Введение к работе
Актуальность проблемы. Ускоренное развитие нефтепереработки на базе высоких технологий является важной составляющей модернизации экономики России. В номенклатуре нефтепереработки смазочные масла являются высокотехнологичными продуктами, обеспечивающими более высокую, по сравнению с топ-ливами, добавленную стоимость.
Одним из важнейших показателей, характеризующих низкотемпературные свойства смазочных масел, является температура их застывания. Наиболее распространенные классические сольвентные технологии производства масел включают в себя процесс депарафинизации, направленный на сохранение подвижности масла при низких температурах. В процессе сольвентной депарафинизации сырье в смеси с растворителем, в качестве которого используется смесь метилэтилкетона (МЭК) и толуола с содержанием МЭК DM3K=55+65 %, поступает в кристаллизаторы, где постепенно охлаждается до заданной температуры, при этом содержащиеся в нем соединения парафинового ряда выкристаллизовываются и удаляются впоследствии фильтрованием. Этот процесс, по сравнению со смежными процессами деасфаль-тизапии и селективной очистки, является наиболее энергоёмким и вносит существенный вклад (до 40-50%) в себестоимость производства масел.
В настоящее время доля альтернативных процессов в производстве масел, по отношению к рассматриваемым сольвентным, невысока. В России функционируют 25 установок сольвентной депарафинизации и всего две установки каталитической депарафинизации (Ангарск, Волгоград), а также одна установка гидроизодепара-финизации (Волгоград). Несмотря на возрастающую, с развитием прецизионного и энергосберегающего машиностроения, роль гидрокаталитических процессов в производстве масел, сольвентная депарафинизация остается наиболее широко распространенной по технологическим и экономическим причинам.
Депарафинированное масло (ДМ) используют в качестве основы для приготовления товарных масел различного назначения, а дальнейшее применение отфильтрованного остатка (гача), содержащего, в основном, парафины и остатки ДМ, зависит от технологической схемы перерабатывающего предприятия. Гач используется для получения парафина, либо в смеси с мазутом в качестве сырья для установки каталитического крекинга. Существуют и другие способы переработки гача, однако, в любом случае ДМ, содержащееся в гаче, является, фактически, обратимой или необратимой потерей ценного продукта.
Остаточное содержание ДМ в гаче составляет до 30 % масс, и зависит как от вида сырья, так и от технологических параметров процесса. Снижение остаточного содержания ДМ в гаче только на 1% при переработке 15 т/ч и содержании парафина в сырье 20% масс, позволяет дополнительно получить на установке депарафини-
зации 1 т ДМ в сутки, что обеспечивает около 5 млн. руб. в год прибыли. Поэтому весьма актуальным является увеличение глубины отбора ДМ за счет усовершенствования системы управления процессом депарафинизации.
Цель работы - разработка алгоритмов и системы автоматического управления технологическим режимом кристаллизации парафинсодержащего сырья для повышения технико-экономических показателей типовой установки сольвентнои депарафинизации за счет увеличения отбора депарафинированного масла и снижения его остаточного содержания в гаче.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
разработаны конструктивные математические модели физических процессов, составляющих технологию депарафинизации;
разработаны методы и расчетные методики определения технологических параметров депарафинизации;
разработана функционально-ориентированная на использование в системах управления математическая модель кристаллизации парафинов (ФОМ);
разработаны методы и методики структурно-параметрической идентификации ФОМ;
разработаны алгоритмы и синтезирована система для автоматизированного оптимального управления регенеративными кристаллизаторами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории автоматического управления, методы идентификации и методы статистической обработки результатов эксперимента, аналитические и численные методы решения задач математической физики, аналитические методы исследования физико-химических свойств нефтепродуктов, экспериментальные методы определения реологических характеристик парафинсодержащего сырья.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:
- впервые поставлена и решена задача оптимального управления, разработаны алгоритмы и система оптимального управления регенеративными кристаллизаторами по критерию среднего размера кристаллов парафина, обеспечивающие максимальный отбор депарафинированного масла в условиях технологической неопределенности;
-разработана функционально-ориентированная на использование в системах управления математическая модель регенеративных кристаллизаторов установки депарафинизации, позволяющая, в отличие от известных, оценить влияние техно-
логических параметров и свойств сырья и растворителя на остаточное содержание депарафинированного масла в отфильтрованном остатке;
разработаны методы параметрической идентификации теплообмена в каскаде кристаллизаторов по доступной измерению информации, что позволяет, в отличие от известных методов, применить тепловой блок функционально-ориентированной на использование в системах управления математической модели в качестве настраиваемой части модели в адаптивной системе управления;
получены не имеющие известных аналогов аналитические уравнения гиперповерхностей растворимости парафинов для трех видов сырья, позволяющие оперативно рассчитать равновесную концентрацию парафина при заданных условиях и обеспечивающие раскрытие основной неопределенности при синтезе управления;
разработан метод расчета минимальных расходов растворителя при сохранении подвижности сырьевого потока, позволяющий, в отличие от известных, синтезировать оптимальные алгоритмы управления, обеспечивающие максимальный отбор депарафинированного масла в условиях ограничений по технологической реализуемости процесса депарафинизапии.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов состоит в разработке и промышленном внедрении со значительным технико-экономическим эффектом:
- системы оптимального управления регенеративными кристаллизаторами с
моделью-идентификатором в контуре;
- алгоритмов оптимального управления процессом кристаллизации в регене
ративных кристаллизаторах;
функционально-ориентированной на использование в системах управления математической модели процесса кристаллизации парафинов, позволяющей решать широкий круг задач имитационного моделирования и управления;
расчетной методики определения минимальных порций растворителя для разбавления сырья, обеспечивающих его технологическую подвижность в кристаллизаторах.
Внедрение результатов диссертационной работы на ООО «Новокуйбышевский завод масел и присадок» (000 "НЗМП") позволило повысить выход депарафинированного масла в среднем на 0,5 %. За счет увеличения выхода целевого продукта и сокращения затрат на стабилизацию технологического режима экономический эффект составил 7 млн. руб. в год.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на 13 международных и российских конференциях, конгрессах и форумах, наиболее значимые из которых: III
Конгресе нефтегазопромышленников России (г. Уфа, 2001 г.); V Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (г. Санкт-Петербург, 2002 г.); 9-ая международная научно-техническая конференция "Смазочные материалы 2006" (г. Бердянск, 2006 г.); 2-ая научно-практическая конференция "Математическое моделирование и компьютерные технологии в разработке месторождений" (г. Уфа, 2009).
Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в 21 научном издании (в том числе в изданиях из перечня, рекомендуемых ВАК [1-4]).
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 99 наименований, 4 приложений. Основной текст работы изложен на 162 страницах, диссертация содержит: 55 рисунков, 15 таблиц, приложения на 12 страницах, библиографический список на 11 страницах.
Положения, выносимые на защиту:
Функционально-ориентированная на использование в системах управления математическая модель кристаллизации парафинов.
Алгоритмы и система оптимального управления регенеративными кристаллизаторами, обеспечивающие минимальное остаточное содержание депарафиниро-ванного масла в отфильтрованном остатке в условиях технологических ограничений.
Методы и результаты параметрической идентификации блоков функционально-ориентированной математической модели.
Методы оперативного анализа растворимости парафинов и реологических свойств смеси рафината и растворителя, обеспечивающие раскрытие неопределенности при синтезе алгоритмов управления регенеративными кристаллизаторами.
