автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Оптимальное управление гибкими системами ректификационных колонн

^ ^ На правах рукописи

АНАНЧКНКО ИГОРЬ ВИКТОРОВИЧ /

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГИБКИМИ СИСТЕМАМИ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

О5.]3.07 - Автоматизация технологических процессов и

производств (промышленность)

АФТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург 19 9 6

г

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете). Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Викторов Валерий Кирович Научный консультант - доктор технических наук,

профессор Холодков Владислав Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кашмет Владимир Васильевич кандидат технических наук, доцент Сафонова Мария Рафаэловна

Ведущее предприятие: Научно-производственное объединение Государственный институт прикладной химии (НПО ГИПХ) СПб.

Защита диссертации состоится 1996 года в /У

часов минут на заседании диссертационного совета Д 063.25.11 в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете): 198013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26 (ауд. 61) .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять ио адресу: 198013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д.26, СПГТИ, Ученый Совет.

Автореферат 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /

к.т.н., доцент С/? В.И.Халимон

ч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальвосись проблемы. Ректификация как способ очистки и разделения компонентов в настоящее время играет важную роль в . химической и нефтехимической промышленности. Системы ректификационных колонн требуют больших энергетических . затрат, поэтому оптимальное управление ими дает значительный экономический эффект. В качестве критерия оптимальности систем ректификации во всем мире используют приведенные годовые затраты. Для минимизации приведенных годовых затрат а качестве управляющих параметров могут быть использованы такие традиционные параметры управления, как флегмовые числа, номера тарелок питания и др. Но очевидно, что при больших возмущениях по составу разделяемой смеси этими традиционными параметрами не удается добиться минимума затрат, а, часто, • и получить требуемое разделение в рамках системы с жесткой структурой.

Предлагается использовать принципиально новое управление - управление структурой системы. Тем самым подразумевается переход к гибким системам ректификации.

Цель работы: разработка методов оптимального управления статическими режимами гибких систем ректификационных колони но экономическим критериям с помощью как традиционных управляющих воздействий", так и, главным образом, с помощью гибко изменяемой структуры. Автор защищает:

1. Использование, при определенных в диссертации условиях, суммарной тепловой нагрузки ребойлеров и конченсаторов ректификационных колонн в качестве критерия оптимальности для выбора экономически

оптимальной схемы разделения.

2. Метод синтеза оптимальных систем ректификационных колонн с помощью нечетких множеств.

3. Способ управления системами ректификационных колонн с помощью изменяющейся структуры системы. При проведении расчетов может использоваться предлагаемая автором программа расчета статических и динамических режимов работы сложной колонны.

4. Метод оценки экономической эффективности гибких систем ректификационных колонн.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы системного анализа химических технологий на математических моделях. Инструментами исследования служили современный лицензионный программный комплекс для расчета химических технологий и производств ASPEN PLUS 9.2, а также специально разработанные автором программные средства. Научная новизна.

1. Определены условия использования суммарной тепловой нагрузки ребойлеров и конденсаторов в качестве критерия оптимальности схемы разделения.

2. Разработан метод синтеза оптимальных систем ректификационных колонн с применением аппарата нечетких . множеств.

3. Предложен способ оптимального управления системами ректификационных колонн путем изменения структуры системы в режимах on-line и off-line.

4. Метод оценки экономической эффективности гибких систем ректификационных колонн.

Практическая ценность работа!.

Управление структурой системы ректификационных колонн

предложенным автором методом позволяет существенно снизить энергозатраты. Метод оценки экономической эффективности позволяет ответить на вопрос выгодно или невыгодно использовать гибкую систему вместо жесткой. Реализация работы.

Разработанные методы управления могут быть использованы для оптимизации газофракдионирующих установок нефтеперерабатывающих заводов, для оптимизации процессов разделения и очистки в технологических схемах основного органического синтеза и в других подобных производствах. Разработанное программное обеспечение используется в учебных целях студентами химических специальностей Санкт-Петербургского технологического института в курсе "Системный анализ химических технологий". Апробация работы.

Основные результаты исследования докладывались на 4 международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП-1\Л-94)" РХТУ им. Д.И.Менделеева, на 9 международной конференции "Математические методы в химии ММХ-9" в 1995 г. в г. Твери, на 10 международной конференции "Математические метода в химии и химической технологии ММХ-10" в г. Тула в 1996 г., а также на "Школе молодых ученых при международной конференции ММХ-10". Доклад автора по вопросам оптимального управления гибкими системами ректификационшлс колонн был опубликован в трудах республиканской электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" Международный университет компьютерных технологий - г. Воронеж 1996г. Диссертационная работа участвовала в конкурсе

грантов (раздел "кандидатский проект"), проводимым Правительством Санкт-Петербурга и Государственным Комитетом Российской Федерации по высшему образованию. После проведения научной экспертизы исследования проводимые в работе были признаны актуальными. По заключению экспертизы был выделен персональный грант. Две научных статьи, написанных в соавторстве с В.К. Викторовым и В.А. Холодновым, находятся в стадии публикации в журналах "Известия ВУЗов" и "Теоретические основы химической технологии".

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ.

Структура и объем работе. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений.' Список цитируемой литературы содержит 98 наименований. Общий объем работы 258 страниц (из них основного текста 142 стр.), содержит 29 таблиц и 15 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика исследуемых задач, обосновывается актуальность темы, формулируется цель исследования.

В первой глайв приводится обзор современных прог- . раммных средств для моделирования химико-технологических схем, в том числе и схем разделения многокомпонентных жидкостей. Дается сравнительный анализ современных программных продуктов универсального назначения, предназначенных для инженера-химика-технолога. Обсуждаются существующие в настоящее время методы синтеза оптимальных схем разделения, в их числе .эвристический метод, информационно-энтропийный подход,

метод динамического программирования, метод ветвей и границ, интегральный подход, эволюционный метод и др. Рассматриваются математические модели процесса многокомпонентной ректификации. Анализируются современные способы управления процессом ректификации..

Во второй главе приводится описание метода, алгоритма и разработанной автором программы расчета сложной ректификационной колонны, позволяющей рассчитывать протекание процесса как в статическом, так и в динамическом режиме работы. Пропсдено сравнение результатов расчета по разработанной программе с результатами полученными при моделировании с использованием программного комплекса ASPEN PLUS, выполнена проверка .адекватности модели на примере разделения многокомпонентной смеси производства, винилхлорида.

В третьей главе излагается предложенный автором метод синтеза систем разделения многокомпонентных смесей с использованием нечетких множеств. В предлагаемом эвристическом варианте синтеза

экономически оптимальных систем разделения генерация схемы ректификационных колонн осуществляется с помощью "нечеткого" алгоритма (рис. 1), который состоит из 2-х; этапов. На первом этапе для- каждого правила выбирается минимальная функция принадлежности. На втором этапе выбирается правило, для которого функция принадлежности максимальна из выбранных на первом этапе, т.е. "оптимистический" выбор на первом этапе сменяется "пессимистическим" на втором. Предлагаемый автором выбор позволяет отбросить наихудшие (дорогие) варианты разделения. Предлагаемая к рассмотрению

Рис. 1 Выбор оптимальной схемы разделения многокомпонентной смаси с использованием теории нечетких множеств .

эвристическая модель синтеза экономически оптимальных систем разделения была использована для генерации схем разделения предельных углеводородов <смесь алканов линейного и разветвленного строения). В основу предлагаемой модели положено пять известных эвристических правил. Для выбора в качестве приоритетного того или иного правила служит анализ нечетких критериев. Функции принадлежности для 'расчета нечетких критериев имею® вид выражений (1) и (2). '" Функция принадлежности F (х) : . . ,

н*)"—Ц«

Функция принадлежности G(x}.;

G(x) = i-l-L__ (2)

W x+si-x"

В формулах (1) и (2) SI и 52- коэффициенты настройки, полученные в результате обработки большого " числа производственных данных по существующим системам разделения многокомпонентных смесей, X - аргумент функции принадлежности. Алгоритм, реализован в виде программного продукта на алгоритмическом языке Turbo С.

Недостатки метода: 1) приближенность, 2)необхо-димость подстройки к каждому новому набору веществ в разделяемой смеси. Достоинство метода - простота по сравнению с точными методами, синтеза.

В четвертой главе предлагаются способы управления ректификационными колоннами. Основное возмущение изменение состава разделяемой смеси "на входе в систему. При заданном наборе колоин в гибкой системе основными управляющими пар .метрами являются флегмовые .числа колонн к схема • соединения колонн. Критерий

оптимальности - приведенные годовые затраты. Требуется определить флегмовые числа и схему соединения колонн так, чтобы осуществить разделение смеси на чистые вещества с минимальными приведенными годовыми затратами.

А

rs^k

4

d4E> d47

ьзя 1 m7

dj7 ь48

Рис. 3' Гибкая схема, включающая в себя жесткие схемы 4, 5, б и 10; 5-А, 6-В, 7-С, 8-D, 9-Е - сборники веществ.

Приведенные годовые затраты рассчитываются по следующей формуле:

Ц= о.1*£Цс+£Цп (3),

где Ц - суммарные затраты на производство, Цс - стоимость оборудования, включая его установку, Цп - стоимость тепло и хладоагентов. В качестве примеров использовались смеси тезке смеси, что и в 3-ей главе.

Использование обобщенного экономического критерия в качестве критерия оптимальности позволяет дать исчерпывающий ответ об экономической эффективности той или иной системы разделения. Однако, в ряде случае расчет такого критерия очень счожен, поэтому целесообразно на первом этапе анализа отбросить твно экономически неэффективные системы разделения, используя для. предварительной оценки более простой критерий оптимальности. В качестве такого критерия был предложен критерий суммарной тепловой нагрузки на ребойлеры и холодильники ректификационных колонн, используемых для разделения ' смеси. По. результатам проделанных расчетов видно, что схема 4 (рис. 3) с суммарной нагрузкой 4 9074 кВт (см. табл. 1) является лучшей (29511432$), в то время как схема 10 с минимальной суммарной нагрузкой 464 59 кВт по экономичности занимает только 10-е место (349056736$), наиболее неэкономичная схема 2 с суммарной нагрузкой 70080 кВт (630896032$)' по затратам в 21,3 раза превосходит лучший 4-й вариант. Но использование в качестве критерия оптимальности суммарной тепловой нагрузки на кипятильник и конденсатор возможно только в первом приближении и только в том случае, если для охлаждения конденсата и для нагревания кубового остатка используется только один вид хладоагента и один вид теплоносителя соответственно.

Гибкие системы могут быть экономически оправданы только в случае сильных возмущений по составу исходной разделяемой смеси и в случае, если дополнительные затраты на придание гибкости будут меньше потерь от неоптимальности жесткой системы для новой смеси. В общем случае для оценки экономической эффективности надо сравнивать увеличение эксплуатационных, затрат

Ае в жесткой системе с увеличением капитальных затрат

в гибкой системе А £ . Обозначим эксплуатационные

затраты для состава смеси в жесткой оптимальной

системе , капзатраты - , возможные составы смеси

и времена их существования - .......тогда

АЕ=ЪЕЛгЕ>'> .¿/, = 1 год; АК-Кг-К» <*>,

где - капзатраты для гибкой системы,

Кг^Ка •Поскольку изменение состава исходной смеси и изменение эксплуатационных затрат описываются непрерывными функциями' и (5), то Ац

вычисляется следующим образом: »

где Т - период наблюдения. Если АЦ ^А^ I то гибкая система экономически

эффективна, иначе - она неэффективна. Вычисление А]?

и • мажет быть произведено только с помощью

моделирующих программ. Рассматривалось чистое разделение . 5-ти компонентной; смеси предельных

углеводородов. Было установлено, что при колебаниях исходного состава смеси, поступающей на разделение, (в интервале 5-10%) в ряде случаев затраты на разделение могут возрастать более, чем в 10 раз, т.е. схема экономически оптимальная для исходного варианта будет экономически неэффективной для другого или вообще разделение с использованием первоначальной схемы невозможно осуществить без снижения чистоты получаемых продуктов (табл. 1). Использование моделирующей программы ASPEN PLUS позволило определить оптимальную .схему разделения для каждого варианта смеси заданного состава путем исчерпывающего перебора 14 вариантов возможных схем разделения для данной 5-ти компонентной смеси. На рис. 3 представлена гибкая система

ректификационных колонн,' которая на конкретный момент ■ премени представляет одну из 4-х жестких

технологических схем разделения:

Z(rf,. + ¿»,-) = 1 £¿V=I< efe{0,ljf £>е {0,1);

i i i

1 схема di<,=1, э=1, d34=l, di6=1, Ь-9=1, Ьзд~1 Ъ,т=1;

2 схема di5=l, <$>.6=1, d¡7~ 1, jb23=l, Ь3э-~1, 2>4д=1;

3 схема d31, djj=l, d^l, d¡7=l, Ь29=1, £>34=1, Ь4е=1;

4 схема di3-l, d2o=l, dj4=l, d¡5=l, Ъ29*=1, . Алгоритм оптимального управления системами ректификационных колонн должен обеспечивать проведение технологического процесса с минимальными затратами (максимальной прибылью). Предлагаемый алгоритм оптимального управления гибкой системой разделения приведен на рис. 4.

Изменение структуры мотет проходить в двух режимах : ofí-1tu«? и on-line. Вариант off-line предусматривает

Таблица I. Сравнение оптимальных и неоптимальных схем для различных составов исходных смесей.

Смесь состава А В С Б Е Я V/ Р У Ъ

Оптимал. схема 4 6 6 6 6 4 5 4 5 4 4

Стоим, раздел. $ (опт. схема) 1357522 1481144 1504501 1599925 1674995 2181406 2223924 1749880 2177639 1088300 1830568

Стоим, раздел. 5 (схема) 1450946 (6) 5993801 (4) X (4) СО (4) 00 (4) 9772103 (6) 2937441 (4) 00 («) 2397517 (4) 2251049 (4) 406987456 (6)

Символ означает, что чистое разделение (99,8 %) с помощью данной схемы осуществить невозможно, т.к. стоимость затрат на разделение неограниченно возрастает.

Рис. 4 Общая схема оптимального управления гибкими системами ректификационных колонн за счет изменения структуры.

/

переход от одной схемы к другой, когда предварительно известно для каждого из возможных составов оптимальная схема разделения и как будет меняется состав подаваемой смеси. Переключение осуществляется на основе, рассчитанных заранее таблиц, номограмм, или графиков, представляющих оптимальные варианты структур разделения х'ибкой схемы в зависимости от состава. Переключение может осуществляться или вручную или с использованием маломощной ЭВМ, которая проводит этот поиск вместо оператора.

Вариант on-line используется в том случае, когда составы и перечень веществ, поступающих на разделение, могут меняется в очень широких пределах, тогда проведение предварительных расчетов оптимальных вариантов для всех составов потребует слишком больших затрат времени и труда.

В Заключении сформулированы основные теоретические и практические результаты диссертационной работы. В приложениях представлено: сопоставление результатов решения тестового примера разделения 3-х компонентной смеси (состава: бензол, толуол, четыреххлористый углерод), полученных с использованием системы ASPEN PLUS 9.1 с результатами расчета по программам разработанных автором; Программа расчета сложной ректи-фи^ционной колонны, разработанная автором. Проверка адекватности модели на основе расчета ХТС ректификационных колонн производства винилхлорида с использованием данной программы; Программа

разработанная автором для синтеза систем разделения многокомпонентных смесей с использованием нечетких

множеств; Оптимальные варианты схем разделения для некоторых вариантов смесей предельных углеводородов.

ОСНОВГЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы в следующем:

I. Разработан метод оптимального управления системами ректификационных колонн за счет изменения структуры. Выяснено, что в случаях значительного изменения ■ концентраций или изменения состава ветес-гв, поступающих на разделение, традиционные методы управления системами ректификационных колонн не позволяют проводить экономически оптимальное управление системами ректификации. В этом случае необходим переход к гибкой системе, управляемой посредством изменения структуры системы. -

11. Предложены два варианта организации работы системы управления для гибких схем ректификационных колонн: off-line и on-line. В первом используются данные "состав - оптимальная схема разделения", предварительно полученные с помощью моделирующего комплекса. Вс втором, определение оптимальной структуры

осуществляется моделирующим комплексом в режиме реального времени. Показано, что второй вариант требует больших капитальных вложений на этапе строительства и ввода в эксплуатацию, но позволяет более оперативно реагировать на возмущения.

ITT. Предложен упрощенный критерий оценки •экономической эффективности - суммарная тепловая нагрузка нагревателей и конденсаторов. Установлено, что данный критерий сдноунэчно определяет экономически

оптимальную схему разделения только в том случае, если для охлаждения используется один вид хладоагента, а для нагревания только один вид теплоносителя. IV. Предложена эвристическая методика определения оптимальной схемы разделения многокомпонентных смесей, использующая теорию нечетких множеств. Главным недостатком разработанной методики является ограниченность ее применения, требующая подстройки функций принадлежности для каждого нового набора веществ в разделяемых смесях. Кроме того, может использоваться только один вид хладоагента и теплоносителя, а давление во всех ректификационных колоннах должно быть одинаково.

V. Разработана программа для расчета сложной ректифика-ционной колонны, как в статическом, так и в динамическом режиме работы. Отличительная особенностью программной реализации - низкие требования к классу ПЭВМ (выполняется даже на IBM/PC-XT) и объему оперативной памяти необходимой для выполнения программы (640 Кб). Существующий аналог (но не позволяющий проводить вычисления для динамического режима работы колонн) модуль программного комплекса ASPEN PLUS требует для выполнения не менее S МГб оперативной памяти и ПЭВМ класса не ниже чем IBM/PC-386, так как выполняется в защищенном режиме.

VI. Разработан программный продукт, определяющий оптимальную . схему разделения с использованием эвристических правил, выбор которых осуществляется на основе критериев, определяемых с использованием теории нечетких множеств. Разработанное программное обеспечение может использоваться в химической

промышленности для расчета соответствующих процессов, используется в учебных целях студентами химических специальностей ВУЗсв в курсах "Системный анализ химических технологий" и "Процессы и аппараты химической промышленности".

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ЛИССЕРТАЦИИ

1. Ананченко И.В., Викторов В.К., Холодной В.А., Хэрт-ман К. Синтез систем ректификационных колонн с использованием нечетких множеств. //Тезисы международной конференции "Математические методы в химии и хи~ мгпеской технологии ммх-9". Часть 2. - Тверь; РАН,

1995, с. 77

2. Ананченко И.В., Холоднов В.А. Синтез ректификационных колонн с использованием нечетких множеств. //Тезисы докладов 4-ой международной научной конференции "Метода кибернетики химико-технологических процессов" (КХТП-1\Г-94), Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, М:РАН, 1994, с .29

3. Ананченко И.В., Викторов В.К., Холоднов В.А. Суммарная тепловая нагрузка конденсаторов и нагревателей ректифика ционных колонн в качестве критерия оптимальности при анализе систем разделения. //Тезисы международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии ММХ-10". - Тула: РАН,

1996, с. 73

4. Ананченко И.В. Оптимальное управление гибкикми системами ректификации. //Тезисы международной конференции "Школа молодых ученых (при международной конференции "Математические методы а химии и химической технологии ММХ 10". - Тула: РАН, 1996, с. 4

5. Ананченко И.В. Связь между энергопотреблением и стоимостью систем ректификационных колонн. //Тезисы международной конференции "Школа молодых ученых (при международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии ММХ-10". - Тула: РАН, 1996, с. 126

6. Ананченко И.В. Определение систем разделения с минимальной тепловой нагрузкой холодильников и ребойле-ров. //Тезисы международной конференции "Школа молодых ученых (при международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии ММХ-10". - Тула: РАН, 1996, с. 134

7. Ананченко И.В., Викторов В.К., Холоднов В.Д.,

Пак Е.В., Баранова М.В. /Разделение многокомпонентных смесей посредством ректификации. Обзор современных зарубежных программных продуктов; Ред. Ж. прикл. химии РАН. - С-Пб. - 1996.-13 с. Деп. в ВИНИТИ, 09.04.96, N 1123 - В96.

8. Ананченко И.В., Викторов В.К., Холоднов В.А. /Выбор энергетически оптимальной схемы разделения предельных углевоводородов смеси состава: пропан, изобутан, бутан, изопентан, пентан; Ред. Ж. прикл. химии РАН. - С-Пб. - 1996. - 13 с. Деп. в ВИНИТИ, 09.04.96, N 1122 - В96.

9. Ананченко И.В., Викторов В.К. Алгоритм оценки экономической эффективности гибких систем ректификационных колонн //Современные проблемы информатизации. Тезисы докладов Республиканской электронной

. научной конференции. - Воронеж: МУКТ, Изд-во ВГПУ, 1996. - с.29-30 ISBN 5-88519-125-3 '

19. II.Ü6. Зак 2К'-7и РГП "Li J.Ai'rU ..Iockoeckiü пр. 26