Решение NAUKA вошло в тройку финалистов премии «Территория технологий» в треке «Цифровые решения» в номинации «Лучшая перспективная идея». Итоги конкурса, на который в общей сложности было подано 324 заявки из 33 субъектов РФ и один проект из Белоруссии, подведены на XI Международном Тюменском нефтегазовом форуме (TNF) 2026 года.

Премия «Территория технологий» направлена на отбор и продвижение отечественных разработок, повышающих устойчивость, эффективность и технологическую независимость энергетической отрасли страны. В 2026 году она вручалась по 5 тематическим направлениям. В рамках каждого из них конкурсные проекты оценивались по трем номинациям: лучшее промышленное решение, лабораторный прототип и перспективная идея.

NAUKA подала заявку на участие в номинации «Лучшая перспективная идея» трека «Цифровые решения». Данная номинация предназначена для проектов на стадии концепции или ранней разработки, обладающих высоким потенциалом для внедрения в топливно-энергетический комплекс (ТЭК) страны.

Решение и его актуальность

Компания представила комплексное решение для анализа снижения тепловой эффективности промышленных теплообменных аппаратов по мере накопления загрязнений. 

Теплообменное оборудование (теплообменники) — это совокупность специализированных аппаратов, предназначенных для эффективной и безопасной передачи тепловой энергии между технологическими потоками. Эти устройства обеспечивают нагрев, охлаждение, а также испарение и конденсацию сырья, продуктов и промежуточных потоков. На многих производствах, в частности на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ), нагрев осуществляется в трубчатых печах, охлаждение — в «воздушных» и «водяных» холодильниках. Также на НПЗ и других энергоемких предприятиях широко практикуется рекуперация тепла, при которой более горячие потоки охлаждаются более холодными. Тепловая эффективность — это отношение фактически переданного количества теплоты к максимально возможному.

Актуальность задачи обусловлена масштабом применения теплообменников в ТЭК и ущербом от их загрязнения. По данным учебного пособия «Машины и аппараты химических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств» Томского политехнического университета, удельный вес теплообменного оборудования на предприятиях химической промышленности составляет в среднем 15-18%, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности – 50%. Высокая доля объясняется тем, что почти все основные процессы химической технологии связаны с необходимостью подвода или отвода тепла.

Согласно данным исследования, опубликованным в журнале Heat Transfer Engineering в 2023 году, экономический ущерб от загрязнений теплообменного оборудования в узлах нагрева сырой нефти в нефтеперерабатывающей промышленности США составляет примерно 1-1,2 млрд долларов США в год (в ценах 2019 года). В отчете Европейской комиссии (проект Horizon 2020) приводятся общие затраты, вызванные загрязнением теплообменников в нефтегазовой отрасли промышленно развитых стран: свыше 4,4 млрд долларов США в год.

Суть и новизна решения

Автоматизированный анализ эффективности теплообменных аппаратов необходим, чтобы своевременно предупреждать снижение их тепловой мощности из-за воздействия технологической среды на поверхность теплообмена. В основе решения, предлагаемого NAUKA, лежит цифровой двойник технологического объекта на базе математической модели процесса. Модель создается в среде ПО NAUKA.Proxima с учетом конструктивных особенностей теплообменников. После проверки на фактических производственных данных она позволяет регулярно рассчитывать материальные и тепловые балансы. Также вычисляются коэффициент теплопередачи для определения фактической эффективности теплообмена и термическое сопротивление для оценки накопления загрязнений теплообменников. Интеграция модели с производственной базой данных позволит получать актуальные параметры работы оборудования. Для поиска путей сокращения затрат на нагрев и охлаждение технологических потоков решение предусматривает пинч-анализ, реализуемый также в NAUKA.Proxima.

Применение этого метода позволит ежедневно определять минимальную движущую силу теплопередачи (разницу температур горячего и холодного теплоносителей в точке пинча) в сети и оценивать, насколько фактическая тепловая эффективность отклоняется от максимально возможной под воздействием различных факторов: производственных заданий, параметров процесса, состояния оборудования и каталитических систем и прочее.

Накопленная статистика работы технологического объекта даст возможность прогнозировать состояние его теплообменной сети. С этой целью планируется использовать функционал NAUKA.Energy для построения регрессионных зависимостей поведения объекта. Прогноз покажет, когда с экономической точки зрения целесообразно производить промывку или чистку того или иного теплообменника без остановки всего объекта. Тем самым будут сведены к минимуму последствия снижения тепловой эффективности аппаратов.

Статистику прогноза предполагается связать с оптимальным планированием производства в NAUKA.Plan. Сочетание моделирования технологических процессов, математической статистики и экономических расчетов повышает качество управления теплообменом, что важно для энергоемких производств.

Новизна решения NAUKA состоит в совместном применении цифрового двойника, пинч-анализа и прогноза загрязнений к задаче управления теплообменной сетью. По отдельности эти инструменты использовались, но их интеграция для анализа эффективности теплообменников не выполнялась.

Потенциальные эффекты реализации решения

Решение позволяет отслеживать работу теплообменной сети в реальном времени.

Непрерывный мониторинг системы теплообмена технологического объекта позволяет предсказывать снижение эффективности оборудования, вызванное уменьшением активной поверхности теплообмена из-за отложения механических примесей, продуктов коррозии и полимеризации непредельных углеводородов и т. п. Практика показывает, что при достижении пороговой величины тепловой эффективности для конкретного аппарата целесообразно провести его очистку, не дожидаясь планового ремонта всего объекта.

Сергей Михайлов, старший технолог NAUKA

Величина порога может варьироваться в зависимости от мощности трубчатых печей, стоимости топлива и других факторов. Так, опыт эксплуатации установки гидроочистки дизельного топлива на одном из крупнейших российских НПЗ свидетельствует о необходимости промывки и очистки теплообменников от загрязнений, когда тепловая эффективность снижается с первоначальных 100% до 30%.

Такой превентивный подход позволяет снизить перерасход топлива в печах и хладагентов в холодильниках, а также потерю производительности объекта, связанную с эксплуатацией неэффективного оборудования.

В рамках проверки прототипа решения были обработаны исторические данные установки первичной переработки нефти одного из крупных российских НПЗ. Выполнен анализ состояний системы теплообмена до и после планового ремонта. На основе фактических данных о расходе топлива и тепловых балансов было выявлено, что для выбранной установки за трехлетний межремонтный пробег в период 2021-2023 гг. перерасход топлива накопительным итогом в ценах 2023 года достиг 170 млн руб. Это составляет 11,8% от затрат на топливо, рассчитанных для случая отсутствия загрязнений теплообменного оборудования.

Следующие этапы — дальнейшая разработка и промышленная апробация решения.