автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Адаптивная оптимизация процесса каталитического риформинга на основе технико-экологических критериев

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРОЦЕСС КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА КАК

ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Управление процессом каталитического риформинга. 11 Состояние проблемы

1.2 Описание технологического процесса каталитического 16 риформинга

1.3 Теоретические основы процесса каталитического риформинга

1.4 Классификация элементарных технологических процессов 41 установки каталитического риформинга

1.5 Управление процессом каталитического риформинга в 44 установившемся режиме эксплуатации

1.6 Анализ и систематизация методов оптимального управления 49 процессом каталитического риформинга в установившемся режиме эксплуатации

Выводы к Главе

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА

КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА

2.1 Построение математических моделей процесса 55 каталитического риформинга

2.2 Постановка задачи параметрической идентификации 57 математических моделей процесса каталитического риформинга

2.3 Алгоритм построения математических моделей процесса 62 каталитического риформинга

2.4 Решение задачи построения математических моделей 71 процесса каталитического риформинга

Выводы к Главе

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА

3.1 Выбор и обоснование выбора критерия оптимального 75 управления процессом каталитического риформинга

3.2 Математическая формализация задачи оптимального 83 управления процессом каталитического риформинга

3.3 Специальный алгоритм решения задачи оптимального 91 управления

3.4 Решение задачи оптимального управления

3.5 Инженерно-экономический анализ решения задачи 100 оптимального управления

Выводы к Главе

ГЛАВА 4. АДАПТАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА

4.1 Теоретические основы адаптации математических моделей 108 установки каталитического риформинга в установившемся режиме эксплуатации

4.2 Алгоритм адаптации математических моделей процесса каталитического риформинга в установившемся режиме эксплуатации

4.3 Комплексный алгоритм адаптивного управления

4.4 Постановка задачи адаптации динамической модели ТОУ на 122 основе сигнальных воздействий

4.5 Алгоритм адаптивной настройки локальных регуляторов на 136 основе сигнальных воздействий

4.6 Техническая реализация АСУ ТП каталитического 144 риформинга

4.7 Информационное и программное обеспечение АСУ ТП 155 каталитического риформинга

Выводы к Главе

Процесс каталитического риформинга получил наибольшее распространение для производства высокооктанового компонента автомобильных бензинов. Впервые технология этого процесса была предложена компанией 1ЮР в 1949 году, которая по настоящее время владеет исключительным правом на строительство установок каталитического риформинга практически во всем мире. В бывшем Советском Союзе были разработаны отечественные установки каталитического риформинга производительностью по сырью 300 ООО и 1 ООО ООО тонн в год. Эти работы проводились во ВНИИНЕФТЕХИМА под руководством Г.Н. Масляникова. Процессы, реализуемые по технологии 1ЮР, и отечественные процессы состоят из конечного числа элементарных процессов, протекающих в отдельных блоках установки:

• получение высокооктанового компонента автомобильных бензинов (в блоке реакторов);

• стабилизация риформата (в блоке стабилизации);

• подогрев сырья риформинга (в блоке печей);

Актуальность проведенных исследований определяется большой значимостью управления процессом каталитического риформинга, занимающего важное место в современной технологии получения высокооктанового компонента автомобильных бензинов. В сложившейся к настоящему времени устойчивой тенденции снижения цен на нефть задача получения максимальной прибыли оператором установки от реализации качественного высокооктанового компонента автомобильных бензинов отечественного производства в рамках технологического регламента и соблюдении требований экологической безопасности является весьма существенной.

Проблеме оптимального управления процессом каталитического риформинга посвящен ряд отечественных и зарубежных исследований, особое место среди которых занимают работы Г.Б. Рабиновича и Н.Ф. Рубекина, выполненные в ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ и разработки Д. Смитча и Э. Томсона, выполненные в Техническом центре компании 1ЮР. Работы перечисленных выше ученых внесли существенный вклад в разработку методов оптимального управления процессом каталитического риформинга. Однако, с одной стороны, отечественные и зарубежные исследования проводились изолированно, что требует анализа и систематизации их результатов. С другой стороны, результаты этих работ имеют особенности, требующие проведения дополнительных исследований. Во-первых, все известные способы оптимального управления процессом каталитического риформинга используют в качестве показателей эффективности технологические критерии и не учитывают экономические параметры эксплуатации установки. Во-вторых, известные способы оптимального управления процессом каталитического риформинга базируются на использовании сложных кинетических моделей, применение которых приводит к осложнениям на этапе технической реализации АСУ ТП. В-третьих, существующие АСУ ТП каталитического риформинга не выполняют функции экологического мониторинга при эксплуатации установки и не учитывают экологические показатели при формировании управления на объект.

Существенным является то обстоятельство, что при эксплуатации установки каталитического риформинга изменяются рабочие характеристики катализатора и технологического оборудования. На этапе проектирования системы управления не удается предвидеть эти изменения, а непосредственно или косвенно измерить их в процессе эксплуатации установки с необходимой точностью невозможно. Если не учитывать изменения рабочих характеристик катализатора и технологического оборудования, то формируемое управление не доставит выбранному показателю эффективности оптимального значения, переводя объект в область неоптимальных или даже недопустимых технологическим регламентом режимов эксплуатации. Это обстоятельство делает актуальной разработку процедуры адаптации, которая генерирует на основании обработки результатов измерения технологических параметров процесса в режиме нормальной эксплуатации последовательность улучшающих оценок коэффициентов математических моделей.

Перечисленные проблемы являются весьма важными и значительными при выборе концепции построения системы управления процессом каталитического риформинга и требуют теоретической проработки на этапе проектирования. Теоретические исследования возможности решения задачи получения максимальной прибыли от реализации высокооктанового компонента автомобильных бензинов с учетом технологических и экологических ограничений связаны с необходимостью использования достижений информационной теории идентификации, основанной на общем подходе, использующим вероятностные рекуррентные алгоритмы оптимизации в условиях неопределенности. В настоящее время наиболее строгой и точной является информационная теория идентификации, требующая привлечения нелинейных зависимостей между целевыми функциями и ограничениями и инструментальными параметрами. Использование дискретных конечно-элементных процедур адаптации позволяет корректировать математические модели процесса. Цель работы заключается в разработке адаптивных алгоритмов оптимального управления процессом каталитического риформинга в установившемся и переходных режимах эксплуатации. Основные задачи, решаемые в настоящей работе:

1. Анализ состояния проблемы управления процессом каталитического риформинга.

2. Анализ и систематизация существующих методов оптимального управления процессом каталитического риформинга.

3. Классификация элементарных технологических процессов установки каталитического риформинга.

4. Разработка методики, алгоритма и программного вычислительного комплекса параметрической идентификации моделей процесса каталитического риформинга.

5. Формализация и технологическая декомпозиция оптимизационной задачи управления процессом каталитического риформинга с целью получения максимальной прибыли с учетом технико-экологических ограничений.

6. Разработка алгоритма и программного вычислительного комплекса решения задачи оптимального управления.

7. Расчет и рекомендация оптимальных режимов эксплуатации для установки каталитического риформинга на месторождении Шебелинка.

8. Разработка комплексного алгоритма параметрической идентификации и адаптации. Анализ возможности применения разработанного алгоритма для управления другими процессами нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

9. Разработка алгоритма адаптации и оптимальной настройки локальных контуров регулирования процесса каталитического риформинга.

10. Разработка организационной структуры и алгоритма функционирования АСУ ТП каталитического риформинга, реализующей разработанные алгоритмы.

Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в следующем:

1. Разработана методика построения многоуровневой распределенной АСУ ТП каталитического риформинга, формирующей оптимальное управление в смысле максимума прибыли, получаемой оператором установки от реализации высокооктанового компонента автомобильных бензинов при ограничениях на октановое число и упругость паров катализата, температуру продукта на выходе из печей (по секциям) и содержание диоксида азота в дымовых газах.

2. Разработана методика расчета и анализа оптимального режима эксплуатации установки каталитического риформинга как объекта управления, состоящего из отдельных технологических блоков, включающих в себя конечное число аппаратов и агрегатов и заключающаяся в декомпозиции оптимизационной задачи с постановкой задач оптимального управления для отдельных технологических блоков на основе полученных адекватных математических моделей.

3. Разработан комплексный алгоритм параметрической идентификации и адаптации математических моделей процесса каталитического риформинга, состоящий из последовательно реализуемых процедур параметризации моделей и определения или корректировки параметров моделей по экспериментальным данным, полученным в процессе нормальной эксплуатации установки.

4. Разработан алгоритм адаптивной настройки контуров регулирования и методика расчета оптимальных локальных регуляторов, включающие в себя циклически выполняемые процедуры аппроксимации характеристик объекта в частотной области и настройки регулятора на основе критерия минимума ошибки регулирования.

Результаты исследований составили теоретическую и практическую основу проектирования адаптивных АСУ ТП каталитического риформинга, имеющих высокие функциональные возможности.

Разработанные комплексный алгоритм параметрической идентификации и адаптации математических моделей процесса каталитического риформинга в установившемся и переходных режимах эксплуатации, структура и алгоритм функционирования оптимальной АСУ ТП каталитического риформинга, позволяют максимизировать прибыль оператора установки от реализации высокооктанового компонента автомобильных бензинов, обеспечивая нормальный ход технологического процесса, заданное октановое число, упругость паров катализата и содержание диоксида азота в дымовых газах.

Отмеченные качества предлагаемой АСУ ТП позволяют рекомендовать ее к использованию для управления установками каталитического риформинга. Разработанные алгоритмы и программный комплекс вычислительных средств параметрической идентификации и адаптации могут быть использованы для других процессов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности при наличии необходимой информации для построения математических моделей этих процессов.

Разработанные в диссертации алгоритмы используются ООО "Роснефтехимавтоматика" в рамках проекта PI7245 (MIS) "Разработка алгоритмов и программ оптимального управления каталитическими процессами в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности".

Выводы к Главе 4

Для учета изменения собственных свойств ТОУ при формировании управления предлагается комплексный алгоритм адаптивного управления процессом каталитического риформинга в установившемся режиме эксплуатации.

Разработан комплекс программных средств Identify IVV © на основе комплексного алгоритма идентификации и адаптации математических моделей установки каталитического риформинга в установившемся режиме эксплуатации. На базе вычислительных мощностей ООО Роснефтехимавтома-тика в рамках проекта разработки комплексных алгоритмов управления каталитическими процессами были проведены тестовые реализации разработанного алгоритма. При этом, в качестве исходной информации была использована база данных, предоставленная компанией UOP, и оперативная информация пуска установки каталитического риформинга на месторождении Шебелинка (Украина). Инженерную поддержку в проведении моделирования оказала компания Квернер Интершельф.

Проведен анализ идентифицируемости квазистационарных ТОУ процесса каталитического риформинга, на основании чего сделан вывод о возможности адаптации динамических моделей объекта на основе сигнальных воздействий. В качестве сигнальных воздействий предлагается ограниченный импульс. На основании разработанного алгоритма адаптации математических моделей в переходных режимах эксплуатации выполнен программный комплекс вычислительных средств.

АСУ ТП каталитического риформинга, реализующая адаптивные алгоритмы оптимального управления представляет собой человеко-машинную трехуровневую распределенную систему управления, в рамках которой ор

167 ганизовано информационное взаимодействие в пространстве и во времени технических средств, программного и математического обеспечений и организационной структуры АСУ ТП каталитического риформинга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе проведены исследования статики и динамики адаптивной системы оптимального управления процессом каталитического риформинга на основе технико-экологических критериев.

Проведен анализ существующих способов управления процессом каталитического риформинга. Показано, что известные в настоящее время способы управления:

• не учитывают изменения собственных свойств объекта управления и приложенных к нему возмущающих воздействий;

• используют сложные кинетические модели для формирования управления,

• не реализуют функции экологического мониторинга при эксплуатации установки и не учитывают экологические параметры при формировании управления на объект.

Проведен анализ состояния проблемы управления процессом каталитического риформинга. Показана необходимость применения алгоритмов параметрической идентификации и адаптации при формировании управлений на объект.

Проведена классификация элементарных технологических процессов установки каталитического риформинга. Показана принадлежность рассматриваемых процессов к классу квазистационарных процессов, для которых возможно разделение во времени процедур адаптации и оптимизации.

Разработана методика получения математических моделей процесса каталитического риформинга в установившемся режиме эксплуатации, основанная на последовательной реализации процедур параметризации моделей и определения параметров моделей. Разработанная методика может быть применена для моделирования других процессов нефтепереработки и нефтехимии.

Разработан алгоритм параметрической идентификации математических моделей технологического процесса. Разработан комплекс программных вычислительных средств параметрической идентификации математических моделей технологических процессов.

Формализована оптимизационная задача управления процессом каталитического риформинга с целью получения максимальной прибыли с учетом технологических и экологических ограничений. Проведена технологическая декомпозиция задачи управления. На основании исследования целевых функций и ограничений для отдельных технологических блоков разработан алгоритм и комплекс программных вычислительных средств решения задачи оптимального управления. Проведен расчет и анализ оптимальных режимов эксплуатации установки каталитического риформинга. Приведены рекомендованные режимы эксплуатации для установки каталитического риформинга на месторождении Шебелинка.

На основании квазистационарных свойств объекта управления разработан комплексный алгоритм параметрической идентификации и адаптации. Разработан программный вычислительный комплекс Identify IVV©, который может быть использован для других процессов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Разработан алгоритм и программный комплекс вычислительных средств оптимизации переходных режимов эксплуатации установки каталитического риформинга.

1. Андерсон Д. Структура металлических катализаторов. М.: Мир, 1979.243 с.

2. Афанасьев В.Н., Компановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. -М.: Высшая школа, 1989.-448 с.

3. A.C. 1044627 (СССР), 1982.

4. A.C. 1046246 (СССР), 1983.

5. A.C. 1077920 (СССР), 1984.

6. A.C. 1086008 (СССР), 1989.

7. A.C. 1154313 (СССР), 1985.

8. A.C. 1208068 (СССР), 1986.

9. A.C. 1693025 (Россия), 1992.10.A.C. 783335 (СССР), 1978.

10. П.Баландин A.A. Мультиплекативная теория. М.: Наука, 1971. 345 с.

11. Бассоло Ф., Пирсон Р. Механизмы неорганических реакций. М.: Мир, 1971,687 с.

12. Беллман Р. Процессы регулирования с адаптацией. -М.: Наука, 1964, -212 с.

13. Брайнес Я.М. Введение в теорию и расчёты химических и нефтехимических реакторов. -М.: Химия, 1968. -280 с.

14. Брайсон А., Хо Ю-ши. Прикладная теория оптимального управления. -М.: Наука, 1972. -544 с.

15. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей и её инженерные приложения. -М: Наука, 1988. -480 с.

16. Внедрение математических методов в управление нефтедобывающими предприятиями. -Альметьевск, 1971.-140 с.

17. Войтенко И.В. Адаптивная оптимизация процесса каталитического ри-форминга на основе технико-экологических критериев.//НТЖ Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности.-М. :ВНИИОЭНГ, 1998 №11-12.

18. Войтенко И.В., Гершкович Ю.Б., Тюриков А.А. Оптимизация процесса каталитического риформинга газового конденсата. В сб. тезисов к докладам 52 ой межвузовской научной конференции "Нефть и газ - 98". М.: ООП ГАНГ им.И.М.Губкина, 1998.

19. Войтенко И.В., Реутова О.Ю. Адаптивная система управления печами каталитического риформинга. В сб. тезисов к докладам 51-ой межвузовской научной конференции "Нефть и газ -97". М., ООП ГАНГ им.И.М.Губкина, 1997.

20. Войтенко И.В., Тодорович Зоран, Филатчева М.В. Декомпозиция задачи оптимального управления процессом каталитического риформинга. В сб.тезисов к докладам 51-ой межвузовской научной конференции "Нефть и газ -97". М., ООП ГАНГ им.И.М.Губкина, 1997.

21. Волькштейн Ф.Ф. Физико химия поверхности полупроводников. - М.: Наука, 1973.-546 с.

22. Гейтс Б. Химия каталитических процессов. М.: Мир, 1981.-378 с.

23. Гельнерин Н.И., Лебаян В.Л., Косбанян А.Е. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности. -М.: Химия, 1977. -261 с.

24. ГОСТ 2084-95. «Автомобильные бензины».

25. Граф М., Гессель М. Схемы поиска неисправностей. -М.: Энергоатомиз-дат, 1989. -140с.

26. Гридин В.Н. Теоретические основы построения базовых адаптируемых компонентов САПР МЭА. -М.: Наука, 1989. -256 с.

27. Дубовой Н.Д. Автоматические многофункциональные измерительные преобразователи. -М.: Радиосвязь, 1989. -256 с.

28. Дьяконов В.Ю. Программное обеспечение систем термообработки данных. -М.: Наука, 1992. -156 с.

29. Жермен Д. Каталитические превращения углеводородов. М.: Мир, 1972, 308 с.

30. Исагулянц Г.В, Розенграт М.И., Дубинская Ю.Г. Каталитическая ароматизация алифатических углеводородов. М.: Наука, 1983.-160 с.

31. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической промышленности. -М.: Химия, 1985. -544 с.

32. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные производственные системы в химической промышленности. -М.: Химия, 1990. -320 с.

33. Кванерпаак X., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. -М.: Мир, 1975. -652 с.

34. Клюев A.C., Карпов B.C. Синтез быстродействующих регуляторов для объектов с запаздыванием. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -175 с.

35. Козлов И.С. Катализаторы риформинга. Минск: Наука и техника, 1976.160 с.

36. Колесников A.A., Гельфгат А.Г. Проектирование многокритериальных систем управления промышленными объектами. -М.: Энергоатомиздат, 1993.-303 с.

37. Красовский A.A., Буков В.Н., Киндерик B.C., Универсальные алгоритмы оптимального управления непрервыными процессами. -М.: Наука, 1977. -280 с.

38. Кроу К. и др. Математическое моделирование химических производств. -М.: Мир, 1973.391 с.

39. Кунцевич В.М. Адаптивное управление. Алгоритмы, системы, применение. -Киев: Вища школа, 1988. -62 с.

40. Кунцевич В.М. Импульсные самонастраивающие и экстремальные системы автоматического управления. -Киев: Энергоиздат, 1966. -282 с.

41. Кунцевич В.М., Янечан М.М. Синтез оптимальных и адаптивных систем управления. Игровой подход. Киев: Научнова думка. 1985, -247 с.

42. Левин В.И. Структурно-логические методы исследования сложных систем с применением ЭВМ. -М.: Наука, 1987. -304 с.

43. Лидич Дж. Статистически оптимальные линейные оценки и управление. -М.: Энергия, 1973. -440 с.

44. Логинова А.Н Автореферат дис. канд. хим. наук. Куйбышев, 1979.

45. Нагиев М.Ф. Теория рециркуляции и повышение оптимальности химических процессов. -М.: Наука, 1970. -390 с.52.Пат. 3806443 (США), 1990.

46. Первозванский A.A. Поиск. -М: Наука, 1967. -342 с.

47. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. -М.: Знание, 1993.-117 с.

48. Польчун Б.П. Юсупов P.M. Оценка надёжности программного обеспечения. -М.: Наука, 1994. -85 с.

49. Пронин Е.Г., Могуева О.В. Проектирование бортовых систем обмена информации. -М.: Радио и связь, 1989. -239 с.

50. Протодьяконов И.О., Муратов О.В., Евлампиев И.И. Динамика процессов химической технологии. -JL: Химия, 1984. -304 с.

51. Пшеничный Б.Н., Данилин Ю.М. Численные методы в экстремальных задачах. -М.: Мир, 1975.-319 с.

52. Рабинович Г.Б. Оптимизация процесса каталитического риформинга с целью снижения энергопотребления. -М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1985. -63 с.

53. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике. Т. 1,2.-М.: Мир, 1986.-318 с.

54. Романенко В.Д., Игнатенко Б.В. Адаптивное управление технологическими процессами на базе микро-ЭВМ. -Киев: Вища школа, 1990. -334 с.

55. Ротач В.Я. Автоматизация настройки систем управления. -М.: Энерго-атомиздат, 1984. -271 с.

56. Рубекин Н.Ф. Системы автоматического оптимального управления каталитическими процессами платформинга и гидроочистки. -М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1972. -66 с.

57. Семенов H.H. Цепные реакции. М.: Госхимиздат, 1934. - 328 с.

58. Солнечный Э.М. Вырожденные системы и их использование в задаче синтеза заданного поведения. -М.: Наука, 1989. -152 с.

59. Срагович В.Г. Адаптивное управление. -М.: Наука, 1981.-382 с.

60. Сулимов А.Д. Каталитический риформинга бензинов. М.:Химия, 1973.308 с.

61. Терпенечный В.Ю. Синтез управляемых механических систем. С.Пб.: Политехника, 1993. -336 с.

62. Фингрут А.Я., Ластовкин Г.А., Пуск и освоение комбинированной установки Ж-6У. М.: ЦНИИТЗнефтехим, 1977.-61 с.

63. Фокин А.П. Комбинированные аппараты в производстве химических реактивов. -М.: НИИТЭХИМ, 1987. -58 с.

64. Хедли Дж. Нелинейное и динамическое программирование. -М.: Мир, 1967.-506 с.

65. Хеллендер Дж. К. Увеличение производительности и стабилизация температуры печных труб. -// НТЖ нефтегазовые технологии, № 2, 1998, 6667 с.

66. Эйкхофф П. Современные методы идентификации. -М.: Мир, 1983. -400 с.