Optimalizácia prietoku plynu pre podzemné zásobníky plynu (UGS) v Nafta a.s.

Najdôležitejšou časťou variabilných nákladov každého skladovania je spotreba paliva na kompresné práce (plyn alebo elektrickú energiu) na vtláčanie plynu, ale aj na ťažbu v závislosti od skladovacích charakteristík. Zvýšenú efektivitu možno dosiahnuť inštaláciou účinnejších kompresorov, ktoré sú hlavnými spotrebiteľmi energie. Riadenie dispečingu skladovania tiež môže výrazne prispieť k efektívnejšej prevádzke. Na podporu dispečingu vo svojich rozhodovacích procesoch spoločnosť NAFTA spolu so softvérovou spoločnosťou IPESOFT zaviedla softvér na optimalizáciu tokov plynu.

UGS NAFTA a.s. svojou štruktúrou a charakterom patrí do kategórie "komplexných" skladov, kombinujúcich niekoľko zásobníkov s rôznymi charakteristikami prostredníctvom zjednotenej infraštruktúry do jedného virtuálneho úložiska.

Úložný komplex NAFTA využíva 8 vstupných/výstupných bodov, 11 odberných miest, 13 zásobníkov,14 kompresorov a početné uzly potrubí s rôznymi tlakovými úrovňami.

Okrem toho je zásobník prepojený s niekoľkými potrubnými sieťami. Ak vezmeme do úvahy množstvo plynu vtláčaného a ťaženého pri uskladňovaní, dokonca aj úspory vo výške niekoľkých percent spotreby paliva môžu viesť k výrazným ekonomickým výhodám v priebehu roka.

Postup

Vo všeobecnosti existujú dve varianty optimalizácie, ktoré aplikujeme v našom úložisku:

Dlhodobá optimalizácia a simulácia sa väčšinou používa na maximalizáciu rýchlostí vtláčania/ťažby a skladovacej kapacity systematickým monitorovaním a kontrolou procesu vtláčania/ťažby.
Krátkodobá optimalizácia zameraná na zníženie spotreby paliva zahŕňa optimalizáciu tokov plynu, pracovné zaťaženie kompresora, zníženie poklesu tlaku a zníženie prevádzkových chemických látok. Hlavnou úlohou takejto optimalizácie je návrh toku plynu, aktíva na spracovanie tohto toku a jeho parametrov, čo vedie k minimalizácii KPI (hlavne palivového plynu)

Celkový proces denného riadenia a alokácia štandardných UGS podporovaných špecializovaným optimalizačným softvérom, je znázornený nižšie:

Hlavné funkcie optimalizačného softvéru, ktorý NAFTA vyvinula spolu s IPESOFT:

Zhromažďovanie údajov o nomináciách zákazníkov, stav každého zásobníka a dostupnosť podpovrchových a povrchových zariadení na spracovanie plynu, geologické priority, podmienky TSO, sieť DSO, najmä tlaky a kapacity vstupných/výstupných bodov.
Výpočet a odporúčanie riešenia dispečerovi o optimálnom toku plynu v rámci skladovania. Realizované optimalizačné algoritmy zabezpečujú splnenie nominácií klientov s minimálnou spotrebou energie na kompresiu a spracovanie pri rešpektovaní všetkých vstupných obmedzení, dostupnosti a technických/bezpečnostných limitov.
Podávanie správ o vybraných údajoch, o skutočnej efektívnosti a efektívnosti prevádzky a riadenia skladovania.

V reálnom živote je situácia zvyčajne oveľa náročnejšia. Vyvinuli sme špeciálny prístup, ktorý je založený na myšlienke iteračnej procedúry, ktorá nájde optimálne riešenie po niekoľkých iteráciách. Každá z nasledujúcich opakovaní zvyšuje presnosť výpočtu, a ak je to možné, znižuje aj počet uzlov a potrubí. Algoritmus zahŕňa tieto kroky:

Vstupné údaje a príprava - načítanie, vyhodnotenie a spracovanie údajov z rôznych zdrojov cez integračnú platformu.
Prvý optimalizačný beh- navrhnutie počiatočnej cesty toku plynu vzhľadom na minimálne prevádzkové limity kompresorov bez akejkoľvek optimalizácie.
Druhý optimalizačný beh - zvýšenie presnosti prietoku plynu, pri ktorom sa zohľadňuje tlak použitého potrubia a technologické limity kompresorov.
Úplné optimalizačné cykly - beh niekoľkých iteračných cyklov s optimalizáciou spotreby s využitím detailného stavu zásobníkov a stavu infraštruktúry. Navyše potrubia, ktoré sa používajú okrajovo, sú vylúčené z nasledujúcich cyklov ("vyrezávanie") a charakteristiky použitých potrubí sa vypočítavajú s vyššou presnosťou až do nájdenia optimálneho riešenia. Celý výpočtový algoritmus je založený na matematickom modely s použitím Simplexovej metódy a metódy Branch & Bound.‍

Implementované riešenie v Nafta a.s.

Optimalizačný softvér bol uvedený do štandardnej prevádzky v NAFTA v roku 2017 po viac ako 2 rokoch vývoja a testovania. Jeho rozhranie je znázornené na obrázku nižšie.

‍Matematický model

Lineárne podmienky: 13000 (riadky matice)
Premenné: 4500 (maticové stĺpce)
reálne premenné: 3100
binárne premenné: 1400
nenulové premenné: 32 000
Čas výpočtu: 10 sekúnd do minúty
Výpočet je prerušený časovým limitom

Kritériá optimalizácie

Maximalizovať nomináciu klienta (cieľom je splniť nomináciu na 100%)
Minimalizovať počet potrubí
Rešpektovať geologické priority (priority zásobníkov)
Minimalizovať škrtenie na potrubiach
Minimalizovať straty na potrubiach
Minimalizovať spotrebu paliva v kompresoroch

Výstupy optimalizácie

Celková redistribúcia tokov plynu
Použité toky plynu a ich tlakové úrovne (s vizualizáciou)
Výber najvhodnejších zásobníkov
Výber najvhodnejších kompresorov
Výber najvhodnejších meracích trás

Na účely hodnotenia sme sa rozhodli použiť porovnanie výsledkov navrhnutých softvérom a dispečerskou manuálnou kontrolou vtláčania v roku 2017. Celkovo bolo vyhodnotených viac ako 100 dní (scenárov). Existujú dve kategórie denných nominácií:

Štandardné scenáre - voľný prietok pri ktorom je potrebných menej ako 4 kompresory
Komplexné scenáre - vyžaduje viac ako 4 kompresory

Na základe týchto údajov môžeme odhadnúť, že celkové úspory dosiahnuté použitím optimalizačného softvéru, sú viac ako 4%. Z týchto komplexných scenárov bolo doručených viac ako 3%.

Výsledky tiež ukazujú, že v takmer v 20% scenárov bola úspora paliva 10%alebo viac, čo je pomerne významný úsporný potenciál.

‍

Skutočné výsledky ukazujú, že implementácia prináša finančné aj nefinančné výhody. Najdôležitejšie výhody sú:

Znížená spotreba paliva - celkové úspora je viac ako 4%,
Predvídateľné variabilné náklady na skladovanie,
Sústredenie nákladov na údržbu na najdôležitejšie aktíva,
Optimalizácia návrhu siete a infraštruktúry,
Zvýšenie prevádzkovej bezpečnosti,
Formalizácia procesov plánovania,
Štandardizácia podporných služieb medzi obchodným a technickým dispečingom,
Rastúci počet obchodných partnerov,
Flexibilné komerčné produkty,
Vyhodnotenie efektívnosti prevádzky skladovania,
História dohodnutých plánov, parametrov a bilancií.
Podpora neustáleho zlepšovania celkovej efektívnosti.

‍