Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы оптимизации нефтеперерабатывающих производств, постановка цели исследования 18
1.1. Стратегические приоритеты нефтеперерабатывающей промышленности. Проблема управления нефтеперерабатывающими предприятиями 18
1.2. Оптимизация НПЗ как структурный и параметрический синтез большой химико-технологической системы. Критерии качества, методы оптимизации, их классификация 23
1.3. Классификация задач оптимизации НПЗ 75
1.4. Постановка цели исследования 76
ГЛАВА 2. Декомпозиция нефтеперерабатывающих производственных систем и разработка методологии их оптимизации 80
2.1. Общая характеристика нефтеперерабатывающего комплекса как большой системы 80
2.2. Ресурсы НПЗ и их классификация 82
2.3. Комплексная математическая модель и обобщенный критерий качества НПЗ 84
2.4.Декомпозиционно-интегральный подход к синтезу вертикально-интегрированных нефтеперерабатывающих производственных систем. Методология оптимизации 87
2.5. Выводы 96
ГЛАВА 3. Оптимизация и имитационное моделирование НПЗ 97
3.1. Разработка математической модели и оптимизация НПЗ 97
3.2. Методика имитационного моделирования НПЗ 108
3.3. Синтез структур НПЗ реконструируемых и проектируемых предприятий 118
3.4. Выводы 131
ГЛАВА 4. Оптимизация материальных ресурсов НПЗ 133
4.1. Материальный баланс НПЗ, методика его расчета 133
4.2. Разработка математической модели и методики оптимизации приготовления топлив 140
4.3. Концепция рационального использования материальных ресурсов 160
4.4. Выводы 173
ГЛАВА 5. Оптимизация технологической установки на примере установки первичной переработки нефти 175
5.1. Разработка математической модели установки первичной переработки нефти. Методика экспресс-анализа фракционного состава сырья 175
5.2. Оптимизация режимных параметров УППН 191
5.3. Методика разработки системы оптимального управления технологической установкой как вертикально-интегрированной структуры 205
5.4. Выводы 208
ГЛАВА 6. Синтез теплообменных систем НПЗ 210
6.1. Анализ методов синтеза теплообменных систем 210
6.2. Синтез оптимальной теплообменной системы УППН 230
6.3. Методика синтеза теплообменных систем НПЗ 238
6.4. Выводы 243
ГЛАВА 7. Система управления нефтеперерабатывающим предприятием 245
7.1. Информационно-управляющая система НПЗ 245
7.2. Функциональная схема АСУ нефтеперерабатывающего предприятия 248
7.3. Организация управления НПЗ 252
7.4. Выводы 262
Выводы 264
Список литературы 269
- Стратегические приоритеты нефтеперерабатывающей промышленности. Проблема управления нефтеперерабатывающими предприятиями
- Комплексная математическая модель и обобщенный критерий качества НПЗ
- Разработка математической модели и оптимизация НПЗ
- Разработка математической модели и методики оптимизации приготовления топлив
Введение к работе
Одной из основных проблем повышения эффективности нефтеперерабатывающих производств, представляющих собой сложный вертикально-интегрированный комплекс, является методология их оптимизации, учитывающая многокритериальное^ рассматриваемой системы, многоуровневость и разнообразие ресурсов, используемых при управлении НПЗ. Рациональное использование ресурсов в совокупности с научно- техническим прогрессом в технологии превращения углеводородного сырья определяют перспективы нефтепереработки. Обеспечение потребности рынка высококачественными бензинами, дизельными топливами и другими нефтепродуктами при снижении издержек на производство является основной задачей, стоящей перед нефтеперерабатывающими заводами. Вне зависимости от их профиля — топливного, топливно-масляного, топливно- нефтехимического, топливно-масляно-нефтехимического — управление НПЗнаправлено на реализацию миссии предприятия, а именно: организацию и оптимизацию процессов переработки нефти, компаундирования и сбыта нефтепродуктов, отвечающих требованиям потребителей и учитывающих перспективы развития конкретного предприятия. Повысить эффект от организационно-распорядительной деятельности НПЗ можно только путем построения и оптимизации комплексной системы управления всеми его ресурсами: материальными, энергетическими, социальными, информационными, интегрированной как по горизонтали, в соответствии с критерием качества оптимизации ресурса, так и по вертикали — в соответствии с уровнем управления: стратегическим, оперативным и технологическим. Поэтому разработка методологии оптимизации подобной системы представляется весьма актуальной научно-технической проблемой. Дополнительным стимулом в пользу ее разрешения служит необходимость смещения крена в привлекательности для инвестиций с объектов добычи
6 углеводородного сырья на предприятия переработки и выпуска готовой продукции — в сферу использования современных высоких технологий — при одновременном снижении энерго- и ресурсоемкости каждого продукта. Для изучения рассматриваемой проблемы необходимо выполнить классификацию оптимизационных задач, исследовать особенности нефтеперерабатывающих производств, представляющих собой в отношении автоматизации и управления сложные организационно-технологические системы, характеризующиеся как распределенные нелинейные структуры со значительной размерностью параметров состояния, управляющих и возмущающих воздействий. Требуется осуществить формализованное описание и структурирование объекта, алгоритмизацию управления химико-технологическими и производственными процессами НПЗ. Требуется разработать комплексную математическую модель и обобщенный критерий качества НПЗ, выполнить оптимизацию и имитационное моделирование систем, получить результаты, позволяющие обеспечить взаимосвязь в иерархиях управления. Из-за необходимости исследования достаточно широкого круга задач большой размерности для определения рационального и (или) оптимального использования того или иного ресурса, будь то количество сырья, полуфабриката, энергоносителя и т. д., среди прочих особенно целесообразным видится применение декомпозиционно-интегральных методов оптимизации, методов линейного и нелинейного программирования. Подобный подход, основанный на классификации методов решения оптимизационных задач и ресурсов, может быть использован при управлении любыми большими системами. Однако применительно к рассматриваемым задачам управления объектами нефтепереработки математические зависимости, входящие в состав обобщенной модели, с точки зрения теории, становятся моделями НПЗ, моделями технологических установок переработки нефти, компаундирования нефтепродуктов, процессов разделения-смешения материальных ресурсов (сырья, катализата, денормализата и т. п.) и теплообменных систем.
Решение научных проблем, сформулированных в данной работе, позволяет осуществить построение оптимальной структуры нефтеперерабатывающего производства, разработать информационно-управляющую систему НПЗ и выполнить исследование и оптимизацию конкретных задач.
Целью настоящей диссертационной работы является создание методологии оптимизации многоуровневых интегрированных нефтеперерабатывающих производственных систем для повышения эффективности управления промышленными предприятиями в современных условиях развития экономики России.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные проблемы: - в результате всестороннего анализа теоретико-практических знаний в области управления и оптимизации химико-технологических систем НПЗ, классификации оптимизационных задач и ресурсов провести исследование путей повышения эффективности управления нефтеперерабатывающими предприятиями на базе разработки обобщенного критерия качества, осуществить постановку и решить задачу создания методологии оптимизации интегрированных нефтеперерабатывающих производственных систем для скоординированного управления всеми ресурсами предприятия; в соответствии с решением поставленной задачи на основании разработанной методологии для достижения цели оптимизации отдельных объектов и всей системы управления НПЗ ввиду большой ее размерности необходимо осуществить декомпозицию общей задачи исследования, найти оптимальные решения отдельных задач и выполнить интеграцию оптимальной системы; осуществить оптимизацию НПЗ на основании разработанного комплекса математических моделей и их исследования как объектов управления действующих, реконструируемых и проектируемых предприятий; для повышения выработки продукции, снижения издержек производства и уменьшения энергозатрат осуществить разработку концепции рационального использования материальных ресурсов НПЗ; для реализации оптимальной производительности НПЗ по каждому виду топлива осуществить оптимизацию технологической установки (на примере установки первичной переработки нефти), обеспечивающей минимизацию затрат на материальные и энергетические ресурсы; определить пути эффективного использования энергоресурсов и выполнить синтез теплообменных систем нефтеперерабатывающего производства. для интеграции задач стратегического и оперативного управления, управления технологическими процессами, управления развитием предприятия и его проектами разработать организационную структуру, функциональную схему системы управления НПЗ и соответствующую информационно-управляющую систему.
Более подробно перечисленные задачи обсуждаются в конкретных разделах диссертационной работы, состоящей из семи глав.
В первой главе, посвященной анализу научной проблемы оптимизации нефтеперерабатывающих систем и постановке задачи исследования, дается описание объекта оптимизации, приводятся экспериментальные данные, характеризующие параметры основных материальных потоков и выпускаемой продукции НПЗ, обсуждаются известные методы и способы управления химико-технологическими системами (ХТС) и предприятиями в целом, формулируются их недостатки. Здесь же достаточно подробно рассматриваются различные критерии качества, анализируются методы и задачи оптимизации, дается их классификация. Материал главы аргументированно свидетельствует о необходимости организации и проведения исследований для'интеграции различных ресурсов управления предприятием в единое целое, разработки концепции их оптимального использования.
Вторая глава представляет собой описание методологии оптимизации интегрированных систем.
Объект управления рассматривается в виде совокупности операций: финансовых, технологических, социальных и т. п., структурированный по горизонтали согласно назначения ресурса. Последовательность выполнения операций составляет известное упорядоченное множество, посредством которого описываются процессы выпуска продукции. Для каждой операции существует подмножество, которое структурирует объект по вертикали. Чтобы реализовать операцию, необходимо израсходовать материальные, энергетические, информационные и другого рода ресурсы, единая мера которых может быть представлена денежным эквивалентом и оценена в качестве затрат. Последние являются функциями производительности. Выполнение операций реализуется с помощью конкретных систем управления. Обобщенным критерием оптимальности систем является прибыль, полученная от продажи продукции за вычетом затрат на ее производство (как единой меры ресурсов). Чтобы операция могла удовлетворять требованию ее реализации, необходимо соблюдение условия, согласно которому суммарные затраты на проведение операции не должны превышать совокупности ресурсов, предоставляемых системой управления. Тогда задача оптимизации сводится к поиску вектора производительности по каждому продукту, при котором прибыль достигает наибольшего значения. Решение указанной задачи осуществляется с помощью методов линейного и нелинейного программирования, предложенного автором метода декомпозиции по уровням иерархии управления производственной системы НПЗ путем горизонтальной и вертикальной декомпозиции системы и соблюдения требования офаничений на ресурсы как согласующего решения.
Для обратной задачи оптимизации интегрированной системы производительности по продуктам предполагаются известными. Здесь уже требуется определить последовательно-параллельную структуру операций (или синтезировать систему управления) из некоторого множества, обеспечивающую заданные производительности при условии минимизации и другого критерия - суммарных затрат или(и) времени, например времени окупаемости, необходимых для производства и реализации продуктов.
Значимость предложенной методологии раскрывается в ходе оптимизации и математического моделирования конкретных нефтеперерабатывающих процессов и производств, чему посвящены третья, четвертая и частично пятая главы.
Оптимизация всего НПЗ рассматривается в третьей главе. Модель предприятия представляется в виде системы уравнений, параметрами состояния которой служат векторы входных и выходных потоков, управлениями -векторы ресурсов, а структуры задаются матрицами функциональных зависимостей, описывающих «элементарные» процессы в каждой отдельной структуре (технологической установке, аппарате и т. п.) и матрицей связей при известных ограничениях на ресурсы и показатели качества выпускаемой продукции. Расчет модели выполнен на основании экспериментальных данных, полученных с промышленного предприятия за три года его эксплуатации, и позволяет сделать вывод о ее адекватности с погрешностью не более 7,5 %. На базе разработанной модели решена задача структурно-параметрического синтеза НПЗ — определены матрицы связей и векторы управлений, при которых достигается максимум критерия оптимизации (прибыли) и обеспечивается решение практических задач, а именно: определения оптимальных производительностей по каждому виду выпускаемой продукции, анализа целесообразности включения в состав действующего производства установок изомеризации, гидрокрекинга и каталитического крекинга, а также анализа структур проектируемых заводов с глубокой и неглубокой переработкой нефти
11 при различных ценах на сырье и нефтепродукты. Полученные результаты позволили сформулировать методику имитационного моделирования в процессе принятия решения для оценки эффективности проведения мероприятий по реконструкции действующих и проектированию новых НПЗ.
Решение задачи моделирования и оптимизации НПЗ предоставило возможность провести исследование материального баланса завода, осуществить моделирование и оптимизацию процессов компаундирования нефтепродуктов, оптимизацию комплексного использования материальных ресурсов (все - четвертая глава) и выполнить моделирование и оптимизацию технологической установки на примере установки первичной переработки нефти (пятая глава).
Основная проблема при расчете материального баланса нефтеперерабатывающего предприятия заключается в согласовании материальных потоков между различными переделами, что обусловлено объективными и субъективными факторами: наличием в структуре НПЗ значительного числа резервуарных парков установок и товарных производств, погрешностями измерения приборов, ошибками ввода информации и т. п. Для устранения указанных проблем разработана методика расчета материального баланса НПЗ, в соответствии с которой согласование потоков осуществляется как решение двухуровневой декомпозиционной задачи оптимизации, где на первом уровне рассчитывается материальный баланс получения светлых нефтепродуктов с учетом показателей качества, а на втором — решается задача минимизации невязок массовых расходов входных и выходных потоков каждой установки. По результатам расчета баланса НПЗ определяются истинные значения расходов вовлекаемых в смешение компонентов при приготовлении готовой продукции и устанавливаются источники потерь завода.
На основании достоверной информации о параметрах материальных потоков и исходя из структур и параметров предложенных моделей смешения нефтепродуктов разработана методика оптимального компаундирования топлив путем решения также двухуровневой задачи оптимизации - максимизации прибыли от реализации продукции посредством определения оптимального количества получаемых топлив, содержащих оптимальные доли исходных компонентов. Решение оптимизационной задачи компаундирования осуществляется системой оптимального управления процессом смешения нефтепродуктов, внедрение которой позволило значительно снизить запас по качеству готовой продукции и тем самым сэкономить материальные и энергетические ресурсы.
Отдельно проблема использования ресурсов, их комплексная оптимизация рассматриваются при исследовании особенностей балансовых отношений между процессами разделения и смешения как одними из основных технологических процессов НПЗ. Вообще говоря, задачи разделения -смешения изучаются в разных отраслях промышленности, там, где используется многокомпонентное сырье и в ходе его переработки получают полуфабрикаты для последующего их смешения с добавками и производством таким образом готовой продукции. В нефтепереработке исходное сырье — нефть - в процессе первоначального превращения разделяется на отдельные фракции, которые затем направляются на дальнейшую переработку и компаундирование в товарных парках. Очевидный способ получения требуемых продуктов путем разделения нефти на чистые вещества и(или) узкие фракции с последующим их смешением для выработки товара является гипотетическим, поскольку требует в случае промышленного производства колоссальных материальных и энергетических затрат. Поэтому выполняется не полное, а частичное разделение, при котором особенно актуальной становится задача оптимизации комплексного использования материальных ресурсов НПЗ — определения значений количеств продуктов, долей в них исходных компонентов и долей компонентов в нефти. При этом необходимо, чтобы удовлетворялись заданные концентрации соотношения количеств компонентов в продуктах, уравнения материального баланса продуктов и компонентов, а критерий оптимизации, характеризующий качество процессов разделения и смешения, достигал экстремума. В такой постановке - это концепция рационального использования материальных ресурсов НПЗ. Эффективность сформулированного решения, способствовавшего увеличению выработки продукции и снижению издержек ее производства, продемонстрирована на примере оптимизации приготовления дизельных топлив, а также на других примерах, связанных с процессами химической технологии — оптимизации разделения смеси пропана, бутана и изобутана и оптимизации производства циклогексана.
Совокупный итог применения рассмотренных процедур оптимизации ресурсов НПЗ гарантирует получение экономического эффекта в размере, не менее 10 млн. руб. в год на один вид топлива.
Первоначально разделение нефти осуществляется на установках первичной переработки — головных объектах любого нефтеперерабатывающего завода. По этой причине в качестве объекта оптимизации среди прочих технологических установок НПЗ выбрана именно установка первичной переработки нефти. Действительно, от эффективности управления процессами первоначального разделения нефти на фракции во многом зависит эффективность работы всего предприятия. Математическое моделирование установки выполнено не только с помощью уравнений материального баланса для каждого аппарата, уравнений связей, как в случае моделирования всего предприятия, но и уравнений теплового баланса и термодинамических соотношений, что позволяет более точно описать технологические процессы. Общее число уравнений составляет около 2000. Для повышения оперативности информации о составе нефти (долей компонент в составе) предложена методика построения кривой истинной температуры ее кипения, что предоставляет возможность определить фракционный состав сырья по косвенным измеряемым в потоке показателям: плотности и содержании серы. Контроль за этими возмущениями способствует улучшению качества управления технологической установкой. Вместе с тем, чтобы построить оптимальную систему управления таким сложным объектом, как установка первичной переработки нефти, знаний только о параметрах состояния, управляющих и возмущающих воздействиях недостаточно. Для синтеза оптимальной системы, согласно положениям разработанной методологии, необходимо провести декомпозицию объекта по горизонтали на материальные и энергетические ресурсы (например, соответственно — отбор нефтепродуктов и расходы теплоносителей) и по вертикали (установка, завод). Затем определить числовые значения параметров, входящих в обобщенный критерий качества, который учитывает все виды потребляемых ресурсов. Далее система структурируется на уровни управления, а потом с помощью оптимизационных методов осуществляется ее интеграция. Подобный подход к оптимизации рассматриваемого объекта управления позволяет сформулировать методику построения двухуровневой интегрированной системы, где на верхнем уровне управления — всем предприятием - путем определения производительности (отбора) по каждому виду топлива решается задача максимизации прибыли, а на нижнем уровне - управления установкой — минимизации затрат на материальные и энергетические ресурсы. Реализация разработанной системы в промышленности позволила увеличить выход светлых нефтепродуктов до 1 %. Особенности оптимизации энергетических ресурсов установки первичной переработки нефти рассматриваются в шестой главе. Здесь на основании исходной информации о тепловых потоках и температурно-энтальпийных диаграмм показано, что для синтеза теплообмснных систем исходя из топологии существующих технологических структур, следует использовать эвристико-комбинаторные методы с проведением структурной и параметрической оптимизации. Такое решение хотя и не обеспечивает нахождения точного экстремума функции цели, с точки зрения выполнения вычислений значительно более эффективно и способствует поиску оптимального значения целевой функции. Указанное положение подтверждено при синтезе оптимальных теплообменных систем установки первичной переработки нефти, а также при синтезе оптимальной тепловой системы производства ароматических веществ, что позволило провести обобщение и предложить методику синтеза теилообменных систем.
Сформулированные в настоящей работе идеи нашли свое применение при построении информационно-управляющей системы предприятия (седьмая глава), состоящей из автоматизированных интегрированных по горизонтали систем управления производством и реализацией продукции, экономикой и финансами, бухгалтерским и налоговым учетом, материально-техническим снабжением и комплектацией оборудования, социальным развитием, персоналом и административно-хозяйственным обеспечением, капитальным строительством, внешнеэкономической деятельностью, транспортом, безопасностью предприятия и технической подготовкой его производства. В совокупности с системами стратегического управления и управления технологическими процессами перечисленные выше системы оперативного управления образуют вертикально-интегрированную систему управления НПЗ, для которой предложены оригинальная, исключающая дублирование функций организационная структура и функциональная схема, учитывающая перспективы его развития.
На основании вышеизложенного на защиту выносятся следующие основные положения.
Математическое описание нефтеперерабатывающего предприятия как вертикально-интегрированной системы, позволяющее классифицировать и структурировать задачи оптимизации НПЗ по ресурсам и уровням управления.
Обобщенный критерий качества производственной системы НПЗ, объединяющий все виды потребляемых ресурсов и затрат и функционально связывающий рассматриваемый класс задач ее оптимизации.
Метод декомпозиции по уровням иерархии управления производственной системы НПЗ, позволяющий осуществить оптимизацию сложного многокритериального объекта управления большой размерности.
Определение последовательно-параллельной структуры объекта управления и вектора производительности по каждому нефтепродукту как структурная и параметрическая оптимизация нефтеперерабатывающего предприятия, обеспечивающая получение наибольшей прибыли для действующего, реконструируемого или нового НПЗ.
Создание комплекса математических моделей объектов управления НПЗ, позволяющих проводить исследование и многоуровневую оптимизацию технологических процессов компаундирования нефтепродуктов, первичной переработки нефти и предприятия в целом.
Повышение достоверности информации о параметрах материальных потоков вовлекаемых в смешение нефтепродуктов посредством расчета материального баланса НПЗ и установления источников его потерь.
Определение концепции рационального использования материальных ресурсов НПЗ и путей снижения запаса по качеству выпускаемых топлив, способствующих уменьшению издержек производства.
Методы синтеза систем оптимального управления и теплоинтеграции установки первичной переработки нефти, обеспечивающих значительное снижение энергетических затрат.
Определение эффективной организационной и функциональной структур системы управления НПЗ, направленных на реализацию миссии современного нефтеперерабатывающего предприятия, скоординированной и интегрированной по иерархии и ресурсам управления.
Ю.Разработка информационно-управляющей системы НПЗ, построенной на основании современных информационных технологий с использованием различных средств вычислительной техники и автоматизации. 11.Методология оптимизации интегрированных нефтеперерабатывающих производственных систем, структурированных по горизонтали и вертикали в соответствии с оптимизацией ресурсов и иерархией уровней управления, разрабатываемая на базе обобщенного критерия качества, комплекса моделей НПЗ и декомпозиционно-интегральных методов. Диссертационная работа изложена на 372 стр., содержит в основном тексте 41 рис., 36 табл., список литературы насчитывает 246 наименований. В 11 приложениях к диссертации имеется 19 рис. и 19 таблиц.
Материалы работы докладывались и обсуждались на международном форуме «Топливно-энергетический комплекс: региональные аспекты», Санкт-Петербург, 2003 г.; XIII—XVI Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», Санкт-Петербург, 2000 г.; Смоленск, 2001 г.; Тамбов, 2002 г., Ростов-на-Дону, 2003 г.; Санкт-Петербург, 2003 г.; II Международной научно-практической конференции «Оценочные технологии в экономических процессах», Санкт-Петербург, 2003 г.
Программное обеспечение интегрированной информационно-управляющей системы демонстрировалось на Международной выставке «Нефтепереработка и нефтехимия», Санкт-Петербург, 2003 г.
Стратегические приоритеты нефтеперерабатывающей промышленности. Проблема управления нефтеперерабатывающими предприятиями
Нефтеперерабатывающая промышленность во всем мире в начале XXI века продолжает свое поступательное развитие под возрастающим давлением экологического фактора при ужесточении требований к потребительским свойствам нефтепродуктов. Приоритетным становится обеспечение качества товара путем поиска и реализации новых подходов к достижению наилучших свойств моторных и котельных топлив с наименьшими затратами, энерго- и ресурсосбережением [1-6].
В результате государственных ограничений на выбросы в атмосферу принимаются жесткие законы, направленные на снижение выделений углеводородов, оксидов серы, азота и тяжелых металлов при использовании топлив. Непосредственное воздействие на деятельность нефтеперерабатывающих предприятий в России оказывают директивы Европейского Союза по сокращению вредных выбросов с выхлопными газами автомобилей и дымовыми газами теплоэлектростанций, косвенное - Киотский протокол по снижению эмиссии «парниковых» газов (метана, углекислого газа).
Новые жесткие ограничения выбросов ведут к радикальным переменам в структуре спроса на производимые нефтепродукты: спрос на качественные моторные топлива растет, а на топочные мазуты и, прежде всего, на высокосернистые и сернистые котельные топлива - падает.
Изменение инфраструктуры, номенклатуры спроса и условий работы НПЗ вызывает необходимость создания новых и модернизации существующих систем управления [7]. Особое значение начинает приобретать проблема оптимизации, причем не только действующих, но и реконструируемых и проектируемых заводов. Главным образом это касается отечественной нефтеперерабатывающей промышленности, вставшей на путь рыночных отношений и вносящей существенный вклад в развитие экономики России (Табл. 1.1). 20
Переход к рынку влечет за собой кардинальные изменения и в обществе. Рынок выступает в настоящее время одним из инструментов управления в промышленности (и не только), и вся система управления претерпевает радикальные преобразования вместе с обществом [9].
Стратегической целью любо го-субъекта хозяйствования, в том числе и НПЗ, является обеспечение своей жизнедеятельности. В условиях рынка конкурентоспособность предприятия может быть достигнута путем оптимального управления его ресурсами, формирования ассортимента качественной продукции, оптимизации процессов ресурсосбережения, услуг и затрат.
Эффективность деятельности нефтеперерабатывающих предприятий во многом зависит от качества функционирования систем управления и оптимизации (минимизации) потерь, связанных с простоями, нерациональным использованием сырья, неэффективным распределением, хранением нефтепродуктов и т. п. [10].
Задачи управления чаще всего [10] решаются посредством приобретения для управленческих и производственных подразделений различных типовых автоматизированных систем. В итоге предприятие оказывается оснащенным несколькими порой разнородными комплексами, не имеющими между собой интерфейсов и решающими свои локальные задачи, причем число таких систем может достигать нескольких десятков. Складывается ситуация, когда каждое функциональное подразделение использует свои технические и программные средства АСУ, локальные базы и хранилища данных, свои алгоритмы обработки информации, свои стандарты. При таком подходе со временем субъект хозяйствования оказывается перед выбором: либо полностью перестроить информационно-управляющую систему и тратить существенные средства на интеграцию информационных массивов и потоков, либо уступить долю рынка компаниям, быстрее реагирующим на изменение внутренних и внешних факторов производства. Отсюда следует, чт использование отдельных разнородных систем управления приводит в конечном счете к несогласованности действий и низкой их эффективности. Это сказывается на качестве управления технологическими процессами, приводит к существенным погрешностям в управлении производств, а часто — и к нереализуемости принимаемых управленческих решений, что является следствием широко распространенной методологической ошибки [11]. же материальных потоков, полученных с помощью разных систем, может составлять свыше 30 %; более того, величина погрешности материального баланса только одной промышленной установки НПЗ может быть весьма велика: 1,5 тыс. т и более — при восьмичасовой производительности 16,7 тыс. т.
С целью повышения эффективности и скоординированности задач управления деятельность предприятия как производственной системы должна быть рассмотрена в качестве единого процесса, объединяющего все его структуры, и функционально связана с системой оптимального управления НПЗ [12]. В общем виде подобная проблема управления может быть формализована так [11]: необходимо построить оператор, обеспечивающий на множестве возможных решений, характеризующих варианты управления производственной системы, выбор такого решения, которое принадлежит множеству допустимых решений и доставляет экстремум некоторой заданной функции цели. При этом решение, определяющее вариант управления системы, характеризуется совокупностью технологических (состав и тип установок, топология их соединения, номенклатура и структура выпуска продукции и т. п.), экономических (объем инвестиций, материальные затраты и т. п.), социальных (общая численность работников, размер заработной платы и т. п.) и экологических (суммарные выбросы в атмосферу, содержание нефтепродуктов в стоках, сбрасываемых в водоем и т. п.) показателей. Построение подобного оператора является трудной задачей структурного и параметрического синтеза НПЗ как большой химико-технологической системы и требует создания и анализа сложных систем управления на основе использования методов математического моделирования и оптимизации.
Комплексная математическая модель и обобщенный критерий качества НПЗ
Проблема несогласованного управления объектами нефтеперерабатывающего предприятия решается в контексте разработки методологии оптимизации интегрированных производств. Предприятие рассматривается в виде совокупности операций и системы управления, элемент которой способен выполнить соответствующее ему множество операций, а сама система организуется так, чтобы не было дублирования операций в отдельных элементах. При известных ограничениях на ресурсы управления это позволяет построить комплексную математическую модель системы управления НПЗ и осуществить ее оптимизацию. Решение подобной задачи синтеза системы оптимального управления выполнено посредством горизонтальной поресурсной и вертикальной пооперационной ее декомпозиции и применения декомпозиционно-интегральной оптимизационной концепции. В качестве обобщенного критерия, призванного оценить все виды ресурсов и операций, исследуется прибыль предприятия. Приводится классификация ресурсов НПЗ и их стоимостный эквивалент - затраты. Дается практический пример.
Современное нефтеперерабатывающее предприятие относится к крупнотоннажным, непрерывно действующим промышленным производствам. Оно представляет собой систему взаимосвязанных объектов управления основного (производственного) и вспомогательного назначения, деятельность которых направлена на выпуск и реализацию нефтепродуктов. В производственной составляющей - это блок переработки (превращения) углеводородного сырья, объединяющий технологические установки, и блок смешения, в котором компоненты переработки компаундируются в товарные нефтепродукты. К вспомогательной относятся различного рода подготовка производства: техническая, снабженческая и т. п. [101, 102].
Основной единицей нефтеперерабатывающего предприятия принято считать технологическую установку. Их число варьируется в зависимости от профиля конкретного НПЗ (меньше для предприятий топливного профиля, больше — топливно-масляно-нефтехимического) и измеряется десятками (примерно от 30 до 50 и более). Состояние установки оценивается по параметрам технологических процессов, число которых в среднем составляет сотни единиц (обычно 200-500). Так, например, для атмосферной трубчатки производительностью по сырью 6 млн. т (установка АТ-6) на сосудах и аппаратах (ректификационные колонны, теплообменники, аппараты воздушного охлаждения, емкости и т. п.), не считая печей, дымовых труб, насосов, измеряется: уровней - 21, расходов — 29, температур - 30, давлений — 3, плотностей - 13 и анализируется 179 позиций лабораторного контроля (как правило, это концентрация углеводородов). Что касается технологического оборудования, то его количество составляет от десятков до тысяч единиц. К нему относятся: трубопроводы протяженностью - около 1 тыс. км и число участков - более 3000, печи — около 80, дымовые трубы — около 30, резервуары — около 300, насосы и компрессоры — немного менее 3000 (данные промышленного предприятия топливного профиля — ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез»). Можно и далее продолжить описание отличительных особенностей современного НПЗ и остановиться, например, на износе основных фондов (до 80 %), на численности промышленного персонала (тысячи человек) или же объеме выработанной продукции в стоимостном выражении (миллиарды рублей), однако очевидно и так, что для описания нефтеперерабатывающего производства как объекта управления необходимо располагать информацией о десятках и даже сотнях тысяч переменных. Подобный объект с уверенностью можно отнести к классу больших систем [14, 94]. Помимо прочего, следует учитывать специфику НПЗ, связанную с потенциальной опасностью нефтеперерабатывающих производств, его взрыво-и пожароопасностью, а также высокими требованиями к экологической безопасности [101].
Для организации процессов основного и(или) вспомогательного назначения НПЗ располагает различного рода ресурсами [103-106] (табл. 2.1): материальными, энергетическими, транспортными, социальными, экологическими, информационными, финансовыми и производственными. Последние не следует путать с основной (или производственной, как указывалось ранее) составляющей объектов управления. Несмотря на то, что используется один и тот же термин, нужно понимать под производственными объектами прежде всего промышленные установки, аппараты и т. п., тогда их производственные ресурсы - это источники или средства, направленные на обеспечение работы этих самых установок, аппаратов или предприятия в целом - его модернизацию, содержание оборудования и т. п. К основным видам ресурсов НПЗ следует отнести материальные и энергетические ресурсы, поскольку они составляют главную долю затрат в структуре себестоимости продукции НПЗ: материальные (около 45 %, т. е. почти половина), из которых на сырье приходится более трети, и энергетические — почти 20 %. Для сопоставления значимости отдельных видов ресурсов существует только один способ — представление ресурса в качестве денежного эквивалента, который принято называть затратами или статьями затрат [107]. Необходимо заметить, что в предложенной классификации (табл. 2.1) наименование каждой из составляющих затрат максимально соответствует нормам и правилам учета, которыми руководствуются на предприятиях отрасли [48].
Разработка математической модели и оптимизация НПЗ
Изменение экологических и экономических условий функционирования нефтеперерабатывающих предприятий стимулируют высокими темпами научно-технического прогресса в отрасли. В последние годы появились десятки новых и усовершенствованных традиционных технологических процессов, направленных на повышение эффективности нефтепереработки [1, 3, 101, 120—126]. К их числу относятся процессы каталитического крекинга, гидрокрекинга с повышенным выходом компонентов автобензина и олефиносодержащих газов, алкилирования на гетерогенных катализаторах, низкотемпературная и среднетемпературная изомеризация парафиновых углеводородов, процессы получения оксигенатов МТБЭ (метилтретбутиловый эфир), ТАМЭ (третамилметиловый эфир), ДИПЭ (диизопропиловый эфир) и др. В современных условиях для любого нефтеперерабатывающего предприятия становится актуальной проблема выбора собственного пути развития, учитывающего его особенности, конъюнктуру и перспективы развития рынков нефтепродуктов и наличие ресурсов [101]. Широкое применение новых технологий и усложнение технологической схемы НПЗ требуют совершенствования методов анализа каждого конкретного предприятия и управления им. При этом следует учитывать характерные особенности нефтепереработки, такие как: - комплексный характер переработки нефтяного сырья; - многовариантность, т. е. возможность получения заданного ассортимента продуктов несколькими способами; - возможность проведения технологических процессов в различных режимах, на различных видах сырья; - возможность выработки не только товарных нефтепродуктов, а и компонентов, которые в последствии смешиваются до товарных нефтепродуктов. При весьма высокой сложности и альтернативности деятельности нефтеперерабатывающего завода проблема управления им, как указывалось ранее, решается с применением математических методов. Впервые математические модели в нефтепереработке применили в СШЛ для оптимизации компаундирования авиационных бензинов. В России активное использование моделей в нефтепереработке началось в 60-х годах прошлого века. Обычно по функциональному назначению моделирование НПЗ осуществляется для решения следующих задач: - оперативного планирования и управления; - долгосрочного планирования и стратегического управления; - проектирования. Основная задача текущего планирования деятельности НПЗ и управления им заключается в расчете и реализации оптимальной производственной программы [101], которая при заданных условиях (ограничениях на ресурсы, качество и ассортимент товарной продукции, определенный уровень цен на нефть и нефтепродукты) обеспечивает экстремальное значение критерия оптимизации. В качестве последнего могут использоваться прибыль, себестоимость, объем реализации, затраты. Задачи долгосрочного планирования и стратегического управления предприятием заключаются в выборе оптимального пути развития НПЗ на заданный период времени (5, 10, 15 и более лет) и его реализации [101]. Исходной информацией для оценки различных направлений развития являются: - анализ существующего технического и экономического состояния предприятия; - тенденции развития рынка нефтепродуктов, прогноз развития рынков на перспективу; - анализ новейших достижений научно-технического прогресса в отрасли; - изменение экологических, экономических и политических условий функционирования предприятия; - анализ финансовых возможностей предприятия, доступность финансовых ресурсов (собственные или заемные средства, условия кредитования); - анализ уровня развития современных информационных технологий, методов и способов автоматизации и управления. Другим, принципиально отличным направлением использования математических моделей является реконструкция действующих и проектирование новых НПЗ [127-134]. При реконструкции или проектировании НПЗ задача моделирования формулируется следующим образом: из имеющегося множества технологических процессов необходимо составить такую схему завода и так распределить материальные потоки между технологическими установками, чтобы обеспечить выпуск заданного годового количества конечных нефтепродуктов при необходимом качестве и максимальную прибыль на вложенные средства. Для каждого процесса известны проектная мощность технологической установки, материальный баланс в зависимости от режима работы установки, характеристики перерабатываемого сырья и образующихся продуктов или полупродуктов и технико-экономические показатели. Необходимо определить оптимальную схему переработки нефти, которая отвечала бы экстремальному значению критерия качества. В общем виде, как указывалось ранее, модель представляет собой систему уравнений или неравенств, выражающих различного рода связи между производственными переделами. Каждое уравнение или неравенство состоит из неизвестных, коэффициентов при них и свободных членов. Неизвестными являются: количество сырья, переработанного на каждой установке в определенном режиме; количество товарного продукта, полученного по определенному рецепту смешения; количество продукта, поступающего со стороны, или промежуточного продукта, вовлекаемого в смешение товарного продукта.
Условно модель можно представить в виде блока производства, в котором углеводородное сырье распределяется и перерабатывается на различных технологических установках, и блока смешения, в котором компоненты, вырабатываемые в производственном блоке, компаундируются в товарные нефтепродукты. Наиболее широкое распространение получили линейные модели [96], хотя следует отметить, что не все зависимости, описываемые в таких моделях, имеют линейный характер. Например, при определении оптимальных рецептур смешения бензинов отмечается отклонение от правила аддитивности [46].
Разработка математической модели и методики оптимизации приготовления топлив
Исходя из полученных расчетов можно сделать следующие выводы. Небольшое количество керосина (0,95 т/ч) должно быть очищено от серы неглубоко — от 0,15 до 0,137 %. Остальной керосин в количестве, превышающем 50 т/ч, может быть очищен дальше до товарного содержания серы. Из 70 т/ч фракции 200-300 С 57,41 т/ч должны быть очищены от 0,5 до 0,054 % серы. Из 150 т/ч дизельного топлива 128,125 т/ч должны быть очищены от 0,8 до 0,036 % серы. Экономический эффект достигается тем, что 12,59 т/ч фракции 200-300 С и 21,875 т/ч дизельного топлива не подвергаются гидроочистке, а требуемая для получения продуктов гидроочистка исходных потоков минимальна и по количеству и по качеству. Если в процессе переработки остаются негидроочищенные нефтепродукты, то они могут быть использованы для получения дизельного топлива летнего с содержанием серы 0,5 % (ГОСТ 19121-73) с достаточным запасом по температурам застывания и помутнения без дополнительных затрат.
Оценка экономического эффекта от оптимизации процесса разделения-смешения на примере производства керосина ТС-1 дана в Приложении 8. В заключение главы отметим, что совокупный итог от проведения процедур оптимизации материального баланса, компаундирования и оптимизации балансовых отношений между процессами разделения и смешения составляет более 10 млн. руб. в год на один вид топлива. 1. Впервые на основании декомпозиционно-интегрального подхода к оптимизации технологических систем разработана методика и выполнен расчет материального баланса НПЗ как решение двухуровневой оптимизационной задачи, где путем минимизации суммы квадратов отклонений между векторами расчетных и экспериментально найденных значений показателей качества материальных потоков вычисляется баланс получения светлых нефтепродуктов, а затем осуществляется минимизация невязок расходов входных и выходных потоков для каждой технологической установки. Этим обеспечивается значительное повышение достоверности информации о вовлекаемых в приготовление товарной продукции полуфабрикатах и установление фактических источников потерь предприятия. 2. Разработана математическая модель компаундирования топлив, основанная на ограничениях типа равенств на вовлекаемые базовые компоненты при условии одновременной выработки нескольких сортов топлив, создана методика и решена задача оптимизации приготовления товарной продукции посредством поиска оптимального ее количества, содержащего оптимальные доли исходных компонентов. Реализация задачи осуществлена с помощью системы оптимального компаундирования, внедрение которой дало возможность снизить запас по качеству продукции, увеличить ее выработку и сэкономить ресурсы управления. 3. Сформулирована концепция рационального использования материальных ресурсов нефтеперерабатывающего предприятия, представляющая собой постановку и решение задачи оптимизации балансовых отношений между процессами разделения и смешения как основными наряду с каталитическими процессами НПЗ. Согласно концепции для рационального использования ресурсов необходимо определить, а затем и поддерживать на заданном уровне оптимальные значения количеств продуктов и долей в них исходных компонентов при условии, что удовлетворяются заданные концентрации соотношений количеств компонентов в продуктах, уравнения материального баланса продуктов и компонентов. При этом критерий оптимизации, характеризующий качество процессов разделения и компаундирования должен достигать экстремума. Предложенный автором подход к оптимизации материальных ресурсов НПЗ, помимо объектов нефтепереработки, может быть использован и для оптимизации других объектов этого класса систем, что показано на примерах оптимизации производства циклогексана и разделения смесей пропана, изобутана и бутана. Внедрение систем управления, обеспечивающих оптимизацию материальных ресурсов НПЗ, позволило получить значительный экономический эффект в более чем 10 млн. руб. в год на один вид топлива.
