Управление на основе прогнозирующих моделей в системах каталитического крекинга нефти

УДК 007:057:62-50:681.513

УПРАВЛЕНИЕ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА НЕФТИ Б.А. Пашаева, М.П. Фархадов

Рассмотрены особенности функционирования технологической системы каталитического крекинга нефти. Представлена эффективная математическая модель производственной установки для применения в системах прогнозирующего управления. Синтезирован регулятор на основе метода управления динамическими объектами с использованием прогнозирующих моделей. Эффективность подхода подтверждена результатами моделирования процесса каталитического крекинга нефти. Полученные результаты регулирования сравниваются с результатами ПИД-регулирования

Ключевые слова: каталитический крекинг, моделирование, идентификация, прогнозирующее управление, многомерная система управления

Каталитический крекинг является важнейшим процессом в переработке нефти с целью получения бензина. Установка каталитического крекинга предназначена для переработки вакуумного дистиллята с целью получения компонента высокооктанового бензина. Результаты каталитического крекинга определяются в целом такими показателями, как глубина превращения (конверсии) сырья, выход целевых продуктов и их качество. Целевыми продуктами процесса являются бензин и сжиженный газ. Кокс, хотя и фигурирует в материальном балансе процесса (вместе с потерями), но не выводится из установки и полностью сгорает в регенераторе, обеспечивая тепловой баланс реакторного блока.

Управление процессом каталитического крекинга является сложной задачей. Сложность задачи обусловлена следующими проблемами: -процесс имеет нелинейный характер; -объект управления является многосвязным с существенными перекрестными связями;

-разница в постоянных времени для различных подсистем значительна

-существует большое количество неконтролируемых возмущений [1,2].

Одним из подходов к анализу и синтезу системы управления каталитическим крекингом является управление с использованием прогнозирующих моделей [4,5].

В работе рассмотрены вопросы синтеза математической модели процесса каталитического крекинга с использованием прогнозирующих моделей.

Пашаева Бахар Адалят кызы - МГТУ им. Н.Э. Баумана, аспирант, e-mail: pas-bahar@yandex.ru

Фархадов Маис Паша оглы - ИПУ РАН, д-р техн. наук, заведующий лабораторией, e-mail: mais@ipu.ru

Установка каталитического крекинга состоит из двух основных частей: из реактора и регенератора. Центральной частью установки каталитического крекинга является реактор, функционирующий следующим образом: сырье проходит через нагреватель, смешивается с катализатором и поступает в вертикальную трубу (райзер), ведущую в нижнюю часть большого сосуда (отстойная часть реактора). Время пребывания сырья в реакторе — несколько секунд, реакция протекает мгновенно. Основной задачей реактора является отделение углеводородов от катализатора. Это происходит в отстойной зоне реактора. Паровая фаза (прореагировавшее сырье) поднимается вверх и проходя через циклоны направляется в ректификационную колонну для дальнейшей очистки и обработки. Твердая фаза (закоксованный катализатор) за счет разности статических напоров катализатора в реакторе и регенераторе самотеком по наклонной транспортной линии поступает в регенератор.

Часть углеводородов, которая во время крекинга превращается в кокс, оседает в виде отложений на катализаторе. Когда поверхность катализатора покрывается отложениями, катализатор становится неактивным (отработанным). Чтобы удалить эти углеродные отложения, отработанный катализатор подают в регенератор, где его смешивают с горячим воздухом. В результате происходит окисление кокса. Процесс, протекающий в регенераторе, называют выжигом кокса.

Восстановленный катализатор выходит из нижней части регенератора. Его можно снова смешать с сырьем и направить в реактор. Таким образом, катализатор находится в непрерывном движении, проходя по циклу крекинг— регенерация.

Химические процессы, протекающие в реакторе каталитического крекинга, являются

сложными и сопровождаются рядом одновременно протекающих химических реакций. Согласно редуцированной модели реактора [3,6,7], эти реакции можно разделить на три вида: Реакция 1: Г —— G

Реакция 2: G-Реакция 3: Г-

где Б - это сырье (гидроочищенный вакуумный дистиллят, иначе газойль), в -целевой продукт (бензин), Ь -легкие газовые фракции (в частности кокс). Первая реакция желаемая, так как бензин является целевым продуктом. Реакции 2 и 3 являются побочными, следовательно, нежелательными реакциями.

Рис. 1. Блок управления с использованием прогнозирующих моделей

Управление с использованием прогнозирующих моделей является одним из современных формализованных подходов к анализу и синтезу управления. Прогнозирующий регулятор состоит из двух компонентов: модель процесса и модуль оптимизации (рис. 1) [10].

С точки зрения алгоритмов регулирования, предпочтительно представление модели в виде вход-выход. Для определения упрощенной модели для процесса каталитического крекинга в работе применялась идентификация.

р

Рис. 2. Структурная схема процесса каталитического крекинга нефти Метод идентификации модели изложен в [9]. Фактически, предложенная авторами проце-

дура идентификации реализует три основных этапа.

Первый этап заключается в составлении структурной схемы процесса, которая приведена на рис. 2, где Тсырья - это температура сырья,

Т р , Трег - температуры в реакторе и регенераторе соответственно, С кокс - массовая доля кокса

на КЭТаЛЮЭТОре, Тсырья, 0 кат ’ 0 вохдух - расхОЛы

сырья, катализатора и воздуха соответственно.

Второй этап заключается в определении вида передаточной функции для каждого канала связи. При этом предполагается, что каждый канал связи может быть охарактеризован апериодическим звеном первого порядка без чистого запаздывания:

Передаточные функции, связанные с реактором обозначены через букву Н, связанные регенератором обозначены через в, а общие передаточные функции, связанные процессом в целом обозначены буквой Б. Передаточные функции реактора и регенератора были определены для статического режима, а передаточная функция всего процесса была найдена путем арифметических вычислений.

Последний этап заключается в определении параметров передаточной функции для каждого канала, которые корректно будут отражать поведение процессов. Метод определения параметров передаточных функций описан в [9].

Схема системы управления с использованием прогнозирующих моделей процесса каталитического крекинга нефти приведена на рис.3.

Рис. 3. Схема управления процессом каталитического крекинга нефти с использованием прогнозирующих моделей

Ниже в таблице приведены связи, которые описывают упрощенную модель процесса после идентификации.

Основная задача каталитического крекинга нефти заключается в максимизации удельного выхода целевого продукта. Эта цель достигается, когда в реакторе протекает реакция с хорошей степенью превращения, а в регенераторе происходит хороший выжиг кокса. На практике, для достижения наилучшего результата проте-

кания реакций в реакторе регулируется температура реактора, а для достижения наилучшего выжига кокса, соответственно температура в регенераторе.

Моделирование системы управления производилось для различных настроечных параметров прогнозирующего регулятора. Для регулятора по оценке с прогнозом с несколькими входами и выходами были определены следующие параметры:

-горизонт прогнозирования р=100 шагов; -период дискретизации Т=4сек;

-горизонт управления М=19.

После определения оптимальных настроек проводилось сравнение полученных результатов моделирования с результатами ПИД-

регулирования.

Результаты моделирования и сравнение полученных данных с полученными результатами на основе прогнозирующего регулятора приведены на рисунках 4 и 5.

Для управления температурами в реакторе и регенераторе были реализованы два ПИД-регулятора с настроечными параметрами:

Рр = 165.37;

I р = 7.29;

В р = 0.63;

?3вг

Врем, [чк]

Рис. 4. Переходный процесс для температуры в регенераторе с применением ПИД и УПМ регуляторов

Р р. = 86.46; I р. = 14.37; В ,гг = 3.41;

Рис. 5. Переходный процесс для температуры в регенераторе с применением ПИД и УПМ регуляторов

Заключение

Рассмотрены особенности функционирования технологической системы каталитического крекинга нефти.

Получена математическая модель процесса каталитического крекинга нефти.

Синтезирована система управления для каталитического крекинга нефти.

Разработанная система управления с использованием прогнозирующих моделей демонстрирует удовлетворительные показатели качества процесса.

Прогнозирующий регулятор по сравнению с традиционным ПИД-реулятором показывает более эффективное качество регулирования.

Передаточные функции упрощенной модели процесса каталитического крекинга нефти

^'''^^^Выход Вход Температура в реакторе Температура в регенераторе

Температура сырья вд = 023 ^ , ч 0.004552 + 0.1055 + 0.165

0.0645 +1 '' 21 (5) — 4 3 2 2 0.0006454 + 0.02953 + 0.38652 +1.1635 +1

Температура использованного катализатора ш;2(5) = 079 ^ , ч 0.07552 + 0.395 + 0.61

1 0.0645 +1 ш 22 (5) 4 3 2 2 0.0008454 + 0.04553 + 0.452 +1.1775 +1

Расход сырья - 8 11*10-4 ш (5) = „г -2.059*10-452 -0.000455-0.00072

13 / 0.0625 +1 ш 23(5) — л з ") 0.00 07254 + 0.03153 + 0.3 952 +1.1655 +1

Продолжение таблицы

Расход использованного катализатора W (s) -1751*10-4 W - 2.16*10-7 s4 - 4.12*10-6s3 -3.62*10-5s2

) 0.062s +1 = 0.00037s5 + 0.056s4 + 0.43s3 + 0.89s2 + 1.75s +1 - 8.13*10-5 s - 6.04*10-5 0.00037s5 + 0.056s4 + 0.43s3 + 0.89s2 + 1.75s +1

Расход воздуха Wu(s) - 0 w*« - 00028 0.48s +1

Литература

1. Ахметов С.А, Ишмияров М.Х., Веревкин А.П., Докучаев Е.С., Малышев Ю.М. Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти. - М.: Химия, 2005. - 670с.

2. Гаврилов А.И., Пашаева Б.А. Интеллектуальная система управления каталитическим крекингом нефти// Интеллектуальные системы: Труды девятого международного симпозиума/ Под ред. К.А.Пупков 2010. - С. 637-641.

3. Pashayeva B. Mathematical model of the fluid catalytic cracking for work in testing control systems for the cracking plant/ PCI, Baku, Azerbaijan - Vol.1 - 2010. pp. 328-331.

4. Mircea C., Agachi S., Marimoiu V. Simulation and Model Predictive Control of a UOP Fluid Catalytic Cracking/ Chemical Engineering and Processing - 2003. - Vol. 42 - 67p.

5. Loeblein C. and Perkins J.D. Structural Design for On-line Process Optimization: Application to a Simulated F^/ AlChe Journal - 1999. - Vol 45 - 1015p.

6. Weekman V. A Model of Catalytic Cracking Conversion in Fixed, Moving and Fluid-Bed Reactors/ Industrial and Engineering Chemistry Process Desing and Development -1968. - 90p.

7. Weekman V. and Nace D.M. Kinetics of Catalytic Cracking Selectivity in Fixed Moving and Fluid bed reactors/ AIChE Journal - 1970. - 397p.

8. Errazu A.F., DeLasa H.I. and Sarti F. A Fluized Bed Catalytic cracking Regenerator model, Grid Effects/ Canadian Journal of Chemical Engineering - 1978. - 191p.

9. Coleman B., Babu J. Techniques of Model-Based Control - Pretice Hall PTTr, 2002. - 576p.

Bequette W. Process Control Modeling Desing and Simulation - Pretice Hall PTTr, 2003. - 564p

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Институт проблем управления Российской академии наук им. В. А. Трапезникова, г. Москва

CONTROL BASED PREDECTIVE MODELS IN CATALITYC CRACKING SYSTEMS B.A. Pashayeva, M.P. Farhadov

The especially the functioning of fluid catalytic cracking plant are considered. An effective mathematical model of catalytic plant for using in predictive control systems is represented. Controller based on control method of dynamic objects with the using of predictive models is created. Effectiveness of the approach is confirmed by the simulation results of the catalytic cracking process. The results are compared with the results of PID control

Key words: catalytic cracking, modeling, model predictive control, multivariate control system