асуп

18-3. Автоматизированное диспетчерское управление ректификационной колонны переработки нефти

Процесс переработки нефти в колонне К-102 является головным в цепочке технологических процессов нефтеперерабатывающих заводов и относится к числу сложных технологических процессов, характеризующихся непрерывностью протекания массообменных процессов, большим числом связанных между собой технологических параметров большой единичной мощностью и управление которым для диспетчера-технолога представляет сложную трудоемкую задачу, приводящую к разнообразным тактикам ручного управления, что снижает эффективность процесса. Для повышения эффективности процесса, связанного с увеличением выхода светлых нефтепродуктов, необходимо управление им по оптимальному алгоритму с использованием математической модели процесса и вычислительной техники. Это также вызвано повышенными требованиями к стабилизации качества получаемых в колонне фракций, изменениями количества, качества и температуры сырья, подаваемого в колонну, а также необходимостью оперативного решения задач по управлению колонной при изменении плановых заданий на номенклатуру получаемых в колонне К-102 топлив и величин отбора фракций.

Алгоритм оптимизации статических режимов работы колонны К-102 управляет работой колонны в двух режимах:

– при максимизации выхода одной из фракций (180-230.) при ограничении на выходы остальных фракций и на показатели качества всех фракций;

– при заданных плановых значениях выходов всех фракций при ограничении на их показатели качества.

Реализация данного алгоритма в режиме совета оператору колонны К-102 требует его эффективной работы при переработке нефти, поставляемой из различных месторождений (западносибирского месторождения; месторождения республики Беларусь), обладающих различными свойствами, а также при различных номенклатуре целевых продуктов (осветкеросин, реактивное топливо, дизельное топливо летнее, дизельное топливо зимнее).

В соответствии с технологическими целями ведения процесса в колонне с целью оптимизации его режимов предусмотрены два варианта.

1-ый вариант. Математическая постановка задачи оптимизации формулируется следующим образом:

где: W1,W2 ,W3 расходы фракций соответственно 140°-180°, 180°-230°С, 230°-360°С;

T1, T2, T3 - температуры выкипания 98% соответственно фракций 140°-180°, 180°-230°С и 50% фракции 230-360°С;

где

S₁ - расход верхнего циркуляционного орошения (ЦО);

S₂ - расход 1-го ЦО;

S₃ - расход 2-го ЦО;

P - давление в колонне;

T₁ - температура верха колонны;

T₂ - температура 1-го ЦО в колонну;

T₃ - температура 2-го ЦО в колонну;

T_n - температура низа колонны.

X(F,t_f ) – вектор входных параметров (F – расход отбензиненной нефти, t_f – температура нефти).

Черта внизу параметра (например, W1) означает его нижнее (минимальное) значение, черта сверху параметра – верхнее (максимальное) значение в диапазоне изменения данного параметра.

При этом величины ограничений на выходные переменные (Ti) и управляющие воздействия могут изменяться в соответствии с технологическими требованиями ведения процесса.

Задача оптимизации статических режимов колонны в постановке (3) сводится к следующему: при заданном значении вектора входных параметров ( , ) f X F t – определить максимум выхода фракции 180°-230°С (W2) при выполнении заданных ограничений на расходы фракций 140-180° (W1) 230-360°(W3) и температуры выкипания 98% фракций 140-180° (Т1) 180°-230° (T2), выкипания 50% (96%) фракции 230°-360° (T3).

Решение задачи оптимизации в этом случае получается в виде зависимости управляющих параметров процесса U от входных параметров Х

U_опт. =U( X) (2)

2-й вариант. Математическая постановка задачи оптимизации формулируется следующим образом:

В данном варианте задача оптимизации статических режимов работы колонны К-102 сводится при заданном значении вектора Х(F, f) к реализации заданных значений расходов всех фракций W1, W2, W3 при выполнении заданных ограничений на заданные показатели: температуры выкипания 98% фракций Т1=140-180 оС, и Т2=180-230 оС, и 50%(96%) фракции при 230-300 оС. Кроме того, накладываются позиционные ограничения на все управляющие воздействия Uj(j=1, 2, …,10).

Решение задачи оптимизации в данном случае получается в виде зависимости:

Математическая модель для оптимального режима работы колонны К-102 по первому варианту вида (3) использует данные о технологических параметрах процесса, причем интервал времени между измерениями входных (в том числе и управляющих) и выходных параметров с учетом времени запаздывания принят равным 2 ч. По этим данным для всех параметров процесса рассчитываются статистические характеристики – математическое ожидание (среднее значение) X_i , дисперсия S_xi , среднее квадратическое отклонение σ_xi , коэффициент вариации V_xi_.

Статистическая модель процесса в колонне основана на уравнении регрессии. Так как параметры процесса многокомпонентной ректификации находятся в сложной нелинейной зависимости друг от друга, а также ввиду значительного количества входных (Xi) и управляющих параметров (Uj) применена параболическая зависимость 2-го порядка.

Для всех выходных параметров Yi(T1, T2, T3, W1, W2, W3) уравнение регрессии в общем виде имеет следующий вид:

С учетом принятой формы уравнений регрессии (5) по методу наименьших квадратов для всех выходных параметров процесса Yk рассчитываются коэффициенты уравнений регрессии.

Оценка адекватности полученных уравнений проводится по соотношению:

где FP – расчетный показатель (расчетное значение критерия Фишера). FT(g, f1/f2) – табличное значение критерия Фишера при уровне значимости g = 0, 05 и числе степеней свободы f1 = N-n-1 и f2 = N-1

где S² – дисперсия выходного параметра, S² ост – остаточная дисперсия выходного параметра. В качестве интервала ограничений по каждому выходному параметру (T1, T2, T3, W1, W2, W3) и некоторым управляющим воздействиям (Fn, t1, t2, t3, tн), как наиболее реальные для данного диапазона изменения расхода отбензиненной нефти, приняты ограничения по i-тому параметру в диапазоне:

где M(Xi) – среднее значение параметра Xi, σ_х – среднее квадратическое отклонение Xi.

При определении интервала ограничений на такие управляющие воздействия как расходы всех орошений (F0, S1, S2, S3), которые существенно влияют на результате расчетов, принято следующее соотношение:

значение соответствующего расхода i-го орошения при заданном расходе отбензиненной нефти F. Математическая модель для оптимального режима работы колонны К-102 по второму варианту вида (3) использует расходы фракции W1, W2, W3, которые являются управляющими параметрами. Поэтому для всех выходных параметров T1, T2, T3 нелинейные уравнения регрессии в общем виде имеют следующее выражение:

С учетом принятой формы уравнений регрессии (11) с использованием статистических данных о технологических параметрах процесса для всех выходных параметров процесса (T1, T2, T3) рассчитываются коэффициенты уравнений регрессии и значения расчетного показателя FP. Режим советчика оператору реализован в виде программы «Оптимизация», предсталяющей собой средство для проведения расчетов оптимальных режимов работы колонны с использованием 2-х вариантов алгоритмов оптимизации для всех режимов работы по видам сырья и номенклатуре получаемой продукции в указанных интервалах расхода и температуры отбензиненной нефти. При проведении расчетов по программе вначале рассчитывается и

отображается в редактируемых полях величины ограничений (минимальные и максимальные значения) управляющих Uj и выходных параметров Yk, рассчитываемые по формулам (8) и (9). Имеется так же возможность подстановки в качестве величин ограничений указанных параметров любых других значений в соответствии с технической целью процесса. Результатом работы программы является расчет и отображение численных значений в соответствующем поле оптимальных значений всех управляющих параметров и соответствующих им величин расходов фракций и их качественных показателей. Эти данные являются рекомендацией оператору для управления процессом в колонне при соответствующем варианте работы при заданной нагрузке по сырью.

Для расчета оптимальных режимов колонны К-102 по первому варианту алгоритма оптимизации запускается программа и на экране появляется окно (с заголовком «Оптимизация») (рис. 4.17).

В левой половине окна находятся наименования параметров, правее каждого из них расположено два поля ввода численных значений их интервалов ограничений. Слева от каждого наименования параметра находится переключатель для выбора режима ввода интервалов ограничений в ручном режиме. По умолчанию численные значения всех параметров равны 0. Против наименований «Расход отбензиненной нефти» и «Температура отбензиненной нефти» находится соответствующее поле ввода конкретных значений этих параметров.

Параметр «Выход фракции 180–230.C» является расчетным оптимальным и не требует предварительного задания. Рассчитанные оптимальные значения параметров отображаются напротив соответствующего параметра.

При запуске программы заданы по умолчанию «Вид нефти» – Западносибирская нефть, «Получаемый продукт» – осветкеросин и «Марка дизельного топлива» – летнее дизельное топливо. Против (правее) параметров «Расход отбензиненной нефти» и «Температура отбензиненной нефти» отображаются диапазоны изменения этих параметров (в скобках) и их средние значения (в полях). В ячейках против остальных параметров отображаются вычисленные по формулам (8) и (9) интервалы ограничений при среднем расходе нефти. Расчетное поле заполнено нулями.

При нажатии кнопки «Вычислить» происходит вычислительный процесс с отображением на соответствующем поле с отображением на расчетном поле против каждого параметра его расчетных оптимальных значений.

Выбор варианта работы колонны по виду нефти и номенклатуре получаемых продуктов производится путем переключения соответствующего указателя с помощью курсора мыши.

После выбора данного варианта против параметров «Расход отбензиненной нефти» и «Температура отбензиненной нефти» отображаются диапазоны изменения данных параметров, в рамках которых может выполняться оптимизация процесса в колонне.

Задание в соответствующих редактируемых полях «Расход отбензиненной нефти» и «Температура отбензиненной нефти» и нажатие кнопки «Вычислить» повторяет вышеприведенную процедуру расчетов и отображений вначале интервалов ограничений, а затем, и оптимального режима работы колонны. Если при вводе в ручном режиме значение минимума меньше минимального значения либо больше максимального и значение максимума больше максимального, то при нажатии кнопки «Вычислить» редактируемое поле заполнится значением по умолчанию.

Для расчета оптимальных режимов колонны К-102 по второму варианту алгоритма оптимизации запускается программа и на экране появляется окно (с заголовком «Оптимизация (Алгоритм 2)» (рис. 4.18).

В левой половине окна находятся наименования параметров, правее каждого из них расположено два поля ввода численных значений их интервалов ограничений. Слева от каждого наменования параметра находится переключатель для выбора режима ввода интервалов ограничений в ручном режиме. По умолчанию численные значения всех параметров равны 0. Против наименований «Расход отбензиненной нефти» и «Температура отбензиненной нефти» находится соответствующее поле ввода конкретных значений этих параметров. Рассчитанные оптимальные значения параметров отображаются напротив соответствующего параметра.

В правой части окна расположены кнопки «Вычислить» и «Закрыть». Кнопка «Вычислить» позволяет рассчитать оптимальный режим колонны. Кнопка «Закрыть» закрывает окно программы. В правой части окна расположены переключатели вида задаваемого сырья «Вид нефти» и номенклатуры получаемых продуктов «Получаемый продукт» и «Марка дизельного топлива», а также поле, отображающее ход выполнения расчета. Ниже наименований входных параметров расположены расходы трех фракций с указанием диапазонов их изменений. Правее каждого из них находится редактируемое поле для ввода численного значения. При запуске программы заданы по умолчанию «Вид нефти» – Западносибирская нефть, «Получаемый продукт» – осветкеросин и «Марка дизельного топлива» – летнее дизельное топливо.

Против (правее) параметров «Расход отбензиненной нефти» и «Температура отбензиненной нефти» отображаются диапазоны изменения этих параметров (в скобках) и их средние значения (в редактируемых полях).

В ячейках против остальных параметров отображаются вычисленные по формулам (8) и (9) интервалы ограничений при среднем расходе нефти. Расчетное поле заполнено нулями. При нажатии кнопки «Вычислить» происходит вычислительный процесс с отображением его хода на соответствующем поле и отображением против каждого параметра его расчетных оптимальных значений.

Выбор варианта работы колонны по виду нефти и номенклатуре получаемых продуктов производится путем переключения соответствующего указателя с помощью курсора мыши. После выбора данного варианта против параметров «Расход отбензиненной нефти» и «Температура отбензиненной нефти» отображаются диапазоны изменения данных параметров, в рамках которых может выполняться оптимизация процесса в колонне. Задание в соответствующих редактируемых полях «Расход отбензиненной нефти» и «Температура отбензиненной нефти» и нажатие кнопки «Вычислить» повторяет вышеприведенную процедуру расчетов и отображений вначале интервалов ограничений, а затем, и оптимального режима работы колонны. Если при вводе в ручном режиме значение минимума меньше минимального значения либо больше максимального или значение максимума больше максимального, то при нажатии кнопки «Вычислить» редактируемое поле заполнится значением по умолчанию.

Затем в соответствующих редактируемых полях задаются величины расхода отбензиненой нефти и ее температуры. В результате происходит расчет всех диапазонов ограничений всех параметров, которые отображаются в соответствующих редактируемых полях, а для выходов фракций – в скобках против (правее) наименований этих выходов.

В соответствии с технологической целью ведения процесса из области ограничений на выходы фракций задаются их конкретные значения для каждой фракции, которые отображаются в соответствующих редактируемых полях.

Нажатием кнопки «Вычислить» запускается программа вычислений и их результаты отображаются на расчетном поле против каждого параметра процесса. Кнопкой «Закрыть» закрывается окно программы.

Билет 19.

Содержание