγιση αυτή βασίζεται σε ένα συνδυασμένο σύστημα διαχωρισμού – αποσυμπίεσης πολυφασικής ροής (separation-multiphase flow expansion system) με στόχο την αντικατάσταση των στραγγαλιστικών βαλβίδων (choke valves) του τμήματος πολλαπλής εισαγωγής (Production manifold), το οποίο εφαρμόζεται και προσομοιώνεται για το βασικό σενάριο (Base Case) αυτής της εργασίας. Η ενεργειακή και εξεργειακή ανάλυση που πραγματοποιείται δείχνει ότι η εφαρμογή ενός τέτοιου συνδυασμένου συστήματος θα μπορούσε να οδηγήσει σε αύξηση της αποδοτικότητας της πλατφόρμας έως και κατά 34% και μείωση των απαιτήσεων σε ενέργεια και των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα κατά 27%. Οι αναλύσεις που πραγματοποιούνται συνολικά δείχνουν ότι η επιλογή μεταξύ των διαφόρων θερμοδυναμικών δεικτών για την περιγραφή της απόδοσης μιας πλατφόρμας αποτελεί μια περίπλοκη διαδικασία που εξαρτάται από ένα σύμπλεγμα ποικίλων παραμέτρων. Υπό αυτό το πρίσμα, προτείνεται μια διαδικασία αξιολόγησης βασισμένη στην ανάλυση πολλαπλών κριτηρίων (Multicriteria analysis) που στοχεύει στη διάκριση του καταλληλότερου δείκτη ή συνδυασμού δεικτών σύμφωνα με την εκάστοτε επιθυμητή χρήση μέσω μιας διαδικασίας βαθμολόγησης (scoring process). Για το λόγο αυτό, καθορίζεται ένα σύνολο έξι κριτηρίων που στοχεύουν στην κάλυψη όλων των χαρακτηριστικών που ένας δείκτης είναι επιθυμητό να διαθέτει και βαθμολογίες αποδίδονται σε κάθε δείκτη έναντι κάθε κριτηρίου. Οι συντελεστές βαρύτητας (weighting factors) που ορίζονται από τον χρήστη προκύπτουν με βάση την επιθυμητή εφαρμογή και καθορίζουν την προτεραιότητα των κριτηρίων κατά τον υπολογισμό της συνολικής βαθμολογίας των δεικτών. Σύμφωνα με ένα παράδειγμα αξιολόγησης των δεικτών που παρουσιάζεται σε αυτή την εργασία, ο συνδυασμός των Task exergy efficiency εΙΙ-4 και Exergy destruction ratio θεωρείται η βέλτιστη επιλογή για τη διερεύνηση μιας μονάδας επεξεργασίας πετρελαίου και φυσικού αερίου, όπως αυτή που μελετάται στην παρούσα εργασία.	el
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μπέλτσιος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	163 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false