Multi-objective exergy-based optimization of an offshore oil processing plant

Oil platforms are complex systems where different processes occur and energy production is required to sustain all the activities. The number of risks for human health related to processes is therefore significant. The evaluation and quantification of risks is a fundamental step for the final design of the platform. Exergy analysis and Thermoeconomics are tools for optimizing thermodynamic and economic efficiency of the system. In this work is proposed a model, named Combined Risk and Exergy Analysis, that uses the approach of Thermoeconomic to perform simultaneously the risk assessment and exergy analysis of the system and identify major sources of risk related to inefficiency and eventually reduce them. This work presents the analysis of a crude oil separation unit using Aspen Plus® simulation software, and is mainly divided into three parts: I. In the first part, a simplified scheme of a real plant of treatment of crude oil is analyzed: the system is constituted primarily of a pre-separator unit, an Electrostatic Oil Heater Treater unit and one other post-separator unit over other components. II. In the second part, Exergy and Thermoeconomic analyses are performed. Data are originally obtained from simulations in Aspen Plus and managed by a user-friendly method based on Excel Workbook. III. In the third part, a Risk analysis of the main component Oil Heater Treater is carried out and the Combined Risk and Exergy Analysis is performed. Furthermore, it is proposed a procedure to evaluate numerically the cost of risk avoided for the optimized configuration presented. This work brings out the importance of the optimization exergetic as a multi-objective analysis in which the possible improvements may be multiple. The combined application of the Risk analysis and the Thermoeconomic analysis on the system can be useful to find the best trade-off between thermodynamic inefficiencies and risk on human health. In conclusion, the exergy-based analyses can be a powerful tool to perform possible refinements of thermodynamic nature (reduction of inefficiencies) as well as economic (minimize cost), environmental (emissions reduction) and social (risk) optimizations.

Le piattaforme petrolifere sono sistemi complessi in cui avvengono diversi processi che necessitano di produzione di energia. Il numero di rischi per la salute e la sicurezza dell’uomo è elevato e pertanto la loro valutazione e quantificazione sono dei passi fondamentali per la progettazione di una piattaforma. L’Analisi Exergetica e Termoeconomica possono essere utili strumenti per una ottimizzazione di un sistema energetico. In questo lavoro viene proposto un modello denominato Combined Risk and Exergy Analysis che utilizza l’approccio teorico della termoeconomia per compiere una valutazione del rischio e identificare le principali cause di pericolo. In particolare viene analizzato un processo di separazione mediante il software Aspen Plus® e può essere schematicamente suddiviso in tre parti : I. Un impianto reale è stato semplificato per l’analisi: il sistema è costituito principalmente da un pre-separatore, un Electrostatic Oil Treater e di un altro post-separatore più altri componenti. II. Viene implementata l’Analisi Exergetica e Termoeconomica mediante l’utilizzo di un metodo user-friendly per l’analisi dei dati che utilizza l’interfaccia di Microsoft® Excel. III. Viene condotta una analisi di rischio semplificata dell’ Oil Treater attraverso l’implementazione del nuovo metodo proposto. In particolare, è stato quantificato numericamente il costo di rischio evitato per la nuova configurazione ottimizzata presentata. Questo lavoro fa emergere l’importanza dell’ottimizzazione exergetica come strumento per effettuare analisi multi-obiettivo di un sistema energetico. L’utilizzo combinato dell’analisi termoeconomica e di rischio può essere utilizzato per trovare il migliore trade-off tra le inefficienze termodinamiche ed il pericolo legato alla sicurezza dell’uomo. In conclusione, le analisi basate sul calcolo dell’exergia possono essere dei potenti strumenti per analizzare possibili miglioramenti sotto diversi punti di vista che possono essere sia di natura termodinamica (riduzione delle inefficienze del sistema), sia di natura economica (minimizzazione del costo totale) o ambientale (riduzione delle emissioni) e sociale (riduzione del rischio).