Управление процессами пуска и останова установки каталитического риформинга на основе математической модели тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Белая, Татьяна Иоанновна

• Белая, Татьяна Иоанновна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белая, Татьяна Иоанновна

ВВЕДЕНИЕ

1. УСТАНОВКА КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА КАК

ОБЪЕКТ ПУСКА И ОСТАНОВА

1.1. Технологические особенности процесса каталитического риформинга

1.2. Анализ установки каталитического риформинга как объекта пуска и останова

1.2.1. Особенности операций пуска и останова каталитического риформинга

1.2.2. Установка каталитического риформинга как объект пуска и останова

1.3. Анализ математических моделей для целей управления

1.4. Анализ систем управления установкой каталитического риформинга

1.5. Выводы

2. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ПУСКА И ОСТАНОВА

УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА

2.1. Управление блоком гидроочистки

2.1.1. Процесс гидроочистки как объект управления

2.1.2 Влияние управляющих параметров на процесс гидроочистки

2.2. Управление блоком риформинга

2.2.1. Процесс риформинга как объект управления

2.2.2. Влияние управляющих параметров на процесс риформинга

2.3. Автоматическое регулирование и контроль процесса

2.4. Постановка задачи управления процессами пуска и останова установки каталитического риформинга

2.5. Выводы

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ 57 УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ПУСКА И ОСТАНОВА УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА

3.1. Математическое описание процессов пуска и останова

3.1.1. Математическое описание процесса гидроочистки

3.1.2. Математическое описание процесса риформинга

3.2. Анализ математических пакетов для решения модели

3.3. Метод конечных разностей для решения математической модели пуска и останова

3.4. Выводы

4. ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ 87 МОДЕЛИ И ПРОВЕРКА ЕЕ АДЕКВАТНОСТИ

4.1. Оценка адекватности математической модели

4.2. Исследование динамики каналов управления

4.3.Программный комплекс для управления процессами пуска и останова

4.4. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление процессами пуска и останова установки каталитического риформинга на основе математической модели»

Интенсивное развитие нефтехимического и нефтеперерабатывающего производства, обусловленное повышением спроса на продукты нефтепереработки (автомобильные и авиационные бензины, ароматические углеводороды и т.п.), привело к возрастанию, роли процессов нефтепереработки и уровня их автоматизации в промышленности. Основной тенденцией развития нефтехимических производств на современном этапе являются их интенсификация и повышение требований к качеству готовой продукции. При этом техническое совершенство перерабатывающих установок уже достигло уровня, позволяющего осуществлять непрерывную переработку нефтей при высоких показателях производительности. Дальнейшее улучшение показателей процесса связано в первую очередь с улучшением качества продукции, сокращением производственных затрат (материальных и энергетических) и повышением гибкости производства для реагирования на изменения потребительского спроса на тот или иной вид продукции.

Актуальность разработки математического обеспечения для решения задачи управления процессами пуска и останова установки каталитического риформинга определяется сложностью, пожароопасностью, инерционностью, большим количеством контролируемых различными способами параметров объекта управления и сложностью принятия решений при ликвидации нештатной ситуации, жесткостью диапазонов допустимых границ контролируемых параметров.

Тенденции развития современных систем управления процессом риформинга показывают, что они должны быть настраиваемыми на различные производственные задания и характеристики сырья, то есть адаптивными.

Процессы пуска и останова установки риформинга с точки зрения задачи управления имеют следующие особенности: показатели эффективности нелинейным и неоднозначным образом зависят от режимных параметров; производственные задания и характеристики сырья изменяются довольно часто; задачи управления решаются при наличии большого числа ограничений на технологические параметры и показатели качества получаемых продуктов.

Для решения указанных проблем необходимо разработать математическое и алгоритмическое обеспечение процессов пуска и останова установки риформинга, с возможностью интегрирования его в существующую систему правления и учитывающего особенности этих операций, что приведет к повышению уровня автоматизации установки и завода в целом.

Целью диссертационной работы является разработка математического и алгоритмического обеспечения для исследования и управления процессами пуска и останова установки каталитического риформинга бензинов при различных производственных заданиях. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• провести исследование технологического процесса каталитического риформинга как объекта пуска и останова;

• выделить особенности операций пуска и останова; исследовать причины, приводящие к прерыванию технологического процесса;

• разработать математическое обеспечение для процессов пуска и останова установки каталитического риформинга;

• на базе математического обеспечения разработать алгоритм управления операциями пуска и останова;

• разработать алгоритмическое и программное обеспечение для исследования и управления процессами пуска и останова, настраиваемое на различные производственные задания и характеристики сырья, с возможностью интегрирования в существующую систему управления установкой.

Результаты работы изложены в четырех главах.

В первой главе на основе анализа литературных данных и изучения промышленных регламентов выделены основные характеристики процесса каталитического риформинга как объекта пуска и останова: нелинейность (обладает нелинейными статическими характеристиками), неполная наблюдаемость (состав и качество сырья и продуктов риформинга определяется лабораторными анализами), большое количество причин, приводящих к останову установки.

Во второй главе на основании анализа установки каталитического риформинга как объекта пуска и останова сформулированы задачи управления пуском и остановом и разработан алгоритм управления.

Третья глава посвящена разработке математического обеспечения стадий гидроочистки и риформинга, позволяющих моделировать процессы пуска и останова установки риформинга на основе кинетического подхода к моделированию процессов нефтепереработки.

В четвертой главе проводится проверка адекватности разработанных математических моделей объекта управления, уточнение параметров моделей.

При выполнении работы использовались методы математического моделирования, искусственного интеллекта, элементы теории автоматического управления, информационные технологии разработки интеллектуальных тренажеров, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, современные средства объектно-ориентированного программирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Алгоритм управления процессами пуска и останова установки каталитического риформинга, который, на базе перенастраиваемых математических моделей блоков гидроочистки и риформинга, позволяет повысить качество управления установкой.

• Математическая модель процессов пуска и останова установки каталитического риформинга, учитывающая переменные задания на пуск и останов. Модель адаптируется на различные типы сырья и марки катализатора, позволяет рассчитывать основные параметры процессов гидроочистки и риформинга, как определяющих качество готового продукта.

• Программный комплекс, включающий подсистемы моделирования стадий гидроочистки и риформинга, адаптивный по отношению к характеристикам сырья и оборудования, применение которого в системе управления установкой каталитического риформинга позволит повысить уровень автоматизации за счет советов оператору по выбору управляющих воздействий при переходе на новое задание пуска/останова, тип сырья и марку катализатора.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на XIV международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях", Смоленск, 2001; XV международной научно-технической конференции "Математические методы в технике и технологиях", Тамбов, 2002; I всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы математики и естествознания", Нижний Новгород, 2002; IV всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве", Нижний Новгород, 2002.

По материалам диссертационной работы опубликовано семь работ.

Эффективность проведенных исследований подтверждается актом о рекомендации к внедрению результатов работы в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Белая, Татьяна Иоанновна

6. Результаты работы рекомендованы к внедрению в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белая, Татьяна Иоанновна, 2003 год

1. Томас Ч. Промышленные каталитические процессы и эффективные катализаторы. -М.: Мир, 1973. 254 с.

2. Агабронов A.B., Козлов И.Т., Ботников А.Я. Нефть, процессы и продукты ее углубленной переработки. Процессы нефтепереработки и катализаторы. М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1983. - 243 с.

3. Черножуков Н.И. Технология переработки нефти и газа. М.: Химия,1978.-423 с.

4. Севастьянова Г.В., Ивченко Е.Г. Высокосернистые нефти и проблемы переработки. М.: Химия, 1968. - 16 с.

5. Соколов В.А., Бестужев М.А., Тихомолова Т.В. Химический состав нефтей и природных газов в связи с их происхождением. М.: Недра,1979. 67 с.

6. Плановский А. Н., Николаев П. И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1972. - 493 с.

7. Скобло А. И., Трегубова И. А., Егоров Н. Н. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Гостоптехиздат, 1962. - 652 с.

8. Маслянский Г.Н., Шапиро Р.Н. Каталитический риформинг бензинов. -Д.: Химия, 1985.-221 с.

9. Гейтс Б., Кетцир Д., Шуйт Г. Химия каталитических процессов. = М.: Мир, 1981. 551 с.

10. Сулимов А.Д. Каталитический риформинг бензинов. М.: Химия, 1973. -151 с.П.Суханов В.П. Каталитические процессы в нефтепереработке. М.:Химия, 1979.-312 с. 12. Жоров Ю.М. Кинетика промышленных органических реакций. М.: Химия, 1989.-384 с.

11. Орочко Д.М., Сулимов А.Д., Осипов Л.И. Гидрогенизационные процессы в нефтепереработке. -М.: Химия, 1971. 352 с.

12. Оболенцев Р.Д., Машкина А.В. Гидрогенолиз сероорганических соединений. М.: Гостоптехиздат, 1961. - 144 с.

13. Чертков Я.Б., Спиркин В.Г. Сернистые и кислородные соединения нефтяных дистиллятов. М.:Химия,1971. - 312 с.

14. Магарил Р.З. Теретические основы химических процессов переработки нефти.-М.: Химия, 1976.-312 с.

15. Рудин М.Г., Драбкин А.Е. Краткий справочник нефтепереработчика. . Д.: Химия, 1980.-328 с.

16. Жермен Дж. Каталитические превращения углеводородов. М.: Мир, 1972.-308 с.

17. Ластовкин Г. А., Гуляев В. А. Промышленные установки каталитического риформинга. Л.: Химия, 1984 - 205 с.

18. Крючков Ю. Л., Курилин В. А. Опыт пуска и освоения каталитического риформинга типа ЛЧ-35-11/600 и ЛГ-35-1 1/300-95. М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1972. - 123 с.

19. Опыт пуска и освоения установок каталитического риформинга. М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1974. - 67 с.

20. Технологический регламент установки каталитического риформирования бензинов с предварительной гидроочисткой сырья типа Л-35-1 1/300. Л.: ВНИИНефтехим, 1989. - 120 с.

21. Wei J., Kuo J. С. W. Chemical reaction in linear mixtures // IECF. -Washington, 1969,- Vol. 8.- P. 114 123.

22. Froment G. F. Deactivation and poisoning of catalyst. N. - Y.: Dekker, 1985. -328 p.

23. Catalytic naphtha reforming: (Science and technology) /Ed. by G.J. Audos et al.-N.-Y.: Dekker,1995. 327 p.

24. Smith R. В. Kinetic analysis of naphtha reforming with platinum catalyst // CEP. Washington, 1959,- № 6,- P. 70 -78

25. Chemical reactions in complex mixtures: The Mobil workshop /Ed. by A.V. Sapre, F.J. Krambeck. -N. Y.: Dekker, 1991.-328 p.

26. Фрэнке P. Математическое моделирование в химической технологии. -M.: Химия, 1971.-248 с.

27. Кроу К., Гамилец А., Хоффман Т. Математическое моделирование химических производств. М.: Мир, 1973. - 318 с.

28. Островский Г.М., Волин Ю.М. Моделирование сложных химико-технологических систем. М.: Химия, 1975. - 312 с.

29. Шестопалов В. В. Математические модели химико-технологических процессов и систем. М.: МХТИ, 1977. - 319 с.

30. Кафаров В. В., Глебов М. Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М.: Высшая школа, 1991. - 286 с.

31. Белько В. П., Кафаров В. В. Математические модели и алгоритмы расчёта массообменных и тепловых процессов. М.: МХТИ, 1981. - 185 с.

32. Жоров Ю.М., Панченков Г.М. Математическое описание и оптимизация процессов переработки нефти и нефтехимии. JL: Химия, 1967. - 112 с.

33. Яблонский Г.С., Быков В.И., Горбань А.Н. Кинетические модели каталитических реакций. Новосибирск: Наука, 1983. - 251 с.

34. Жоров Ю. М. Моделирование физико-химических процессов нефтепереработки и нефтехимии. М.: Химия, 1978. - 376 с.

35. Жоров Ю. М., Опришко А. А. Исследование и расчёт процессов окисления и сорбции. Грозный: Чечено-ингушское книжное издательство, 1979. - 195 с.

36. Жоров Ю. М. Расчёты и исследования химических процессов нефтепереработки. М.: Химия, 1973. - 216 с.

37. Кравцов A.B., Иванчина Э.Д. Интеллектуальные системы в химической технологии и инженерном образовании. Новосибирск: Наука, 1996. -196 с.

38. Стэклин К.А. Снижение аварийности на производстве при использовании экспертных систем. // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. -1990. № 2. -с. 102- 110.

39. Соболев B.C. Программное обеспечение современных систем сбора и обработки измерительной информации.// Приборы и системы управления. 1998. - № 1. - с. 55.

40. Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA-системы)// Мир компьютерной автоматизации. 1999. - № 3. - с. 4-9.

41. Кейн J1. Справочник современных АСУ ТП // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. -1987. № 3. - с. 87 - 125.

42. Высокоэффективная АСУ установкой первичной перегонки нефти. Уайт Д.К. и др. // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. -1987. № 9. - с. 98 -104.

43. Девятов Б. Н. Теория переходных процессов в технологических аппаратах с точки зрения задач управления. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1964. - 312 с.

44. Липатов Л.Н. Типовые процессы химической технологии как объекты управления. М.: Химия, 1973 .-316 с.

45. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер. с англ. -М.: Мир, 1983.- 368 с.

46. Роберте С. Динамическое программирование в процессах химической технологии и методы управления. М.: Мир, 1965. - 488 с.

47. Клюев А. С., Глазов Б. В., Дубровский А. X. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. М.: Энергия, 1980. - 512 с.

48. Голубятников B.A., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов и АСУП в химической промышленности. М.: Химия, 1978. -376 с

49. Захаров В.Н. и др. Системы управления. Задание. Проектирование. Реализация. М.: Энергия, 1977. - 424 с.

50. Веревкин А.П. Автоматическое управление технологическими процессами нефтепереработки по показателям качества продуктов. Дис. .д-ра техн. наук. Уфа, 1999 - 395 е.

51. Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков A.JI. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами,- СПб.: Наука, 2000.- 549 с.

52. Дудников Е.Е., Цодиков Ю.М. Типовые задачи оперативного управления непрерывным производством. М.: Энергия, 1979. -453 с.

53. Ицкович Э.Л., Соркин Л.Р. Оперативное управление непрерывным производством: задачи, методы, модели. М.: Наука, 1989. - 347 с.

54. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочиик/Под ред. В. В. Черенкова. Л.: Машиностроение, 1987. - 847 с.

55. Промышленные приборы и средства автоматизации в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1987. - 272 с.

56. Оран. Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. -М.: Мир, 1990.-660 с.

57. Танатаров М. А., Ахметшина М. Н., Фасхутдинов Р. А. Технологические расчёты установок переработки нефти. М.: Химия, 1987. - 352 с.

58. Батунер Л. М., Позин М. Е. Математические методы в химической технологии. Л.: Химия, 1971. - 276 с.

59. Тараеевич Ю. М. Математическое и компьютерное моделирование. Вводный курс. М.: Едиториал-УРСС, 2001.- 144 с.

60. Поршнев С. И. Компьютерное моделирование физических процессов с использованием пакета Mathcad. Учебное пособие. М.: Горячая линия, Телеком, 2002. - 252 с.

61. Веремей Е. А., Корчанов В. М., Коровкин М.С. Компьтерное моделирование систем управления движение морских подвижных объектов. СПб.: НИИ Химии СпбГУ, 2002. - 307 с.

62. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления / Пер. с англ. -М.:Лаборатория базовых знаний, 2002. 852 с.

63. Семененко М. Н. Введение в математическое моделирование. М.: Солон-Р, 2002.- 112 с.

64. Андриевский Б.А., Фрадков А.П. Элементы математического моделирования в программных средах MATHLAB 5 и Scilab. СПб.: Наука, 2001.-286 с.

65. Мэтьюз Дж., Финк К. Численные методы. Использование Mathlab. М.: Диалектика, 2001. - 720 с.

66. Аладьев В.З, Богдявичюс М.А. Maple 6: Решение математических, статистических и инженерно-физических задач. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. - 850 с.

67. Тараеевич Ю. М. Информационные технологии в математике. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. - 133 с.

68. Протодьяконов И. О., Муратов О. В., Евлампиев И. И. Динамика процессов химической технологии. Л.: Химия, 1984. - 275 с.

69. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1984. - 288 с.

70. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

71. Пейре Р., Тейлор Т.Д. Вычислительные методы в задачах механики жидкости / Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 352 с.

72. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Численные методы газовой динамики. М.: Высшая школа, 1987. - 232 с.

73. Рихтмайер Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач/Пер. с англ.-М.:Мир, 1972.-418 с.

74. Роуч П. Вычислительная гидродинамика / Пер. с англ. М.: Мир, 1980. -616 с.

75. Нагиев М. Ф. Основы разработки комплексных химических процессов и проектирование реакторов. Баку: Аз. гос. изд-во, 1973. - 314 с.

76. Безденежных А. А. Инженерные методы составления уравнений скоростей реакций и расчёта химических констант. Л.: Химия, 1979. -256 с.

77. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырский П.И. Вычислительные методы высшей математики. Минск: Вышэйшая школа, 1975. - 672 с.

78. Форсайт Д., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980. - 278 с.

79. Форсайт Д., Вязнов В. В. Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных. М.: Мир, 1963. -280 с.

80. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.

81. Холодниок М., Клич А., Кубичек М., Марек М. Методы анализа нелинейных динамических моделей. М.: Мир, 1991. - 368 с.

82. Волков Е. А. Численные методы. М.: Наука, 1987. - 248 с.

83. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галёркина. М.: Мир, 1988. - 355 с.

84. Чистякова Т.Б., Белая Т.И. Моделирование процессов пуска и останова установки каталитического риформинга //Математические методы в технике и технологиях: Тез. докл. XV межд. техн. конф. ММТТ 15. -Тамбов, 2002.-Т. 10. - с. 90 - 94.

85. Грегори Р., Кришнамурти Е. Безошибочные вычисления: Методы и приложения. М.: Мир, 1988. - 208 с.

86. Белая Т.И., Чистякова Т.Б. Математическая модель процесса пуска установки каталитического риформинга ядро интеллектуального тренажера. // Химическая промышленность. - 2003. - Т.80, № 2. - с. 4145.