Методические аспекты системного анализа эффектиности топливных систем предприятий переработки углеводородного сырья

VII. Выводы и заключение

Предложенный алгоритм кластеризации FCR DV является модификацией алгоритма нечеткой кластеризации c-means. Алгоритм предоставляет возможность определять количество кластеров в процессе работы и проводить повторную реорганизацию кластеров, определять и удалять пустые кластеры для повышения точности распознавания. С помощью модифицированного алгоритма FCR DV удалось выделить большее количество летательных аппаратов, чем с помощью алгоритма c-means. Однако количество итераций FCR DV выше, чем у метода метод c-means. Данный факт говорит о том, что при наличии выборки большего объема для проведения кластерного анализа потребуется больше времени. Однако с учетом темпов развития производительности современных компьютеров можно надеяться, что данный недостаток не будет серьезной проблемой.

Список литературы

1. Бакулев П. А. Радиолокационные системы. М.: Радиотехника, 2004. 286 с.

2. Барсегян А. А., Куприянов М. С., Степаненко В. В., Холод И. И. Методы и модели анализа данных: OLAP и Data Mining. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 336 с.

3. Нейский И. М. Классификация и сравнение методов кластеризации. URL: http://it-claim.ru/Persons/Neyskiy/Article2_Neiskiy.pdf (дата обращения: 02.05.2017).

4. Котов А. Н., Красильников Н. Кластеризация данных. 1988. С. 13-15. URL: http://logic.pdmi.ras.ru/~yura/internet/02ia-seminar-note.pdf (дата обращения: 05.02.2017).

5. Jiangsheng Y. Clustering Methods. Applications of Multivariate Statistical Analysis. Beijing: Institute of Computational Linguistics. 2008. 20 с. URL: http://www.archive.org/web/20030422001200/icl.pku.edu.cn/yujs/papers/pdf/clster.pdf

6. Roubos J. A., Setnes M., Abonyic J. Learning Fuzzy Classification Rules from Labeled Data. Delft: Delft University of Technology. 2006. 17 с. URL: http://www.researchgate.net/publication/222657076_Learning_iuzzy_classificaion_rules_from_labeled_data/links/09e4 150879582c877f000000

7. Вешкурцев Ю. М., Бычков Е. Д., Титов Д. А. Цифровой фильтр на основе теории нечетких множеств с адаптивно изменяемыми функциями принадлежности // Известия вузов России. Радиоэлектротехника. 2007. Вып. 2. С. 43-50.

8. Statistica. Advanced analytics software package / Official WebSite, 2010. URL: http://www.statistica.io (дата обращения: 25.03.2017).

9. Петров П. К., Семин Ю. Н. Математико-статистическая обработка и графическое представление результатов педагогических исследований с использованием информационных технологий: учеб. пособие, Ижевск: Изд -во «Удмуртский университет», 2013. 179 с.

УДК 658.26:620.92.001.57

МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ЭФФЕКТИНОСТИ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ ПРЕДПРИЯТИЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

А. В. Кульбякина, И. В. Долотовский

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-158-165

Аннотация - В статье рассматриваются методические положения системного анализа эффективности функционирования топливных систем предприятий переработки углеводородного сырья (УВС). Современные объекты переработки УВС - это крупные потребители энергетических ресурсов (ЭР) на собственные нужды. Снижение потребления ЭР, в том числе топливопотребления, а также создание рациональной структуры топливных систем - сложная и актуальная научная задача, решение которой возможно только с использование методов системного анализа и синтеза сложных систем. В соответствии с принципами системного анализа, на основных этапах исследования разработана иерархическая структура топливной системы, блочная схема синтеза оптимального варианта топливной системы с использованием математических моделей и комплекса критериев эффективности. Приведены результаты от внедрения конкретных технических решений по созданию собственных источников энергообеспечения объектов переработки УВС.

Ключевые слова: системный анализ, энергоэффективность, математическое моделирование, топливная система, углеводородное сырье, энергетический комплекс.

I. Введение

Современные предприятия переработки углеводородного сырья - газа, газового конденсата, нефти (ПП УВС) являются крупными потребителями всех видов энергетических ресурсов (ЭР) на собственные нужды. Энергетическая составляющая в себестоимости конечной продукции достигает 11-15 % с негативной тенденцией увеличения в последние годы. Первичными ЭР для ПП УВС являются топливо (жидкое и газообразное), электрическая и тепловая энергия. В среднем на долю потребления топлива приходится до 60 %, на электрическую энергию - до 40%. Такое распределение потребления первичных ЭР связано с тем, что тепловая энергия в большом количестве вырабатывается в собственных энерготехнологических аппаратах, замещая тем самым потребление от стороннего источника. Потребление ЭР происходит в технологической системе (ТС) и энергетическом комплексе (ЭК) объекта. Технологическая система является основой формирования ЭК и его подсистем, базовыми из которых являются теплотехнологическая, электротехнологическая, топливная. Топливная система характеризуется наибольшим числом взаимосвязей с ТС и внешними системами энергоснабжения.

II. Постановка задачи

Решение проблем повышения эффективности топливной системы ПП УВС и синтез ее оптимальной структуры с учетом всех внутрипроизводственных и внешних влияющих факторов: технологических, эксплуатационных, экономических, экологических, климатических, организационных и др. возможно только на основе принципов системного подхода к исследованию сложных систем. Системный анализ топливной системы выполняется поэтапно, в том числе включает разработку математической связи между исходными характеристиками состояния системы и параметрами ее подсистем, также ЭК, ТС, внешними системами энергообеспечения на всех уровнях иерархии. В задачи анализа также входит оценка эффективности структуры топливной системы ПП УВС, сравнение ее с альтернативными вариантами.

III. Теория

1. Характеристика топливных систем ПП УВС

Основными потребителями топлива на ПП УВС являются: огнетехническое оборудование, установки термического обезвреживания отходов, факельные системы, котлоагрегаты. Для обеспечения установок жидким или газообразным топливом в централизованном порядке на заводах перерабатывающих УВС организуется топливное хозяйство, включающее в себя цехи подготовки топлива, закольцованные топливопроводы с беспрерывно циркулирующим жидким топливом, с проложенными линиями на отдельные технические установки. Имеется и теплообменное оборудование для предварительного подогрева топлива перед его подачей на форсунки печи. Принципиальная схема генерирования и потребления газо- и жидкофазных потоков в наиболее общем виде для газоперерабатывающих заводов (ГПП) приведена на рис. 1 для нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) на рис. 2.

Рис. 1. Принципиальная схема генерирования и потребления газовых потоков для ГПП: У1-УТ - установки по переработке газа; У1-УТ - установки по переработке газового конденсата

Потребителю или на другие г ехн мо га че ски е нужды

Рис. 2. Принципиальная схема генерирования и потребления газовых и жидких потоков для НПЗ:

У1-Уп - установки по переработке нефти

Несмотря на значительное сходство технологических процессов на ГПП и НПЗ, их системы топливообеспе-чения имеют существенные отличия. Так, на ГПП в качестве основного топлива выступает газ из сети товарного газа, а также углеводородные газы, получаемые в процессе переработки сырья. На НПЗ в большом количестве присутствует жидкое топливо собственной выработки, нефтезаводские газы, а товарный газ, как правило, является сторонним ЭР.

Для действующего отечественного НПЗ процентное распределение используемого топлива по основным технологическим процессам приведено в табл. 1.

ТАБЛИЦА 1

ПРОЦЕНТНЫЙ СОСТАВ ТОПЛИВА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

НА НПЗ

Технологический Собственный Природный Мазут, Кокс

процесс газ, % газ, % % (топливо конверсии), %

Первичная переработка (ЭЛОУ-АВТ) 75 15 10 -

Каталитический крекинг 43 6 25 26

Гидроочистка 99,5 0,4 0,1 -

Термический крекинг 80 5 15 -

Как видно из таблицы, большая часть потребления приходится на собственное топливо (нефтезаводской газ, мазут и топливо конверсии), а доля природного газа колеблется от 0,5 до 20 % по всем технологическим процессам. В этом свете перспективными являются научные разработки по максимальному использованию потенциала горючих вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), в большом количестве содержащихся на ПП УВС, это позволит сократить потребление товарного или покупного топливного газа на технологические нужды объекта.

Анализ потребления ЭР за последние несколько лет свидетельствуют о тенденции увеличения его удельного потребления. Это вызвано такими объективными факторами как: увеличение глубины переработки сырья, повышение качества выпускаемой продукции; изменение состава и увеличение объема перерабатываемого сырья; внедрение вторичных энергоемких технологических процессов. С другой стороны, воздействие на абсолютные и удельные показатели потребления ЭР оказывает и целый ряд негативных внутрипроизводственных и внешних факторов. Внутрипроизводственные факторы, такие как устаревшая материально-техническая база и, как следствие, низкие КПД энергопотребляющего и энергогенерирующего оборудования, повышенная энергоемкость технологических процессов; низкая степень рекуперации и регенерации теплоты технологических процессов; потери ЭР. К внешним наиболее значимым факторам можно отнести повышенную напряженность региональных топливно-энергетических балансов и неустойчивость электроснабжения.

Решение вопросов повышения эффективности топливных систем ПП УВС и синтеза их оптимальных структур возможно при комплексном подходе, который базируется на принципах системного анализа и устанавливает внутренние и внешние взаимосвязи между объектом, системами и подсистемами ПП УВС, внешними системами энергообеспечения в динамике переменных во времени, наиболее значимых влияющих факторов.

2. Системный анализ топливных систем ПП УВС

Системный анализ топливной системы и ее элементов предполагает следующие этапы: определение структуры объекта и параметров его функционирования; разработку и расчет характеристик и показателей эффективности объекта; идентификацию виляющих факторов и степень их влияния на режимы работы объекта. Вопросы синтеза топливной системы - это, в первую очередь, определение принципов лежащих в основе ее функционирования, разработка рациональной структура и параметров топливной системы; математическое моделирование альтернативных вариантов структуры; разработка комплекса технических решений по повышению эффективности топливной системы.

Первым аспектом системного анализа топливной системы ПП УВС является построение ее структуры на безе блочно-иерархического подхода с установлением сложных детерминированных взаимосвязей с ЭК и ТС (рис. 3). Анализ разработанной структуры свидетельствует о том, что топливная система характеризуется большим числом взаимосвязей с ТС и теплотехнической подсистемой в ходе динамического, непрерывного во времени, процесса потребления и генерации ЭР.

Формализованное описание структуры энерготехнологического баланса ПП УВС (рис. 3) для решения задач повышения эффективности топливной системы представляет объединение множеств моделей структуры:

N производств ТС

Р =

ТС ТС ••и ТС) •

M подсистем ЭК

Р =[р1 РМ \•

1 ЭК ЭК' и ЭК ) •

ПП УВС в целом

ППУВС = РТС и Рэк,

где Р^С...Р^С - математическое описание структуры производств подготовки, переработки УВС, утилизации отходов, кондиционирования и хранения промежуточных и конечных технологических потоков, транспортирования продуктов;

Р^к...Р^ - математическое описание структуры подсистем ЭК, осуществляющих генерацию, преобразование, транспортирование топлива, электроэнергии, тепловой энергии, воды, внутрипроизводственных энергоносителей.

I______________________________________________I

Рис. 3. Схема энерготехнологического бааланса ПП УВС на иерархическом уровне внешних стистем,

основых систем предприятия и подстистем

Синтез рациональной структуры и определение режимов эксплуатации топливной системы ПП УВС на основании обобщающего векторного критерия системной эффективности:

_ п _

и = &-иг

г=1

где Щ - значение г -го критерия эффективности щ, отнесенное к его экстремальному значению и ^ в

группе альтернативных вариантов технических решений; щ = Щ / иетй.;

п - количество частных критериев эффективности разрабатываемых решений по повышению энергоэффективности топливной системы;

у - элементы вектора коэффициентов относительной важности (рангов) частных критериев.

Вектор приоритетов Ж = (у ,у2 ,..., у ) определяется на основании вычислений среднего геометрического каждой строки матрицы парных сравнений частных критериев

у' =п п Ъч

V ч=1

где - элемент / -й строкиу-го столбца матрицы парных сравнений частных критериев.

Элементы вектора приоритетов получаются известным способом - делением на сумму средних геометрических

г',

Уг = Л/п .

I У

г=1

В качестве частных критериев эффективности принимались критерии рационализации балансов, а также технико-экономические критерии эффективности.

На основе разработанной структуры топливной системы, комплекса показателей эффективности, созданы математические модели расчета и оптимизации балансов топливной системы.

3. Математическое моделирование топливных систем ПП УВС

В общем виде математическую модель топливной системы, в зависимости от влияющих факторов в формальном виде можно записать:

У = ¥

где У, X - вектор выходных и входных переменных соответственно;

¥ - векторная функция векторных аргументов X, Б, Р, д и скалярного аргумента Т (время); Т - технологическая топология; Б - вектор конструкционных параметров; Р - вектор технологических параметров; д - вектор параметров технологического режима элементов.

Е - вектор параметров окружающей среды; Б - придельные (благоприятные) значения свойств системы; и - аппаратное оформление современного уровня; к0 - некоторое значение критерия эффективности;

у * *

к - оптимальное значение коэффициента эффективности; ктах - предельное оптимальное значение коэффициента эффективности действующих топливных систем; А - вариация изменения вектора.

Математическая модель критерия эффективности топливной системы, которые служат показателем качества ее функционирования, в общем виде запишется:

к = к

где k - коэффициент эффективности, Б - вектор показателей свойств системы;

Б - вектор показателей свойств системы;

Математические модели топливной системы (7, 8) положены в основу использования метода математического моделирования, стратегии применения принципов и методов системного анализа, синтеза и оптимизации для решения задач синтеза оптимальной структуры топливной системы (рис. 4). Использование математических моделей при заданных значениях вектора входных параметров X и выбранных критериях эффективности с

п

заданной точностью позволяют определить выходные переменные У, оценить свойства системы и величины коэффициентов эффективности функционирования топливной системы.

Рис. 4. Блочная схема синтеза оптимальной структуры топливной системы с использованием математического моделирования.

Таким образом, задача синтеза оптимальной топливной системы представляет собой краевую задачу, решение которой должно определить технологическую топологию системы, параметры входящих в нее элементов, оптимальные параметры ее функционирования, в соответствии с выбранными коэффициентами эффективности.

IV. Результаты численных экспериментов Разработанные теоретические аспекты системного анализа позволили разработать ряд технических решений по оптимизации структуры топливной системы в составе ЭК ПП УВС. Для предприятий добычи, переработки и хранения УВС была предложена система тепло, электро-, водоснабжения с максимальной утилизацией горячих отходов и стоков [3].

Также разработаны варианты систем энергоснабжения отдельных производств крупных объектов ПП УВС с ЭСН на базе ПГУ-ТЭЦ [1]. Так, для комплексной установки переработки нефти ГК-3 производительностью 3000 тыс. т/год. В качестве базового варианта энергообеспечения рассмотрена газовая турбина ГТЭ-6у, КУ-42 ТКЗ, Р-2,7-4,5/0,6 КТЗ: Мощность, МВт:

- электрическая,................................................................................................ 9,2

- тепловая........................................................................................................ 14,2

Расход топлива, т у. т./ч................................................................................... 2,844

Индекс доходности руб./руб............................................................................ 1,963

Интегральный эффект (за 10 лет), млн руб........................................................ 990

Срок окупаемости, лет.................................................................................... не более 5

Предложены варианты для резервуарного парка с аппаратами РВС-5000 предприятия нефтеперерабатывающего профиля, расположенного в средней климатической зоне [2]. Производительность по исходному сырью составляет 9,1 млн т/год. газотурбинной энергосиловой установкой ГТЭС - 2,5 . Котел-утилизатор Г-250. Тур-

бина приводная конденсационная К-2,5-3,4П: Мощность, МВт:

- электрическая,..................................................................................................................................................4,2

- тепловая,..................................................................................................................................................................8,0

Расход топлива, т у. т./ч, 1,393

Интегральный эффект (за 10 лет), млн руб.....................................................................372,9

Срок окупаемости, лет................................................................................................................................~4,0

V. Обсуждение результатов

Варианты ЭСН оценивались по разработанному комплексу критериев эффективности, анализ данных позволяет сделать вывод о целесообразности их внедрения в состав ЭК ПП УВС, различной технологической топологии. Для отдельных технологических процессов ПП УВС применение предложенных вариантов энергообеспечения с оптимизацией топливной системы приносит значительный экономический эффект и позволяет снизить потребление ЭР, в том числе топлива, на собственные нужды. Синтез оптимальной структуры топливной системы в составе ЭК ПП УВС производился в соответствии с разработанными принципами системного подхода и на основе блочной схемы, с использованием методов математического моделирования.

VI. Выводы и заключение

1. Разработаны методические положения системного анализа топливных систем предприятий переработки углеводородного сырья, включающие в себя разработку иерархическую структуры топливной системы, комплекса критериев эффективности, математические модели ее элементов.

2. Разработанная иерархическая структура топливной системы позволила определить количественные и качественные взаимосвязи между системами и подсистемами предприятий переработки углеводородного сырья и внешними системами энергообеспечении.

3. На основании разработанного комплекса критериев эффективности, структуры топливной системы, математических моделей элементов с использованием принципов системного анализа, синтеза и оптимизации разработана блочная схема синтеза оптимальной структуры топливной системы.

4. Приведены технико-экономические показатели внедрения решений по созданию эффективных топливных систем в составе энергетического комплекса предприятий переработки углеводородного сырья.

Источник финансирования. Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда

Список литературы

1. Кульбякина (Ленькова) А. В., Ларин Е. А., Долотовский И. В. Эффективная система энергообеспечения комбинированных установок переработки нефти // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. 2016. № 8. С. 233-238.

2. Долотовский И. В., Ларин Е. А., Кульбякина (Ленькова) А. В. Повышение энергоэффективности систем теплохолодоснабжения резервуарных парков нефтегазовых предприятий // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 11. С. 3-8.

3. Пат. 134993 Российская Федерация, МПК F 01 К 17/02. Установка электро-тепло-водоснабжения / Долотовский И. В., Ларин Е. А., Долотовская Н. В., Кульбякина (Ленькова) А. В. № 2013130457/06; заявл. 02.07.2013; опубл. 27.11.2013, Бюл. № 33.