автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительные системы для адаптивного управления промышленными станциями поточного смешения товарных бензинов

На правах рукописи

Астапов Владислав Николаевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ СТАНЦИЯМИ ПОТОЧНОГО СМЕШЕНИЯ ТОВАРНЫХ БЕНЗИНОВ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

о:

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005538112

Пенза 2013

005538112

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)».

Научные консультанты:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Конюхов Николай Евгеньевич;

доктор технических наук, профессор Гречишников Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: Косолапов Александр Михайлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения», заведующий кафедрой информационных систем и телекоммуникаций;

Прохоров Сергей Антонович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени С. П. Королева (национальный исследовательский университет), заведующий кафедрой информационных систем и технологий;

Соловьев Владимир Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», профессор кафедры приборостроения

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт

физических измерений» (г. Пенза)

Защита состоится «¿3» ¿7 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.186.02 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан «_^>> & 2013 г.

Ученый секретарь _

диссертационного совета Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Процесс смешения нефтепродуктов является завершающим и наиболее ответственным этапом в формировании не только качества, но и себестоимости товарной продукции.

При учете высокой производительности современных нефтеперерабатывающих заводов, а также непосредственной зависимости потребительских свойств готового продукта от физико-химических характеристик смешиваемых компонентов важнейшую роль в системах управления промышленными станциями смешения товарных бензинов приобретают информационно-измерительные и управляющие системы (ИИиУС) для оценки детонационной стойкости готового продукта и его компонентов. Точность и быстродействие ИИиУС во многом определяют качество производимой продукции.

Как показывает мировой и отечественный опыт, перспективным направлением разработки и создания таких ИИС является использование электрофизических методов, основанных на принципах электродинамики, оптоэлектроники, спектрометрии и акустики. При этом чаще всего используются зависимости детонационной стойкости от диэлектрической проницаемости, спектра поглощения, а также избыточного давления в реакторах холодно-пламенного окисления (РХПО).

Проблеме создания ИИС и датчиковой аппаратуры на основе указанных электрофизических явлений посвящены работы ряда отечественных ученых (В. С. Рудика, А. С. Уварова, Н. Е. Конюхова, Б. В. Скворцова). Среди зарубежных авторов следует отметить труды М. Н. Александрова, Б. Н. Гордеева, Ю. Д. Жукова (Украина); М. Steven, W. Huntington, Е. М. Good-ger, А. P. Valvade (США); Е. R. Finske, W. С. Jonston (Великобритания).

Современные ИИиУС для оценки детонационной стойкости бензинов в основном основаны на использовании двигательных установок типа УИТ-85, работа которых основана на зависимости октанового числа от интенсивности детонации при определенных частотах вращения двигателя, углах опережения зажигания и температуре топливно-воздушной смеси. Установка калибруется на эталонных смесях изооктана и нормального гептана.

Кроме того, на некоторых нефтеперерабатывающих заводах России используются устройства экспрессного измерения октанового числа, в дальнейшем октаномеры, как отечественного производства (SHATOX, СИМ-Зб, ПЭ7000), так и импортного (например, ZX101C фирмы Zeltex). Однако все применяемые ИИС для оценки детонационной стойкости основаны на анализе предварительно отобранных проб. Это приводит к значительным экономическим издержкам, связанным с возможностью производства больших объемов нестандартных (бракованных) бензинов (до 300 м3), в течение времени анализа пробы, которое может лежать в пределах от 20 до 50 мин. При регулярном повторении процедуры анализа, в течение рабочей смены, потери могут достигать внушительных размеров - более 4 тыс. м3 в сутки, что крайне негативно сказывается на процессах ценообразования рынка нефтепродуктов.

Кроме того, существующие измерительные устройства и системы обладают рядом принципиальных недостатков, связанных с влиянием на точ-

ность измерения внешних эксплуатационных факторов, региональными особенностями исходного сырья, со сложностью их настройки и эксплуатации и невозможностью работы в потоке.

При создании ИИиУС для управления смешением важной проблемой является не только измерение октанового числа готового продукта, но и определение его компонентного состава, определяющего тип бензина в соответствии с действующими стандартами на углеводородное топливо (ГОСТ Р 51105-97). Существующие ИИиУС и системы обеспечения качества нефтепродуктов используют в своей основе линейные модели октанового числа и разработанные на их основе экспериментальные калибровочные характеристики. Однако такой подход не учитывает вариативность октанового числа и физико-химических характеристик смешиваемых компонентов, что создает высокую вероятность ложной идентификации типа бензина, условия для применения в производстве не предусмотренных стандартами экологически опасных компонентов и снижает качество товарной продукции.

Указанные недостатки во многом связаны с отсутствием научных основ создания ИИиУС для оценки октанового числа, встроенных в технологический процесс компаундирования бензинов, отвечающих современным требованиям по функциональным возможностям, точности, быстродействию и достоверности идентификации нефтепродуктов с учетом региональных особенностей исходного сырья и компонентного состава.

В связи с этим разработка, теоретическое обоснование и внедрение ИИС, позволяющих оценивать октановые числа углеводородных топлив в потоке и идентифицировать их компонентный состав, представляют собой актуальную научно-техническую проблему. Ее решение позволит нефтеперерабатывающим предприятиям страны оптимизировать процессы в системах управления компаундированием, исключить рекламации по качеству готовой продукции, а также повысить ее конкурентоспособность на мировом рынке нефтепродуктов.

Актуальность диссертационной работы подтверждена грантом в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (гос. контракт № П1511 от 18.11.2010).

Цель диссертационной работы - теоретическое и экспериментальное обоснование новых способов построения и разработка технической реализации комплекса ИИиУС с улучшенными эксплуатационными характеристиками для поточного контроля и управления качеством товарных бензинов на станциях смешения нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ).

Задачи исследований:

1. Обзор и сравнительный анализ методов построения и технических возможностей отечественных и зарубежных ИИиУС для оценки октановых чисел и компонентного состава товарных бензинов.

2. Разработка и обоснование обобщенной структурной схемы информационно-измерительной и управляющей системы для оценки и обеспечения требуемого октанового числа и компонентного состава в потоке товарного продукта.

3. Экспериментальные и теоретические исследования электрофизических, акустических, электродинамических и оптико-акустических характеристик углеводородных топлив для выявления их новых взаимосвязей с требуемыми показателями качества и идентификации типа товарных бензинов.

4. Разработка принципов построения ИИиУС на основе термодинамических, оптических и акустических средств измерений для управления процессом непрерывного компаундирования нефтепродуктов.

5. Разработка математических моделей ИИиУС на основе термодинамических, оптических и акустических методов измерений.

6. Разработка математической модели получения требуемого октанового числа в процессе смешения компонентов товарного бензина.

7. Разработка методики определения (идентификации) долей смешиваемых компонентов (концентраций) и их октановых чисел в процессе приготовления бензинов.

8. Разработка программ моделирования ИИиУС для оценки октановых чисел компонентов и определения их долей в смеси товарного бензина.

9. Техническая реализация комплекса ИИиУС для адаптивной системы управления станцией смешения бензинов.

10. Исследование и сравнительный анализ динамических характеристик станций смешения товарных бензинов.

11. Экспериментальные исследования и внедрение разработанных ИИС.

Методы исследований. Базируются на методах: физики, электродинамических, квантово-механических и акустических процессов, оптики и спектрального анализа, теории термодинамики растворов; линейной алгебры; решения оптимизационных задач; теории автоматического управления. Для получения результатов использовалось численное и натурное моделирование и проводились опытно-промышленные испытания ИИС для оценки качества углеводородных топлив и других технологических параметров.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложена обобщенная ИИС адаптивной системы управления станцией смешения товарных бензинов из ряда подсистем: ИИС оценки октановых чисел бензина в потоке, ИИС оценки октановых чисел компонентов, регулятора и ИИС расходов компонентов и блока расчета начальной рецептуры.

2. Выявлены взаимосвязи показателей качества углеводородных топлив с их электрофизическими, акустическими, электродинамическими и оптико-акустическими характеристиками:

- зависимость избыточного давления и концентрации СО от октанового числа в процессе реакции холодно-пламенного окисления бензина в реакторе;

- частотные зависимости электропроводности и диэлектрической проницаемости бензинов, отражающие индивидуальную для каждого типа бензина совокупность признаков, определяющих компонентный состав бензина;

- зависимость акустического давления от октанового числа, возникающая при поглощении лазерного излучения в спектральных каналах измерения в контролируемом объеме топлива.

3. Разработаны принципы построения ИИиУС оценки октанового числа для адаптивного управления смешением на основе:

- термодинамического метода и зависимости давления в реакторе в процессе РХПО от октанового числа;

лазерного оптико-акустического (ЛОА) метода, основанного на сканировании спектра поглощения анализируемой пробы топлива с помощью модулированного и перестраиваемого по длине волны лазерного излучения, измерении амплитуды возникающих при этом пульсаций давления с последующим проведением регрессионного анализа и определения октанового числа исследуемой бензиновой смеси с учетом фонового поглощения (шумов);

- полиметрического метода с использованием ситуационной модели определения октанового числа.

4. На основе термодинамического метода разработана математическая модель, отображающая зависимость октанового числа от давления РХПО в реакторе при заданной температуре, основанная на аналогии зависимости скорости протекания реакции взрыва (сгорания) топливно-воздушной смеси и детонационной стойкости бензина.

5. На основе ЛОА метода предложена математическая модель ИИС в виде множественной линейной регрессии для расчета октанового числа, аргументами которой являются разности коэффициентов поглощения на спектральных каналах измерения и коэффициенты влияния каждого компонента на суммарное октановое число.

6. Впервые разработан полиметрический метод идентификации типа товарных бензинов и измерения их октанового числа, использующий результаты измерения плотности, акустического поглощения, удельной проводимости, отношения диэлектрических проницаемостей на двух частотах и температуры, совокупность измеренных значений которых определяет тип бензина и вид калибровочной модели для расчета октанового числа (Пат. РФ № 2305283).

7. Впервые получена научно обоснованная математическая модель октанового числа товарного бензина с учетом его нелинейных взаимосвязей с октановыми числами и мольными долями смешиваемых компонентов (Пат. РФ №2133493).

В. Разработана методика определения октановых чисел и долей смешиваемых компонентов в ИИиУС, основанная на использовании математической модели октанового числа и результатов измерения текущего значения октанового числа в потоке с применением методов эллипсоидальных оценок и линейного программирования. Существенным достоинством метода является минимальное количество априорной информации о свойствах неопределенности. Неопределенными величинами являются октановые числа компонентов, для которых указываются только гарантированные оценки диапазона их возможных значений.

9. Предложена и обоснована научно-техническая реализация ИИиУС для адаптивной оптимизации процесса компаундирования товарных бензинов на основе запатентованного способа управления смешивания жидкостей.

Практическая значимость работы заключается в создании промышленных образцов поточных информационно-измерительных и управляющих систем, обеспечивающих возможность идентификации типов бензинов, в отечественных и зарубежных ИИС данная функция отсутствует. Идентификация типа бензина позволяет использовать банк калибровок при контроле различных бензинов и обеспечивает повышение точности, достоверности и быстродействия измерительных систем детонационной стойкости бензинов.

Достоверность результатов. Достоверность проведенных теоретических исследований обеспечивается корректным математическим обоснованием предлагаемых решений и методов, совпадением результатов численного и натурного моделирования, а также результатами опытно-промышленных испытаний ИИС для оценки качества углеводородных топ-лив и других технологических параметров.

Реализация работы. Осуществлен мелкосерийный выпуск октаноме-ра «АС-98» фирмой «Протон» (г. Самара), включенного в государственный реестр приборов и внедренного на нефтезаводах, нефтебазах и коммерческих фирмах России (г. Кириши, Мичуринск, Калининград, Саратов, Мул-линская нефтебаза и др.). Результаты исследований, положивших основу созданию ИИС нового поколения «АС-2004», использованы в учреждении «Теплотехническая лаборатория» (испытательный центр «ЯнтарИТ», г. Калининград) при разработке «Дополнения к инструкции по эксплуатации ок-таномера «АС-98». Данный октаномер рекомендован Калининградским ЦСМиС для использования при паспортизации бензинов. Реакторный октаномер «ОКА-1» внедрен в ОНИЛ-2 СГАУ для научно-экспериментальных исследований. Устройство для измерения технологических параметров в процессе смешивания «Квант-У» внедрено на предприятии ООО «ОЛВИ» (г. Самара) в опытную эксплуатацию. Результаты работы используются в учебном процессе СГАУ и СамГТУ при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении лекций по курсам, связанным с элементами автоматики, системами контроля и управления, и при изучении курса по микропроцессорной технике. Акты внедрения представлены в приложении Б.

На защиту выносятся:

1. Новые взаимосвязи показателей качества углеводородных топлив с их электрофизическими, акустическими, электродинамическими и оптико-акустическими характеристиками, положенные в основу создания нового поколения поточных ИИС оценки октановых чисел и компонентного состава углеводородных топлив.

2. Термодинамическая модель октанового числа товарного бензина с учетом его нелинейных взаимосвязей с октановыми числами и мольными долями смешиваемых компонентов.

3. Методика определения октановых чисел и долей смешиваемых компонентов в процессе получения товарных бензинов на основе метода эллипсоидальных оценок и использования термодинамической модели.

4. Методы измерения октанового числа на основе зависимости октанового числа от давления РХПО и математическая модель ИИС оценки октанового числа.

5. Принципы построения ИИС на основе спектрометрических данных ЛОА-эффекта, зависимостей между параметрами (давления и температуры) РХПО в реакторе и детонационной стойкостью бензина и полиметрического метода.

6. Обобщенная струкгурная схема адаптивной ИИиУС для управления станцией компаундирования товарных бензинов:

- лазерный оптико-акустический метод и математическая модель ИИС оценки октанового числа и идентификации типа бензина и ИИС на его основе;

- комплексный (полиметрический) метод измерения октанового числа и идентификации типа товарных бензинов и ИИС на его основе.

7. Алгоритмы метода эллипсоидальных оценок, программное обеспечение и результаты численного моделирования ИИС.

8. Структурные схемы и конструкции поточных ИИС октановых чисел, плотности, вязкости и других технологических параметров топлив (объемный и массовый расход компонентов) в системе адаптивного управления процессом компаундирования товарных бензинов.

9. Результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения разработанных ИИС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на научно-технической конференции «Применение ВТ и математических методов в научных и экономических исследованиях» (Украина, г. Шацк, 1991); IV региональной научно-технической конференции «Новые высокие технологии в нефтегазовой отрасли и проблемы экологии» (г. Самара, 1997); семинаре «Вклад ученых СГАУ и СамГТУ в энергосбережение Самарской области» (секция нефтехимии, г. Самара, 2000); VII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (г. Сочи, 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», посвященной 70-летию основания Куйбышевского авиационного института (СГАУ, г. Самара, 2012).

Октаномер «АС-98» экспонировался на всероссийских и международных выставках в различных городах России, в частности на Международном аэрокосмическом салоне «МАКС-2000» (г. Жуковский), во Всероссийском выставочном центре на выставке «Двигатели-2000» (г. Москва), на международной выставке «Эврика-2000» (г. Брюссель), специализированных выставках по профилю «Топливо, энергетика и химиндустрия» (г. Кириши, Самара, Калининград, Тольятти, 1999, 2000). В 1998 г. по материалам разработки прибора измерения октанового числа бензинов «АС-98» в конкурсе научно-технических работ нефтекомпании «ЮКОС» автору присуждена первая премия в составе творческого коллектива.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы, в том числе 3 монографии, 15 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 патента и одно авторское свидетельство СССР, 17 патентов РФ.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 255 наименований, и приложений. Основной текст изложен на 320 страницах, диссертация содержит 51 рисунок, 16 таблиц и 2 приложения. Приложение А - программа числового моделирования расчета октановых чисел компонентов и оптимального компаундирования бензина в реальном времени. Приложение Б - акты, протоколы испытания и внедрения устройств контроля качества бензинов. Общий объем диссертации - 341 страница.

СОДЕРЖАНИЕ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, дан анализ состояния проблемы, показаны научная новизна, практическая ценность работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены краткий анализ показателей качества товарного бензина как объекта контроля. Обобщены требования, предъявляемые к автомобильным бензинам - основному продукту нефтеперерабатывающих заводов. Современные автомобильные бензины, как правило, представляют собой смеси компонентов. Оценка качества как компонентов, так и товарных бензинов при их получении на нефтеперерабатывающих заводах осуществляется стандартными лабораторными методами по показателям физико-химических свойств, нормируемых соответствующими документами. Проведенные исследования показали основные тенденции развития устройств контроля и управления технологическими процессами, среди которых наиболее важной и актуальной является разработка и внедрение ИИС контроля технологических параметров и качества в потоке товарного продукта.

Выполнен обзор ИИС и методов управления компаундированием в условиях нестохастически заданной неопределенности. В данном случае неопределенностью обладают октановые числа Q¡ смешиваемых компонентов, так как октановые числа компонентов точно неизвестны, известны лишь их интервальные оценки. По результатам проведенного обзора методов и средств получения информации о качестве смешиваемых компонентов и товарного продукта в процессе производства предложена оригинальная структурная схема информационно-измерительной и управляющей системы, удовлетворяющая предъявляемым требованиям (рис. 1).

ИИиУС для компаундирования товарных бензинов включает следующие подсистемы: ИИС для разработки первоначальной рецептуры смешения; ИИС расходов смешиваемых компонентов; ИИС оценок октановых чисел компонентов и текущей рецептуры смешения; ИИС оценки октановых чисел товарного бензина в потоке; ИИС на выходном контроле готовой продукции.

Полученные результаты анализа послужили основой для проведения исследования и разработки поточных ИИС оценки октанового числа и компонентного состава бензина для адаптивной системы управления процессом компаундирования товарных бензинов.

,-------------------------------------------------------,

и

Рис. 1. Структура информационно-измерительной и управляющей системы для управления промышленной станцией компаундирования: и^ и2,. ■., и„ - расходы смешиваемых компонентов; ..., ()„ октановые числа компонентов; Цт - объем

товарного бензина; и„к р^, 01ГГ - оптимальные расходы компонентов смешения (рецептура); {_)к - измеренное октановое число товарного бензина, (>пк - оценки октановых чисел компонентов, вычисленные по математической модели октановых чисел Во второй главе проведены анализ и исследование акустических характеристик жидких углеводородных сред, показана их взаимосвязь с электрофизическими параметрами. В результате исследования поведения ультразвука в жидких средах сформулированы требования для разработки ИИС контроля качества углеводородных топлив с использованием зависимостей акустических характеристик от реофизических параметров нефтепродуктов.

Проведен анализ электродинамических характеристик углеводородных топлив. Исследованы электродинамические параметры углеводородных сред и их взаимосвязь в широком частотном диапазоне. Получены линеаризованные зависимости электропроводности и диэлектрической проницаемости различных нефтепродуктов от частоты синусоидального тока, пропускаемого через датчик с углеводородным сырьем. Экспериментальные зависимости удельной электропроводности нефтепродуктов от частоты показаны на рис. 2.

Совокупные признаки электропроводности и диэлектрической проницаемости, в зависимости от частоты электромагнитных колебаний с коррекцией на температуру, являются важными информативными параметрами, так как изменение электропроводности в квазистационарной части частотного спектра связано с компонентным составом продукта (см. рис. 2).

Данные исследования позволяют использовать различие электропро-водностей или диэлектрической проницаемости на низких и высоких часто-

тах в качестве критерия принадлежности товарных бензинов к тому или иному типу. При этом бензины, как и нефть, из которой они получены, различаются как по уровню электропроводности и диэлектрической проницаемости, так и по их приращениям на единицу частоты.

от частоты при / - 20 °С

Рассмотрены физические процессы, происходящие при формировании сигнала в оптико-акустической ячейке. В результате поглощения лазерного модулированного по частоте излучения бензин нагревается и создает в ячейке колебания давления на частоте модуляции источника. Данный эффект положен в основу метода лазерной оптико-акустической спектроскопии для контроля качества углеводородных топлив.

В третьей главе разработана математическая модель октанового числа с учетом его нелинейных взаимосвязей с октановыми числами смешиваемых бензиновых компонентов. Проведенный поиск методов анализа процессов смешивания с нелинейным видом зависимости характеристик конечного продукта от характеристик смешиваемых компонентов позволил выдвинуть и обосновать гипотезу о подобии процессов смешения с термодинамическими процессами в растворах. Данная гипотеза подобия позволяет рассматривать октановое число как один из термодинамических параметров при моделировании процесса смешения компонентов товарного бензина.

В теории растворов (жидких, твердых, газообразных) наиболее важной является задача построения явных аналитических зависимостей термодинамических функций от характеристик смешиваемых компонентов и независимых переменных: температуры, давления и числа молей компонентов. В качестве термодинамических функций рассматривают термодинамические величины: энергию Гиббса, энтропию, энтальпию, объем, энергию Гельмгольца, внутреннюю энергию и теплоемкость. Пусть

Т, Р, щ, .... л*), / = П7, - (1)

1-я. термодинамическая функция, где Т - температура, Р - давление, щ - число молей у'-го компонента, N - число компонентов в рассматриваемом растворе. Явный вид функций (1) принято называть уравнениями состояния.

По своему физико-математическому смыслу функции (1) обладают общими для них свойствами и зависят от перечисленных переменных. При этом частные производные:

i = l,7; j = l,N, (2)

обладают парциальными мольными свойствами соответствующих компонентов.

В силу непрерывности функций Z¡ справедливы условия совместности (интегрируемости) для каждой пары функций z¡j и zlr:

i = Tj; j,r = W, (3)

8nr on j

Наиболее простая запись функций Z, получается при описании бинарного у'-г-раствора. Введем в рассмотрение разности предельных значений и парциальных мольных свойств компонентов:

„..=„:._„?. а .. = ,r._z°. y.-^ÍL (л)

ijr "Ijr -ij' irj "irj ir> I jr ' V*t

airj

*

где z yr(T,P) - предельное значение f'-го парциального свойства j-го компонента в данном растворе при его бесконечном разбавлении г-м компоненте

том; г ¡rj(T,P) - предельное значение г'-го парциального свойства r-го компонента при его разбавлении у-м компонентом; г°у(Т,Р) и z°¡r(T,P) -i-e парциальные мольные свойства соответственно j-го и r-то чистых компонентов; у /г - характеристическая постоянная бинарного раствора.

Для упрощения записи опустим аргументы Т и Р и введем в рассмотрение так называемые обобщенные мольные доли компонентов: K¡ и Кг, а также некоторую «почти произвольную» функцию FJr = F(Kj,Kr), симметрично зависящую от K¡ и Kr (Fjr = FrJ). Для N = 2 (N - количество компонентов) находим

z¡ = 4nj + ~'rnr + (aijr"i + a-¡rinr)Fjr ■ (5)

При получении (5) учтено равенство n¡a¡jrKr = nrairjKj. Подставляя в (5) выражения для а,у,, и а¡rj, окончательно получим

■7 0 .0 , "¡J "¡Г г ч Г-,

Zi = zijnj + zir"r -(у jr»j + nr)Fjr • (6)

' Y jr

Последний член в этом выражении учитывает нелинейные эффекты. При обобщении формулы на общий случай N> 2 свойства многокомпонентных растворов удается однозначно выразить через соответствующие характеристики бинарныху'-г-растворов (у *r,j = \,N,r = \,N).

Если при назначении функции F(Kn Кг) ограничиться только одним членом ряда, то уравнение состояния (6) примет вид

N , N-\ N _

Ъю»1]=х r=J+l yjr i=\

Поскольку (7) - однородная функция первого порядка от числа молей компонентов, то, как показано в диссертации, для нее справедливо следующее представление:

N _

¿¡(Т,Р,щ,...,пы) = С£4 п^г!(Т,Р,хи...,хм), (8)

7=1

где 7-1 - приведенная термодинамическая функция. Тогда

и/

Ъч

7=1

где хI - мольная доля /-го компонента в растворе. При этом обобщенные мольные доли компонентов К1 можно выразить с учетом (8):

(ю)

Т,У1ох1 1=1

Введенная таким образом приведенная термодинамическая функция 7.1, в отличие от обычной 2„ не зависит от абсолютного числа молей компонентов, составляющих раствор, а зависит только от мольной доли каждого из компонентов, т.е. является однородной функцией нулевого порядка от числа молей компонентов.

Далее показано, что октановое число бензиновой смеси зависит исключительно от относительной доли составляющих смесь компонентов. Поэтому можем записать, по аналогии со свыше рассмотренной моделью, следующий явный вид зависимости октанового числа бензиновой смеси Q от октановых чисел смешиваемых компонентов 0® и мольных долей соответствующих компонентов:

N

е=ЕФу+ф(х1>"'*«)> о1)

>1

где нелинейная составляющая имеет вид

Ф(*, ,...,*„)=¿у«)*,.2? 2 (е°(12>

,=1 j=\ г=7+1 1

Если в качестве функции Кг) ограничиться только первым членом ряда, то для модели октанового числа будем иметь

N , N-1 N О0-О°

1=1

Отсюда следует, что влияние нелинейного члена тем больше, чем больше разность Для практического применения модели произво-

дится ее преобразование применительно к производственным условиям. Для этого в уравнении (13) мольные доли компонентов в растворе и обобщенные мольные доли необходимо заменить на доли объема смешиваемых компонентов.

В четвертой главе рассмотрены методологические, конструктивно-технологические и схемотехнические особенности построения информационно-измерительных систем для контроля качества товарных бензинов.

Предложена ИИС для оценки детонационной стойкости на основе измерения реакций РХПО бензинов в реакторе. Исследование зависимостей реакций окисления смесей бензин/воздух от температуры показало наличие диапазонов существования РХПО и реакции горения (взрыва). Определенные температуры начала распада углеводородов соответствуют температурной области возникновения холодных пламен, открытых М. Б. Нейманом.

В процессе исследования параметров РХПО определены корреляционные связи между параметрами РХПО и детонационной стойкостью углеводородов. В качестве индикаторного компонента, содержащегося в продуктах РХПО, был выбран газ СО.

Для исследований использованы эталонные топлива с октановыми числами в диапазоне 70... 100 ед. Изменение значения выходного напряжения детектора СО в продуктах окисления в зависимости от октанового числа эталонных топлив представлено на рис. 3. Из диаграммы видно, что продукты окисления изооктана (о.ч. изооктана равно 100 ед.) характеризуются минимальным содержанием окиси углерода. Установлено, что чем интенсивнее идет процесс предпламенного окисления, тем выше температура реакции и ниже детонационная стойкость испытуемого бензина.

мЗ

14а

120 -100 ю ■ ю

■

го о ■ -

65

•го

По теории горения профессора Д. Д. Брозе при рассмотрении теплового взрыва принимают, что в газовой смеси идет экзотермическая реакция. Скорость реакции является возрастающей по экспоненциальному закону функцией температуры:

_ _Е_

у/ = кае КТ, (14)

Рис. 3. Связь значения отклика детектора СО с октановым числом эталонных топлив

а о.ч

где V/ - скорость реакции; а - число молекул исходного вещества в единице объема, величина, пропорциональная давлению в реакторе; Я - газовая постоянная, Я = 8,315 Дж/(моль • К); Е - энергия активации; Т - абсолютная температура; к - константа. Давление Р связано с числом молекул а в единице объема следующим соотношением:

Р =

аЯТ-10"

N

= я • 71 • 1,38 • 10-24 Па,

где N = 6-10 - число Авогадро. Отсюда

Р

а = -

•10

,24

(15)

(16)

Г-1,38

Реакция холодно-пламенного окисления, согласно Дж. фон Нейману, самоускоряющаяся и имеет также экзотермический характер. Таким образом, октановое число может характеризоваться аналогично скорости реакции взрыва смеси (£>»IV )■ Тогда октановое число (2 можем выразить, учитывая (15) и (16) через выражение

6= К\ , 07)

1,38-е/«- -Т

где К - константа, определяемая экспериментально.

На рис. 4: 1 - экспериментальная кривая, зависимости давления от октанового числа в реакторе; 2 - кривая, вычисленная по выражению (17).

Р, кГ/см2 |

6.! I--

Рис. 4. Зависимость давления в реакторе от октанового числа бензинов: 1 - эксперимент; 2 - теоретическая кривая, для Л"6о-76= 0,168; К1ь.т = 0,153

Реакция, протекающая в смеси, не является простой функцией от температуры, это более сложная зависимость, так как реакции протекают между постоянно меняющимися реагентами. Поэтому константа К определяется для определенного диапазона октановых чисел.

Для повышения октанового числа товарных бензинов и улучшения их экологических характеристик широко применяется метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ). Зависимости на рис. 5 показывают, что между содержанием МТБЭ (%) в различных бензинах и газа СО в продуктах РХПО исследуемых бензинов наблюдаются различные линейные зависимости. Данный факт позволил использовать реакторный октаномер для изучения влияния раз-

личных присадок на октановое число углеводородного топлива и в конечном счете создать новый способ отработки рецептуры смешения товарного бензина.

бензин-риформат бензин-гидрогенизат

Рис. 5. Зависимость значения

отклика детектора СО от процентного содержания МТБЭ в бензине от объема смеси

По результатам исследований реакции холодно-пламенного окисления бензина разработана ИИС «ОКА-1» для определения октанового числа товарного бензина на основе РХПО. Информационно-измерительная система (рис. 6) содержит реактор (1) с встроенным в его стенки нагревателем ТЭН, Р - датчик давления.

Рис. 6. Функциональная схема ИИС «Ока-1»

Работой и калибровкой ИИС «ОКА-1» управляет микропроцессорный контроллер МПК. Калибровка системы проводится на первичных эталонных смесях изооктана и н-гептана. В результате создается калибровочная кривая

&Р = Щ2,Т), (18)

АР = /рхпо ~~Лтч ~ приращение давления в реакторе при РХПО; Ррхпо -давление в реакторе при РХПО; Ртч - начальное давление в реакторе; <2 -октановое число; Т-температура в реакторе перед впрыском.

Во время калибровки начальная температура в реакторе устанавливается так, чтобы калибровочная кривая товарного бензина совпала с калибровочной кривой, полученной для эталонного топлива, имеющего такую же

октановую характеристику. В дальнейшем устройство должно работать при определенной таким образом начальной температуре реактора.

Вычисление октанового числа на г'-м участке линейной аппроксимации калибровочной кривой производится по выражению

(^-Рона-а)

(19)

где ()х - измеряемое октановое число; Рх - давление реакции холодно-пламенного окисления; <20, ()\ - октановые числа эталонных топлив; Р0, Р\ -давление в реакторе соответствующее октановым числам эталонных топлив.

Для получения калибровочной кривой по моторному методу, которая пройдет выше кривой, полученной по исследовательскому методу, начальную температуру в реакторе увеличиваем, что соответствует более жесткому режиму работы двигателя. На рис. 7 представлена зависимость давления в реакторе от октанового числа эталонных бензинов при температуре Гр^ = 300 °С - исследовательский метод (и.м.) и при температуре Трет = 320 °С - моторный метод (м.м.).

кг/см2 Т= 320 °С

АР

-г =300 "С

Рис. 7. Калибровочные кривые

изменения давления РХПО от октанового числа эталонных бензинов: моторный (м.м.) и исследовательский (и.м.) методы

5« О

Для калибровки ИИС на основе РХПО используют первичные эталоны: это смесь в определенных пропорциях изооктана (о.ч. = 100) и н-гептана (о.ч. = 0), имеющих высокую точность октанового числа. Например, для бензина с о.ч. 95 (изооктан - 95 %, Н-гептан - 5 %,). Как показано в диссертации, погрешность калибровочной модели зависит только от погрешности измерений параметров реакции холодного окисления эталонных топлив: температуры нагрева реактора и давления в реакторе. Так, для бензина с октановыми числами 70 и 77 погрешность измерения составила + 0,17 о.ч. и ±0,039 о.ч. соответственно при доверительной вероятности, равной 0,95.

Разработана ИИС «АС-2004» для оценки детонационной стойкости по диэлектрической проницаемости и электропроводности бензинов.

Для решения данной задачи выделим ряд электрофизических характеристик, идентифицирующих октановое число и тип товарного бензина:

диэлектрическая проницаемость (е), плотность (р), электропроводность (ст), поглощение ультразвука бензином (а), температура (7).

Таким образом, показатель качества, а именно октанового числа <2, бензина представим как математическую зависимость:

Однако для одного конкретного типа бензинов определение октанового числа возможно и по одному параметру, с коррекцией на температуру. Такими параметрами являются диэлектрическая проницаемость или электропроводность бензина. При этом выражение (20) примет вид

Определение октанового числа по (21) осуществляется при условии, что число калибровочных эталонных топлив будет больше одного.

Используемый прием при моделировании в таких условиях - это разработка отдельных моделей М и банка моделей БМ для некоторых определенных ситуаций и вида сырья. Такой подход к моделированию называется ситуационным моделированием.

При использовании ситуационной модели решаются две задачи: 1) разработка методов идентификации товарных бензинов; 2) разработка модели для данного бензина.

Проведенные выше исследования позволили установить критерии идентификации товарных бензинов. Одним из важных критериев можно считать наблюдаемое для каждого типа товарного бензина различие элек-тропроводностей на низких и высоких частотах.

При этом бензины различаются как по уровню, на нижней частоте тестового сигнала - 1 кГц, (рис. 8) электропроводности, так и по ее приращению на верхней частоте тестового сигнала - 100 кГц. Данные опытов, проведенных с использованием измерительного комплекса «ТАНГЕНС-2М» с погрешностью не более 2 % в комплекте с приборами Е7-12 и Е7-14 для бензинов различного типа АИ-92 приведены на рис. 8.

<2 =Л>,р,а,а ,Т),

(20)

Я=Р(е,Т) или е = ^(с,Г)

(21)

Сим

189

188.3

92.1 о.ед. (3 тип)

184 183.9 183.7

Рис. 8. Зависимость электропроводности бензинов АИ-92 разного типа от частоты

180

100

кГц

Результаты проведенных исследований легли в основу разработки структуры ИИС со стационарной калибровочной моделью по классам бензинов и автоматическим выбором калибровочной модели (рис. 9) (р - плотность товарного бензина; у - поглощение ультразвука бензином; а - электропроводность; Е/1 - £/2 диэлектрическая проницаемость бензинов на частотах /, и/2; Т °С - температура бензина; А\,Аг, ..., А„ - адрес калибровочной модели идентифицированного бензина (номер модели); V - вектор данных модели; QтS - оценка октанового числа товарного бензина).

Рис. 9. Структура полиметрической ИИС АС-2004 для оценки октанового числа товарного бензина

р , Блок идентификации типа бензина Блок оценки октан, числа товарного бензина Утб.

V > ГС

о >

Блок калибровочных моделей

ГС

Ап *

Согласно алгоритму работы блока идентификации (рис. 10) бензины классифицируются по приведенным выше параметрам. Достоверность алгоритма подтверждена экспериментальными исследованиями, с использованием ИИС «АС-98», более 90 образцов бензинов как отечественного, так и импортного производства в ТТЛ ФГУ «Янтарьгосэнергонадзор» Калининградского ЦСМ.

Результаты исследования метода, основанного на измерении диэлектрической проницаемости и электропроводности топлива в зависимости от его октанового числа с поправкой на температуру в ИИС «АС-98», использованы в разработке ИИС «АС-2004» для оценки октанового числа бензинов на основе метода полиметрического измерения, выполненного в двух вариантах - в лабораторном «АС-2004М» и поточном «АС-2004П».

Анализ результатов эксплуатации ИИС «АС-98» в «Теплотехнической лаборатории» (испытательном центре «ЯнтарИТ») г. Калининграда с использованием разработанного дополнения к инструкции по его эксплуатации показал, что вероятность подтверждения марки бензина для А-76 (Аи-80) - 1,0, Аи-92 - 0,97, Аи-95 - 0,98, Аи-98 - 0,77, в последнем случае низкая вероятность объясняется малой выборкой (6 марок бензина).

Абсолютная погрешность измерения октанового числа составила для бензинов: А-76 (Аи-80) - (-0,06) о.ч.; Аи-92 - 0,18 о.ч.; Аи-95 - 0,27 о.ч.; Аи-98 - (-0,02) о.ч.

В диссертации рассмотрены принципы построения ИИС на основе фотоспектрометрического метода. По оптическим выходным сигналам из-

меряют величины поглощения на трех или более опорных длинах волн в ближней ИК-области и получают множественную регрессию.

В этом случае математическая модель октанового числа будет представлена выражением

2 = а0 + «1 [ки ] + а2 [кХ2 ] + «з [*ХЗ 1 >

где О - октановое число исследуемого бензина; а, - коэффициенты, определяемые при калибровке; к^ - коэффициент поглощения ИК-излучения на опорных длинах волн, / = 1.. .3.

На основе физических процессов, происходящих при формировании сигнала в оптико-акустической (ОА) ячейке, предложен метод лазерного оптико-акустического измерения октанового числа бензинов. Данный метод имеет большую стабильность и точность измерения и расширяет функциональные возможности прибора.

В качестве источника излучения используется лазер с перестраиваемой длиной волны излучения. Модулированное излучение лазера проходит через оптико-акустическую ячейку, заполняемую анализируемой пробой бензина, через впускной клапан. В результате поглощения на определенном

спектральном канале бензин нагревается и создает в ячейке колебания давления на частоте модуляции источника. Колебания давления с помощью микрофона преобразуются в электрический сигнал С/, пропорциональный коэффициенту поглощения к^:

и = ккхР0+13, (22)

где к = к'к", к' - коэффициент пропорциональности; % - чувствительность микрофона; Р0 - мощность излучения на входе в ячейку; р - показатель фонового поглощения (шумы). На основе оптико-акустического метода измерения октанового числа бензинов разработана ИИС, структурная схема которой представлена на рис. 11.

Рис. 11. Структурная схема ИИС на основе лазерного оптико-акустического эффекта

В качестве источника излучения используется непрерывный лазер с перестраиваемой длиной волны. Излучение лазера, модулированное по частоте вращающимся обтюратором, проходит через оптико-акустическую ячейку, заполняемую анализируемой пробой бензина. Для преобразования акустических сигналов служит конденсаторный микрофон. Для коррекции погрешностей, вызванных флуктуаций излучения, используется дифференциальный метод измерения. С помощью фотодиода формируют напряжение и2, пропорциональное мощности излучения, прошедшего через контролируемую среду, с нормировкой его относительно оптико-акустического сигнала II], полученного с микрофона {и^и2).

При калибровке ИИС на основе ЛОА-эффекта определяется постоянная ЛОА-ячейки Кя, которая необходима для вычисления показателя поглощения анализируемой бензиновой среды в измерительной ячейке. Изме-

няя одновременно длину волны излучения лазера и уровень поглощения, получим эталонный спектр поглощения на информативных полосах поглощения.

При анализе показателей качества по спектрометрическим характеристикам важное значение имеет выбор набора спектральных каналов измерения (ИСКИ).

При контроле октанового числа незаявленных бензинов ведется автоматизированный поиск ИСКИ и дается обоснование его рационального состава.

Определение октанового числа бензиновой ^-компонентной смеси осуществляется в результате проведения анализа поглощения на основе линейной регрессии. Для этого решают систему уравнений из М уравнений с К неизвестными. Система уравнений калибровки (определение коэффициентов регрессии) лазерной ИИС представляет собой систему алгебраических уравнений:

{к2\Ь\+к2гьг + - + к2кьк+$\ =£?2>

(23)

{км{Ь1+кМ2Ь2+... + кшЬк+$м =()м, где к^ — коэффициент поглощения г-го компонента бензиновой смеси дня

у'-го спектрального канала измерения; Ь\ - коэффициенты регрессии (константы, определяемые при калибровке), отражающие степень влияния компонентов на октановое число бензина; Р; - показатель фонового поглощения для у'-го спектрального канала измерения; (), - октановое число образцовых бензинов.

При дифференциальном методе для устранения влияния фонового поглощения измерение проводится в М = 2К спектральных каналах, соответствующих анализируемым компонентам бензиновой смеси:

(Ми Ь{ + Щ2Ь'2 +... + МхкЬ'к = а, {№2ХЬ{ + Ак22Ь2+... + М.2кЬ'к =()2,

{Акк1 Ь{ + Акк2Ь2 +... + МккЬ'к + = а, где Лkj¡ =£(2/4),-— Ь'к - коэффициенты регрессии.

Следовательно, разности коэффициентов поглощения Ак^ бензина на

какой-либо паре длин волн излучения соответствует численный коэффициент, совокупно отражающий влияние химических компонентов бензина на уменьшение или увеличение октанового числа топлива.

Отсюда на основании линейного регрессионного анализа спектральных данных определим октановое число анализируемого бензина с заданной точностью по математической модели

к

где <2 - вычисленное значение октанового числа контролируемого образца бензина; Ь, - (константы) коэффициенты линейной регрессии, определяемые в процессе калибровки; М/7 = ^(2/—1 >/ ""^(2/)/ коэффициенты поглощения

контролируемого образца бензина на спектральных каналах измерения.

Выбор спектральных каналов влияет на точность определения октановых чисел бензинов, поэтому определение НСКИ является необходимым этапом для лазерного оптико-акустического анализа углеводородных топ-лив. На основе проведенных исследований определены основные характеристики анализаторов многокомпонентных смесей: чувствительность и селективность (избирательность) и рассмотрены критерии поиска набора спектральных каналов измерения, основанные на оптимизации определенных характеристик ЛОА-октаномера, чувствительности и селективности. В качестве парциальной чувствительности ур используется частная производная сигнала уу в / -м измерительном канале по изменению доли

/ -го компонета бензиновой смеси.

Это позволяет в системах адаптивного управления компаундированием товарных бензинов получать качественный бензин с заданным октановым числом с первого цикла смешения при коррекции в реальном времени рецептуры при изменении октановых чисел смешиваемых компонентов.

В этом случае для определения концентраций компонентов в ^-компонентной бензиновой смеси необходимо решить систему из 2К линейных уравнений. Здесь неизвестными являются значения концентраций (долей) компонентов бензиновой смеси и значения показателей неселективного поглощения.

Проведен анализ метода идентификации типа углеводородных топлив лазерным оптико-акустическим методом.

Общая погрешность ЛОА ИИС определяется в основном погрешностями калибровки датчика поглощения (ЛОА-ячейка, микрофон), так как дифференциальный метод позволяет значительно уменьшить составляющую фонового поглощения р в основной погрешности.

Далее рассмотрены конструктивно-технологические и схемотехнические особенности ИИС для контроля технологических параметров при смешении бензинов, разработанных автором: электронно-акустическая ИИС на базе поточного плотномера, ИИС на базе акустического вискозиметра жидких нефтепродуктов, ИИС для измерения расхода топлива в емкости на основе гидростатического оптико-электронного уровнемера, которые являются неотъемлемой частью ИИС для оценки октанового числа

(25)

/=1

«АС-2004П».

В пятой главе на основе метода эллипсоидальных оценок и линейного программирования разработана методика определения октановых чисел и оптимального расчета долей компонентов в процессе компаундирования по критерию минимальной стоимости изготовления готового продукта. При решении данной задачи учитываются вид нелинейной математической модели и результаты текущего измерения октановых чисел в потоке и расходов компонентов.

При этом основной задачей является получение товарного бензина требуемого качества при минимизации его стоимости. Стоимость товарного бензина С£ определяется стоимостью с,- и количеством и,- каждого из входящих в него компонентов как С2 = У/',;;,. Поэтому цель задачи управления процессом смешения математически можно представить в следующем виде:

Сти —» тш, (26)

где С=|с[,...,с„ \т - вектор стоимости входящих в товарный бензин компонентов; и =| щ,...,и„ | - вектор величин потоков смешиваемых компонентов;

п - число смешиваемых компонентов, п = 2... 16. Так как стоимости отдельных компонентов на этапе решения задачи (26) являются определенными величинами, минимизация проводится только по вектору и. На управляющие воздействия щ накладываются естественные ограничения, связанные с физическим смыслом этих величин, 0 <м,- где / = 1, ..., п; м,- - компоненты вектора \J\d- известная величина, равная максимальной пропускной способности трубопроводов. Требованиями устойчивости процесса смешивания вызвана необходимость соблюдения следующих ограничений:

\щ{к + \)-щ{к)^Ь, / = Т7Й, (27)

где к — моменты дискретного времени к = 0,1, ... ; Ь - известная величина, задаваемая оператором-технологом.

Технологические требования к содержанию количества смеси в трубопроводе с конечным продуктом определяют ограничение, физический смысл которого состоит в неизменности величины потока товарного бензина:

дти(к) = С, (28)

т т

где q =|1,...,1| - вектор размерности п, все компоненты которого равны единице; <7 - заранее заданная величина (производительность станции смешения), которая устанавливается оператором-технологом.

Среди нормируемых показателей основным является октановое число товарного бензина. Требования, предъявляемые к величине (З^, могут быть записаны в виде

&<&<&, (29)

где соответственно верхняя и нижняя допустимые границы окта-

нового числа товарного бензина, получаемого в результате смешения всех

компонентов в потоке. Чем ниже октановое число компонентов, тем меньше его стоимость. Поэтому желательно, чтобы октановое число товарного бензина соответствовало нижней допустимой границе интервала (29), т.е. = £?£ • Математическая модель смешения бензиновых фракций может

быть описана уравнением

д^(к) = ит(к)0*[дти(к)]~1 +5(к), (30)

* I *

где к - моменты дискретного времени, к = 0,1, ... ; 2 = Ы\ - вектор

октановых чисел компонентов товарного бензина в смешиваемых потоках; 5(к) = £>(и(к),()) - величина, характеризующая степень нелинейности процесса. Величина 5 не превышает для рассматриваемых веществ и интервалов изменения их количества некоторой постоянной величины 5, которая может быть установлена экспериментальным путем. Точно величина 5 определена в (13):

|5(£)| < 5, Ук> 0. (31)

Решение задачи (26) при заданных ограничениях может быть получено путем вычисления вектора оптимальных управляющих воздействий методами линейного программирования, если известен вектор октановых чисел £2; компонентов смеси модели (30).

Однако октановые числа Qi смешиваемых компонентов точно неизвестны, известны лишь их интервальные оценки следующего вида:

й < б, ^ £?, Для всех г = 1,2, ..., п. (32)

Поэтому задача оптимизации процесса компаундирования сводится к поочередному решению следующих задач:

- идентификации неизвестных параметров (октановых чисел компонентов) 2 модели (30);

- минимизации выражения (26) методом линейного программирования при заданных ограничениях (29) и (32).

В основу разработки метода адаптивного управления положен метод эллипсоидальных оценок искомых параметров, в данном случае октановых чисел смешиваемых компонентов. Исходной информацией для работы алгоритма идентификации являются уравнение модели октанового числа (30), текущие значения вектора входов (ит{к) - расходы компонентов) и выходов (У (к) - показания ИИС, измеряющей октановое число товарного бензина в потоке).

Тогда уравнение для определения октанового числа компонентов может быть записано в виде

¥{к) = ит{к)0'[яти{к)Г* + т , (33)

* * * т

где Q =| | - вектор октановых чисел компонентов товарного бен-

зина в смешиваемых потоках; \(к) - ошибка измерений, причем известно,

что |£Д)| < л", - постоянная, определяемая погрешностью октаномера;

ит(к) - расходы компонентов; У(к) - показания октаномера.

Структурная схема адаптивной системы смешения бензинов с ИИС для оценки октанового числа товарного бензина и идентификации октановых чисел компонентов в потоке представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема адаптивной системы смешения бензинов с поточной ИИС: (У; - объем продукта; г/у - объему-го компонента; (]к - (У„) показания о.ч. на октаномере; £>, - о.ч. у'-го компонента; Qj - идентифицированное о.ч. у-го компонента; П — симметрическая положительно определенная матрица, характеризующая многомерный объем эллипсоида; Ujkom - оптимальный расход у-го компонента; ДС/д - ингредиентная добавка (поправка);

^Урасч - расчетный расход у-го компонента; к - дискретное время

Априорно известны оценки значений компонентов вектора Q коэффициентов модели (33) в виде интервалов (32).

В результате идентификации строится последовательность {Е(к)\ эллипсоидальных множеств в соответствующих пространствах Я".

Задача сходимости алгоритмов эллипсоидального оценивания рассматривается в условиях, когда входные переменные в уравнении регрессии связаны линейными ограничениями. Для построения так называемых эллипсоидальных оценок Ек вектора параметров £>* (идентифицируемые октановые числа компонентов) в качестве начального многомерного эллипсоида берется эллипсоид Е0 с параметрами

Эти оценки октановых чисел имеют вид многомерных эллипсоидов:

= 4 1=1Я (34)

где ¿(А:) - центр эллипсоида; Н(к) - симметрическая положительно определенная матрица, характеризующая многомерный объем эллипсоида.

При возрастании дискретного времени к многомерные объемы эллипсоидов Е (к) монотонно убывают При этом гарантируется, что вектор О* октановых чисел компонентов товарного бензина в смешиваемых

потоках принадлежит эллипсоидам Е(к), т.е. выполняются включения, *

(2 еЕ{к) длявсех£ = 1,2,...

Центры эллипсоидов принимаются за оценки вектора параметров О*. В (34) ()/, е Я" - центр симметрии эллипсоида; Нк - положительно определенная (ихи)-матрица. Величины, определяющие оценку Ек, вычисляются в соответствии с тем или иным алгоритмом эллипсоидального оценивания:

& = + , тН,г~Х1'\м2 -Ок-\ик), (35)

(иКНк-\ик)

»к=Ук

икнк~\ик

(36)

где начальные значения Q0 и Н0 равны соответствующим параметрам априорного эллипсоида в (35) и (36); - числовые параметры, в общем

случае функционально связанные с переменными укг1{к^к'Як-\'^к-\ ■ Пара ик, ук считается информативной, если

у2М<д<1 (37)

где ¿1 - некоторая константа. Поскольку объем эллипсоида Ек прямо пропорционален корню квадратному из определителя <1е1 Нк матрицы Нк, то для информативных пар объемы эллипсоидов строго монотонно убывают.

В результате получения уравнения измерения октанового числа (33) решается задача оценивания параметров линейной регрессии (38) при линейных ограничениях (27), (28) и (29) на вектор входных переменных:

ук=$ик+$к,к = 1,2,..., (38)

где измеренное значение октанового числа ук и вектор ик входных переменных (КЦ>0, |*| - евклидова норма вектора) предполагаются известными в каждый момент к дискретного времени; 0* е Я" - вектор неизвестных (оцениваемых) параметров (Я" - п-мерное евклидово вещественное пространство); Г-символ транспонирования; Е,к - ошибка измерения.

Предложенный алгоритм позволяет при учете априорной информации об ограничениях и результатах измерений строить множественные оценки (в виде многомерных эллипсоидов), соответствующие оцениваемым октановым числам смешиваемых компонентов.

Разработан алгоритм вычисления ингредиентных (изучающих) добавок при линейных ограничениях на значение входных переменных, обеспечивающий сходимость алгоритма идентификации во всех случаях.

Данная задача рассматривалась в общем виде. Конкретный алгоритм решения задачи оптимизации процесса компаундирования (расчет управляющих воздействий, задающих рецептуру смешения) оформлен в виде компьютерной программы (приложение А).

В шестой главе рассмотрена техническая реализация ИИС для адаптивной системы управления процессом компаундирования (смешения) нефтепродуктов с использованием разработанных автором ИИС контроля качества товарных бензинов «АС-98» и «АС-2004».

Для управления смешением в потоке, со встроенными в контур управления ИИС «АС-2004П», разработаны автором специализированные многопроцессорные контроллеры: «Интеграл-1АК» - на базе КР1816ВЕ35; «Интеграл-4АС» - на базе АТ9088515 (рис. 13,6) (Пат. № 1784103, СССР; Пат. № 1824592, РФ).

Рис. 13. Техническая реализация ИИиУС для компаундирования товарных бензинов: а октанометр «АС-98»; б - многопроцессорный контроллер «Интеграл-4АС»

Специализированные микроконтроллеры имеют модульную структуру: модуль процессора-арбитра с блоками интерфейсов ЯБ232 и К8-485, служащих для связи с персональным компьютером и с ИИС октанового числа товарного бензина, плотности, вязкости и температуры; алгоритм его работы представлен на рис. 14;

модули канальных процессоров, количество которых зависит от числа смешиваемых компонентов товарного бензина.

В табл. 1 представлены оценки октановых чисел компонентов, оптимальных расходов и стоимости готовой продукции. Первый расчет является контрольным, при нем оптимальное компаундирование рассчитывается при истинных (действительных) значениях октановых чисел компонентов.

Рис. 14. Блок-схема алгоритма работы процессора-арбитра

Таблица 1

Результаты численного моделирования компаундирования трех компонентов

Вариант счета Октановые числа компонентов Октановое число товарного бензина А-72 Стоимость бензина, усл.ед Оптимальный расход компонентов, м3/ч

Оценки о.ч. компонентов Истинные о.ч. компонентов (УИТ-85)

1 2 3 1 2 3 1 2 3

1 83,0 61,5 69,5 83,0 61,5 69,5 71,5 8,77 144 156 50

2 83,9 60,6 69,8 83,0 61,5 69,5 71,5 8,77 144 156 50

3 83,2 61,3 69,8 83,0 61,5 69,5 71,5 8,79 144 155 51

61,5 69,5

На основании разработанных математических моделей и схемных решений разработаны алгоритмы и программное обеспечение ИИиУС.

Второй расчет был проведен с помощью программы «ОСТАМ» (приложение А) при отсутствии изучающих добавок. В третьем расчете программа «ОСТАМ» генерировала изучающие добавки. Проведен сравнительный анализ производительности станции смешения при использовании алгоритма с итерационным циклом регулирования и идентификацией октановых чисел.

Пусть максимально возможная производительность станции смешения равна 100 м3/ч, а среднее время, за которое происходят возмущающие воздействия, связанные с различными причинами, равняется 10 мин. С помощью разработанной в среде Ма(ЬАВ программы призведена оценка времени, которое требуется регуляторам для отработки этих возмущений.

При этом показано, что общее время перемешивания компонентов тс для адаптивной системы составляет:

- для алгоритма с итерационным циклом регулирования - 19,2 мин;

- дом алгоритма с идентификацией октановых чисел компонентов -9,6 мин.

Таким образом, лучшие результаты дает применение адаптивной системы с идентификацией октановых чисел компонентов, при этом на станции смешения выпуск продукции требуемого качества является максимальным и составляет 84 % от выпускаемой продукции при первом же цикле смешения.

Основные результаты и выводы по диссертационной работе

В результате проведенных в диссертации исследований разработаны научные основы создания комплекса поточных ИИС для оценки октанового числа и компонентного состава товарного бензина, основанных на использовании новых взаимосвязей показателей качества углеводородных топлив с их электродинамическими, оптико-акустическими и термодинамическими характеристиками. При этом получены следующие результаты и выводы.

1. На основе обзора и сравнительного анализа определены пути совершенствования ИИС определения детонационной стойкости, основанные на применении электрофизических, оптико-акустических и термодинамических методов оценки октанового числа и идентификации компонентного состава (типа) товарных бензинов в потоке.

2. Разработана адаптивная информационно-измерительная и управляющая система для управления станцией компаундирования бензинов, содержащая ИИиУС оценки октановых чисел бензина в потоке, ИИиУС оценки октановых чисел компонентов, регулятор и ИИиУС расходов компонентов, блок расчета начальной рецептуры (см. рис. 1).

3. В результате проведения исследования электрофизических характеристик углеводородных жидкостей разработаны новые принципы реализации ИИС контроля качественных параметров бензинов на основе:

- измерения избыточного давления и концентрации углекислого газа в процессе реакции холодно-пламенного окисления бензина в реакторе;

- полиметрических измерений комплекса реологических параметров бензинов, в том числе диэлектрической проницаемости бензинов на двух частотах;

- измерения параметров оптико-акустического эффекта при поглощении лазерного излучения в контролируемой среде.

4. Разработаны принципы построения ИИС на основе спектрометрических данных лазерного оптико-акустического эффекта, измерения давления в процессе РХПО при определенной температуре реактора и полиметрического метода.

5. Получена математическая модель зависимости октанового числа от параметров реакции холодно-пламенного окисления, и разработана высокоточная ИИС «Ока-1», которая калибруется на тестированных эталонных смесях изооктана и н-гептана, что обеспечивает малую погрешность оценки октанового числа: 0,05-0,25 %, товарного бензина с различным октановым числом;

- разработан полиметрический метод идентификации и измерения октановых чисел товарных бензинов и ИИС «АС-2004» на его основе, которая позволяет определять октановое число по автоматически выбираемой калибровочной модели с погрешностью не более 0,18 о.ед. для различных классов бензинов (см. рис. 9);

- разработаны математическая модель, схемы и конструкция ИИС на базе лазерного оптико-акустического метода измерения, методика ее калибровки и измерения октанового числа.

6. Впервые получена научно обоснованная нелинейная математическая модель «октановое число - состав товарного бензина», отображающая процесс смешения компонентов бензина.

7. Разработана методика определения октановых чисел и долей смешиваемых компонентов, основанная на математической модели октанового числа и результатах измерения текущего значения октанового числа в потоке;

- разработан метод эллипсоидальных оценок с использованием математической модели октанового числа и измеренных данных октанового числа в потоке, октановых чисел компонентов, и методом линейного программирования определяются оптимальные доли смешиваемых компонентов.

8. Получены оценки октановых чисел компонентов в процессе численного моделирования ИИС для адаптивного компаундирования 3-компонентного состава товарного бензина. Оценки октановых чисел от-

личались от истинных октановых чисел компонентов не более чем на 0,3 о.ед., что меньше допускаемой абсолютной погрешности в 0,5 о.ед.

9. Разработаны структура и программное обеспечение ИИ и УС для управления станцией смешения товарных бензинов, экспериментальные исследования и опытно-промышленные испытания которой подтвердили правильность основных теоретических положений, полученных в диссертации.

10. Экспериментально доказано, что, в отличие от известных ИИС аналогичного назначения, разработанные средства измерения отличаются тем, что:

- позволяют измерять октановые числа и идентифицировать компонентный состав в потоке товарного бензина;

- обладают более высоким быстродействием и точностью измерения;

- применение ИИС в адаптивной системе управления компаундированием позволяет в 1,4 раза увеличить выпуск продукции требуемого качества, что на НПЗ средней мощности позволяет экономить до десятков миллионов долларов в год, что подтверждается результатами экспериментальных исследований и актами промышленного внедрения разработанных ИИС.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Астапов, В. Н. Методологические и схемотехнические решения в системах контроля и управления на нефтеперерабатывающем заводе [Текст] /

B. Н. Астапов. - Самара : Изд-во СНЦ РАН, 2006. - 286 с.

2. Скворцов, Б. В. Приборы и системы контроля качества углеводородных топлив [Текст] / Б. В. Скворцов, Н. Е. Конюхов, В. Н. Астапов. - М. : Энергоатом-издат, 2000. - 366 с.

3. Сусарев, С. В, Системы автоматизированного управления компаундированием бензинов с использованием поточных анализаторов качества [Текст] /

C. В. Сусарев, Ю. И. Стеблев, В. Н. Астапов. - М. : Машиностроение, 2012. - 307 с.

Публикации в гаданиях, рекомендованных ВАК

4. Астапов, В. Н. Приборы для измерения октанового числа бензинов в технологическом потоке [Текст] / В. Н. Астапов // Химия и технология топлив и масел. - 2002. - № 2. - С. 49-51.

5. Астапов, В. Н. Лазерный оптико-акустический октанометр в системах оптимизации процесса компаундирования товарных бензинов [Текст] / В. Н. Астапов // Вестн. СГАУ. - 2009. - № 1 (17).-С. 145-153.

6. Астапов В. Н. Оценивание с помощью эллипсоидов параметров линейной регрессии при линейных ограничениях на вектор входных переменных [Текст] / В. Н. Астапов, Г. М. Бакан, Н. Н. Сальников // Автоматика. - 1993. -№ 1. - С. 28-34.

7. Астапов, В. Н. Математическое моделирование технологического процесса смешивания бензиновых фракций [Текст] / В. Н. Астапов, Г. М. Бакан, А. Т. Коцюба и др. // Автоматика. — 1992. - № 5. - С. 31—37.

8. Астапов, В. Н. Лазерный оптико-акустический метод контроля качества углеводородных топлив [Текст] / В. Н. Астапов, В. В. Плешивцев, Н. Е. Конюхов // Вестн. Самар. гос. ун-та. - 2006. - № 9. - С. 277-284.

9. Астапов, В. Н. Применение процессорных измерительных устройств в физико-технических исследованиях [Текст] / В. Н. Астапов, В. В. Плешивцев // Вестн. СамГТУ. - 2009. - № 3 (25). - С. 224-226.

10. Астапов, В. Н. Контроль качества товарных бензинов [Текст] / В. Н. Астапов, С. В. Сусарев // Естественные и технические науки. - 2010. -№ 4 (48). - С. 425^29.

11. Астапов, В. Н. Лазер контролирует октановое число бензинов [Текст] / В. Н. Астапов, С. В. Сусарев // Ученые записки. Электронный научный журнал Курского гос. ун-та. - 2010. - 7 с.

12. Астапов, В. Н. Электронный октаномер [Текст] / В. Н. Астапов, Б. В. Скворцов // Измерительная техника. - 1999. - № 9. - С. 63-65.

13. Астапов, В. Н. Идентификация товарных бензинов универсальным комплексным методом [Текст] / С. В. Сусарев, Ю. И. Стеблев. В. Н. Астапов // Вестн. СамГТУ. - 2010. - № 7. - С. 202-206.

14. Астапов, В. Н. Определение содержания воды и металлосодержащих микроэлементов в нефти [Текст] / С. В. Сусарев, В. Н. Астапов // Веста. СамГТУ, -2011. -№ 1.-С. 233-237.

15. Астапов, В. Н. Неразрушающий контроль качества вулканизации формовых резинотехнических изделий электрофизическим методом [Текст] / В. Н. Астапов, С. К. Мисиевич // Вестн. СГАУ. - 2011. - № 6. - С. 47-52.

16. Astapov, V. N. Instruments for Measuring the Octane Number of Gasolines in the Process Stream [Text] / V. N. Astapov // Springer New York Consultants Bureau. Chemistry and Technology of Fuels and Oils. - 2002. - T. 2, № 2. - P. 131-134.

17. Astapov, V. N. Mathematical modelling of production process of mixing gasoline fractions [Text] / V. N Astapov, G. M. Bakan, A. T. Kotsyuba, E. A. Odintsova // Scripta Pub Co. Soviet Automatic Control. - 1992. - № 5. - P. 31-37.

18. Astapov, V. N. An electronic octane gauge [Text] / V. N. Astapov, В. V. Skvortsov // Springer New York Consultants Bureau. Measurement Techniques. -1999. - V. 42, № 9. - P. 913-915.

Публикации в рецензируемых изданиях

19. Астапов, В. Н. Техническая реализация адаптивной оптимизации процесса компаундирования нефтепродуктов [Текст] / В. Н. Астапов, Г. М. Бакан, Г. Г. Воробьев и др. - Киев, 1991. - 22 с. [Препринт АН УССР. Институт кибернетики им. В. М. Глушкова].

Авторские свидетельства и патенты РФ

20. А.с. № 11809317 СССР. Гидростатический датчик уровня жидкости [Текст] / Астапов В. Н., Черняк С. В. - Бюл. № 14. 1993.

21. Патент 2305283 РФ. Способ измерения октанового числа бензинов [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 24. 2007.

22. Патент 2133493 РФ. Способ адаптивного управления процессом смешивания жидкостей [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 20. 1999.

23. Патент 2091758 РФ. Способ определения октанового числа бензинов и устройство для его осуществления [Текст] / Астапов В. Н., Васильев P. JL и др. -Бюл. №27. 1997.

24. Патент 2210764 РФ. Способ определения плотности жидкостей и устройство для его осуществления [Текст] / Астапов В. Н., Синников С. Г. и др. -Бюл. № 23. 2003.

25. Патент 2386959 РФ. Способ определения содержания воды и суммарного содержания металлосодержащих микроэлементов в нефти или нефтепродуктах [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. №11.2010.

26. Патент 1714476 СССР. Устройство для определения октанового числа бензинов [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 7. 1992.

27. Патент 1747913 СССР. Устройство для дозирования [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 26. 1992.

28. Патент 1784103 СССР. Устройство для обмена информацией [Текст] / Астапов В. Н., Воробьев Г. Г. - Бюл. № 47. 1992.

29. Патент 1824592 РФ. Устройство для измерения частоты и периода [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 24. 1993.

30. Патент 2052167 РФ. Устройство для аварийного перекрытия трубопровода [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 1. 1996.

31. Патент РФ на пол. модель № 55986. Устройство для измерения плотности жидкости [Текст] / Астапов В. Н., Фалкин Д. В. - Бюл. № 24. 2006.

32. Патент 2206085 РФ. Устройство для оперативного измерения октанового числа бензинов [Текст] / Астапов В. Н., Синников С. Г. и др. - Бюл. № 16. 2003.

33. Патент 2207557 РФ. Устройство для измерения октанового числа бензина [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 18. 2003.

34. Патент 1827579 РФ. Прибор для определения твердости полимерных материалов [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 26. 1993.

35. Патент РФ на пол. модель № 40469. Бортовое устройство для контроля загрязнения моторного масла [Текст] / Астапов В. Н. — Бюл. № 25. 2004.

36. Патент 2013565 РФ. Устройство для автоматического контроля метана и других горючих газов [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 10. 1994.

37. Патент РФ на пол. модель № 67707. Бортовое устройство контроля уровня и загрязнения моторного масла [Текст] / Астапов В. Н., Мисиевич С. К. -Бюл. № 30. 2007.

38. Патент РФ на пол. модель № 71425. Лазерный оптико-акустический ок-танометр [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 7. 2008.

39. Патент 2226269 РФ. Устройство дистанционного контроля атмосферы [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 9. 2004.

40. Патент 2380695 РФ. Бортовое устройство для измерения октанового числа бензинов [Текст] / Астапов В. Н. - Бюл. № 3. 2010.

Публикации в других изданиях

41. Астапов В. Н. Математическая модель технологического процесса смешивания бензиновых фракций [Текст] / В. Н. Астапов, Г. М. Бакан, А. Т. Коцюба // Применение ВТ и математических методов в научных исследованиях : тез. докл. науч.-техн. конф. - Киев : КПИ, 1991. - С. 118.

42. Фомин, А. В. Электронно-акустическое устройство для определения плотности нефтепродуктов [Текст] / А. В. Фомин, В. Н. Астапов, Б. В. Скворцов // Вестн. СГАУ. - 2001. - № 6. - С. 79-83.

43. Астапов, В. Н. Автоматизированная система контроля и управления степени вулканизации формовых резинотехнических изделий [Текст] / В. Н. Астапов, И. Г. Абдулин // Вестн. СГАУ. - 2002. - № 7. - С. 17-21.

44. Астапов, В. Н. Акустический метод измерения вязкости жидких нефтепродуктов [Текст] / В. Н. Астапов, Т. А. Некрасова // Вестн. СГАУ. - 2004. -№9.-С. 54-58.

45. Астапов, В. Н. Физические основы оптико-акустического метода контроля качества углеводородных топлив [Текст] / В. Н. Астапов // Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики : науч. тр. VII Междунар. науч.-практ. конф. - М.: МГАПИ, 2005. - С. 19-23.

46. Астапов, В. Н. Дистанционный контроль загрязнения атмосферы [Текст] / В. Н. Астапов // Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики : науч. тр. VII Междунар. науч.-практ. конф. -М.: МГАПИ, 2005.-С. 15-19.

47. Астапов, В. Н. Автоматизированная система коммерческого учета и распределения светлых нефтепродуктов [Текст] / В. Н. Астапов, Д. В. Фалкин // Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики : науч. тр. IX Междунар. науч.-практ. конф. - М. : МГАПИ, 2006. -С. 12-17.

48. Астапов, В. Н. Физические процессы в оптико-акустической ячейке устройства контроля качества углеводородных топлив [Текст] / В. В. Плешивцев, Н. Е. Конюхов, В. Н. Астапов // Сб. тр. студентов и аспирантов РТФ СГАУ. -2006.-Вып. 10.-С. 36^41.

49. Фалкип, Д. В. Оптический кодирующий преобразователь линейных перемещений с улучшенной разрешающей способностью [Текст] / Д. В. Фалкин,

B. Н. Астапов // Сб. тр. студентов и аспирантов РТФ СГАУ. - 2006. - Вып. 10. -

C. 109-114.

50. Астапов, В. Н. Адаптивная система управления характеристиками сма-зочно-охлаждающей жидкости в технологическом процессе стана горячей прокатки [Текст] / В. Н. Астапов, Д. В. Фалкин // Автоматизация, диагностика и контроль технологических процессов и оборудования : межвуз. сб. науч. тр. - Вып. 6. -2006. - С. 43^47.

51. Астапов, В. Н. Поиск набора спектральных каналов измерения для JIOA-октанометра. Высокие технологии в машиностроении [Текст] / В. Н. Астапов, В. В. Плешивцев // Материалы науч.-техп. интернет-конф. с междунар. участием. - Самара : Изд-во СамГТУ, 2006. - С. 29-41.

52. Астапов, В. Н. Оптимизация процесса компаундирования товарных бензинов. Высокие технологии в машиностроении [Текст] / В. Н. Астапов, В. В. Плешивцев // Материалы науч.-техн. шггернет-конф. с междунар. участием. -Самара: Изд-во СамГТУ, 2008. - С. 238-245.

53. Астапов, В. Н. Анализ составляющих погрешностей лазерного оптико-акустического октанометра [Текст] / В. Н. Астапов, В. В. Плешивцев // Материалы науч.-техн. интернет-конф. с междунар. участием. - Самара : Изд-во СамГТУ, 2008.-С. 7-10.

О

-Se

Научное издание

АСТАПОВ Владислав Николаевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ СТАНЦИЯМИ ПОТОЧНОГО СМЕШЕНИЯ ТОВАРНЫХ БЕНЗИНОВ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Редактор Ю. В. Коломиец Технический редактор А. Г. Темникова Компьютерная верстка А. Г. Темниковой

Распоряжение № 3/2013 от 15.02.2013. Подписано в печать 15.02.2013. Формат 60х84'/16. Усл. печ. л. 1,86. Заказ № 002086. Тираж 100.

Пенза, Красная, 40, Издательство 111'У Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева» (национальный исследовательский университет)

На правах рукописи

05201351131 Астапов Владислав Николаевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ СТАНЦИЯМИ ПОТОЧНОГО СМЕШЕНИЯ ТОВАРНЫХ БЕНЗИНОВ

Специальность 05. 11. 16 Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Гречишников В.М.

Самара, 2013 г.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ИИиУС - информационно-измерительная и управляющая система

НПЗ - нефтеперерабатывающий завод

ИИС - информационно-измерительная система

АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом

РХПО - реакция холодно-пламенного окисления

04 - октановое число

O.E. - октановая единица

JIOA - лазерный оптико-акустический

МТБЭ - метил-трет-бутиловый эфир

ОЧИ - октановое число по исследовательскому методу

ОЧМ - октановое число по моторному методу

ТЭС - тетраэтилсвинец

МПК - микропроцессорный контроллер

ОАД - оптико-акустический детектор

СО - окись углерода

НСКИ - набор спектральных каналов измерения УЗ - ультразвук

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 6

Глава 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТОВАРНЫХ БЕНЗИНОВ................................ 22

1.1 Товарный бензин как объект контроля, анализ показателей качества . 22

1.2 ИИС для контроля и управления промышленными станциями смешения нефтепродуктов....................................................................... 33

1.2.1 Информационно-измерительные системы в структуре многопараметрической адаптивной оптимальной системы управления... 46

1.2.2 Обзор методов построения информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ............................... 51

1.3 Обзор методов оценивания параметров и управления в условиях

нестохастически заданной неопределенности................................ 56

Основные выводы и результаты главы 1 ...................................... 62

Глава 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ В ИИС КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТОПЛИВ............................................ 63

2.1 Анализ акустических характеристик жидких углеводородных сред... 63

2.2 Анализ электродинамических характеристик углеводородных

топлив.................................................................................... 78

2.3 Физические основы оптико-акустического метода контроля качества

углеводородных топлив............................................................ 87

Основные выводы и результаты главы 2....................................... 95

Глава 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА ТОВАРНОГО БЕНЗИНА В ПРОЦЕССЕ СМЕШЕНИЯ БЕНЗИНОВЫХ КОМПОНЕНТОВ.......................................... 97

3.1 Основные положения.......................................................... 97

3.2 Математическое моделирование термодинамики растворов.......... 99

3.3 Математическое моделирование зависимости

"октановое число-состав товарного бензина"................................. 107

Основные выводы и результаты главы 3 ..................................... 111

Глава 4 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИИиУС ДЛЯ ОЦЕНКИ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА И МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ТОВАРНЫХ БЕНЗИНОВ.......................................................... 112

4.1 Структура и систематизация ИИиУС для управления компаундированием товарных бензинов....................................... 112

4.2 ИИС для определения октанового числа товарного бензина на базе

реакторного октанометра......................................................... 113

4.2.1 Метод оценки детонационной стойкости по РХПО.................. 113

4.2.2 Реакторный октанометр на основе реакции холоднопламенного окисления бензинов «Ока-1 »...................................................... 122

4.3 ИИС для оценки октанового числа на базе диэлектрического октанометра АС-2004............................................................................... 132

4.4 ИИС для оценки октанового числа на базе спектрометрического октанометра......................................................................... 137

4.5 ИИС для оценки октанового числа на базе лазерного оптико-акустического октанометра................................................................ 140

4.6 Метод определения октанового числа бензинов на основе регрессионного анализа спектров поглощения в лазерном оптико-акустическом октанометре............................................. 146

4.7 Постановка задачи и поиск набора спектральных каналов измерения для JIOA-октанометра............................................. 153

4.8 Этапы работы лазерного оптико-акустического октанометра в информационной системе для оценки долей компонент в

бензиновой смеси..................................................................................... 173

4.9 Идентификация углеводородных топлив лазерным оптико-акустическим методом.................................................. 179

4.10 Полиметрический метод идентификации товарных бензинов...... 185

Основные выводы и результаты главы 4.................................... 241

Глава 5: ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И

УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ОКТАНОВЫХ

ЧИСЕЛ ЛЛЯ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ СМЕШЕНИЯ ТОВАРНОГО БЕНЗИНА........................................................................... 243

5.1. Постановка задачи оптимизации и метод решения.................... 243

5.2. Алгоритм идентификации (оценки октановых чисел компонент) параметров математической модели........................................... 246

5.3 Метод обеспечения сходимости алгоритма идентификации при

ограничениях на вектор входных переменных.............................. 254

Основные выводы и результаты главы 5...................................... 267

Глава 6. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИИС ДЛЯ АДАПТИВНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА КОМПАУНДИРОВАНИЯ (СМЕШЕНИЯ) НЕФТЕПРОДУКТОВ........................................ 268

6.1. Техническое обеспечение и разработка комплекса технических средств ИИС для управления процессом смешения нефтепродуктов................ 268

6.2. Основные схемные решения ИИС для смешения бензинов............ 279

расхода компонентов.............................................................. 280

6.3. ИИС учета и управления распределением и хранением товарных бензинов.............................................................................. 288

6.4. Программное обеспечение ИИС.......................................... 290

6.4.1. Программы контроля, тестирования и оценки оптимального управляющего воздействия на расход компонентов для смешения

бензинов в потоке.................................................................. 290

6.4.2. Программы оценки октановых чисел смешиваемых компонент и оптимальных управляющих уставок процесса

смешения бензинов в потоке................................................... 298

6.4.3 Исследование динамических характеристик адаптивной системы управления и сравнительный анализ производительности станции

смешения при использовании различных регуляторов...................... 300

6.5 Диагностика неисправности технических средств ИИС и методы

защиты от неисправностей...................................................... 308

Основные выводы и результаты главы 6..................................... 315

Выводы и результаты диссертационной работы........................... 316

ЛИТЕРАТУРА........................................................................321

ПРИЛОЖЕНИЕ А...................................................................334

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................... 341

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Исходя из особенностей топливно-энергетического баланса страны, технологическая структура мощностей переработки нефти в рассматриваемый период формировалась без достаточного развития процессов, углубляющих переработку нефти и повышающих качество продукции. Мощность углубляющих переработку нефти вторичных процессов составляла 19% к мощности первичной переработки нефти. Существенно отстает от требований времени развитие процессов, обеспечивающих качество моторных топлив и других нефтепродуктов [49].

Федеральная программа реконструкции и модернизации предприятий российской нефтеперерабатывающей промышленности, представляющая по существу сводные планы нефтяных компаний, предусматривает для углубления переработки нефти и повышения качества продукции создание и развитие ряда современных технологических процессов.

Во всех регионах и странах мира принимаются жесткие государственные законы, ограничивающие выбросы в атмосферу углеводородов, оксидов серы, азота и тяжелых металлов при использовании моторных и котельных топлив, а также в процессе технологической переработки нефти.

Изменение инфраструктуры, номенклатуры спроса и условий работы НПЗ вызывает необходимость создания в России новых и модернизации действующих технологических систем без остаточной переработки нефти, и производства высококачественных экологически чистых нефтепродуктов.

Одним их главных требований таких систем является максимальная оснащенность объекта автоматизации высокоточной информационно-измерительной техникой и АСУ ТП.

Российские нефтеперерабатывающие предприятия, в большинстве своем, не отвечают этим требованиям. Устаревшие и неточные датчики и измерительные системы, слабая оснащенность объектов системами АСУ ТП, изношенная запорная арматура, приготовление части нефтепродуктов смешением в резервуарах, а не в потоке — все это не позволяет существующим системам эффективно решать поставленную перед ними задачу.

В этих условиях актуальна постановка и решение задач контроля качества нефтепродуктов, а также разработка автоматизированных ИИС на их основе, учитывающих специфику отечественных НПЗ, слабую оснащенность АСУ ТП и низкую точность измерительных приборов.

Процесс смешения нефтепродуктов является завершающим и наиболее ответственным этапом в формировании не только качества, но и себестоимости товарной продукции.

Учитывая высокую производительность современных

нефтеперерабатывающих заводов, а также непосредственную зависимость потребительских свойств готового продукта от физико-химических характеристик смешиваемых компонент, важнейшую роль в системах управления промышленными станциями смешения товарных бензинов приобретают информационно-измерительные и управляющие системы (ИИиУС) для оценки детонационной стойкости, готового продукта и его компонентов. Точность и быстродействие ИИиУС во многом определяют качество производимой продукции.

Как показывает мировой и отечественный опыт, перспективным направлением разработки и создания таких ИИС является использование электрофизических методов, основанных на принципах электродинамики, оптоэлектроники, спектрометрии и акустики. При этом чаще всего используются зависимости детонационной стойкости от диэлектрической

проницаемости, спектра поглощения, а также избыточного давления в реакторах холодно пламенного окисления (РХПО).

Проблеме создания ИИиУС и датчиковой аппаратуры на основе указанных электрофизических явлений посвящены работы ряда отечественных ученых B.C. Рудик, A.C. Уваров, Н.Е. Конюхов, Б.В. Скворцов). Среди зарубежных авторов следует отметить труды М.Н. Александрова, Б.Н. Гордеева, Ю.Д. Жукова (Украина); Steven М., Huntington W., Goodger Е.М., Valvade А.Р. (США); Finske E.R., Jonston W.C. (Великобритания).

Современные ИИиУС для оценки детонационной стойкости бензинов в основном основаны на использовании двигательных установок типа УИТ-85, работа которых основана на зависимости октанового числа от интенсивности детонации при определенных частотах вращения двигателя, углах опережения зажигания и температуре топливно-воздушной смеси. Установка калибруется на эталонных смесях изооктана и нормального гептана.

Кроме того, на некоторых нефтеперерабатывающих заводах России используются устройства экспрессного измерения октанового числа, в дальнейшем октаномеры, как отечественного производства (SHATOX, СИМ-Зб, ПЭ7000), так и импортного (например, ZX101C фирмы Zeltex). Однако все применяемые ИИС для оценки детонационной стойкости основаны на анализе предварительно отобранных проб. Это приводит к значительным экономическим издержкам, связанным с возможностью производства больших объемов нестандартных (бракованных) бензинов (до

•у

300 м ), в течение времени анализа пробы, которое может лежать в пределах от 20 до 50 мин. При регулярном повторении процедуры анализа, в течение рабочей смены, потери могут достигать внушительных размеров - более 4 тысяч м3 в сутки, что крайне негативно сказывается на процессах ценообразования рынка нефтепродуктов.

Кроме того, существующие измерительные устройства и системы обладают рядом принципиальных недостатков, связанных с влиянием на точность измерения внешних эксплуатационных факторов, региональных особенностей исходного сырья, со сложностью их настройки и эксплуатации и невозможностью работы в потоке.

При создании ИИиУС для управления смешением важной проблемой является не только измерение октанового числа готового продукта, но и определение его компонентного состава, определяющего тип бензина в соответствии с действующими стандартами на углеводородное топливо (ГОСТ Р 51105-97). Существующие ИИиУС и системы обеспечения качества нефтепродуктов используют в своей основе линейные модели октанового числа и разработанные на их основе экспериментальные калибровочные характеристики. Однако такой подход не учитывает вариативность октанового числа и физико-химических характеристик смешиваемых компонент, что создает высокую вероятность ложной идентификации типа бензина, условия для применения в производстве не предусмотренных стандартами экологически опасных компонент, и снижает качество товарной продукции.

Указанные недостатки во многом связаны с отсутствием научных основ создания ИИиУС для оценки октанового числа, встроенных в технологический процесс компаундирования бензинов, отвечающих современным требованиям по функциональным возможностям, точности, быстродействию и достоверности идентификации нефтепродуктов с учетом региональных особенностей исходного сырья и компонентного состава.

В связи с этим разработка, теоретическое обоснование и внедрение ИИС, позволяющих оценивать октановые числа углеводородных топлив в потоке, и идентифицировать их компонентный состав представляет собой актуальную научно-техническую проблему. Решение данной проблемы позволит нефтеперерабатывающим предприятиям страны

оптимизировать процессы в системах управления компаундированием, исключить рекламации по качеству готовой продукции, а также повысить ее конкурентоспособность на мировом рынке нефтепродуктов.

Актуальность диссертационной работы подтверждена грантом в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», (гос. контракт №П1511 от 18.11.2010г.).

Эффективность процесса непрерывного смешения в коллекторе достигается за счет сокращения расходов дорогостоящих составляющих бензина и исключения случаев получения продукта со значительным запасом качества. Такая система управления непрерывного смешения бензинов внедрена на НПЗ фирмы "Хамбл Ойл Рефайнинг" в Бейтон Руж (США); в ней использованы анализаторы октанового числа (А0Ч) по исследовательскому и моторному методам, измеритель ДНП и газовые хроматографы для определения ФС.

Зарубежный опыт эксплуатации ИИС для контроля качества бензинов в потоке показал возможность достижения более высоких метрологических характеристик по сравнению с лабораторными методами испытаний [230]. Так, например, воспроизводимость при определении ОЧ с помощью автоматического анализатора лучше, чем при определении детонационной стойкости на лабораторном испытательном двигателе, а разброс результатов меньше в четыре раза. Это дает возможность получать бензин с отклонением от заданного ОЧ в пределах ±0,05 o.e. [173].

Проведенный расчет экономического эффекта от внедрения системы на одном из отечественных предприятий показывает, что экономия от уменьшения запаса по октановому числу только на 0,1 o.e. составит примерно $200 на 1000 т бензина.

Для ряда предприятий превышение 04 относительно требований стандартов достигают 0,5 - 1,5 o.e. и более [173].

Настоящая диссертационная работа посвящена вопросам построения и развития теории информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойства вещества, а именно разработке электрофизических методов контроля качества и математического моделирования процесса получения товарных бензинов, для повышения эксплуатационных характеристик технических средств ИИС для управления технологическими процессами и создания адаптивной системы управления технологическим процессом непрерывного смешения (компаундирования) жидких нефтепродуктов. Под созданием системы подразумевается: разработка комплекса технических средств ИИС для контроля качества товарных бензинов в системе управления компаундированием; разработка математической модели октанового числа, метода ее адаптивной подстройки, алгоритмов для обработки данных и вычисления управляющих воздействий для системы управления компаундир