Управление качеством дистиллятов в процессах ректификации нефтепродуктов в условиях нестационарности: На примере установки замедленного коксования 21-10/ЗМ

Актуальность темы

Дистилляты процессов нефтепереработки могут использоваться для производства различных товарных нефтепродуктов. В современной экономической ситуации к потребительским свойствам нефтепродуктов конъюнктура рынка предъявляет высокие требования. В свою очередь, возрастают требования к стабильности показателей качества дистиллятов. Сказанное, в частности, относится к дистиллятам процесса ректификации летучих продуктов процесса замедленного коксования тяжелого нефтяного сырья. При неудовлетворительном качестве эти дистилляты вовлекаются в процессы смешения для производства топочного мазута, печного топлива — продуктов спросом не пользующихся и имеющих высокую цену. Экономически целесообразным вариантом работы установки замедленного коксования является выпуск бензина, как компонента смешения бензинов или сырья установок гидроочистки реактивного топлива, легкого газойля как сырья установок гидроочистки дизельного топлива, тяжелого газойля как компонента экспортного продукта К-3. В этом случае технологическими процессами получения товарных продуктов к качеству дистиллятов предъявляются жесткие требования. Проблема управления качеством дистиллятов заключается в том, что блок ректификации постоянно находится под воздействием неконтролируемых возмущений в виде изменения количества и состава паров коксования. В условиях воздействия возмущений его работа характеризуется длительными переходными процессами со значительными колебаниями выхода и качества дистиллятов. Задача стабилизации в этих условиях значений показателей качества дистиллятов, которые влияют на выпуск товарных продуктов, является актуальной. Ее решению, в определяющей степени, будет способствовать система автоматического управления, эффективно компенсирующая неконтролируемые возмущения процесса по расходу и составу паров коксования, разработке и экспериментальному исследованию алгоритмов функционирования которой посвящена настоящая работа.

Цель работы. Разработка эффективных алгоритмов управления качеством дистиллятов в процессе ректификации нефтепродуктов в условиях нестационарности, вызванной неконтролируемыми возмущениями, в частности, по расходу и составу смеси питания, обеспечивающих стабилизацию показателей качества на заданных значениях.

Методы исследований. В работе использованы методы термодинамики и теории массопередачи, теории управления, математического моделирования, натурный и вычислительный эксперимент.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на XII Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-98 (Москва, 1998 г.), конференции «Успехи в химии и химической технологии» (Москва, 1999 г.), 2-ой Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2001 г.), 14 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-14 (Смоленск, 2001 г.), конференции «На лучшую научно-техническую разработку среди молодежи предприятий, научно-исследовательских институтов и учебных учреждений МИНЭНЕРГО (Москва, 2001 г.), 3-й Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2002 г.).

На защиту выносится: 1) подход на основе термодинамической модели, параметрически описывающей состояние многокомпонентной парожидкостной системы, к оперативному управлению качеством дистиллятов процесса ректификации нефтепродуктов в условиях действия возмущений по расходу и составу смеси питания;

2) алгоритм адаптации термодинамической модели состояния многокомпонентной парожидкостной системы в процессе ректификации нефтепродуктов;

3) алгоритмы автоматической системы управления качеством дистиллятов в условиях нестационарности процесса ректификации нефтепродуктов, основанные на использовании термодинамической модели, описывающей состояние многокомпонентной парожидкостной системы.

В первой главе изложены физико-химические основы процесса замедленного коксования тяжелых нефтяных остатков и приведено описание промышленного процесса на базе модернизированной технологической установки 21−10/ЗМ.

В результате проведенного технико-экономического анализа установлено, что экономически целесообразным вариантом работы установки является выпуск бензина как компонента товарных бензинов или сырья установок гидроочистки реактивного топлива, легкого газойля как сырья установок гидроочистки дизельного топлива, тяжелого газойля как компонента продукта К-3. Сформулирована цель управления, как минимизация отклонений фактических значений показателей качества от заданных, с целью обеспечения максимальных отборов дистиллятов по наиболее экономически целесообразному варианту работы установки.

В результате экспериментального исследования и анализа работы блока ректификации как объекта управления установлено, что основным возмущающим воздействием, оказывающим значительное влияние на качество и выходы дистиллятов, является неконтролируемое изменение количества и состава паров коксования.

Из литературных источников известно, что нормируемые показатели качества дистиллята находятся в известной зависимости от среднемольной температуры кипения дистиллята, а анализ функционирования блока ректификации, как объекта управления, показал, что управление среднемольной температурой кипения дистиллята осуществляется изменением температуры на отборной тарелке этого дистиллята.

Задача управления блоком ректификации сформулирована, как управление температурой на отборных тарелках дистиллятов, зависящей от состава и количества паров коксования, которые в данном случае неизвестны.

Анализ существующих способов управления качеством дистиллятов выявил три наиболее часто используемых: основанных на применении типовых проектных решениях по автоматической стабилизации значений параметров процессана применении систем многопараметрического управленияна применении систем, использующих математические модели процесса ректификации многокомпонентных смесей. Установлено, что системы на основе математических моделей, хотя и являются самым сложным и наукоемким техническим решением, в задаче управления качеством дистиллятов замедленного коксования обладают наибольшим потенциалом и возможностями.

Во второй главе проведен анализ существующих математических описаний (математических моделей) процесса ректификации многокомпонентных смесей, в результате которого установлено, что наиболее часто используемыми являются статистические и аналитические математические модели. При разработке статистических моделей используют регрессионный анализ статистических данных, полученных на объекте. При разработке аналитических моделей для описания значимых явлений ректификации используют термодинамические, кинетические, гидравлические и другие фундаментальные зависимости и параметры.

Были рассмотрены способы построения и основные принципы алгоритмизации математических моделей и сделан вывод о том, что использование этих моделей для управления качеством дистиллятов в динамических режимах промышленного процесса замедленного коксования затруднительно. Сформулированы требования к математической модели, обоснованы причины, которыми обусловлены эти требования, и предложены способы выполнения требований.

Для управления качеством дистиллятов в промышленном процессе замедленного коксования тяжелого нефтяного сырья предложено использовать термодинамическую модель, описывающую состояние многокомпонентной парожидкостной системы на отборных тарелках дистиллятов.

В третьей главе, в соответствии с алгоритмом вычисления значений температур на отборных тарелках, соответствующих заданным для алгоритма значениям показателей качества дистиллятов, основанным на использовании термодинамической модели состояния многокомпонентной парожидкостной системы, для технологической установки 21−10/ЗМ разработаны алгоритмы расчета значений температуры в секциях колонны, реализация которых в технологическом процессе обеспечивает заданное качество дистиллятов.

Значительная составляющая ошибки расчета температуры на отборных тарелках вносится на этапе вычисления давления отбираемого с данной тарелки дистиллята в паровой фазе, так как уравнение Рауля-Дальтона предполагает, что массообменные процессы осуществляются до состояния равновесия, а состояние паровой фазы соответствует состоянию идеальных газов. Для автоматической адаптации модели разработан и исследован алгоритм адаптации. Исследование алгоритма выполнялось экспериментальным путем и заключалось в проверке его сходимости путем расчета на ЦВМ переходных процессов имитационной модели при различных параметрах настройки алгоритма. В результате исследования разработаны рекомендации по настройке параметров алгоритма адаптации.

Для исследования работоспособности алгоритма термодинамической модели состояния многокомпонентной парожидкостной системы в промышленных условиях проведен пассивный эксперимент. Для проведения эксперимента в качестве объекта использовалась ректификационная колонна К-1. Для размыкания системы уравнений модель модифицирована. Если в первоначальном варианте по модели рассчитывались значения температуры в секциях колонны, управление которыми обеспечивает заданное качество дистиллятов, то в модифицированном варианте рассчитывается качество дистиллятов при текущих значениях технологических параметров, то есть модель представляет собой программный анализатор качества.

В результате проведения эксперимента установлено, что разность между значениями среднемольных температур кипения дистиллятов, полученных в результате расчета по модели и лабораторного анализа, не превышает допустимой погрешности лабораторного анализа, что приемлемо для промышленных условий.

В четвертой главе рассмотрена реализация способа автоматического управления качеством дистиллятов в АСУТП установки 21−10/ЗМ ООО «ЛУКОИЛ-Пермнефтеоргсинтез» на базе распределенной системы управления (DCS) Fisher-Rosemount RS3. Качество дистиллятов задается оператором в виде значений объемных интегральных разгонок дистиллятов, по модели рассчитываются температуры в секциях колонны, управление которыми обеспечивает заданное качество дистиллятов, АСР «по отклонению» температуры на отборных тарелках, изменяя значения орошений, стремятся установить их текущие значения равными заданным.

Для исследования способа автоматического управления проведен опытный пробег установки. В течение 7 суток для управления качеством дистиллятов использовалось базовое проектное решение, заключающееся в стабилизации температурного профиля колонны на регламентных значениях и в незначительной его корректировке оператором в зависимости от результатов лабораторного анализа качества дистиллятов. В течение последующих 7 суток для управления качеством дистиллятов использовался рассмотренный способ автоматического управления.

Для оценки эффективности разработанного технического решения предложена методика расчета экономического эффекта. Экономический эффект достигается за счет увеличения отбора и улучшения качества дистиллятов, использующихся для выпуска товарных продуктов, пользующихся спросом.

В заключении сформулированы основные результаты работы, имеющие научное и практическое значение.

В приложениях приведены средние значения технологических параметров процесса, описание автоматической системы, реализующей разработанный способ управления, рабочая инструкция оператора, результаты опытного пробега, акт испытания, справка об использовании результатов работы, расчет экономического эффекта.

Диссертационная работа является частью научных исследований, выполненных в соответствии с планами научно-исследовательских работ по научно-технической программе Министерства образования РФ «Химия, химическая технология и химическое машиностроение» (1998;2000 г. г., проект № Г. Р. 1 990 006 136), научно-технической программе Министерства образования РФ «Автоматизированные системы, средства автоматизации и вычислительная техника» (1999;2001 г. г., проект № Г. Р. 1 200 010 347), региональной научно-технической программе «Западный Урал: актуальные проблемы научно-технического развития и экологической безопасности» (19 972 000 г. г., проект «Разработка теоретических основ и алгоритмов гибкого автоматизированного управления технологическими процессами многономенклатурных химических производств в условиях быстроменяющейся конъюнктуры рынка»).

Выводы по разделу 4.

По материалам раздела 4 можно сделать следующие выводы:

1) на основе термодинамической модели состояние многокомпонентной парожидкостной системы для установки 21−10/ЗМ был разработан и реализован в АСУТП установки автоматический способ управления качеством дистиллятов;

2) исследование автоматического способа управления качеством дистиллятов заключалось в проведении натурного эксперимента, для чего был выполнен опытный пробег установки с использованием для управления качеством дистиллятов типового проектного решения и разработанного способа автоматического управления;

3) результатом натурного эксперимента доказана эффективность разработанного способа автоматического управления качеством дистиллятов, что подтверждают данные об изменении отборов и качества дистиллятов по сравнению с типовым проектным решением;

4) разработана методика и выполнен расчет экономического эффекта от использования автоматического способа управления качеством дистиллятов. Экономический эффект был получен за счет выпуска более дорогих и пользующихся устойчивым спросом товарных продуктов за счет продуктов спросом не пользующихся.

Заключение

.

Работа посвящена актуальной проблеме управления качеством дистиллятов в процессах ректификации нефтепродуктов в условиях действия возмущений по составу и расходу питания, в частности, в промышленном процессе замедленного коксования тяжелого нефтяного сырья. Научное значение работы заключается в следующем:

1) в результатах экспериментального исследования и анализа нестационарного процесса многокомпонентной ректификации нефтепродуктов, позволяющих выявить его особенности как объекта управления, определить параметры, являющиеся возмущениями и управлениями для показателей качества и выхода дистиллятов;

2) в подходе к оперативному управлению качеством дистиллятов в условиях действия неконтролируемых возмущений по расходу и составу смеси питания на основе термодинамической модели, описывающей состояние многокомпонентной парожидкостной системы в процессе многокомпонентной ректификации нефтепродуктов;

3) в алгоритме адаптации термодинамической модели состояния многокомпонентной парожидкостной системы в процессе многокомпонентной ректификации нефтепродуктов;

4) в алгоритмах системы автоматического управления качеством дистиллятов в условиях нестационарности процесса ректификации нефтепродуктов, основанных на использовании термодинамической модели, описывающей состояние многокомпонентной многокомпонентной парожидкостной системы.

Практическое значение работы заключается: 1) в разработанном способе автоматического управления качеством дистиллятов в промышленном автоматизированном процессе замедленного коксования тяжелого нефтяного сырья;

2) в программной реализации алгоритмов автоматического управления качеством дистиллятов в промышленном автоматизированном процессе замедленного коксования тяжелого нефтяного сырья;

3) в возможности расширенного использования термодинамической модели состояния многокомпонентной парожидкостной системы для управления качеством дистиллятов в других технологических процессах нефтепереработки.

Реализация результатов работы:

1) разработан, защищен патентом РФ и реализован в АСУТП установки замедленного коксования тяжелого нефтяного сырья 21−10/ЗМ ООО «ЛУКОИЛ-Пермнефтеоргсинтез» способ автоматического управления качеством дистиллятов процесса ректификации летучих продуктов коксования.

2) разработано информационно-программное обеспечение системы автоматического управления качеством дистиллятов процесса ректификации летучих продуктов коксования, реализованное в распределенной системе управления (DCS) на базе Fisher-Rosemount RS3 установки 21−10/ЗМ ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез».

3) разработанная система автоматического управления качеством дистиллятов процесса ректификации летучих продуктов коксования введена в промышленную эксплуатацию.