МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКИ РЕКТИФИКАЦИИ СТИРОЛА

2020

Химическая технология и биотехнология

№ 3

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

DOI: 10.15593/2224-9400/2020.3.06 УДК 66.012-52

М.А. Работников1, А.В. Тихомиров2, И.А. Вялых3

1АО «Сибур-Химпром», Пермь, Россия 2ООО «Сибур», Москва, Россия 3Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКИ РЕКТИФИКАЦИИ СТИРОЛА

Представлены результаты модернизации системы усовершенствованного управления установки ректификации стирола, предназначенной для разделения продуктов каталитического дегидрирования этилбензола.

Многопараметрический контроллер данной системы состоит из трех субконтроллеров для трех ректификационных колонн установки соответственно. Для каждого из субконтроллеров проведен предварительный анализ с выявлением ключевых проблем текущей конфигурации системы усовершенствованного управления и возможными путями решения поставленных задач.

Рассмотрен пример структурного обновления субконтроллера ректификационной колонны с заведением в контур управления новых управляющих параметров и изменением внутренних динамических связей между переменными с целью снижения количества конкурирующих задач в работе многопараметрического контроллера и подстройки системы под текущий технологический режим. Рассмотрено решение задачи стабилизации температурного режима ректификационной колонны и качественного состава разделяемых фракций путем введения комбинированного флегмового числа, учитывающего отклонение текущего значения от задания в системе автоматического регулирования температуры потока конденсируемого низкокипящего компонента. Рассмотрен пример реализации алгоритма автоматической подстройки схемы управления ректификационной колонны в зависимости от текущего технологического режима.

Описанный подход к решению задачи стабилизации технологического процесса в рамках обновления системы усовершенствованного управления является типовым и может быть применен для производств и установок любого типа. Однако реализованные решения по обновлению расчетных параметров, изменению структуры контроллера и созданию алгоритмов автоподстройки схем управления под текущий технологический режим уникальны и сформированы с учетом технологии, агрегирования опыта оперативного персонала и особенностей управляемого объекта.

Ключевые слова: система усовершенствованного управления технологическим процессом, многопараметрический контроллер, ректификация.

M.A. Rabotnikov1, A.V. Tihomirov2, I.A. Vialykh3

1JLC "Sibur-Khimprom", Perm, Russian Federation

2LTD "Sibur", Moscow, Russian Federation 3Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

MODERNIZATION ADVANCED CONTROL SYSTEM OF THE STYROL RECTIFICATION FACILITY

This article presents the results of update an advanced process control system for a styrene rectification unit designed to separate the products of catalytic dehydrogenation of ethylbenzene.

The multi-parameter controller of this system consists of three subcontrollers for three distillation columns of the facility. For each of the subcontrollers, preliminary analysis was carried out with the identification of key problems of the current configuration of the system and possible ways to solve the tasks.

An example of a structural update of a distillation column subcontroller with introducing new control parameters into the control loop and changing internal dynamic relationships between variables in order to reduce the number of competing tasks in the operation of a multi-parameter controller and adjust the system to the current technological mode is considered. An example of stabilization of the temperature regime of a distillation column by introducing a combined reflux ratio which takes into the deviation of the current value from the set value in the automatic temperature control system of the condensed low-boiling component flow is considered. An example of the implementation of an algorithm for automatically adjusting the control circuit of a distillation column depending on the current technological mode is considered.

The described approach to solving the stabilization of the technological process as part of updating the advanced management system is standard and can be applied to production and installations of any type. However, the implemented solutions for updating the parameters, changing the structure of the controller and creating algorithms for automatically adjusting control circuits for the current technological mode are unique and are formed taking into account the technology, aggregating the experience of operational personnel and the features of the managed facility.

Keywords: Advanced Process Control, multiparameter controller, rectification.

В нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической и химической отраслях промышленности в настоящее время активно внедряются системы усовершенствованного управления технологическими процессами (СУУТП) [1-3]. Данные системы позволяют повысить экономическую эффективность производства, стабилизируя ключевые параметры процессы, отслеживая показатели качества выпускаемой продукции и решая поставленную оптимизационную задачу [4-7].

Внедрение, непрерывная поддержка с подстройкой под текущий технологический режим и модернизация СУУТП особенно актуальны для конечных участков технологических производств, выпускающих готовую товарную продукцию, в том числе и для установки ректификации стирола производства этилбензола, стирола и полистирола [8].

СУУТП ректификации стирола. Установка ректификации стирола используется для разделения в ректификационных колоннах углеводородного концентрата (УВК) - продуктов каталитического дегидрирования этилбензола. Ректификационные колонны К-302, К-312, К-322 предназначены для разделения бензолтолуолэтилбензольной фракции (БТЭБ), для выделения из углеводородного конденсата бензолтолуол-этилбензольной фракции, для разделения стирола-ректификата и кубовых остатков ректификации стирола (КОРС) соответственно (рис. 1).

Рис. 1. Схема ректификация стирола

Для данной установки реализована система усовершенствованного управления, состоящая из одного контроллера, включающего в себя три субконтроллера для каждой из колонн К-302, К-312 и К-322. Ниже описаны решения по модернизации системы и ее подстройки под текущий технологический режим.

Стабилизация режима колонны К-302. На рис. 2 и в табл. 1 представлены схема управления колонной К-302, реализованная в рамках многопараметрического контроллера СУУТП, и перечень задействованных параметров соответственно.

канап передачи АЛ-СУ

Рис. 2. Схема управления К-302

Таблица 1

Перечень параметров субконтроллера К-302

Тэг Тип переменной Описание

ЕБ_К302.РУ СУ Виртуальный анализатор содержания этилбензола в дистилляте К-302

ТЬ_К312.РУ СУ Виртуальный анализатор содержания толуола в кубе К-302

ЯЯ К302.РУ СУ Флегмовое число К-302

ТЖСА 21951.РУ СУ Температура в кубе К-302

Р1ЯС8А 220220.РУ СУ Давление верха К-302

РШ^А 220190.РУ СУ Давление в кубе К-302

ИЯС 23160.8Р МУ Расход водяного пара к Т-303

ИЯС 23170.8Р МУ Расход флегмы в К-302

ИЯС 23070.РУ БУ Расход дистиллята из К-312

Особенностью данной ректификационной колонны является большое соотношение орошения флегмы к откачке дистиллята (более 10). Для таких случаев рекомендуется схема управления, исключающая из перечня контролируемых параметров флегмовое число ввиду минимальной приоритетности по его стабилизации [9].

Ключевыми задачами в управлении колонной К-302 являются сведение материального баланса колонны и стабилизация показателей качества выходящих потоков бентольной и этилбензольной фракций. Для стабилизации показателей качества выходящих потоков в перечень управляющих параметров добавлен расход дистиллята из колонны (ЕГО.С_23190), контролирующий содержания этилбензола в дистилляте и толуола в кубе. Для сведения материального баланса в структуру субконтроллера добавлен новый контролируемый параметр, уровень в Е-306, емкости сконденсировавшегося низкокипящего компонента (ЬГО.С_24690), управляемый расходом орошаемой флегмы. На рис. 3 представлена обновленная схема управления колонны.

канал передачи АЛ-СУ

Рис. 3. Обновленная схема управления К-302

Предложенная конфигурация позволит более качественно управлять режимом колонны. Добавление в перечень управляющих параметров новой переменной позволит уменьшить нагрузку на другие задействованные переменные, снизив количество конкурирующих задач по стабилизации контролируемых параметров технологического процесса [10-12].

Стабилизация режима колонны К-312. На рис. 4 и в табл. 2 представлены схема управления колонной К-312, реализованная в рамках многопараметрического контроллера СУУТП, и перечень задействованных параметров соответственно.

канап передачи АЛ-СУ

Рис. 4. Схема управления К-312

Проблема представленной конфигурации субконтроллера К-312 заключается в отсутствии компенсации температурных колебаний конденсата после теплообменника Т-314 и, как следствие, нестабильном температурном режиме верха колонны. Данные температурные флуктуации вызваны насыщением клапана в системе автоматического регулирования температуры конденсата - ТГО.С_21820.

Таблица 2

Перечень параметров субконтроллера К-312

Тэг Тип переменной Описание

8Т_К312.РУ СУ Виртуальный анализатор содержания стирола в дистилляте К-312

ЕБ_К312.РУ СУ Виртуальный анализатор содержания этилбензола в кубе К-312

ЯЯ К312.РУ СУ Флегмовое число К-312

Т1Я 21710.РУ СУ Температура в кубе К-312

Р1ЯС8Л 220100.РУ СУ Давление верха К-312

Р1ЯС8Л 220031.РУ СУ Давление в кубе К-312

ЫЯСЛ 24611.РУ СУ Уровень в Е-316

Ь1ЯС8Л 24600.РУ СУ Уровень в кубе К-312

ИЯС 23021.8Р МУ Расход водяного пара к Т-313.1

ИЯС 23022.8Р МУ Расход водяного пара к Т-313.2

ИЯС 23050.8Р МУ Откачка куба К-312

ИЯС 23060.8Р МУ Расход флегмы К-312

ИЯС 23070.8Р МУ Откачка дистиллята К-312

Т1ЯС 21820.РУ БУ Температура конденсата после Т-314

Т1Я 11520.РУ БУ Температура УВК из Е-403.4

ИЯС 23040.РУ БУ Расход УВК в К-312

Для стабилизации температурного режима верха колонны К-312 исходя из описанных условий для расчета флегмового числа, задействованного в структуре контроллера, реализована комбинированная формула с учетом отклонения текущего значения температуры конденсата от установленного задания:

F23060.РГ

Ш К 312.РУ =-----^,

Е23070.РУ

где Е23060.РУ - текущий расход флегмы в К-312; Е23070.РУ - текущий расход дистиллята из К-312; к - коэффициент стабилизации, к = 0,0175 (определен эмпирически исходя из динамики объекта); Т21820.5Р - задание в контуре регулирования температуры конденсата после Т-314; Т21820.РК - текущее значение температуры конденсата после Т-314.

На рис. 5 представлен тренд температуры верха колонны К-312 (1Ж_21710) до и после внедрения комбинированного флегмового числа.

Рис. 5. Температура верха колонны К-312 до и после внедрения комбинированного флегмового числа

Среднее квадратичное отклонение температуры верха колонны К-312 уменьшилось с 0,661 до 0,373 °С. Для оценки эффекта по стабилизации состава выходных потоков рассмотрены тренды лабораторного анализа содержания бензола и стирола в дистилляте колонны К-312 до и после внедрения (рис. 6).

Рис. 6. Содержание бензола и стирола в ректификате до и после внедрения комбинированного флегмового числа

Изменения показателей содержания бензола и стирола оказались в рамках доверительного интервала исследуемых выборок: среднее квадратичное отклонение массовой доли бензола и стирола в дистилляте К-312 уменьшилось с 0,3 и 0,18 % до 0,23 и 0,15 % соответственно [13]. Отсутствие эффекта по стабилизации содержания компонентов ректификата вызвано нестабильностью состава углеводородного концентрата, поступающего в качестве питания колонны [14, 15].

Стабилизация режима колонны К-322. На рис. 7 и в табл. 3 представлены схема управления колонной К-322, реализованная в рамках многопараметрического контроллера СУУТП, и перечень задействованных параметров соответственно.

канал передачи АЛ-СУ

Рис. 7. Схема управления К-322

Таблица 3

Перечень параметров субконтроллера К-322

Тэг Тип переменной Описание

ЯЯ К322.РУ СУ Флегмовое число К-322

Т1ЯСЛ 21850.РУ СУ Температура в кубе К-322

Р1ЯС8Л 220150.РУ СУ Давление верха К-322

РШЗЛ 220140.РУ СУ Давление в кубе К-322

ЫЯС8Л 24630.РУ СУ Уровень в кубе К-322

ИЯС 23110.8Р МУ Расход водяного пара к Т-323

ИЯС 23120.8Р МУ Расход флегмы в К-322

ИЯС 23050.РУ БУ Расход кубовой жидкости из К-312

Проблема представленной конфигурации заключается в периодическом заливе куба колонны в связи с поступлением тяжелого сырья и ограничениями по выводу КОРС из куба колонны, вызванного содержанием готового продукта в кубовом остатке и вытекающими из этого экономическими потерями. Снижать уровень, выпаривая более высококипящую фракцию путем увеличения расхода водяного пара в теплообменник Т-323 (ЕГО.С_23110), в рамках действующей структуры контроллера не представляется возможным ввиду строгих регламентных ограничений по температуре куба (ТГО.СА_21850), вызванных протекающими при повышенных температурах реакциями полимеризации стирола.

Для решения поставленной проблемы реализован алгоритм автоматической подстройки схемы управления колонной в зависимости от текущего технологического режима. При поступлении тяжелого сырья и заливе колонны для исключения конкурирующих задач разрывается связь в управлении между расходом водяного пара в теплообменник Т-323 и уровнем колонны, приоритет в управлении закрепляется за температурой куба. При сбросе кубового остатка и снижении уровня колонны до операторских пределов осуществляется обратный переход к первоначальной схеме управления.

Предложенный метод автоподстройки алгоритмов многопараметрического контроллера СУУТП позволит стабилизировать технологический режим колонны в условиях с низким запасом по управлению ключевыми параметрами процесса.

Заключение. Представленный подход к решению задачи стабилизации технологического процесса в рамках модернизации СУУТП является типовым и может быть применен для установок любого типа. Однако описанные решения по обновлению структуры контроллера, изменению расчета регулируемых параметров и созданию алгоритмов автоподстройки схем управления уникальны и сформированы с учетом технологии, агрегирования опыта оперативного персонала и особенностей управляемого объекта.

Список литературы

1. Системы усовершенствованного управления установкой первичной переработки нефти: создание, внедрение, сопровождение / Д.Х. Файрузов, Ю.Н. Бельков, Д.В. Кнеллер, А.Ю. Торгашов // Автоматизация в промышленности. - 2013. - № 8. - С. 3-10.

2. Практические аспекты четвертой промышленной революции / Р.А. Владов, В.М. Дозорцев, Р.А. Шайдуллин, М.М. Шундерюк // Автоматизация в промышленности. - 2017. - № 7. - С. 7-13.

3. Lehman Keight A. Implement Advanced Process Control // Chemical engineering progress. - 2018. - Vol. 114, no. 1. - P. 60-66.

4. Камалиева К.В., Камалиев Т.С., Долганов А.В. Система усовершенствованного управления центральной газофракционирующей установки // Вестник технологического университета. - 2016. - Т. 19, № 24. - С. 106-108.

5. Работников М.А., Вялых И. А., Немтин А.М. Техническое проектирование системы усовершенствованного управления установки каталитического риформинга // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2019. - № 2. - С. 119-132.

6. Опыт разработки системы виртуального анализа показателей качества продуктов установок каталитического риформинга бензиновых фракций и системы их подстройки в режиме реального времени / А.Г. Шумихин, М.П. Зорин, А.М. Немтин, В.Г. Плехов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2017. - № 2. - С. 45-62.

7. Опыт разработки и внедрения систем усовершенствованного управления технологическими процессами нефтепереработки на базе виртуальных анализаторов качества / А.Г. Шумихин, Д.А. Мусатов, С.С. Власов, А.М. Немтин, В.Г. Плехов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2016.- № 2. - С. 39-53.

8. Хромов Д.А., Камалиев Т.С., Долганов А.В. Система усовершенствованного управления блока фракционирования установки гидрокрекинга // Вестник технологического университета. - 2018. - Т. 21, № 5. - С. 174-177.

9. Тугашова Л.А., Гончаров А.А. Управление процессом ректификации нефти с применением моделей процесса и виртуальных анализаторов // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2018. - № 1. - С. 124-132.

10. Опыт внедрения системы усовершенствованного управления на производстве олефинов ЭП-360 / А.В. Борисов, А.В. Спиридонов, М.Р. Хамитов, И.Ш. Исмаков, Д.А. Рыжов // Автоматизация в промышленности. -2017. - № 8. - С. 46-50.

11. Бахтандзе Н.Н., Потоцкий В.А. Современные методы управления производственными процессами // Проблемы управления. - 2009. - № 3. -С. 56-63.

12. Тарасов И.В., Попов Н.А. Индустрия 4.0: трансформация производственных фабрик // Стратегические решения и риск-менеджмент. - 2018. -№ 3. - С. 38-53.

13. Шашков В.Б.. Прикладной регрессионный анализ. Многофакторная регрессия / Оренгбург. гос. ун-т. - Оренбург, 2003. - 363 с.

14. Самойлов Н.А., Мнушкин Н.А., Мнушкина О.А. Особенности работы реакционно-ректификационной колонны при различных способах ввода сырья // Журнал прикладной химии. - 2007. - Т. 80, № 7. - С. 1504-1510.

15. Волков Д.Н., Вилков Г.Г. Энтропийное моделирование сложных ректификационных колонн // Научно-технический вестник Поволжья. -2013. - № 5. - С. 134-139.

References

1. Fairuzov D.Kh., Bel'kov Yu.N., Kneller D.V., Torgashov A.Iu. Systems of advanced control of the unit of primary oil refining: the creation, implementation, maintenance. Industrial automation, 2013, no. 8, pp. 3-10.

2. Vladov R.A., Dozortsev V.M., Shaidullin R.A., Shunderiuk M.M. Practical aspects of the fourth industrial revolution. Industrial automation, 2017, no. 7, pp. 7-13.

3. Lehman Keight A. Implement Advanced Process Control. Chemical engineering progress, 2018, vol. 114, no. 1, pp. 60-66.

4. Kamalieva K.V., Kamaliev T.S., Dolganov A.V. Sistema usovershen-stvovannogo upravlenija central'noj gazofrakcionirujushhej ustanovki [System of advanced control of central gas fractionation unit]. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta, 2016, vol. 19, no. 24, pp. 106-108.

5. Rabotnikov M.A., Vialykh I.A., Nemtin A.M. Technical design advanced control system of the catalytic reforming unit. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University Electrotechnics, information technologies, control systems, 2019, no. 2, рр. 119-132.

6. Shumikhin A.G., Zorin M.P., Nemtin A.M., Plekhov V.G. Experience development of product quality virtual analysis for catalytic reforming of gasoline fractions and system of their adjustment real-time. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University Chemical Technology and Biotechnology, 2017, no. 2, рр. 45-62.

7. Shumikhin A.G., Musatov D.A., Vlasov S.S., Nemtin A.M., Plekhov V.G. Experience developments and introduction advanced technological processes control oil refining based virtual quality anlysers. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University Chemical Technology and Biotechnology, 2016, no. 2, рр. 39-53.

8. Hromov D.A., Kamaliev T.S., Dolganov A.V. Sistema usovershenstvo-vannogo upravleniia bloka fraktsionirovaniia ustanovki gidrokrekinga [Improved control system of hydrocracker fractionation unit]. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta, 2018, vol. 21, no. 5, pp. 174-177.

9. Tugashova L.A., Goncharov A.A. Management of oil rectification process by using of models of process and virtual analyzers. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Neft' i gaz, 2018, no. 1, pp. 124-132.

10. Borisov A.V., Spiridonov A.V., Khamitov M.R., Ismakov I.Sh., Ryzhov D.A. Opyt vnedreniia sistemy usovershenstvovannogo upravleniia na proizvodstve olefinov

EP-360 [Experience of implementing an advanced process control system of the olefins production EP-360]. Industrial Automation, 2017, no. 8, pp. 46-50.

11. Bakhtadze N.A., Pototskii V.A. Contemporary methods of production process control. Control issues, 2009, no. 3, pp. 56-63.

12. Tarasov I.V., Popov N.A. Industry 4.0: production factories transformation Strategicheskie resheniia i risk-menedzhment, 2018, no. 3, pp. 38-53.

13. Shashkov V.B. Prikladnoi regressionnyi analiz. Mnogofaktornaia regressiia [Applied regression analysis. Multivariate regression]. GOU VPO OGU, 2003. 363 p.

14. Samoilov N.A., Mnushkin N.A., Mnushkina O.A. Osobennosti raboty reaktsionno-rektifikatsionnoi kolonny pri razlichnykh sposobakh vvoda syr'ia [Features of the operation of distillation column with various methods of inputting raw materials]. Zhurnal prikladnoi khimii, 2007, vol. 80, no. 7, pp. 1504-1510.

15. Volkov D.N., Vilkov G.G. Entropic modeling of complex distillation columns. Nauchno-tekhnicheskii vestnikPovolzh'ia, 2013, no. 5, pp. 134-139.

Получено 02.06.2020

Об авторах

Работников Михаил Алексеевич (Пермь, Россия) - эксперт отдела систем усовершенствованного управления технологическими процессами АО «Сибур-Химпром» (614055, г. Пермь, ул. Промышленная, 98; e-mail: rabotnikovma@shp.sibur.ru).

Тихомиров Александр Владимирович (Москва, Россия) - эксперт технического центра СУУТП ООО «Сибур» (117218, г. Москва, ул. Кржижановского, 16; e-mail: tihomirovalv@sibur.ru).

Вялых Илья Анатольевич (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации химических производств Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: ilya.vyalyh@pstu.ru).

About the authors

Mikhail A. Rabotnikov (Perm, Russian Federation) - Expert, APC department, JSC "Sibur-Khimprom" (98, Promyshlennaia str., Perm, 614055; e-mail: rabotnikovma@shp.sibur.ru).

Aleksandr V. Tihomirov (Moscow, Russian Federation) - Expert of APC technical center, LTD "Sibur" (16, Krzhizhanovskogo str., Moscow, 117218; e-mail: tihomirovalv@sibur.ru).

Il'ia A. Vialykh (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor of Department of equipment and automation of chemical production, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990; e-mail: ilya.vyalyh@pstu.ru).