автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка эффективных методов и алгоритмов оптимального управления сложными химико-технологическими системами

2 1

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

ПЕТРОВА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ (на примере процесса каталитического крекинга)

Специальность 05.13.07 —Автоматизация технологических процессов и

производств

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1998

Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик РАДСИ Володин Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор, академик РАДСИ Дорохов Игорь Николаевич

кандидат технических наук, Савельев Александр Михайлович

Ведущая организация: Государственный инженерный

центр комплексной автоматизации, г. Москва

Защита диссертации состоится 24 декабря 1998 г. в 14 часов на заседании специализированного диссертационного совета Д 063 44 02 Московского государственного университета инженерной экологии по адресу: 107884, ГСП, Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, 21/4, МГУИЭ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «23» ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

доцент Шишов Г.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В связи с переходом на интенсивные методы технологии и строительством укрупненных и комбинированных установок все большую роль играет повышение качества расчетов химических

процессов, оптимизации работы действующих и проектируемых

С5

технологических схем. Разработка систем автоматического управления и оптимизации подобных технологических процессов (ТП) требует применения все более новых и эффективных методов.

Каталитический крекинг (КК) тяжелых дистлллятных фракций на цеолитсодержащих катализаторах - один из самых многотоннажных процессов в нефтеперерабатывающей промышленности. Установки КК являются одними из основных установок нефтеперерабатывающих заводов. Целевым назначением процесса является получение высокооктанового бензина из вакуумных нефтей, выкипающих в пределах 300 - 500 °С. Движущей силой усовершенствования систем управления подобными производствами является повышение спроса на продукты нефтепереработки.

Анализ этой группы процессов показывает, что они относится к сложным химико-технологическим системам (СХТС) и характеризуются наличием сложной взаимосвязи между элементами системы. Управление подобными процессами требует применения высокоэффективных методов теории автоматического управления и оптимизации.

В настоящее время при разработке автоматизированных систем управления сложными технологическими комплексами во всех отраслях промышленности широкое применение находит теория иерархических многоуровневых систем управления. Применение данного подхода позволяет снизить сложность и повысить качество решения подобных задач управления. Кроме того, при создании автоматизированных систем

управления (АСУ) декомпозиция позволяет использовать ранее существующие системы управления как подсистемы для АСУ более высокого уровня.

Цель работы. Целью данной работы является разработка эффективных методов и алгоритмов решения задач декомпозиционного управления и оптимизации статических режимов работы СХТС на примере автоматизации технологического процесса каталитического крекинга.

Методы исследований. При решении рассмотренных задач использовались методы теории автоматического и оптимального управления, общей теории систем и системного анализа. При проведении исследований были применены численные методы вычислений, реализованные с использованием ЭВМ.

Научная новизна. На основе анализа имеющихся работ сформулирована полная модель процесса в реакторе установки каталитического крекинга типа Г-43/107, отражающая специфику производства и учитывающая его основные технологические параметры.

Предложены к рассмотрению и проанализированы различные виды критериев идентификации математической модели. Показано, что наибольшая точность и удобство решения достигается при использовании модульного критерия.

Впервые задача оптимального управления технологическим процессом каталитического крекинга сформулирована как многокритериальная задача оптимизации и предложены пути ее решения методом явной декомпозиции.

Проведен анализ различных методов решения многокритериальных задач оптимизации с использованием свертки критериев и обоснован выбор модульного минимаксного критерия свертки как обеспечивающего высокую точность решения и позволяющего его нахождение и в случае невыпуклости множества допустимых решений.

Практическая значимость. Предложенные методы и алгоритмы оптимального управления сложными системами для многокритериальных оптимизационных задач реализованы на основе метода явной декомпозиции и позволяют достичь улучшенных результатов проведения процесса в зависимости от исходных характеристик сырья, заданных условий протекания процесса и требований рынка.

Предложен вариант технической реализации системы управления процессом каталитического крекинга на базе распределенной сети кольцевой архитектуры с использованием технических средств фирмы РОХВСЖО.

Разработанные алгоритмы решения задачи оптимального управления процессом каталитического крекинга на установке типа Г-43/107 реализованы на алгоритмических языках, входящих в состав стандартного программного обеспечения АСУ.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании распределенных АСУ в качестве технического материала для внедрения на нефтеперерабатывающих заводах в виде типовых решений и пакета прикладных программ.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (Тверь, 1995), на семинаре отделения информатики и экологии Российской академии диалектико-системных исследований, на научно-технических конференциях Московского государственного университета инженерной экологии. По теме диссертационной работы опубликовано 3 печатных работы, 3 работы находятся в печати. Список работ приведен в заключительной части автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемой литературы, включающего 61

наименование, и приложений. Работа изложена на Г/4 страницах машинописного текста, содержит*?/ рисунков и 5 таблиц. Приложения объемом Ш машинописных листов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость результатов работы, приведено краткое изложение содержания работы по основным разделам.

В первой главе рассмотрены основные тенденции развития производственных процессов каталитического крекинга, проведен анализ технологического процесса как объекта управления, определены основные параметры, описывающие состояние процесса и его структуру. Особое внимание уделено постановке задачи оптимального управления.

Каталитический крекинг - это процесс каталитического деструктивного превращения разнообразных нефтяных фракций в моторные топлива, сырье для нефтехимии и алкилирования, производства технического углерода и кокса. В промышленности процесс осуществляют в системах с непрерывно циркулирующим катализатором, который последовательно проходит через зоны каталитического крекинга сырья, десорбции сорбированных углеводородов, окислительной регенерашш. На каждом из этих этапов протекают сложные гидродинамические, химические, массо- и теплообменные процессы. Установка каталитического крекинга это сложная каталитическая система и эффективность ее работы находится в строгой зависимости от многих параметров.

С учетом полученной информации о процессе, помимо требования к АСУ каталитического крекинга об обнаружении, реагировании на изменения в ТП и постоянном, непрерывном контроле и стабилизации условий протекания процесса, необходимо также осуществлять оптимизацию работы

установки для определения наилучших рабочих условий протекания процесса при наличии возмущений.

На основе проведенного патентного исследования и анализа наиболее перспективных направлений развития этого производства в качестве критериев эффективности работы установки рассмотрен ряд показателей:

1.Себестоимость производства. Этот критерий представляет собой совокупность затрат на каждой стадии производства и характеризует влияние изменений режима на об1цую себестоимость. На себестоимость влияет ряд показателей, таких как экономия катализатора, снижение теплозатрат и др.

2.Выход целевого продукта крекинга - бензина.

3.Качество выходного продукта - октановое число бензина.

4.Экологическая безопасность производства - концентрация вредных веществ в дымовых газах регенерации.

Таким образом рассматриваемая задача является многокритериальной задачей оптимизации, решение которой осложнено, также, высокой размерностью. В этих условиях наиболее эффективным подходом является применение многоуровневых иерархических систем управления, основанных на использовании декомпозиционного подхода. Подобные системы управления предполагают разбиение обшей задачи на ряд локальных подзадач меньшей размерности и затем координированное решение каждой из них в отдельности.

В заключительном разделе главы поставлены задачи дальнейших исследований. Реализация иерархической многоуровневой системы управления требует решения ряда проблем, связанных с математическим моделированием процесса, топологическим анализом химико-технологической системы, синтезом оптимальной структуры, оптимизации управления отдельными стадиями процесса и агрегатами. Необходимость

координированного решения локальных задач, обеспечивающего решение глобальной задачи, требует разработки и применения сложных методов и алгоритмов, позволяющих достигнуть хороших и стабильных результатов.

Вторая глава посвящена построению математической модели процесса каталитического крекинга и решению задачи идентификации ее параметров.

На основе имеющих работ в данной области, была сформулирована достаточно полная математическая модель процесса, отражающая особенности ее применения для решения задачи автоматического управления процессом и специфику производства.

Математическая модель представлена в виде совокупности моделей отдельных стадий, что позволяет наглядно показать зависимость между переменными процесса и упростить анализ модели. Разбиение на стадии соответствует рассмотрению процесса по отдельным этапам обработки сырья и катализатора. Для построения математической модели процесса каталитического крекинга используется принцип, основанный на идее системного подхода.

При построении математической модели процесса последовательно рассматривались основные закономерности кинетики химических процессов, протекающих в аппаратах и на отдельных стадиях ТП, модели гидро- и термодинамики процессов крекинга для статического режима процесса.

Для крекинга нефтяных фракций практически невозможно описать все химические реакции. Проведен анализ возможных схем описания химических реакций крекинга и в модели ограничиваются рассмотрением схемы, учитывающей основные направления и результирующий эффект крекинга с использованием различной группировки реагирующих веществ, причем использована двух стадийная схема процесса. Согласно имеющимся

данным, предложенная схема обеспечивает хорошее соответствие

Alf => г I2Ag + г 22Atf + г 32 Акс,

где As - сырье, Ag - газ, Alf - легкая флегма (бензин + дизельное топливо).

Atf - тяжелая флегма, Акс - кокс.

Одной из основных задач при дальнейшем анализе кинетики химических реакций крекинга является определение констант скоростей химических реакции к|

Последовательность переработки сырья и катализатора в реакторе показана на рис.1. Процесс крекинга осуществляется в одном сложном аппарате и математическое описание всего процесса, исходя из принятых допущений, состоит из моделей для каждой зоны реактора (рис.1) и последующего описания процесса регенерации катализатора.

кинетическим закономерностям (]). к,

As => г nAg + г 2iAlf + г 31 Atf + г 4)Акс, к2

(1)

i>

Gvp

t

T(l), X ь, X к

G к, Тк -

Рис.1. Структурная схема стадии крекинга. 1 - лифт-реактор, 2 - зона кипящего слоя. 3 - зона десорбции. 4 - циклоны. 5 - отстойная зона.

Математическая модель химического процесса, описываемого схемой (1) и осуществляемого в реакторе с движущимся слоем катализатора, записана в виде системы уравнений, которые представляют собой элементарные материальные балансы по компонентам реакционной смеси и тепловые балансы системы.

Математическая модели стадии крекинга: ЛИФТ-РЕАКТОР

5Хв/Э1 = -ко*Х82/(Оу ахш = к,*Х52/шу - к2*ХН7соу ЭХкс/51 = к,*Х52/соу + к2*Х1Шу 5Тг/ 51= - (Ов+ОН)* С$/(Ср$*р8+Срк*рк*К) Г.У.: Х8(0)=Х80, ХЩ0)=Х1Го, Х1Г(Ь)=Х1Г, Тг(0)=Тг, Тг(Ь)=Т1г,

где Тг -температура теплового равновесия на входе в лифт-реактор, Тг = |Ск*Срк*рк*Тко+С$*Ср5*р$*Т$о+Сг*Срг*рг*Тг] [Ск*Срк*рк + С$*Ср5*р$+Сг*Срг*рг]

Хб, Х1Г, Хкс - доля сырья, легкой флегмы и кокса в потоке; «1У= Рг*(11 -элементарный объем реакционной зоны; Гг=тс*В2|Г - площадь сечения лифт-реактора-, \\'г5=-к,*Х$2, \\Г|рк2*(Х$2-Х10, \\'гКС=к,*Х82 + к2*Х1Г -скорости реакций крекинга; к], кг - эффективные константы скорости реакции крекинга', СОу = С8А'г - объемная скорость потока сырья; Уг = Гг*Ьг- объем лифт-реактора; К=Ск/Св - кратность циркуляции катализатора, СИо= К*81г*(Тг(1)-_Г'11) - количество тепла, передаваемой через стенку за счет теплообмена с зоной десорбции, (}1о=0 при 1<25м, 08=\Уг5*АН5*бУ- тепловой эффект реакции разложения сырья с образованием легкой флегмы, СЖ =\Угн*ДН|с*с1У- тепловой эффект реакции разложения легкой флегмы, ДН5 ,ДН|Г - энтальпии химических реакций крекинга.

КИПЯЩИЙ СЛОЙ

Х5ы= Хв+ \¥г$*У/ вБ ХИ*'= Х1Г+\Уги*У/С8

Хксы= Хкс+ЛУг^П'/вк ТЫ=Т1г-(08+0И)/(С5*Т1г*Ср8*р5+Ск*Т1г*Срк*рк +

+С>у*Т\\'*Сри'*р>у)

где С5,Ск- потоки сырья и катализатора в зоне кипящего слоя,

XV V V Ь1 V Ь1 V Ь1 . .

8, А|г, Лк,л8 , Л|г , Лк - концентрации сырья, легкой флегмы и кокса

на входе и выходе из зоны кипящего слоя, V - объем зоны кипящего слоя,

£- доля объема плотной фазы, реакция идет на поверхности

катализатора, С«',Сри,р>у,Тн'-/?<7схос>, теплоемкость, плотность и

начальная температура водяного пара соответственно, ТЫ

температура потока в зоне кипящего слоя.

ДЕСОРБЦИЯ

[Ск*ТЬ8*Срк*рк+С\у<|*Т\у*Ср\у*р\у] - |Ск*Т(1*Срк*рк+

+С№й*Т(1*Ср№*рл¥+ К*8(1*(Т(1-Т,1г)]=0, где Си'1- расход водяного пара в зону десорбции. После преобразования и на основе анализа полученных выражений сделан вывод, что для соблюдения условия полного отпаривания паров нефтепродуктов с катализатора необходим расход водяного пара, равный расходу катализатора в зоне десорбции: Слу^вк.

ОТСТОЙНАЯ ЗОНА

[Слу*Тс1*Ср\у*рлу+С8*ТЬ8*Ср8*р8] -- |СС1*Те**Ср11-*р1Я=0

где Т" - выходная температура потока после окончания процесса

крекинга.

Математическая модель стадии регенерации:

Ск*ЭХк(1)/31 + \Угк*(1- е)*8 - Аг§= О, Г.У.: Хк(0) = Хко, Хк(Ь) = Хк, [ Ск*Хко+А^1 - | вк*Хк - \¥гк*У| = О |Ggr*Tgr*Cpgr*pgr + Ск*Т(1*Срк*рк] -

- |Ggr*Trg*Cpgr*pgr+ Ск*Т^*Срк*рк + (¿г] = О,

где Хк -содержание кокса на катализаторе, Gk - расход катализатора в регенератор, Wrk - скорость реакции сгорания кокса на катализаторе по углероду, dV= (l-c)*dl*S - элементарный объем, S - площадь сечения регенератора, е=0.4 - доля свободного объема в регенераторе, Arg -количество вещества передаваемого из пузырьковой фазы в эмульсионную за счет массообмена, Tgr, Td, Trg - температуры газа регенерации и катализатора на входе (после реактора) и выходе из регенератора, Ggr, Gk - расход газа и катализатора, Cpgr, Срк, pgr, рк - теплоемкость и плотность газа и катализатора, Qr - тепловой эффект реащий сгорания кокса.

Далее в работе решается задача идентификации математической модели. В качестве искомых параметров математической модели рассмотрены константы скорости реакций крекинга. В литературе приводятся различные методы определения констант скоростей химических реакций для сложных гетерогенных каталитических процессов к которым относится процесс каталитического крекинга. Одним из них является метод квазистационарных концентраций Боденштейна-Семенова и его модификации, основанные на экспериментально подтвержденном положении о наличии автоколебаний скоростей реакций в некоторых каталитических процессах. Однако следует отметить, что при большом количестве химических реакций, протекающих в химическом реакторе применение данного метода осложняется высоким числом входящих в него уравнений и сложностью их решения.

Задачи идентификации параметров моделей сложных химических процессов приходится решать в условиях недостаточности реальных массивов экспериментальных данных. Как правило, измеряются кинетические характеристики исходных веществ и продуктов реакции, но при этом отсутствует информация о ряде других характеристик процесса. Исключение неизмеряемых данных приводит к таким математическим моделям, которые содержат уже не сами неизвестные, а довольно сложные их параметрические функции. Константы скорости реакций крекинга

зависят от многих показателей, в частности от температуры, структуры компонентов реакции, степени дезактивации катализатора. С учетом принятых допущений задача сводится к определению зависимости констант скоростей реакций от температуры процесса крекинга. Зависимость констант скорости реакций от температуры процесса выбрана

исходя из уравнения Аррениуса: к;( 1) = , где к; -

константы скорости первой и второй стадии крекинга, Е; - энергия активации каждой стадии, Я - постоянная Больцмана.

Решение задачи определения параметров модели на основе имеющегося множества экспериментальных данных сводится к определению оптимального значения некоторого критерия качества описания реального процесса с помощью этой модели. Рассмотрено два вида критериев - квадратичный и модульный:

п п л п п

Ф'^сх/гх/о^л+^сх.л-х^^'/х^'+^схи^х^о'/х2^ (2.1)

¡=1 N1 ¡=1

Ф2= шах(|(Х5гг Х5е0/ ХЛ|)+ ... + тах(|(Хиг;- Хие,)/ Хие;|) (2.2) 1 !

где 1 - число опытов, Х/р^к^Т^к^Т))

Для определения оптимальных значений искомых параметров модели при решении задачи идентификации необходимо минимизировать функцию (2) по параметрам а и.

Максимальная погрешность расчетных данных по отношению к экспериментальным по квадратичному критерию составила не более 12 %, однако, подобный метод не всегда подходит для задач управления технологическими процессами, поскольку при его использовании роль возможных максимальных отклонений модельных расчетов от реального процесса сильно возрастает и нельзя объективно судить об их характере, а

для процессов, требующих тонкого регулирования, подобная ситуация недопустима. В сравнении с квадратичным, погрешность по модульному критерию не превысила 8 % и дает более точное соответствие модели реальному процессу (рис.2). Полученные в результате расчета зависимости для искомых констант скоростей реакций крекинга описывают анализируемый процесс с достаточной для целей данного исследования точностью.

Выход бен]нна,%(масс.)

Рис.2. Результаты решения задачи идентификации по двум критериям -О— Эксперим. —•- По Ф1 —■—По Ф2

В третьей главе исследуются возможные методы решения задачи управления сложным многостадийным процессом каталитического крекинга. Задача оптимизации многостадийного процесса формулируется как задача определения оптимальной стратегии управления на каждой стадии. Структура исследуемой системы показана на рис.3 с учетом векторов входных и выходных координат, возмущений и управлений.

В общем виде задача управления технологическим процессом каталитического крекинга рассматривается как задача статической

оптимизации, поскольку возмущения и управляющие переменные изменяются, как правило, достаточно медленно и мот рассматриваться усредненными за некоторый интервал времени.

Рнс.З.Структура многостадийного процесса.

Х=(х,, х:,...,х„), У=(у1,у2,...,Уго)» и=("ь1ь.....иг) - векторы входных,

выходных параметров процесса и управляющих воздействий.

Полная постановка задачи оптимального управления многокритериальном виде формулируется следующим образом:

пнп рЧхдмо^кзд,^) ХЛ'.и )

шах ¥2(Х,\^)= ^(ЗД,^) ХЛ'.и j

шах Г3(ХЛ7,и)=

ХЛ'.и I

шах Р4(Х,У,и)= ^(Х^ВД)

хл.и I

У|=

к

Хз = 2!ау*у1 ¡=1,к, к=1,4

¡=1

(3)

где к - число стадий процесса, - вектора входных, выходных

параметров и управляющих переменных каждой стадии процесса: Г14(ХЛЛ') - критерии эффективности проведения технологического процесса; &(•), Ь,(») - уравнения математической модели и ограничения на переменные процесса', - уравнения связи, где а^ - элемент

матрицы смежности, характеризующий наличие связи между ¡-ым и '¡-ым элементами системы.

Для решения задачи оптимизации используется метод явной декомпозиции. Схема применения данного метода для многостадийных процессов со сложной структурой взаимосвязи между стадиями приведена на рис.4. Область допустимых управлений при решении оптимизационной задачи определяется с учетом вводимых ограничений на параметры процесса и уравнений связей.

Критерии оптимальности проведения технологического процесса каталитического крекинга записаны с учетом составленных ранее описаний математических моделей стадий и взаимосвязи между стадиями (уравнения 3,4).

■ЪахМХьВД, и, )=й], (4)

Х^Бж,, У^Буь и^Бы

-себестоимость (руб/т) себестоимость на каждой стадии процесса.!),- области допустимых значений для каждой переменной.

Четвертая стадия не рассматривается, поскольку практика показала, что на реальных заводских установках такого типа нет необходимости в подогреве воздуха на регенерацию, и печи используются только в режиме пуска.

Решение глобальной задачи оптимизации, как уже было сказано, осложняется ее многокритериальностью и поиском вида функции свертки или составной целевой функции (СЦФ). Предлагается сравнение методов вычисления СЦФ трех видов (5.1, 5.2, 5.3), где вторая и третья методики

основаны на оценке отклонении искомой оптимальной точки множества Парето от некоторой "идеальной" точки А - рис.5, в которой все критерии могли бы принять оптимальные значения.

Рис.4. Схема применения метода явной декомпозиции.

Рнс.5. Геометрическая интерпретация многокритериальной задачи оптимизации. Г|,Гг - критерии оптимизации, £ =>тах

СЦФ характеризует близость этих точек и представляет собой минимаксный критерий, который служит некоторой мерой, квадратичной или модульной, характеризующей минимальное значение наибольшего из

отклонений от идеальной точки. В первом случае геометрически решению соответствует точка Р касания множества Парето сферы с центром в точке А и наименьшим радиусом, во втором - точка 0, имеющая минимальное значение наибольшего из отклонений от оптимальной утопической точки А.

Р,8(Г!)= (Г Г;/ С") / у 1-т!п) (5.1)

Р'^СГО^^-Г, тях)2/Г1 го"+..+(Гг^т!п)2+... (5.2)

Рш5(Г!)=тах{|Г,-Г,га"| /Г,"",^"1"! /<Г',П}, (5.3)

где Р1-"'"^^) - варианты СЦФ, ¡+]=к, к - количество критериев оптимальности.

Анализ результатов расчета показал, что более удобным и эффективным оказывается применение модульного вида СЦФ (5.3), который позволяет находить решение даже в случае невыпуклости множества Парето.

Рис. 6.Блок-схема алгоритма решения задачи оптимального управления.

Исследованы два алгоритма решения глобальной задачи - Метод Бокса и метод скользящего допуска. Оценка эффективности методов осуществлена с помощью функции характеризующей скорость убывания функции за шаг (6).

ф(хк, X14-1) = ф(хы) - ф(хк) (6)

Сделан выбор комплексного метода Бокса позволяющего быстро достичь точки глобального оптимума с соблюдением заданной точности. Локальные задачи оптимизации решаются методом покоординатного спуска. Алгоритм решения задачи оптимального управления приведен на рис.6.

В четвертой главе предложен вариант технической реализации рассмотренной системы управления процессом каталитического крекинга. Многоуровневая система управления имеет кольцевую архитектуру вычислительной системы, которая позволяет строить систему из любого числа подсистем и при необходимости обеспечивает легкость последующего усложнения системы и добавления новых подсистем (рис.7).

В результате связи каждого из компонентов между собой и объединения их в однородную систему получается распределенная сеть связи, которая объединяет в единое целое сам процесс и управление процессом. Базовым элементом каждой подсистемы является общая шина, при этом подсистема обладает вычислительным устройством, которое поддерживает программное обеспечение системы.

С учетом иерархического построения АСУ каталитического крекинга имеет место следующее распределение задач: на нижнем - локальном уровне - реализуются функции контроля и непосредственного управления процессом в реальном времени, а задачи оптимизации и координации работы устройств нижнего уровня решаются на верхнем уровне периодически в режиме разделения времени.

Предлагаемая система управления и оптимизации режима работы установки каталитического крекинга имеет следующие характеристики:

-представляет собой многоуровневую иерархическую систему управления, состоящую из нескольких подсистем;

-объединенная система состоит из общей шины, вычислительной подсистемы, программируемых логических средств управления и анализаторов;

-вычислительная подсистема производит расчет математической модели процесса для определения режимов оптимального управления;

-обеспечивает автоматическое регулирование и стабилизацию работы установки;

-программное обеспечение управления реализовано в блочных алгоритмах на языке BASIC;

-конфигурацию системы управления можно расширить во много раз используя дополнительные подсистемы, совместимые с сетью распределенного управления.

Рис.7 Архитектура систем ы управления. ЛСУ - локальная подсистема. КИП - контрольно-измерительные приборы. ЭВМ - вычислительное устройство. ПУ - пульт управления.

Реализация предложенной двухуровневой системы управления

осуществляется на основе технических средств автоматизации фирмы

РОХВСЖО с учетом разработанного программного обеспечения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Сформулирована задача оптимального управления технологическим процессом каталитического крекинга и предложены пути ее решения декомпозиционными методами;

2. Предложена математическая модель статического режима процесса каталитического крекинга, пригодная для расчета основных параметров процесса.

3. Проведено сравнение различных способов и выбор метода решения сформулированной задачи как многокритериальной задачи оптимизации.

4. Проведен анализ различных способов решения многокритериальных задач оптимизации на основе методов свертки критериев и обоснован

. выбор наиболее эффективного вида свертки.

5. Разработаны и исследованы эффективные алгоритмы реализации метода явной декомпозиции для решения поставленной многокритериальной задачи оптимального управления процессом каталитического крекинга.

6. На основе вычислительных экспериментов решена задача оптимального управления процессом каталитического крекинга, позволяющая достичь наилучших результатов проведения процесса в зависимости от исходных характеристик сырья, заданных условий протекания процесса требований рынка.

7. Разработан пакет программ, позволяющий моделировать процесс каталитического крекинга и определять оптимальные режимы проведения процесса.

8. Предложен вариант технической реализации системы управления процессом каталитического крекинга на базе распределенной сети кольцевой архитектуры с использованием технических средств фирмы

1. Миронова В.А., Петрова С.А. Термодинамический анализ и оптимальное управление процессом каталитического крекинга. - В кн. "Математические методы в химии и химической технологии" ММХ-9, Тезисы докладов Международной научной конференции, Тверь; Л ТУ, 1995

2. Петрова С.А. Моделирование и оптимальное управление процессом каталитического крекинга. - В кн. «Состояние и перспективы научных работ в химическом машиностроении.», Труды МГАХМ, вып.1, М.; 1997

3. Володин В.М., Петрова С.А. Декомпозиционное управление процессом каталитического крекинга. - В кн. «Информатика, Экология, Экономика.», Вестник Академии, т.1 /РАДСИ, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, 1997

4. Петрова С.А. Оптимальное управление процессом каталитического крекинга (в печати)

5. Володин В.М., Петрова С.А. Решение глобальной задачи оптимального управления сложными химико-технологическими процессами на примере процесса каталитического крекинга. (в печати)

6. Петрова С.А. Построение моделей сложных процессов в

РОХВОЯО.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

иерархических системах управления

(в печати)

^4 * и Ц — ** I ^ / Г' —

■ • и Ч// Л ^

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

ПЕТРОВА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ (на примере процесса каталитического крекинга)

Специальность 05Л3.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, академик РАДСИ ВОЛОДИН В.М.

Москва -1998

Оглавление.

Введение

Глава 1. Анализ технологического процесса каталитического крекинга и постановка задачи исследований.

1.1. Описание технологического процесса каталитического крекинга.

1.2. Анализ современного уровня и тенденций развития отрасли.

1.3. Анализ процесса как объекта управления.

1.4. Декомпозиционное управление сложными химико-технологическими системами.

1.5. Постановка задачи оптимального управления.

Глава 2. Математическое моделирование процесса каталитического крекинга.

2.1. Математическая модель кинетики процесса каталитического крекинга.

2.2. Математическая модель гидро- и термодинамики процесса каталитического крекинга.

2.2.1. Математическое описание стадии подогрева сырья.

2.2.2. Математическое описание стадии крекинга.

2.2.3. Математическая модель стадии регенерации.

2.3. Решение задачи идентификации

стр. 5

10

10

18 21

28

33

37

39

42

43 45 54

математической модели каталитического крекинга. 58

Глава 3. Выбор метода решения задачи оптимального

управления. 65

3.1. Оптимизация многостадийных процессов. 66

3.1.1. Выбор критериев для постановки задачи

оптимизации процесса каталитического крекинга 70

3.2. Многокритериальная оптимизация. 72

3.3. Декомпозиционные методы оптимизации. 76

3.4. Решение задачи оптимального управления процессом каталитического крекинга методом явной декомпозиции. 78

3.5. Обоснование выбора алгоритма оптимального управления. 81

3.5.1. Метод комплексов Бокса 83

3.5.2. Метод скользящего допуска. 86

3.5.3. Анализ эффективности алгоритмов оптимизации 89

3.6. Численное решение задачи оптимального управления процессом каталитического крекинга. 92

Глава 4. Техническая реализация системы

управления процессом каталитического крекинга. 94

4.1. Структура автоматизированной системы управления процессом каталитического

крекинга. 95

4.1.1. Основные параметры процесса 95

4.1.2. Схема автоматизации процесса каталитического крекинга 96

4.2. Технические средства реализации многоуровневой иерархической системы управления. 98

4.2.1. Измерительные преобразователи АСУ каталитического крекинга 98

4.2.2. Техническая реализация двухуровневой системы управления 101

4.3. Анализ эффективности системы 108 оптимального управления процессом каталитического крекинга.

Основные результаты работы. 109

Литература. 111

Приложения.

ВВЕДЕНИЕ

В связи с переходом на интенсивные методы технологии и строительством укрупненных и комбинированных установок все большую роль играет повышение качества расчетов химических процессов, оптимизации действующих и проектируемых технологических схем.

Использование современных знаний, а также методов математического моделирования и оптимизации позволяют путем расчетов технологического режима обеспечить для заданных условий оптимальное протекание процесса.

В настоящее время при разработке автоматизированных систем управления сложными технологическими комплексами во всех отраслях промышленности широкое применение находит теория иерархических многоуровневых систем управления. Применение данного подхода позволяет снизить сложность и повысить качество решения подобных задач управления. Кроме того, при создании автоматизированных систем управления (АСУ) декомпозиция позволяет использовать ранее существующие системы управления как подсистемы для АСУ более высокого уровня.

Основная цель работы - разработка эффективных методов и алгоритмов решения задач декомпозиционного управления и оптимизации статических режимов сложных химико технологических систем (СХТС) на примере автоматизации технологического процесса каталитического крекинга.

Каталитический крекинг тяжелых дистиллятных фракций на цеолитсодержащих катализаторах - один из самых многотоннажных процессов в нефтеперерабатывающей промышленности. Ему

принадлежит одно из ведущих мест среди вторичных процессов нефтепереработки. Целевым назначением процесса является получение высокооктанового бензина из вакуумных нефтей, выкипающих в пределах 300-500'С. Газы, богатые бутан -бутиленовой и пропан-пропиленовой фракциями, находят широкое применение в качестве сырья для производства высокооктанового компонента бензина - алкилата, а также в производстве синтетического каучука и в нефтехимии []].

Основным сырьем крекинга являются вакуумные газойли широкого фракционного состава с температурой выкипания 300-500'С и утяжеленные вакуумные газойли с температурой конца кипения до 550'С и даже 590'С. Для расширения ресурсов сырья используют и сырье вторичного происхождения, в частности газойли коксования.

Анализ процесса как объекта управления показывает, что он относится к СХТС и характеризуется наличием сложной взаимосвязи между элементами системы. Управление данным процессом требует применения высокоэффективных методов теории автоматического управления и оптимизации. Одной из основных задач системы управления является расчет и поддержание оптимального статического режима работы оборудования, поэтому большое внимание уделено решению задачи статической оптимизации процесса каталитического крекинга. Также рассматриваются возможности применения декомпозиционных методов для решения задачи оптимального управления и разрабатываются эффективные алгоритмы решения поставленных задач.

Основной материал работы изложен в четырех главах. Первая глава посвящена описанию процесса каталитического крекинга. Проводится анализ процесса как объекта управления, выделены

особенности процесса и сформулирована в общем виде задача оптимального управления. На основе проведенного анализа обоснована целесообразность применения для управления процессом многоуровневых иерархических систем и декомпозиционных методов. Определены цели и задачи дальнейших исследований.

Во второй главе осуществляется разработка математической модели каталитического крекинга. Рассматриваются возможные варианты описания кинетики и гидродинамики процесса, проведены идентификация параметров и оценка адекватности принятой модели.

В третьей главе приведен анализ возможных путей решения задачи управления процессом каталитического крекинга как многокритериальной задачи оптимизации. С целью выбора наиболее эффективного метода решения проведено сравнение различных способов свертки критериев. Также рассмотрены вопросы, относящиеся к проблеме определения наиболее эффективного метода решения задачи оптимального управления на основе децентрализованного подхода. Проведен анализ существующих методов декомпозиции и обоснован выбор рабочего метода при решении задачи управления процессом каталитического крекинга.

В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с технической реализацией разработанной системы управления.

В заключении сформулированы основные результаты работы. Научная новизна результатов работы, представляемых к защите, заключается в следующем:

♦ на основе анализа имеющихся работ сформулирована полная модель процесса в реакторе установки каталитического крекинга типа Г-43/107, отражающая специфику производства и учитывающая его основные технологические параметры;

♦ предложены к рассмотрению и проанализированы различные виды критериев идентификации математической модели; показано, что наибольшая точность и удобство решения достигается при использовании модульного критерия;

♦ впервые задача оптимального управления технологическим процессом каталитического крекинга сформулирована как многокритериальная задачи оптимизации и предложены пути ее решения методом явной декомпозиции;

♦ проведен анализ различных методов решения многокритериальных задач оптимизации с использованием свертки критериев и обоснован выбор модульного минимаксного критерия свертки как обеспечивающего высокую точность решения и позволяющего его нахождение и в случае невыпуклости множества допустимых решений

Практическая ценность результатов работы:

♦ предложенные методы и алгоритмы оптимального управления сложными системами для многокритериальных оптимизационных задач реализованы на основе метода явной декомпозиции и позволяют достичь улучшенных результатов проведения процесса в зависимости от исходных характеристик сырья, заданных условий протекания процесса и требований рынка;

♦ предложен вариант технической реализации системы управления процессом каталитического крекинга на базе

распределенной сети кольцевой архитектуры с использованием технических средств фирмы КОХВОЯО;

♦ разработанные алгоритмы решения задачи оптимального управления процессом каталитического крекинга на установке типа Г-43/107 реализованы на алгоритмических языках, входящих в состав стандартного программного обеспечения АСУ;

♦ результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании распределенных АСУ в качестве технического материала для внедрения на нефтеперерабатывающих заводах в виде типовых решений и пакета прикладных программ.

ГЛАВА 1

Анализ технологического процесса каталитического крекинга и постановка задачи

исследований.

Ви с/

первой главе проведен анализ современных тенденции развития отрасли, приведено описание технологического процесса каталитического крекинга, осуществлена постановка задачи оптимизации и рассмотрены основные этапы дальнейших исследований. Здесь приводится анализ процесса как объекта управления, выделены основные управляющие переменные, входные и выходные параметры процесса.

Особое внимание уделено постановке задачи оптимального управления. Она представлена как многокритериальная задача оптимизации, выбор критериев оптимальности будет сделан на основе проведенного патентного исследования.

Рассматриваемая задача оптимального управления характеризуется сложной структурой и высокой размерностью и может быть отнесена к классу задач оптимизации сложных химико -технологических систем, для решения которых наиболее целесообразным является применение методов декомпозиции.

1.1. Описание технологического процесса каталитического крекинга.

Механизм большинства реакций каталитического крекинга наиболее удовлетворительно объясняется в рамках карбкатионнной теории [1,2], согласно которой активными промежуточными частицами являются карбкатионы. Они образуются при

гетерокаталитическом разрыве связей в молекуле углеводорода под воздействием катализатора или при присоединении к углеводороду кислотных групп катализатора. Карбкатион, образующийся при взаимодействии углеводорода с кислотными центрами катализатора, претерпевает быстрые дальнейшие превращения, подвергаясь расщеплению с разрывом связи С - С, изомеризации, циклизации, Н -переноса (перераспределения водорода), алкилированию и полимеризации. Последовательное превращение карбкатиона продолжается до достижения наиболее стабильной структуры. В схематическом виде основные направления превращения углеводородов при крекинге выглядят следующим образом (рис.1.1).

Для крекинга нефтяных фракций практически невозможно описать все химические реакции, и поэтому ограничиваются рассмотрением схем, учитывающих основные направления и результирующий эффект крекинга с использованием различной группировки реагирующих веществ [3,4]. Несмотря на сложность реакций каталитического крекинга, кинетика превращения индивидуальных углеводородов во многих случаях описывается уравнением первого порядка вида

Кэф=Уо*п*1п(1-Х)-(п-1)*Х, а кинетика крекинга нефтяных фракций на цеолитсодержащих катализаторах часто описывается уравнением вида

Кэф=Уо/(1-Х), (1.1)

где Кэф - эффективная константа скорости реакции,моль/(с*г);

У о - скорость подачи жидкого сырья,моль/(с*г); п - число молей продуктов,образующихся на 1 моль сырья;

X - конверсия сырья,мольные доли.

ПАРАФИН

НАФТЕН

ОЛЕФИН

г - олефины+парафин - олефины+Н2

- - изопарафин

- олефины

- циклогексан+олефин

АЛКИЛ- -АРОМАТИЧЕС КИЙ УГЛЕВОДОРОД

НАФТЕН+ ОЛЕФИН

и - ароматические углеводороды

- олефины

- парафины+диены

- парафины или нафтены+ ароматические углеводороды

^ - полимеры, кокс

- - олефин+ароматический

- - углеводород

- парафин+алкилароматический углеводород с боковой олефиновой цепью

- изомеры алкилароматического углеводорода

- продукты конденсации, кокс -- ароматический углеводород+парафин

АРОМАТИЧЕСКИЙ

УГЛЕВОДОРОД+--продукты конденсации, кокс

ОЛЕФИН

РисЛЛ. Основные направления превращения углеводородов в реакциях каталитического крекинга.

Скорость крекинга и выход продуктов существенно изменяются в зависимости от качества сырья, свойств катализатора и полноты его регенерации, технологического режима, конструктивных особенностей реакционных аппаратов.

В промышленности процесс осуществляют в системах с непрерывно циркулирующим катализатором, который последовательно проходит через зоны каталитического крекинга сырья, десорбции сорбированных углеводородов, окислительной регенерации. Установки каталитического крекинга имеют однотипную технологическую схему и различаются в основном принципом работы и конструктивным оформлением реактора регенераторного блока [5]. Основное развитие получила установка каталитического крекинга с циркулирующим микросферическим катализатором Г/43-107 и ее модификации. В состав установки входят следующие блоки: гидроочистка вакуумного сырья, каталитический крекинг и ректификация, абсорбция и газофракционирование, блок утилизации теплоты.

Реактор представляет собой прямоточный лифт - реактор постоянного или переменного сечения, заканчивающийся отбойными пластинами, разделительными циклонами, зоной форсированного кипящего слоя (или же зоной кипящего слоя, секционированной горизонтальными непровальными решетками). Регенераторы, применяемые в промышленности, выполняют с общим псевдоожиженным слоем катализатора, с секционированием регенерационного пространства горизонтальными провальными или непровальными решетками, вертикальными перегородками.

II

Рис. 1.2. Блок-схема технологической установки каталитического

крекинга Г/43-107. Секции: 1- гидроочистка сырья, 2- каталитический крекинг и ректификация, 3- абсорбция и газофракционирование, 4-утилизация теплоты,

5- электрофильтры; Потоки: I- вакуумный дистиллят, II- водород, III- углеводородный газ, IV- водородсодержащий газ, V- бензин гидроочистки, VI- компонент дизельного

топлива, VII- сырье каталитического крекинга, VIII- сухой газ, IX- пропан-пропиленовая фракция, Х- бутан-бутиленовая фракция, XI- компонент автобензина, нестабильный бензин, XII- фракция 195-270°С, XIII- фракция 270-420°С, XIV- фракция выше 420°С, XV- дымовые газы регенерации.

Г/43-107 - установка с предварительной гидроочисткой сырья [6]. Сырье (вакуумный дистиллят сернистых нефтей) подвергается в секции 1 гидроочистке на алюмокобальт - молибденовом катализаторе. После отделения бензиновой и дизельной фракции гидроочищенное сырье подается на каталитический крекинг в секцию 2. Продукты крекинга подвергаются ректификации с получением жирного газа, нестабильного бензина, фракций 195-270°С, 270-420°С, выше 420°С. Жирный газ и нестабильный бензин направляются в секцию 3 на абсорбцию и газофракционирование, где получаются стабильный бензин, ББФ, ППФ, сухой газ и сероводород, абсорбированный моноэтаноламином из жирного и водородсодержащего газов. Дымовые газы регенерации поступают в секцию 4 для утилизации теплоты, затем в электрофильтры 5 для улавливания катализаторной пыли и потом в дымовую трубу (рис.1.2).

Технологическая схема секции крекинга представлена на рис.1.3, Гидроочищенное сырье после предварительного нагрева в теплообменниках 1 смешивается с рециркулятом, водяным паром и вводится в узел смешения 2 прямоточного лифт - реактора 3. Контактируя с горячим регенерированным цеолитсодержащим катализатором, сырье испаряется, подвергается крекингу в прямоточном лифт - реакторе и далее поступает в зону форсированного кипящего слоя 4, предназначенную для формирования качества продуктов. Газокатализаторная смесь

и г-

поступает в отстойную зону реактора 5, где основная масса катализатора отделяется от нефтяных паров. Последние с небольшой долей захваченного потоком катализатора проходят двухступенчатые