Новые информационные технологии для мониторинга и оптимизации нефтеперерабатывающих производств

На основе научно-прикладных разработок выполнена количественная оценка кинетических параметров реакций превращения углеводородов бензинов на поверхности Pt- катализаторов. Произведены исследования каталитических контактов с учетом специфических технологических особенностей производств и состава перерабатываемого сырья. Разработана (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2006611574 «Программа расчета кинетических параметров процесса риформинга бензинов на Pt-катализаторах») компьютерная моделирующая система, позволяющая выполнять прогноз и тестирование промышленных катализаторов риформинга бензинов.

УДК 66.011

Е.М. Юрьев, Е.Н. Ивашкина

Томский политехнический университет, Томск, Россия

НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА И ОПТИМИЗАЦИИ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ

Methodological aspects of intellectual system (IS) formation and their usage for forecasting of petrochemical processes connected with physical-chemical and technology of industrial processes are considered. The principles of IS creation on the base of generalization of industrial units operation experience for special data processing in computer regime for users are expounded. Methods of forming of physical-chemical models of heterogenous catalytic processes counting catalyst deactivation are generalized.

С использованием стратегии системного подхода разработаны компьютерные моделирующие системы процессов нефтепереработки и нефтехимии. В основе каждой из систем лежит нестационарная математическая модель каталитического процесса. Разработана продукционно-фреймовая модель для определения причин возникновения аварийных ситуаций в аппаратах, входящих в технологическую схему установки. Модель описывает пользователю действия персонала по устранению аварийной ситуации. Проведена адаптация программных продуктов на реальном промышленном объекте посредством разработки модуля связи с единой тематической витриной данных завода.

Современное состояние химической и нефтеперерабатывающей промышленностей характеризуется потребностью в постоянном повышении эффективности производств, что, в свою очередь, предъявляет большие требования к средствам автоматизации, контроля и управления различного уровня. Это касается как систем автоматизированного управления параметрами технологических процессов, так и информационных технологий, призванных прогнозировать производительность установок и качество товарных продуктов. Программное обеспечение зарубежных производителей предназначено, в основном, для процессов подготовки и транспорта нефти и газа и, как правило, не пригодно для расчетов реакторных процессов каталитической переработки углеводородов. Существуют и отечественные разработки, они предназначены решать проблемы сбора, архивирования и структурирования информации локальными базами данных и системами управления базами данных, такими, как, например, «Единая тематическая витрина данных» (ЕТВД) на ООО «КИНЕФ» [1, 2].

Технологические моделирующие системы для процессов нефтепереработки и нефтехимии, разрабатываемые на кафедре химической технологии топлива ТПУ, имеют отличительные свойства, позволяющие более эффективно решать задачи мониторинга и оптимизации нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ). Инновационность метода заключается в учете реакционной способности углеводородов многокомпонентного сырья, потенциала катализатора и нестационарности протекания реакций на поверхности катализатора. Такой подход позволяет совершенствовать технологии, оценивать состояния катализаторов, оптимизировать процессы, осуществлять

мониторинг и прогнозирование производств. При внедрении таких систем на производство встает задача синтеза их с автоматической системой управления технологическими процессами (АСУТП) завода.

Создание ЕТВД в 1999 г. из двух подсистем автоматизации предприятия -автоматической системы управления производством (АСУП) и АСУТП решило проблемы сбора, архивирования, структурирования информации и предоставления ее пользователям. ЕТВД представляет собой созданный на архитектуре СУБД Microsoft SQL Server, программный комплекс, включающий в себя большое количество распределенных систем управления и коммуникационные серверы, выполняющие функции передачи технологической информации между уровнями. Пользователи имеют доступ как к архивной информации на сервере, так и к информации реального времени на коммуникационных серверах.

Однако предоставление только технологической информации создает не полную картину работы предприятия. Необходимо коррелировать эти данные с другими, поэтому следующим шагом в развитии АСУТП на нефтеперерабатывающих заводах выступает аналитическая обработка полученных данных.

В частности, возникла объективная необходимость слияния ЕТВД и пакетов прикладных программ для расчета производственных процессов на ООО «КИНЕФ».

Первыми прикладными программами, позволяющими использовать массивы информации из технологического мониторинга ЕТВД при анализе и прогнозировании производства, являются технологические моделирующие системы, разработанные на кафедре химической технологии топлива ТПУ для таких процессов, как каталитический риформинг, изомеризация, дегидрирование высших н-парафинов (Пакол), гидрирование высших диолефинов (Дифайн), алкилирование бензола.

При разработке моделирующей системы возникает необходимость синтеза математического описания химико-технологическая система (ХТС). Сущность иерархического принципа синтеза математического описания заключается в том, что математическое описание каждого последующего структурного уровня должно включаться в качестве основной части в математическое описание последнего уровня.

478 476

3

Ш

1=3 474

су

& 472 &

§ 470 468

15.09.2007 04.11.2007 24.12.2007 12.02.2008 02.04.2008

Дата

Рис. 1. Темп подъема температуры в реакторе дегидрирования

Математическая модель процесса дегидрирования высших н-парафинов представляет собой систему дифференциальных уравнений [3]:

C C N

G—- + G—- = (1 -е) Е r,, i = 1..M, j = 1...N

efe dV j=1 j

3 3

где G - расход сырья, м /ч; C- - концентрация i -го углеводорода, моль/м ; V -

объем катализатора, м ; е - порозность слоя катализатора, е = 0...1; r- - скорость j-й

реакции, моль/м3-ч; z - «приведенное время» или суммарный объем переработанного сырья после регенерации катализатора, м3, z = Gt; t - время, ч; M - количество компонентов; N - количество реакций.

Уравнение теплового баланса в дифференциальной форме запишется как [3]:

ж

z

j=

l{AHjrj)

дТ дТ

О— + О-= -

дг д V с з

где Т — температура процесса, К; АН  — тепловой эффект реакции, Дж/моль; Ср — теплоемкость смеси, Дж/кг-К.

Начальные и граничные условия:

г = 0: С = 0,Т = Т^;

V = 0 : С' = С' ,аб'Т = Таб-

Таким образом, размерность системы уравнений математической модели совпадает с количеством веществ, концентрация которых определяется в расчетах, плюс одно уравнение для определения профиля температуры по реактору. Результатом решения системы будет матрица потоков. Она представляет собой таблицу, содержащую, выходные концентрации потоков на определенную дату расчета.

Выполненный с использованием технологической моделирующей системы мониторинг работы установки Пакол-Дифайн показал, что в период работы с 15.09.2007 по 13.03.2008 в реакторе дегидрирования наблюдался плавный подъем температуры входного потока с 469 до 477 °С, рис. 1. При этом имели место небольшие перепады температуры, обусловленные изменением нагрузки сырья. Концентрация кокса на 13.03.2008 г. составила 1,3 мас. %. Если учесть, что на катализаторе данной марки при эксплуатации отлагалось не более 3 % мас. кокса, то можно считать, что текущий цикл работы катализатора близится к своему завершению. Об этом свидетельствует также высокое содержание диолефинов в продуктах реактора дегидрирования - ок. 0,8 мас. %.

Экспертная группа

Разработчики

Базы знаний

I

Математическое описание физико-химических процессов

Базы данных

1

Моделирующий алгоритм

Интерфейс программы

Пользователи

Модуль технологической моделирующей системы

Рис. 2. Схема взаимодействия модуля КМС с пользователями

Исследования показали, что системный подход в целом и принцип декомпозиции в частности очень удобны при создании компьютерных моделирующих систем (КМС) в средах разработки компьютерных приложений, например, семейства «Borland Delphi». В этом случае моделирующий алгоритм каждого аппарата локализуется внутри отдельного модуля, входящего в Delphi-проект разрабатываемого приложения, а КМС представляет собой совокупность таких модулей, дополненных описанием интерфейса программы, численным базами данных, а также хранилищами различных элементов синтаксиса языка программирования (методы и классы). Схема взаимодействия отдельного модуля программы «PDA» моделирования процессов синтеза линейных алкилбензолов приведена на рис. 2. Она представлена в соответствии с отмеченными принципами компьютерного моделирования. Пользователь КМС взаимодействует с программой через интерфейс, вводит данные, выбирает тип расчета. При работе программы реализуется моделирующий

алгоритм решения уравнений математической модели реакторного процесса, который представляет собой комбинацию известных алгоритмов вычислительной математики. Различные численные характеристики процессов (термодинамические, теплофизические параметры), которые представляют собой в большинстве случаев параметры моделей, извлекаются из баз данных, сформированных ранее. Сопровождение и модернизацию модулей программ осуществляют разработчики, опираясь на собственные знания и сформированные ранее базы знаний по реакторным процессам, характерным для отдельной установки. КМС реализуются в виде Windows-приложений, рис. 3. В моделирующей системе для процессов синтеза линейных алкилбензолов реализована продукционно-фреймовая модель для определения причин возникновения аварийных ситуаций в аппаратах, входящих в технологическую схему установки. Также модель демонстрирует действия персонала по устранению данной аварийной ситуации. Пользователь выбирает аппарат, где возникла аварийная ситуация, затем выбирает аварийную ситуацию. После выбора ситуации появляется список возможных причин ее возникновения и порядок действия персонала по ее устранению.

Рис. 3. Моделирующая система процессов синтеза линейных алкилбензолов

Одним из важнейших вопросов, касающихся дальнейшего сопровождения программных продуктов на ООО «КИНЕФ» стала адаптация моделирующих систем с ЕТВД. Для этого формируется так называемый файл инициализации приложения «Модуль связи с общезаводской базой данных». Этот модуль предназначен для передачи данных из ЕТВД в программы, описывающие технологические процессы. Схема взаимодействия прикладной программы с ЕТВД представлена на рис. 4. Модуль разработан таким образом, что его внутренние процедуры при небольшом изменении файла инициализации датчиков способны осуществлять выборку данных с любых установок производства. Для моделирующих программ дальнейшим шагом в этом аспекте совершенствования является создание и подключение нового Delphi-модуля в Delphi-проект, который, взаимодействуя с ЕТВД посредством процедур, описанных в приложении «Модуль связи», осуществлял бы импорт данных из общезаводской витрины в компьютерную систему. При исследовании структуры синтаксиса «Модуля связи» была разработана методика создания в среде «Delphi 7» модуля импорта информации из ЕТВД и внедрения в КМС процедуры передачи информации из ЕТВД. Основным достоинством КМС, является проведение оптимизационных и прогнозных расчетов. Так, моделирование процесса гидрирования диолефинов, показало, что оптимальный расход селективного яда, диметилди-сульфида, позволяет увеличить выход целевого продукта, линейного алкилбензола, может быть увеличен на 2,0... 14,0 %, что в пересчете составляет ок. 45-315 млн р. / год дополни-

тельного дохода, практически, без увеличения затрат на других этапах данного производства.

Источник данных

Блок риформинга Pacol-Difine Блок изомеризации Лаборатория

С

Запись данных _*_

Общезаводская база данных

Считывание данных _±_

Запрос параметров

Интерфейс взаимодействия с общезаводской базой данных

Считывание данных _

Запрос параметров

<

Модуль расчета и интерпретации результатов

>

Резул ьтаты

Запрос параметров

Рис. 4. Схема взаимодействия КМС с ЕТВД посредством «модуля связи»

Таким образом, разработанные на кафедре химической технологии топлива моделирующие комплексы для процессов нефтепереработки и нефтехимии представляют собой программные продукты, имеющие большое прикладное значение и обеспечивающие своевременный мониторинг, точные прогнозирующие и оптимизационные расчеты, в том числе и по экономическим критериям. Многолетний опыт создания моделей и взаимодействия с технологическим персоналом заводов показал, что высокая эффективность таких систем достигается за счет использования разработанной методики, включающей в себя этапы учета в моделях компонентного состава углеводородного сырья и детального механизма превращения веществ на поверхности катализатора. Разработанная моделирующая система процессов синтеза алкилбензолов включает в себя модуль диагностики причин отклонения в работе промышленной установки и может быть использована для организации действий персонала при возникновении аварийных ситуаций в аппаратах, входящих в технологическую схему установки. При внедрении таких систем на другие НПЗ России естественным этапом станет их адаптация к действующим на них базам данных технологических параметров и дальнейшее сопровождение разработанных программных продуктов.

Список литературы

1. Гершберг, А.Ф. Автоматизация производства ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез». Применение современных информационных технологий/ А.Ф.Гершберг, О.А. Безручко // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2006. - № 2. - С. 45-49.

2. Подъяпольский, С.В. Современные средства, системы, комплексные подходы и решения в автоматизации технологических процессов/ С.В.Подъяпольский , Д.В. Афонин // Топливно-энергетический комплекс России: Сб. матер. 6-го Междунар. форума, 2006. - СПб., 2006. - Т. 1. - С. 134-135.

3. Кравцов, А.В. Построение нестационарной кинетической модели процесса дегидрирования н-парафинов с учетом коксообразования на поверхности катализатора/ А.В.Кравцов, Э.Д.Иванчина, Е.Н.Михайлова и др. // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 3. - С. 116-118.