Содержание к диссертации
Введение
1. Установка каталитического риформинга как объект пуска и останова 8
1.1. Технологические особенности процесса каталитического риформинга 8
1.2. Анализ установки каталитического риформинга как объекта пуска и останова 10
1.2.1. Особенности операций пуска и останова каталитического риформинга 12
1.2.2. Установка каталитического риформинга как объект пуска и останова 26
1.3. Анализ математических моделей для целей управления 29
1.4. Анализ систем управления установкой каталитического риформинга 38
1.5. Выводы 41
2. Управление процессами пуска и останова установки каталитического риформинга
2.1. Управление блоком гидроочистки 43
2.1.1. Процесс гидроочистки как объект управления 43
2.1.2 Влияние управляющих параметров на процесс гидроочистки 45
2.2. Управление блоком риформинга 46
2.2.1. Процесс риформинга как объект управления 46
2.2.2. Влияние управляющих параметров на процесс риформинга 48
2.3. Автоматическое регулирование и контроль процесса 51
2.4. Постановка задачи управления процессами пуска и останова установки каталитического риформинга 53
2.5. Выводы 56
3. Математическая модель для решения задачи управления процессами пуска и останова установки каталитического риформинга
3.1. Математическое описание процессов пуска и останова 57
3.1.1. Математическое описание процесса гидроочистки 57
3.1.2. Математическое описание процесса риформинга 62
3.2. Анализ математических пакетов для решения модели 70
3.3. Метод конечных разностей для решения математической модели пуска и останова 72
3.4. Выводы 86
4. Оценка коэффициентов математической модели и проверка ее адекватности
4.1. Оценка адекватности математической модели 87
4.2. Исследование динамики каналов управления 90
4.3. Программный комплекс для управления процессами пуска и останова 94
4.4. Выводы 104
Основные выводы 105
Список литературы 107
Приложения 115
- Особенности операций пуска и останова каталитического риформинга
- Влияние управляющих параметров на процесс риформинга
- Математическое описание процесса гидроочистки
- Программный комплекс для управления процессами пуска и останова
Введение к работе
Интенсивное развитие нефтехимического и нефтеперерабатывающего производства, обусловленное повышением спроса на продукты нефтепереработки (автомобильные и авиационные бензины, ароматические углеводороды и т.п.), привело к возрастанию, роли процессов нефтепереработки и уровня их автоматизации в промышленности. Основной тенденцией развития нефтехимических производств на современном этапе являются их интенсификация и повышение требований к качеству готовой продукции. При этом техническое совершенство перерабатывающих установок уже достигло уровня, позволяющего осуществлять непрерывную переработку нефтей при высоких показателях производительности. Дальнейшее улучшение показателей процесса связано в первую очередь с улучшением качества продукции, сокращением производственных затрат (материальных и энергетических) и повышением гибкости производства для реагирования на изменения потребительского спроса на тот или иной вид продукции.
Актуальность разработки математического обеспечения для решения задачи управления процессами пуска и останова установки каталитического риформинга определяется сложностью, пожароопасностью, инерционностью, большим количеством контролируемых различными способами параметров объекта управления и сложностью принятия решений при ликвидации нештатной ситуации, жесткостью диапазонов допустимых границ контролируемых параметров.
Тенденции развития современных систем управления процессом риформинга показывают, что они должны быть настраиваемыми на различные производственные задания и характеристики сырья, то есть адаптивными.
Процессы пуска и останова установки риформинга с точки зрения задачи управления имеют следующие особенности: показатели
5 эффективности нелинейным и неоднозначным образом зависят от режимных параметров; производственные задания и характеристики сырья изменяются довольно часто; задачи управления решаются при наличии большого числа ограничений на технологические параметры и показатели качества получаемых продуктов.
Для решения указанных проблем необходимо разработать математическое и алгоритмическое обеспечение процессов пуска и останова установки риформинга, с возможностью интегрирования его в существующую систему правления и учитывающего особенности этих операций, что приведет к повышению уровня автоматизации установки и завода в целом.
Целью диссертационной работы является разработка математического и алгоритмического обеспечения для исследования и управления процессами пуска и останова установки каталитического риформинга бензинов при различных производственных заданиях. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
провести исследование технологического процесса каталитического риформинга как объекта пуска и останова;
выделить особенности операций пуска и останова; исследовать причины, приводящие к прерыванию технологического процесса;
разработать математическое обеспечение для процессов пуска и останова установки каталитического риформинга;
на базе математического обеспечения разработать алгоритм управления операциями пуска и останова;
разработать алгоритмическое и программное обеспечение для исследования и управления процессами пуска и останова, настраиваемое на различные производственные задания и характеристики сырья, с возможностью интегрирования в существующую систему управления установкой.
Результаты работы изложены в четырех главах.
В первой главе на основе анализа литературных данных и изучения промышленных регламентов выделены основные характеристики процесса каталитического риформинга как объекта пуска и останова: нелинейность (обладает нелинейными статическими характеристиками), неполная наблюдаемость (состав и качество сырья и продуктов риформинга определяется лабораторными анализами), большое количество причин, приводящих к останову установки.
Во второй главе на основании анализа установки каталитического риформинга как объекта пуска и останова сформулированы задачи управления пуском и остановом и разработан алгоритм управления.
Третья глава посвящена разработке математического обеспечения стадий гидроочистки и риформинга, позволяющих моделировать процессы пуска и останова установки риформинга на основе кинетического подхода к моделированию процессов нефтепереработки.
В четвертой главе проводится проверка адекватности разработанных математических моделей объекта управления, уточнение параметров моделей.
При выполнении работы использовались методы математического моделирования, искусственного интеллекта, элементы теории автоматического управления, информационные технологии разработки интеллектуальных тренажеров, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, современные средства объектно-ориентированного программирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Алгоритм управления процессами пуска и останова установки каталитического риформинга, который, на базе перенастраиваемых математических моделей блоков гидроочистки и риформинга, позволяет повысить качество управления установкой.
Математическая модель процессов пуска и останова установки каталитического риформинга, учитывающая переменные задания на пуск и
7 останов. Модель адаптируется на различные типы сырья и марки катализатора, позволяет рассчитывать основные параметры процессов гидроочистки и риформинга, как определяющих качество готового продукта.
Программный комплекс, включающий подсистемы моделирования стадий гидроочистки и риформинга, адаптивный по отношению к характеристикам сырья и оборудования, применение которого в системе управления установкой каталитического риформинга позволит повысить уровень автоматизации за счет советов оператору по выбору управляющих воздействий при переходе на новое задание пуска/останова, тип сырья и марку катализатора.
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на XIV международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях", Смоленск, 2001; XV международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях", Тамбов, 2002; I всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы математики и естествознания", Нижний Новгород, 2002; IV всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве", Нижний Новгород, 2002.
По материалам диссертационной работы опубликовано семь работ.
Эффективность проведенных исследований подтверждается актом о
рекомендации к внедрению результатов работы в учебный процесс Санкт-
Петербургского государственного технологического института
(технического университета).
Особенности операций пуска и останова каталитического риформинга
Подготовка к пуску. Моменту пуска установок риформинга предшествует целый перечень мероприятий [2] по приему воды, пара, электроэнергии и других энергоресурсов из инженерных сетей завода. Кроме приема на установку энергоресурсов перед пуском осуществляются следующие мероприятия: проверка на проходимость и продувка трубопроводов и аппаратов инертным газом, испытание отдельных систем и узлов на герметичность; обкатка оборудования; сушка футеровки трубчатых печей и реакторов; загрузка и продувка катализаторов; сушка и восстановление катализаторов. Загрузка и продувка катализаторов [2, 3]. Перед загрузкой катализатора вся реакционная аппаратура должна быть очищена от всякого рода загрязнений и тщательно просушена. Перед загрузкой в реактор свежий катализатор обычно не просеивается, однако при плохой транспортировке эта операция может потребоваться. Операции по загрузке и рассеивании катализатора рекомендуется проводить в сухую погоду, чтобы избежать попадания на катализатор атмосферных осадков. Попадание на катализатор воды ил снега приводит к снижению его прочностных характеристик. Особое внимание необходимо уделить тому, чтобы в период загрузки катализатора он минимально подвергался истиранию и дроблению, так как это приводит к ухудшению эксплуатационных свойств и повышению гидравлического сопротивления. После загрузки и разравнивания катализатора люки реакторов закрываются, система продувается инертным газом и испытывается на герметичность. Сушка и восстановление катализаторов [3]. Сушка и восстановление катализатора осуществляется водородсодержащим газом. Содержание кислорода должно быть не более 0.5% (об.). Этому предшествует операция по промывке системы от азота, которая производится водородсодержащим газом до тех пор, пока содержание водорода в системе не достигнет 65 - 70 % (об.). Общее время сушки и восстановления катализатора составляет 15 -20 ч. После проведения всех операций по сушке и восстановлению катализатора система переводится на циркуляцию водородсодержащего raw, которая продолжается до готовности установки к приему сырья. Пуск установки [4-6]. Как правило, пуск установок разделяется на следующие этапы: прием на установку сырья и наладка циркуляции по блоку стабилизации риформинга; пуск и вывод на режим блоков гидроочистки и риформинга. Реакторный блок. Пуск установок осуществляется с вывода на режим блока гидроочистки с последующим вводом блока риформинга на гидроочищенном сырье. При этом в гидрогенизате, поступающем на блок риформинга содержание серы в сырье не должно превышать 1 мг/кг [7]. К сырью, подаваемому на установку, на пуск предъявляются следующие требования [7]: сырье не должно содержать эмульгированной воды и примесей и должно иметь по возможности постоянный состав; сырье должно быть проанализировано по фракционному составу, углеводородному составу, водорастворимых кислот и щелочей, содержанию серы. Характеристика сырья риформинга представлена в табл. 1.1 [8]. Давление в системах реакторного блока поднимают плавно во избежание гидравлических ударов и нарушения герметичности системы. Резкий подъем давления в реакторах может привести к нарушению прочностных характеристик торкрет-бетонной футеровки. Сырье в систему подается после достижения в реакторах общего давления согласно технологической карте и температуры, минимальной для данного вида сырья. Ограничения по температуре даются во избежание резкого ее подъема при подаче первых порций сырья, что может привести к падению активности катализатора из-за интенсивного коксообразования. При выводе на режим загрузку по сырью увеличивают постепенно во избежание гидравлических ударов, которые могут привести к разрушению катализатора. При этом возрастание нагрузки по сырью не должно сопровождаться резкими колебаниями температурного режима в реакторах и печах и резкими скачками давления в системе. После достижения полной загрузки реакторного блока сырьем устанавливают температуру в реакторах, обеспечивающую получение гидрогенизата в блоке гидроочистки с заданным содержанием серы, а в блоке риформинга - катализата с требуемым по технологической карте октановым числом. Структурная схема пуска установки приведена на рис. 1.2. Остановка технологических установок. Остановки технологических установок риформинга подразделяются [9]: на нормальную остановку с целью проведения регенерации катализаторов или планово - предупредительных ремонтов; кратковременную установку в связи с отсутствием сырья или емкостей для хранения готовой продукции; аварийную остановку при авариях или предаварийных ситуациях. Причины останова и последовательность действий приведены в табл. 1.2 [10 12].
Влияние управляющих параметров на процесс риформинга
Фракционный состав сырья риформинга определяется целевым продуктом процесса. Если целью процесса является получение высокооктанового бензина, то фракционный состав сырья определяется следующими соображениями. Температура кипения ароматических углеводородов на 10 - 15 С выше, чем соответствующих парафинов и нафтенов. Поэтому температура конца кипения сырья должна быть соответственно ниже конца кипения товарного бензина; обычно риформингу подвергают фракции с концом кипения 180 - 190С. Содержание в сырье углеводородов Сб при получении бензина нежелательно, так как они в условиях риформинга, оптимальных для высококипящих углеводородов сырья, практически не ароматизируются, а в основном разлагаются до газообразных парафинов. Поэтому температура начала кипения сырья должна быть около 82 С. Таким образом, при получении бензина сырьем риформинга являются в основном углеводороды С-] - Cs [8-10].
Большое значение имеет химический состав сырья. При значительном содержании в сырье циклопарафинов, особенно циклогексанов, их ароматизация, протекающая с большой скоростью, приводит к образованию ароматических углеводородов в количествах больших, чем термодинамически равновесные для соответствующих парафинов. Поэтому парафиновые углеводороды в этом случае не ароматизируются и подвергаются только изомеризации и гидрокрекингу.
При риформинге сырья с низким содержанием циклопарафинов ароматические углеводороды образуются в значительной мере из парафиновых. Для получения катализата с заданным октановым числом или содержанием ароматических углеводородов требуются тем более жесткие условия, чем меньше содержание в сырье циклогексанов и больше - парафинов. Соответственно повышается выход газообразных углеводородов и снижается выход жидкого катализата.
Химический состав сырья при заданных условиях процесса определяет также выход водорода при риформинге. Чем меньше парафинов в сырье, тем выход водорода выше, так как снижается его потребление на реакции гидрокрекинга. Для получения катализата с заданным содержанием ароматических углеводородов из фракций данного бензина нужны тем менее жесткие условия риформинга, чем выше интервал кипения фракции, так как с увеличением числа углеводородных атомов в углеводородах данного строения растут и термодинамически возможный выход ароматических углеводородов, и скорость ароматизации. Содержащиеся в сырье ароматические углеводороды ограничивают термодинамически возможную глубину ароматизации парафинов и нафтенов.
Температура смеси на входах в реакторы реакторного блока является основным управляющим параметром процесса каталитического риформинга, определяющим жесткость процесса и получение риформинг-бензина заданной октановой характеристики. Повышение температуры ведет к снижению выхода риформинг-бензина и повышению октанового числа. При повышении температуры в реакторах ускоряются все реакции риформинга. Наиболее чувствительной к повышению температуры являются реакции гидрокрекинга, приводящие к снижению выхода катализата и повышению плотности циркулирующего газа. Однако резкое повышение температуры сырья на входах в реакторы приводит к снижению активности катализатора. При длительном использовании такого "жесткого" режима снижается общая производительность установки за межрегенерационный цикл. На всех этапах эксплуатации катализатора температура входа в реакторы должна поддерживаться на минимально возможном уровне, соответствующем степени активности катализатора и определяющем длительность рабочего цикла. Повышение температуры за одну операцию не должно быть более 2С. Необходимо также учитывать, что чувствительность к изменению температуры повышается от 1-го реактора к 3-му и зависит от состава сырья и распределения катализатора по реакторам. Так для увеличения октанового числа риформинг-бензина на один пункт повышение температуры на входе в реакторы составляет: 1-й реактор - 15-20 С; 2-й реактор - 4-8 С; 3-й реактор - 2-4 (С.
Важное значение имеет также температурный перепад по реакторам, который определяется групповым составом сырья, селективностью катализатора и уменьшается по мере отработки (дезактивации) катализатора и развития реакции гидрокрекинга. Температурный перепад по ступеням риформирования для установки Горьковского НПЗ может достигать: 1-я ступень: - 60 С; 2-я ступень: - 40 С; 3-я ступень: - 20С.
Кратность циркуляции водородсодержащего газа определяет мольное соотношение водородхырье в системе. Этот параметр определяет интенсивность межрегенерационного цикла и срок службы катализатора в целом. Увеличение мольного соотношения водородхырье ведет к подавлению реакций ароматизации, хотя и снижает коксоотложение на катализаторе (незначительно снижается октановое числа риформинг-бензина при увеличении его выхода). Мольное соотношение обычно меняется от 1:4 до 1:10.
На всех этапах эксплуатации установки должна выдерживаться минимально допустимая кратность циркуляции ВСГ [8 - 10, 22]. Циркуляция ВСГ во многом определяется фракционным и углеводородным составом перерабатываемого сырья. Облегчение фракционного состава сырья позволяет уменьшить циркуляцию ВСГ. Так при переработке фракции 85-180С для получения бензина с октановым числом 95 по исследовательскому методу циркуляция ВСГ должна быть 1500-1800 M3/MJ сырья, а при риформировании фракции 62-140 С для получения бензина того же качества циркуляция ВСГ может поддерживаться на уровне 1400 м /м сырья.
Увеличение объемной скорости подачи сырья дает тот же эффект, что и снижение температуры: увеличивается выход риформинг-бензина с понижением степени его ароматизации.
Высокая степень активности катализатора способствует преимущественному протеканию реакций дегидроциклизации алканов и дегидрирования нафтенов, что способствует производству продукта высокого качества. При снижении активности увеличивается удельный вес прочих реакций, особенно деструктивной гидрогенизации, что является нежелательным. Кроме влияния параметров ведения процесса (температуры, давления и др.) катализаторы чувствительны к ряду веществ, которые отравляют их, снижая активность работы и срок службы. Ядами катализатора являются серорганические примеси, содержащиеся в сырье в виде органических соединений. Для их удаления сырье подвергается гидроочистке.
Математическое описание процесса гидроочистки
Анализ процессов пуска и останова установки каталитического риформинга как объекта управления позволил сформировать следующую структуру его математической модели: ММ={ММ,, ММ2} MMHUuXbAbYJ MM2={U2, Х2, А2, Y2j , где ММ\ - математическая модель стадии гидроочистки; ММ2 -математическая модель регенерации катализатора; U - вектор управляющих воздействий; X - вектор входных переменных, А - вектор параметров модели; Y- вектор выходных переменных.
Система уравнений с начальными и граничными условиями является системой линейных дифференциальных уравнений первого порядка в частных производных с большим различием в величинах аргументов / и q {t»q). Решение такой системы в большинстве случаев может быть выполнено только численными методами, применение которых дает возможность получить значения искомой функции при различных значениях аргумента, но не позволяет получить ее аналитического выражения. Аналитические методы решения дифференциальных уравнений в частных производных требуют аналитических выражений для граничных значений и поэтому область их применения ограничена.
Уравнения, входящие в математическую модель пуска и останова, представляют собой двухмерные дифференциальные уравнения в частных производных. Для численного решения данной системы был проведен анализ программного обеспечения. Рассмотренное программное обеспечение предназначено для математических расчетов на IBM PC - совместимых ЭВМ [62-70]. MathCad версии 6.0-8.0 (MathSoft Inc.) Система MathCad [62,63] предназначена для широкого круга пользователей - от студентов и школьников до научных работников. Она, обладая языком приближенным к естественному математическому, позволяет ускорить освоение пакета. Платой за это является невысокая скорость вычислений. С точки зрения численного решения дифференциальных уравнений MathCad позволяет решать системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Возможности же решения дифференциальных уравнений в частных производных представлены весьма скудно и ограничены решением уравнения Пуассона в квадратной области, что совершенно недостаточно. MatLab версии 5.Х-6.0 (Math Works Inc) MatLab [64-68] - одна из старейших и тщательно проработанных систем автоматизации математических расчетов. Версия для IBM PC была разработана в начале 80-х годов. С тех пор программа сильно изменилась, обзавелась новыми пакетами расширения (toolboxes) и сейчас является одной из лучших систем численных расчетов. В среде MatLab можно решать системы обыкновенных дифференциальных уравнений, благодаря входящим в ее состав пакетам Partial Differential Equations Toolbox (решение систем дифференциальных уравнений в частных производных) и NAG Foundation toolbox (облегченная версия широко известных библиотек численных расчетов NAG). В среде MatLab можно решать дифференциальные уравнения в частных производных. Однако, в среде MatLab поставленная задача не решается, т.к. пакет Partial Differential Equations Toolbox может решать только системы уравнений одного типа (эллиптического, гиперболического или параболического). PDEase2D (Macsyma) Данный пакет [69] входит в состав математической программы Macsyma 2.3 и позволяет решать методом конечных элементов систему дифференциальных уравнений в частных производных (до 16 уравнений в системе). Но из-за недоступности рабочей версии PDEase2D её использование невозможно. FlexPDE (PDESolutions Inc.) FlexPDE [69,70] выпущена командой разработчиков предыдущего пакета и является самостоятельным программным продуктом. Обладая всеми возможностями своего предшественника FlexPDE более удобна в работе и имеет перед ним ряд неоспоримых преимуществ (более высокая скорость вычислений и хорошие возможности по решению нелинейных задач). Из известных пакетов были также рассмотрены Maple и Mathematica, которые не удовлетворили поставленным условиям (невозможно решение искомой системы уравнений). Исходя из выше изложенного для решения разработанной математической модели пуска и останова был выбран метод конечных разностей, реализованный в Borland Delphi 6.0.
Программный комплекс для управления процессами пуска и останова
На основании анализа расчетных и экспериментальных данных можно сделать следующие выводы: 1. Численная оценка (среднеквадратичное отклонение) меры соответствия не превысила 6%, что является допустимым для данного класса объектов. Исходя из этого, сделан вывод об адекватности математической модели процессам пуска и останова установки каталитического риформинга. 2. Разработан программный комплекс, реализованный средствами Borland Delphi 6.0, включающий математическую модель пуска и останова установки каталитического риформинга. 3. Проверка работоспособности разработанной системы подтвердила возможность ее настройки на различных заданиях на пуск или останов установки за счет настроечных коэффициентов модели. Система даст возможность получить адекватные результаты, рассчитанные по математической модели. На основании проделанной научно-исследовательской работы и проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы: 1. Исследование установки каталитического риформинга как объекта управления и изучение особенностей операций пуска и останова, а также применяющихся систем управления показало актуальность и экономическую целесообразность разработки систем управления, предназначенных для выработки советов оператору по выбору управляющих воздействий при операциях пуска и останова установки с целью повышения качества готового продукта. 2. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение процессов пуска и останова установки каталитического риформинга, настраиваемое на различные задания и позволяющее рассчитать основные параметры процесса (температуру и различные режимы пуска и останова, обеспечивающие минимальное содержание примесей в сырье, отбор и октановое число риформинг-бензина, активность катализатора после регенерации); 3. Разработан программный комплекс, учитывающий все особенности пуска и останова, адаптивный по отношению к производственным заданиям и характеристикам сырья. Его применение в существующей системе управления позволит повысить уровень автоматизации процесса за счет советов оператору по выбору управляющих воздействий при переходе на новое производственное задание. 4. Разработан алгоритм управления операциями пуска и останова установки каталитического риформинга на основе разработанной математической модели, позволяющий осуществлять выбор управляющих воздействий при осуществлении этих операций. 5. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных подтвердил адекватность разработанной математической модели и ее пригодность применения в системе управления. Среднеквадратичное отклонение рассчитанных значений не превысило 6%. 6. Результаты работы рекомендованы к внедрению в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).
