Содержание к диссертации
Введение
Часть 1. Этапы развития нефтяной отрасли в нашей стране. Введение в проблему . 7
1.1 Период централизованной экономики времен СССР; 8
1.2 Период перехода к рыночным отношениям 11
1.3 Нефтяная промышленность России на современном этапе. 16
1.4 Нефтеперерабатывающий завод в составе вертикально- интегрированной нефтяной компании . 20
1.5 Проблемы, возникающие в процессе текущего планирования производственной деятельности НПЗ. 21
1.6 Цели, задачи и функциональное назначение системы, осуществляющей информационную поддержку процесса оптимизационного текущего планирования производства нефтепродуктов. 22
Часть 2. Постановка задачи по информационной поддержке оптимизации текущего планирования производства нефтепродуктов . 26
2.1 Исходные предпосылки и допущения модели, лежащей в основе системы. 26
2.2 Математическая формализация модели оптимизационного текущего планирования производства нефтепродуктов . 35
2.3 Краткий обзор изменений, произошедших с момента начала разработки систем такого рода в нашей стране. 40
2.4 Выбор программного обеспечения для реализации предлагаемых алгоритмов. 50
Часть 3. Практическая реализация предложенных алгоритмов . 66
3.1 Анализ процесса текущего планирования производства нефтепродуктов на объекте исследования. 66
3.2 Разработка требований к внедряемой системе. 69
3.3 Описание технологических процессов моделируемого НПЗ . 81
3.4 Построение и реализация модели. 129
Заключение. 149
Приложения. 151
- Период перехода к рыночным отношениям
- Нефтеперерабатывающий завод в составе вертикально- интегрированной нефтяной компании
- Математическая формализация модели оптимизационного текущего планирования производства нефтепродуктов
- Описание технологических процессов моделируемого НПЗ
Введение к работе
Работа, представленная Вашему вниманию, посвящена вопросам исследования и разработки системы информационной поддержки оптимального текущего планирования производства нефтепродуктов.
Объектом данного исследования является финансово-хозяйственная деятельность, а также технологические процессы нефтеперерабатывающего завода (здесь и далее НПЗ), входящего в состав одной из крупнейших вертикально-интегрированных нефтяных компаний России [3, 4].
Решая стратегическую задачу насыщения российского рынка продуктами нефтепереработки, компании сталкиваются с рядом проблем. В условиях жесткой конкуренции и постоянных колебаний мировых цен на сырую нефть жизненно важными для компаний становятся вопросы повышения эффективности функционирования производства, снижение затрат на переработку и оптимальное производство затребованных на рынке продуктов с заданными свойствами (при минимальных потерях сырья и энергии). Усугубляет проблему то, что на большинстве российских НПЗ оборудование значительно изношено.
Основным путем решения данной проблемы является реконструкция производства и внедрение новых западных установок и технологий, обеспечивающих более глубокую и эффективную переработку нефти. Однако этот путь требует значительных затрат и не обеспечивает быстрой окупаемости вложенных средств. Стоимость проектов в данной области измеряется сотнями миллионов долларов.
Наряду с этим более реалистичным и эффективным представляется путь оптимизации уже работающих процессов и установок за счет внедрения систем оптимального планирования и оперативного управления производством. Стоимость таких проектов на порядок ниже: при экономическом эффекте до 6 млн. долл. на установку в год срок окупаемости системы составляет не более 9 месяцев. Прибыль от внедрения на всех установках одного завода может составить до 100 млн. долл. в год. Приведенные оценки базируются на реализации подобных опытов в западных компаниях, так как российские нефтяные компании только сейчас начинают осознавать необходимость подобных проектов, что обусловлено более низким уровнем базовой автоматизации производства. На данный момент работы такого рода начаты в таких крупных компаниях как «Лукойл», «ЮКОС», «Сибнефть» и других.
Оценивая целесообразность внедрения систем интеллектуального управления и оптимизации, необходимо учитывать, что основные затраты на автоматизацию (до 70% стоимости системы) приходятся на первичный уровень (системы автоматизации технологических процессов - PLC, DCS и SCAD А), в то время как основной экономический эффект (до 80%) достигается на верхнем уровне (30% от общей стоимости системы). Верхний уровень, так называемый "Advanced Control", или расширенное управление, базируется на уже существующих системах сбора данных. В большинстве своем российские НПЗ уже имеют цифровые системы первичного уровня, следовательно, системы расширенного управления наиболее для них выгодны.
Системы управления такого рода реализуют передовые компьютерные технологии в области нефтепереработки. Их внедрение в отечественную практику позволило бы существенно снизить уровень производственных затрат и технологических потерь на российских НПЗ, значительно повысить эффективность их функционирования.
В свете вышесказанного становятся очевидными актуальность и практическая значимость проведения работ по улучшению методологии и инструментария производственного планирования, решения задач оптимизации (с точки зрения максимизации прибыли или минимизации производственных затрат), производственных планов, отражающих различные сценарии изменения рыночного окружения и технологического состояния нефтеперерабатывающего производства.
В рамках данной работы предполагается построение компьютерной системы оптимального текущего планирования производства нефтепродуктов. В качестве примера ее реализации будет промоделирована схема функционирования конкретного НПЗ. При этом система после некоторой адаптации к иначе организованным технологическим процессам может быть развернута на любом другом нефтеперерабатывающем предприятии.
Цель создания системы состоит в повышении качества планирования производственной деятельности нефтеперерабатывающего завода посредством решения следующих задач:
- расчет оптимального плана выработки нефтепродуктов с учетом заявок на выработку нефтепродуктов от сбытовых подразделений и плана распределения нефти по заводам компании на базе оптимизационного планирования;
- оптимизация загрузки производственных мощностей предприятия.
Работающая система должна явиться базой для принятия управленческих решений руководством завода в сфере, как текущего производственного планирования, так и оперативного анализа и корректировки производства нефтепродуктов в процессе исполнения утвержденных планов при изменении рыночной конъюнктуры и возникновении нештатных ситуаций на разных стадиях производственного цикла.
Для того чтобы понять нынешние насущные проблемы российских НПЗ необходимо обратиться к истории развития отрасли. Потому что возникли эти проблемы не сегодня, а унаследованы еще со времен централизованной экономики времен СССР и периода перехода к рыночным отношениям.
Период перехода к рыночным отношениям
Начало периода перехода России к экономике свободного предпринимательства и рыночных отношений датируется 1990 годом. Длился он около шести лет. За это время в стране произошли глобальные изменения, характеризующиеся беспрецедентным переделом собственности и изменением условий функционирования субъектов рынка. Изменения коснулись практически всех сторон жизни общества. Не обошли они стороной и нефтяную промышленность[27, 97].
Начало переходного периода характеризовалось кризисом, сопровождавшимся общим падением производства, нарушением хозяйственных связей, реструктуризацией предприятий и целых отраслей. Таким образом, на состоянии нефтяной промышленности сказались последствия недальновидной стратегии развития, на которые наложились политические, законодательно-правовые, структурные и инвестиционные проблемы, определившие глубокий кризис экономики в целом.
Все это не могло не сказаться на состоянии производства. В начальный период реформирования национальной экономики (1990 - 1993 гг.) основной причиной резкого падения переработки явилось практическое прекращение централизованных инвестиций, что в условиях отсутствия накоплений и достаточного амортизационного фонда нефтяных предприятий привело к достаточно интенсивному выбытию перерабатывающих мощностей. В последующие годы (1994 - 1995 гг.) решающими факторами продолжающегося снижения переработки стали низкий платежеспособный спрос потребителей нефтепродуктов и ограничения на транспортные мощности для экспорта нефти и нефтепродуктов.
Существенную роль в углублении кризиса сыграла также неподготовленность отрасли к работе в рыночных условиях. Прежде чем рынок сможет быть мощным регулятором инвестиционного и производственного процессов в нефтяной промышленности государство, используя соответствующие методы регулирования, должно создавать и культивировать условия поэтапного и относительно мягкого вхождения в рынок. В действительности политика государства - структурная, налоговая, ценовая, инвестиционная - не отличалась последовательностью и дальновидностью.
Нарушение механизмов финансового обращения образование огромного неплатежеспособного спроса, сопровождаемого одновременно не менее крупной задолженностью нефтяных предприятий бюджету, усугубляли положение в отрасли.
Период обвального падения производства сопровождался бурными организационно-правовыми изменениями. В конце 1991 года, после распада СССР, нефтяной комплекс России представлял собой множество разрозненных предприятий, каждое из которых действовало исходя из собственных интересов. Главным направлением реформы стало создание вертикально-интегрированных нефтяных компаний. Здесь и далее вертикально-интегрированная компания - компания, работающая по принципу "от скважины - до бензоколонки". Предприятия, входящие в такую компанию, составляют единую технологическую цепочку: одни проводят геологоразведку, другие добывают нефть, третьи ее перерабатывают, четвертые - продают. Все они между собой взаимосвязаны и работают на общий результат.
Процесс создания вертикально-интегрированных нефтяных компаний (здесь и далее ВИНК) проходил поэтапно. Принятая в 1992 г. программа приватизации обеспечила особый режим разгосударствления нефтяной отрасли. Контрольный пакет акций оставался в собственности государства на фиксированный срок, за ним сохранялось право принятия стратегических решений и непосредственного управления производственной деятельностью через специально создаваемые для этого госпредприятия. По указу Президента N 1403 (1992 г.) государство в лице Государственного комитета по имуществу (ГКИ) получало от 45 до 50% голосующих акций создаваемых акционерных обществ.
В начальный период разгосударствления экономики сильно проявились тенденции разукрупнения добывающих объединений, «атомизации» нефтяной промышленности, поскольку сверху была инициирована свобода выбора организационных форм деятельности и самоопределения структурных подразделений. Центральные органы управления рассчитывали на то, что развитие рыночных механизмов автоматически приведет обособившиеся производственные единицы к таким формам их объединения, слияния, партнерства (в виде компаний, корпораций и т.д.), которые окажутся наиболее эффективными структурными образованиями в условиях нарождающегося рынка. Однако этого не случилось, и спонтанными стали лишь тенденции явно центробежного характера. Широкое развитие процесса «атомизации» представляло серьезную опасность для национальной экономики. Поэтому государство выступило с идеей объединения предприятий нефтяного комплекса на основе межотраслевой интеграции, взяв за образец опыт функционирования зарубежных ВИНК. Появился указ Президента N 1403 (1992 г.) «Об особенностях приватизации и преобразования в акционерные общества государственных предприятий, производственных и научно-производственных объединений нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности и нефтепродуктообеспечения». Акционирование нефтяной отрасли шло поэтапно. На первом этапе все предприятия, входившие в корпорации «Роснефтегаз», «Главнефтепродукт», «Главтранснефть» и «Главтранснефтепродукт», преобразовывались в акционерные общества открытого типа. 38 % акций создаваемых АО (51 % голосующих акций) закреплялись в государственной собственности.
Нефтеперерабатывающий завод в составе вертикально- интегрированной нефтяной компании
Стратегическим аспектом функционирования вертикально-интегрированной нефтяной компании представляется вопрос управления подконтрольными ей нефтеперерабатывающими заводами. Основополагающих причин тому две. Во-первых, если компания позиционирует себя на рынке как вертикально-интегрированная, то без наличия собственной мощной нефтеперерабатывающей базы она не может претендовать на лидерство в сфере нефтепродуктообеспечения тех регионов, в которых она представлена. А во-вторых, НПЗ является одним из крупнейших центров прибыли в «нефтяной цепочке» в отличие, например, от предприятий добычи нефти.
С организационно-правовой точки зрения НПЗ представляют собой открытые акционерные общества, контрольный пакет акций которых принадлежит материнской компании, либо это просто производственная единица одной из финансово-промышленных групп, уже перешедшая на единую акцию. Хочу заметить, что на данный момент ни один из российских нефтеперерабатывающих заводов независимым хозяйствующим субъектом не является и входит в состав одной из ВИНК.
Распределение потоков сырья и материалов между НПЗ и смежными звеньями ВИНК схематически уже было показано на рис Л, а направление финансовых и информационных потоков - на рис. 2. На них достаточно явно показано, что львиная доля функций по управлению финансово-хозяйственной деятельностью НПЗ ведется через центральный аппарат материнской компании.
Современный нефтеперерабатывающий завод представляет собой большой и сложный комплекс, состоящий из многих технологических процессов основного производства и многочисленных вспомогательных служб. Каждый технологический процесс, в свою очередь, включает несколько физических и физико-химических «элементарных» операций, таких, как ректификация и экстракция, расщепление и синтез, нагрев и охлаждение. Каждая такая операция по технологическим соображениям может проводиться в некотором диапазоне значений регулируемых параметров (давление, температура, нагрузка по сырью и прочее), т.е. существует множество режимов функционирования реакторов, колонн, печей и другого оборудования. Связи между технологическими процессами и внутри технологических установок зачастую являются гибкими, потоки сырья и продуктов можно варьировать по количеству и качеству. В том случае, когда технологические установки работают последовательно на сырье разного качества, существенно изменяются параметры технологического режима, нормативы затрат, количество и качество продукции.
Наряду с увеличением в последние годы объема переработки нефти происходят серьезные структурные сдвиги в технологии -растет удельный вес вторичных процессов, расширяется ассортимент и повышаются требования к качеству нефтепродуктов. Существенное усложнение технологии возникает в связи с вовлечением в переработку во все больших масштабах сернистых, смолистых и парафинистых нефтей новых месторождений.
Очевидно, управление производством в этом случае сводится к выбору таких режимов работы оборудования и такого распределения потоков по количеству и качеству, при которых обеспечивается наилучшее согласование всех операций. Но помимо чисто технологических операций работа предприятия характеризуется множеством разнообразных хозяйственных операций, которые так же должны быть увязаны с основной производственной деятельностью. Заводу необходимо приспосабливаться к постоянно меняющемуся рыночному окружению, а так же стабильно повышать уровень своей конкурентоспособности.
Все перечисленные выше факторы затрудняют планирование и управление нефтеперерабатывающими заводами на основе обычных «ручных» методов переработки информации. Решения, опирающиеся на опыт и интуицию, могут оказаться очень далеки от оптимума. Увеличение численности управленческого персонала зачастую не спасает положения. Выходом из сложившейся ситуации может послужить создание автоматизированной информационной системы управления (здесь и далее АИС), охватывающей все уровни управленческой иерархии.
Нефтеперерабатывающая промышленность - одна из наиболее автоматизированных отраслей производства. Но автоматизация здесь затронула лишь непосредственно технологические операции и, в основном, сводится к стабилизации одного или нескольких взаимосвязанных параметров на необходимом уровне. Другими словами, системы управления каждой технологической установки оптимизируют ее работу в отрыве от других процессов основного и вспомогательного производства, а также финансово-хозяйственной деятельности НПЗ в целом. Задача же автоматизированной системы управления значительно шире и состоит в настройке всех производственных ячеек предприятия на оптимальный режим с целью достижения наибольших результатов при наименьших затратах.
В связи с этим особого внимания заслуживает вопрос оптимизации текущего планирования производства нефтепродуктов (так называемый Advanced Control). Аккумулируя в себе данные нижестоящего уровня (технологические установки), а так же вышестоящего уровня иерархической системы управления (планово-экономическая информация), система осуществляет увязку и согласование технологий с финансово-хозяйственной деятельностью НПЗ и подчиняет их одной цели, определяемой одним или несколькими критериями. Согласование достигается путем надлежащего формирования параметров модели, лежащей в основе АИС, - внутренних (производственные возможности технологических установок и блока смешения) и внешних (поставки сырья и спрос на продукцию, цены на сырье и продукцию).
Математическая формализация модели оптимизационного текущего планирования производства нефтепродуктов
Стратегическим аспектом функционирования вертикально-интегрированной нефтяной компании представляется вопрос управления подконтрольными ей нефтеперерабатывающими заводами. Основополагающих причин тому две. Во-первых, если компания позиционирует себя на рынке как вертикально-интегрированная, то без наличия собственной мощной нефтеперерабатывающей базы она не может претендовать на лидерство в сфере нефтепродуктообеспечения тех регионов, в которых она представлена. А во-вторых, НПЗ является одним из крупнейших центров прибыли в «нефтяной цепочке» в отличие, например, от предприятий добычи нефти.
С организационно-правовой точки зрения НПЗ представляют собой открытые акционерные общества, контрольный пакет акций которых принадлежит материнской компании, либо это просто производственная единица одной из финансово-промышленных групп, уже перешедшая на единую акцию. Хочу заметить, что на данный момент ни один из российских нефтеперерабатывающих заводов независимым хозяйствующим субъектом не является и входит в состав одной из ВИНК.
Распределение потоков сырья и материалов между НПЗ и смежными звеньями ВИНК схематически уже было показано на рис Л, а направление финансовых и информационных потоков - на рис. 2. На них достаточно явно показано, что львиная доля функций по управлению финансово-хозяйственной деятельностью НПЗ ведется через центральный аппарат материнской компании.
Современный нефтеперерабатывающий завод представляет собой большой и сложный комплекс, состоящий из многих технологических процессов основного производства и многочисленных вспомогательных служб. Каждый технологический процесс, в свою очередь, включает несколько физических и физико-химических «элементарных» операций, таких, как ректификация и экстракция, расщепление и синтез, нагрев и охлаждение. Каждая такая операция по технологическим соображениям может проводиться в некотором диапазоне значений регулируемых параметров (давление, температура, нагрузка по сырью и прочее), т.е. существует множество режимов функционирования реакторов, колонн, печей и другого оборудования. Связи между технологическими процессами и внутри технологических установок зачастую являются гибкими, потоки сырья и продуктов можно варьировать по количеству и качеству. В том случае, когда технологические установки работают последовательно на сырье разного качества, существенно изменяются параметры технологического режима, нормативы затрат, количество и качество продукции.
Наряду с увеличением в последние годы объема переработки нефти происходят серьезные структурные сдвиги в технологии -растет удельный вес вторичных процессов, расширяется ассортимент и повышаются требования к качеству нефтепродуктов. Существенное усложнение технологии возникает в связи с вовлечением в переработку во все больших масштабах сернистых, смолистых и парафинистых нефтей новых месторождений.
Очевидно, управление производством в этом случае сводится к выбору таких режимов работы оборудования и такого распределения потоков по количеству и качеству, при которых обеспечивается наилучшее согласование всех операций. Но помимо чисто технологических операций работа предприятия характеризуется множеством разнообразных хозяйственных операций, которые так же должны быть увязаны с основной производственной деятельностью. Заводу необходимо приспосабливаться к постоянно меняющемуся рыночному окружению, а так же стабильно повышать уровень своей конкурентоспособности.
Все перечисленные выше факторы затрудняют планирование и управление нефтеперерабатывающими заводами на основе обычных «ручных» методов переработки информации. Решения, опирающиеся на опыт и интуицию, могут оказаться очень далеки от оптимума. Увеличение численности управленческого персонала зачастую не спасает положения. Выходом из сложившейся ситуации может послужить создание автоматизированной информационной системы управления (здесь и далее АИС), охватывающей все уровни управленческой иерархии.
Нефтеперерабатывающая промышленность - одна из наиболее автоматизированных отраслей производства. Но автоматизация здесь затронула лишь непосредственно технологические операции и, в основном, сводится к стабилизации одного или нескольких взаимосвязанных параметров на необходимом уровне. Другими словами, системы управления каждой технологической установки оптимизируют ее работу в отрыве от других процессов основного и вспомогательного производства, а также финансово-хозяйственной деятельности НПЗ в целом. Задача же автоматизированной системы управления значительно шире и состоит в настройке всех производственных ячеек предприятия на оптимальный режим с целью достижения наибольших результатов при наименьших затратах.
В связи с этим особого внимания заслуживает вопрос оптимизации текущего планирования производства нефтепродуктов (так называемый Advanced Control). Аккумулируя в себе данные нижестоящего уровня (технологические установки), а так же вышестоящего уровня иерархической системы управления (планово-экономическая информация), система осуществляет увязку и согласование технологий с финансово-хозяйственной деятельностью НПЗ и подчиняет их одной цели, определяемой одним или несколькими критериями. Согласование достигается путем надлежащего формирования параметров модели, лежащей в основе АИС, - внутренних (производственные возможности технологических установок и блока смешения) и внешних (поставки сырья и спрос на продукцию, цены на сырье и продукцию).
Описание технологических процессов моделируемого НПЗ
Современные средства оптимального управления отдельными технологическими объектами НПЗ в реальном времени обеспечивают существенно лучшее качество и результаты ведения технологического процесса по сравнению с базовым автоматическим регулированием с помощью типовых аналоговых регуляторов. Основной недостаток последнего — регулирование по "отклонению", т.е. "постфактум" и отсутствие связи с экономическим критерием управления. Этот недостаток устраняется в компьютерных системах, основанных на многосвязных контроллерах с прогнозирующей математической моделью технологического процесса и реализующих те или иные алгоритмы динамической оптимизации. Суть этих алгоритмов сводится к следующему. С помощью математической модели процесса строится прогноз регулируемых переменных на некоторое время вперед, достаточное для учета основных переходных процессов в объекте. Затем находится прогнозируемое значение интегральных (по времени) экономических потерь, в которое каждая такая переменная, как и каждое управляющее воздействие, входят в той форме и с тем весом, какие приписывает им пользователь. Прогнозируемые потери и регулируемые переменные являются функцией искомых управляющих воздействий, оптимальные значения которых система вычисляет путем поиска минимума потерь. Управляющие воздействия в таких системах являются функциями времени, и в каждый текущий момент система рассчитывает их оптимальные значения. Найденные в текущем такте управления, они поступают на объект в качестве установок системы базового регулирования, или непосредственно на исполнительные механизмы, в то время как на следующем такте вся процедура повторяется заново. Одновременно рассчитываются будущие значения потерь на выбранное время вперед с учетом вновь поступающих измерений переменных процесса.
Известно несколько успешных программных продуктов для решения задачи динамической оптимизации. Отметим, например, алгоритм DMC (Dynamic Matrix Control), разработанный исследователями компании Shell, а также алгоритмы MAC (Model Algorithmic Control) и GPC (Generalized Predictive Control). Указанные продукты были успешно применены для управления различными объектами нефтепереработки и нефтехимии. Однако до определенного момента использование метода основывалось на специально разрабатываемом в каждом проекте программном обеспечении. Современные информационные технологии позволили реализовать алгоритмы динамического оптимального управления в форме контроллеров, т.е. программно-аппаратных систем, обеспечивающих целый ряд необходимых пользователю функций. Приобретя современный контроллер на базе прогнозирующих моделей, пользователь получает возможность: - конфигурировать оптимальную задачу управления; - находить и корректировать параметры прогнозирующей модели; - осуществлять имитационное моделирование с целью настройки и отладки контроллера на имитируемом объекте; - анализировать результаты имитационного моделирования; - генерировать и редактировать базу данных контроллера; - генерировать прямые управленческие вмешательства в процесс; - наблюдать, собирать данные и анализировать реальный ход процесса. Трудоемким и принципиально сложным моментом настройки контроллеров является определение структуры и параметров модели объекта. Большинство предлагаемых контроллеров обеспечивает offline идентификацию модели и on-line подстройку параметров по результатам реального функционирования объекта.
Структуру модели, как правило, задает пользователь. Указанная процедура требует достаточной квалификации инженера-настройщика, не всегда доступной на реальном производстве. Это привело к появлению контроллеров, требующих от пользователя задания только коэффициентов статической модели. Динамическая часть восстанавливается автоматически по результатам on-line функционирования объекта в форме несложных линейных зависимостей в окрестности текущей рабочей точки. Настройка контроллера при этом сводится к манипулированию очень небольшим числом настроечных параметров. Варьируя веса отдельных переменных в функции потерь и давая ограничения на их допустимые значения, пользователь обеспечивает безопасность оборудования, качество конечных продуктов, поддержание переменных вблизи желаемых режимов, экономию ресурсов и пр. Найденное решение задачи динамической оптимизации, по сути, представляет компромисс между всеми этими факторами. Аппаратно контроллеры могут быть оформлены как часть компьютерной системы управления, а могут выполняться в виде автономного модуля в связке с контрольно-измерительной аппаратурой нижнего уровня. Как правило, они снабжены дружественным пользовательским интерфейсом, обеспечивающим оператору представление технологического объекта в форме мнемосхем и исторических трендов, а инженеру — удобный доступ к базе данных и необходимые средства конфигурирования и редактирования. Часто предусматриваются средства автоматизированного обучения операторов.
