Оптимальное управление каталитической стадией процесса Клауса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Щербатов, Иван Анатольевич

• Щербатов, Иван Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щербатов, Иван Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ. щ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА СЕРЫ МЕТОДОМ КЛАУСА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Описание технологического процесса получения элементарной серы методом Клауса.

1.2. Анализ каталитической стадии процесса Клауса как объекта управления.

1.3. Обзор работ по автоматизации и математическому моделированию каталитической стадии процесса Клауса.

1.4. Постановка задачи исследования.

Выводы и результаты по первой главе.

ГЛАВА 2,. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ СТАДИИ ПРОЦЕССА КЛАУСА.

2.1. Разработка структуры гибридной модели каталитической стадии.

2.2. Метод построения математических моделей технологических процессов со структурной неопределенностью.

2.3. Построение диаграммы взаимного влияния факторов каталитической стадии процесса Клауса.,.

2.4. Аналитическая модель статики каталитической стадии.

Щ 2.5. Идентификация математической модели.,.

2.6. Проверка адекватности математической модели.

Выводы и результаты по второй главе.

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ БАЗЫ ЗНАНИЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ

КАТАЛИТИЧЕСКОЙ СТАДИИ ПРОЦЕССА КЛАУСА.

3.1 Построение интеллектуальной модели дезактивации катализатора. .,.

3.2. Извлечение и структурирование экспертных знаний.

3.3. Формирование базы правил и оценка качества полученных знаний.

3.4. Проверка адекватности интеллектуальной модели.

3.5. Синтез алгоритма адаптации интеллектуальной модели.

Выводы и результаты по третье главе.

ГЛАВА 4. ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ СТАДИЕЙ ПРОЦЕССА КЛАУСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИБРИДНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

4.1. Постановка задачи оптимального управления каталитической стадией процесса Клауса.

4.2. Решение задачи оптимального управления.

4.2.1.Исследование целевой функции. щ 4.2.2.Алгоритм оптимального управления процессом.

4.3. Определение периода квазистационарности.

Выводы и результаты по четвертой главе.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ СТАДИЕЙ ПРОЦЕССА КЛАУСА.

5.1. Разработка структуры системы оптимального управления каталитической стадией процесса Клауса.

5.1.1. Разработка функциональной и алгоритмической структуры системы оптимального управления.

5.1.2. Разработка технической структуры системы оптимального управления.

5.1.3. Взаимодействие программного обеспечения системы оптимального управления и SCADA-систем на примере TraceMode 6.0.

5.2. Разработка и реализация информационно-моделирующей системы процесса Клауса.

5.3. Оценка эффективности системы оптимального управления методом имитационного моделирования.

Выводы и результаты по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимальное управление каталитической стадией процесса Клауса»

Экспорт углеводородных ресурсов в России продолжает оставаться основным источником денежных поступлений в бюджет страны. С каждым годом в общем объеме переработки увеличивается доля природного газа с высоким содержанием сернистых соединений, что влечет за собой ужесточение экологических требований предъявляемых к газоперерабатывающим предприятиям. Поэтому очень важную роль в обеспечении экологической безопасности играет процесс Клауса, который является самым распространенным технологическим процессом получения товарной серы из сероводорода.

Процесс Клауса является непрерывным и характеризуется двумя основными технико-экономическими показателями - степень конверсии сероводорода в серу (эффективность функционирования определяется максимальным значением этого показателя) и количество выбрасываемых в атмосферу вредных соединений серы (качество работы установки определяется минимальным значением этого показателя). Оба эти показателя напрямую зависят от активности катализатора, засыпаемого в реакторы каталитической стадии. Поэтому необходимо обеспечить высокую активность катализатора на межремонтный интервал и исключить возможность преждевременной дезактивации катализатора.

Проектная степень конверсии установок производства серы Астраханского ГПЗ равна теоретически возможной и составляет 96%, эти ограничения обусловлены термодинамическим равновесием обратимой реакции взаимодействия H2S и SO2. При нормальном функционировании со степенью конверсии H2S в серу 95-96% в атмосферу выбрасывается несколько тысяч тонн диоксида серы ежегодно. Но из-за низкого качества управления процессом, фактическая степень конверсии составляет 90-95%, а ежегодные выбросы при этом возрастают в 2-3 раза.

Низкое качество управления процессом обусловлено применением систем оптимального управления, в основе которых лежат математические модели, неадекватные описываемому процессу. Наличие неконтролируемого возмущения по компонентному составу технологического газа, поступающего на переработку, приводит к не возможности расчета управляющего воздействия в режиме реального времени, обеспечивающее оптимальность протекания процесса.

Основные результаты исследований в области математического моделирования и автоматического управления производством серы по методу Клауса содержатся в работах российских ученых Бродского Ю.Н., Грунвальда В.Р., Плинера В.М., Теснера П.А., Немировского B.C., Слинько М.Г., Рубинова Р.Х., а также зарубежных ученых Паскаля Х.Г. (Paskal H.G.), Сеймса Д.A. (Sames J.A.), Кларка П.Д. (Clark P.D.).

Следует отметить, что подавляющее большинство работ по моделированию и управлению процессом Клауса, опубликованных за ^ последние годы, не используют качественную информацию о процессе, представленную в виде знаний опытных операторов и технологов. Вопросы совместного использования количественной и качественной информации при математическом описании и управлении процессом получения серы по методу Клауса разработаны недостаточно. Это относится к описанию активности катализатора, т.к. использование традиционных регрессионных моделей здесь неприемлемо из-за отсутствия универсальности и возможности применения для различных установок, а аналитических из-за высокой размерности модели и ограниченности вычислительных ресурсов.

Поэтому создание эффективной автоматизированной системы оптимального управления каталитической стадией процесса Клауса, которая позволит сохранить требуемую активность катализатора на межремонтный ♦ интервал, а также снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, является, несомненно, актуальной научной и практической проблемой.

Целью настоящей работы является повышение эффективности управления производством серы по методу Клауса, за счет внедрения щ системы оптимального управления, которая позволит увеличить экологическую безопасность процесса.

Соответствующей указанной цели научной проблемой является разработка алгоритмов управления каталитической стадией процесса Клауса с использованием качественной информации.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

- постановка задачи оптимального управления с использованием качественной информации;

- разработка метода построения математических моделей технологических процессов со структурной неопределенностью;

- построение продукционной базы знаний для гибридной математической модели каталитической стадии процесса Клауса;

- синтез алгоритма адаптации продукционной базы знаний гибридной математической модели;

- синтез алгоритма оптимального управления каталитической стадией процесса Клауса с использованием гибридной модели;

-- построение системы управления, реализующей оптимальное управление процессом.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы математического моделирования, теория автоматического управления, методы оптимизации и математический аппарат нечетких множеств.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан метод построения математических моделей технологических процессов со структурной неопределенностью;

- впервые построена гибридная математическая модель каталитической стадии процесса Клауса;

- предложен алгоритм адаптации базы знаний интеллектуальной модели (ИМ) дезактивации катализатора;

- синтезирован алгоритм решения задачи оптимального управления, учитывающий особенности гибридной математической модели.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработано программное обеспечение, реализующего алгоритмы управления процессом с использованием гибридной математической модели; разработана системы оптимального управления, позволяющая повысить эффективность функционирования процесса;

- разработано программное обеспечение для моделирования процесса, позволяющее реализовать тренажерный комплекс для подготовки операторов установок Клауса.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-18» (г. Казань, 2005); Международных научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'05) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2005); XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-19» (г. Воронеж, 2006); Международных научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'06) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2006).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 11 публикациях, в том числе 3 статьи в центральных научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 6 в трудах международных научных конференций, 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ. Без соавторства опубликовано 2 работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Основная часть работы

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Щербатов, Иван Анатольевич

Выводы и результаты по пятой главе

1. Предложен вариант построения двухуровневой системы управления каталитической стадией процесса Клауса, который использует на нижнем уровне существующую АСУТП, а на верхнем, систему реализующую предложенные алгоритмы управления.

2. Разработана алгоритмическая, функциональная и техническая структуры системы управления.

3. Предложен механизм взаимодействия системы оптимального управления со SCADA-системой на примере TRACE MODE 6.0.

4. Реализовано программное обеспечение для моделирования процесса Клауса, показана возможность реализации на его базе тренажера для операторов установок получения серы.

5. Произведена оценка эффективности системы оптимального управления процессом. Показано, что внедрение предлагаемой системы позволит снизить выбросы серосодержащих соединений на 0,63%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Общим результатом работы является научно обоснованное решение проблемы управления каталитической стадией процесса Клауса с использованием гибридной математической модели.

В процессе решения данной проблемы получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ процесса как объекта управления, позволивший выявить особенности процесса, затрудняющие его автоматизацию. Поставлена задача оптимального управления статическим режимом каталитической стадии для повышения эффективности процесса.,

2. Разработан метод построения математических моделей технологических процессов со структурной неопределенностью, позволяющий строить гибридные модели процессов с привлечением группы экспертов.

3. Впервые синтезирована продукционная БЗ ИМ дезактивации катализатора и показано, что максимальная относительная ошибка расчетов по модели с использованием этой БЗ составляет 6,48%.

4. Синтезирован алгоритм адаптации базы знаний ИМ, который позволяет в режиме реального времени корректировать не только продукционные правила, но и консеквенты и антецеденты правил.

5. Предложен алгоритм субоптимального управления статическим режимом процесса, отличающийся использованием гибридной математической модели объекта управления и учетом нечетких ограничений.

6. Решена задача оптимального управления процессом: разработана система оптимального управления, включая алгоритмическое и техническое обеспечение, которая позволит повысить эффективность управления процессом.

7. Произведена оценка эффективности системы оптимального управления процессом. Показано, что внедрение предлагаемой системы позволит снизить выбросы серосодержащих соединений на 0,63%.

Программный комплекс, разработанный для моделирования процесса Клауса, используется в учебном процессе в Астраханском государственном техническом университете.

Метод построения гибридных моделей со структурной неопределенностью использован при построении математической модели энергоблока №1 Астраханской ТЭЦ-2. Использование алгоритма адаптации ИМ запланировано в составе АСУТП ТЭЦ-2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Щербатов, Иван Анатольевич, 2006 год

1. Claus, англ. пат. 8666, 1883: 1. Melbourne, Chem. Age of India, July-Sept., 381 (1960).

2. Пат. США 2092386, 1937; H Bahr, Refiner Natural Gasoline Mfr. №17, 237 (1938).

3. Бродский, Ю.Н. Получение серы из концентрированных сероводородных газов/Ю.Н. Бродский//Химическая промышленность. 1965. - №3. - С. 3136.

4. Грунвальд, В.Р. Технология газовой серы/В.Р. Грунвальд. М.: Химия, 1992.-272 с.

5. Paskall H.G., Sames J.A. Sulphur recovery, Western Research, Calgary, Canada, 1990.

6. Miler C.E., The simple method for local separable programming, in: recent advances in mathematical programming (R. Graves, P. Wolfe, eds.), McGrawHill, N. Y., 1963.

7. Плинер, B.M. Термодинамический анализ работы установок производства серы с целью повышения их эффективности: автореферат дисс. на соиск. учен, степени канд. техн. Наук/В.М. Плинер. -М.:, 1988.

8. Разработка математического описания и алгоритмов оптимального управления процессом получения серы методом Клауса: Отчет о НИР/МИХМ: Руководитель Сучков В.П., 1988.

9. Clark P.D., Dowling N.I., Huang М. Chemical mechanism and kinetics in the Claus furnace//Stock engineers and contractors sulfur seminar, 7-10 November 1999.

10. Kilian M., Wozny G. Improving design and operation of sulfur recovery plants through detailed simulation//Brochure of Technical University Berlin and Siemens AG, 2003.

11. Мановян, A.K. Технология первичной переработки нефти и природного газа: учеб пособие для студ. вузов /А.К. Мановян 2-е изд., испр. - М.: Химия, 2001.-567 с.

12. Gamson B.W., Elkins R.H.//Chem. Eng. Progress. 1953. 49. p. 203-215.

13. Harold G. Paskal. Basis of the Claus process // Western Research, Calgary, Canada, 1990.

14. Harold G. Paskal. Reaction furnace chemistry and operational modes // Western Research, Calgary, Canada, 1990.

15. Kilian M., Wozny G. Maximising Claus plant efficiency // Hydrocarbon engineering, September 2002, P. 1-6.

16. Borsboom, H., Clark, P. New Insights into the Claus thermal stage, Chemistry and temperatures//Presented at Brimstone Conference; Banff; 6-10 May (2002).

17. Полупанов, И.В. Моделирование и оптимальное управление технологическими процессами с использованием нечетких алгоритмов (на примере производства серы методом Клауса): автореферат дисс. на соиск. учен, степени канд. техн. наук/И.В. Полупанов.- М., 1990.

18. Кагап К., Mehrota А.К., Behie L.A. A high-temperature experimental and modeling study of homogeneous gas-phase COS reactions applied to Claus plant //Chem. Eng. Sci, Volume 54, P. 2999-3006, 1999.

19. Clark P.D., Dowling N.I., Huang M. Chemistry of the Claus front-end reaction furnace. Hydrocarbon reactions and the formation and destruction of CS?. // Proceedings of the Brimstone 1997 Sulfur recovery symposium, Colorado, USA, 23-26 September 1997.

20. Butwell et al. US Patent 6521020. Claus feed gas hydrocarbon removal. 18 February 2003.

21. Clark P.D., Dowling N.I., Huang M. Ammonia destruction in the Claus furnace//Proceedings of the Brimstone 1999 Sulfur recovery symposium, Colorado, USA, 15-18 September 1998.

22. Increase Claus plant capacity with oxygen//Brochure of PraxAir Technology Inc., 1994.

23. Теснер, П.А. Расчет оптимального расхода воздуха в процессе Клауса/П.А. Теснер, М.С. Немировский, Р.Х. Рубинов//Газовая промышленность,- 1989.- № 6.- С. 38-39.

24. Schoofs G.R. Sulfur condensation in Claus Catalyst // Hydrocarbon processing, February, 1985.

25. Термодинамический расчет каталитической ступени, производства серы по методу Клауса/В.М. Плинер и др.// Газовая промышленность. 1986.-№6.- С. 33.

26. Activated Alumina for Claus Catalysis, Aluminum Company of America, Pittsburgh, PA, May 1977.

27. Шурин, P.M. Производство газовой серы методом Клауса/Р.М. Шурин, Т.В. Онопко, Н.В. Калинина, В.М. Плинер. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1986. - №4. - 37 с.

28. Optimization of a sulfur recovery units. Документация фирмы "Hakala engineering", Finland, 1987.

29. Дудки, Н.И. Микропроцессорные системы управления процессами газоочистки/Н.И. Дудки//Промышленная и санитарная очистка газов. Обзорная информация, серия ХМ-14. М.:ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1986.-43 с.32