Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы управления промотированием катализатора процесса каталитического риформинга.
Цели исследования 13
Введение 13
1.1. Химико-технологические особенности процесса каталитического риформинга 14
1.2. Анализ возможностей использования существующих математических моделей процесса каталитического риформинга для целей управления. Классификация моделей 20
1.3. Установка каталитического риформинга как объект управления- Выбор критерия качества 29
1.4. Оценки эффективности существующих систем управления 36
1.5. Формулировка задач исследования 41
2. Разработка математической модели процесса каталитического риформинга. Исследование процесса по модели. 45
Введение 45
2.1. Выбор структуры математической модели 46
2.2. Оценка параметров модели 51
2.3. Оценка адекватности модели объекту управления ' 58
2.4. Исследование процесса каталитического риформинга по модели 62
2.5. Выводы 75
3. Синтез системы управления влагосодержанием газожидкостных потоков риформинга 77
Введение 77
3.1. Постановка задачи управления кислотной активностью катализатора 78
3.2. Разработка алгоритма расчета влагосодерхания гидрогенизата по косвенным параметрам 82
3.3. Структурный синтез системы управления влаго-содержания газожидкостных потоков реакторного блока 93
3.4. Выводы 107
4. Синтез адаптивной системы оптимального управления процессом каталитического риформинга 109
Введение 109
4.1. Постановка задачи III
4.2. Разработка алгоритма расчета оптимальных входных температур реакторов риформинга 114
4.3. Исследование оптимальных режимов работы реакторного блока в межрегенерационный период времени 127
4.4.Выводы 133
5. Разработка и внедрение АСУ'Ш каталитического риформинга 135
Введение 135
5.1. Общая характеристика типовой АСУ'Ш каталитического риформинга и состав задач управления 136
5.2. Система цифрового управления активностью катализатора 138
5.3. Промышленная реализация системы оптимального управления 149
5.4. Оценка эффективности разработанной системы 152
5.5. Выводы 156
Общие выводы 157
Заключение 159
Литература 162
- Химико-технологические особенности процесса каталитического риформинга
- Оценка адекватности модели объекту управления
- Постановка задачи управления кислотной активностью катализатора
- Разработка алгоритма расчета оптимальных входных температур реакторов риформинга
- Общая характеристика типовой АСУ'Ш каталитического риформинга и состав задач управления
Химико-технологические особенности процесса каталитического риформинга
Каталитический риформинг является одним из наиболее крупнотоннажных процессов переработки нефти. Он предназначен для обеспечения народного хозяйства высококачественными, де-тонационноустойчивыми автомобильными тогашвами и отдельными ароматическими углеводородами, потребности в которых постоянно возрастают. Важна роль процесса и в развертывающихся в настоящее время мероприятиях по охране окружающей среды: снижению содержания свинцовых антидетонаторов в бензине и особенно их полное устранение возможно лишь при значительном увеличении числа и мощности действующих установок.
Описанию особенностей технологии процесса на промышленных установках посвящено много работ.
В зависимости от назначения, типа и применяемого катализатора технологический режим процесса, а также выход и качество конечных продуктов колеблются в широких пределах [2-5]. Основными функциями каталитического риформинга являются [3]:
1. Превращение низкооктановых бензиновых фракций, получаемых при переработке любых нефтей, в катализат - высокооктановый компонент бензина.
2. Превращение узких или широких бензиновых фракций, получаемых при переработке любых нефтей или газового конденсата в катализат, из которого тем или иным методом выделяют ароматические углеводороды, в основном бензол, толуол, этил-бензол и изомеры ксилола, с последующим их использованием в производстве моющих средств и различных синтетических материалов .
Обычно первую разновидность процесса принято называть риформингом с целью облагораживания углеводородного топлива, а вторую - с целью получения ароматики.
В качестве исходного сырья технологических установок используются бензиновые фракции, образующиеся при первичной переработке нефти, с пределами выкипания 62 - 180С (применяются и более узкие фракции: на облагораживание - 85-1800 и Ю5-180С, а на ароматизацию - 62-85С - для производства бензола, 65-105С - бензола и толуола, IU5-I40C - ксилолов) [5].
Каталитический риформинг осуществляется на алюмоплати-новом катализаторе, промотированном хлор- или фторорганичес-кими соединениями (обычно дихлорэтан или четыреххлористый углерод). В промышленности нашли широкое распространение следующие типы катализаторов: АП-56, АП-64 - полиметаллические и KP-I02, KP-I04 и KP-I06 - биметаллические (платиноре-ниевые) [5].
Технологические установки подразделяются по способу осуществления окислительной регенерации катализатора на [5]:
1. Установки со стационарным слоем (рис.1), где регенерация проводится примерно один раз в год и связана с остановкой производства.
2. Установка с короткими межрегенерационными циклами, где регенерация катализатора проводится попеременно в каждом реакторе без остановки процесса.
3. Установки с движущимся слоем катализатора, где регенерация проводится в специальном аппарате - регенераторе (на рис.2 показан реакторный блок таких установок; Р-5 - регенератор) .
Оценка адекватности модели объекту управления
Проверка достоверности результатов моделирования осуществлялась при выполнении двух этапов: анализа адекватности модели статическому состоянию объекта и его динамическому состоянию. В первом случае в условиях промышленного производства были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых изучалось влияние изменения входных температур в реакторы на концентрацию углеводородов катализата и температуры газопродуктовой смеси на выходе из реакторов. Для каждого установившегося режима осуществлялся контроль индивидуального состава гидрогенизата и катализата, а также входных и выходных температур реакторного блока.
Расчет изменения концентраций углеводородов и температур осуществлялся чмсленно на ЭВМ.
Следует отметить, что для решения уравнений (2.1) следует использовать сеточные методы, тогда как расчет статического состояния объекта по модели можно проводить с помощью традиционных численных методов решения систем дифференциальных уравнений, например, применяя методы Рунге-Кутта, Дцамса и т.д. [70 - 76].
Оценку адекватности детерминированной модели обычно производят, используя критерий ]С [77] . Расчетная критериальная зависимость имеет следующий вид [33, 34І:
Здесь индекс t указывает на номер режима, а соответствует числу исследуемых выходных координат.
Нісли величина Л в результате проведенных вычислений окажется не больше некоторого ее критического значения, соответствующего степеням свободы [77], модель считается адекватной, при этом определяется и уровень значимости. X В табл.3 приведены экспериментальные данные и значения для каждого технологического режима. Величина суммарной дисперсии ошибок измерения концентраций и температур составляет по 0,5, что соответствует данным, представленным в работах [33, 34]. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что математическая модель в статическом состоянии адекватна реальному объекту с доверительной вероятностью 99%. Оценка адекватности модели динамическому состоянию объекта проводилась аналогичным образом, с той лишь разницей, что рассматривалось изменение концентраций и температур в ходе всего промежутка времени эксплуатации технологической установки. Результаты исследования объекта управления за 5 лет - с 1979 по 1983 г.г. - соответствующие пяти межрегене-рационным циклам были приняты за исходные данные для расчета значений выходных координат объекта, которые и сравниваются с экспериментальными величинами, при этом в каждом цикле учитывался свой закон изменения входных температур реакторного блока во времени (см.табл.4)
Постановка задачи управления кислотной активностью катализатора
Ранее отмечалось, что основными путями совершенствования технологии процесса каталитического риформинга являются увеличение входных температур реакторного блока (или ужесточение температурных режимов реакторов) и повышение активности катализатора. Но, если возможности ужесточения режимов ограничены областью допустимых значений технологических параметров, при которых еще не происходит резкое уменьшение активности металлических центров катализатора, то повышение активности катализатора за счет увеличения его кислотной активности собственно технологическими параметрами не лимитиг руется, а лишь обуславливается физико-химическими особенностями самого катализатора.
Решая задачу управления активностью, очевидно следует ориентироваться на наиболее типичные, повсеместно используемые виды катализаторов, такие как АП или КР. Одним из путей повышения активности катализатора является создание эффективных систем управления, обеспечивающих поддержание его активных центров на оптимальном уровне.
Таким образом, мы переходим к центральной проблеме данного исследования - к разработке системы управления процессом промотирования катализатора.
Как указывалось выше, задача управления активностью кислотных центров катализатора может быть решена посредством управления мольным отношением вода/хлор в зоне катализа. Так, если предположить, что существует некоторая (векторная) переменная X (или 0 ) , представляющая собой известную функцию от отношения вода/хлор, то задачу управления можно сформулировать следующим образом: для объекта управления, описываемого уравнением вида требуется найти такую управляющую (векторную) функцию U,, которая переводит систему из положения «X ( Ц) в положение X(Х2), обеспечивая минимум некоторого функционала качества I . Хорошо известно, что решение данной задачи оптимального управления зависит от правильного выбора стратегии управления и, в частности, от выбора функционала I . Так, например, для синтеза замкнутой системы управления и в случае квадратичного функционала качества обычно применяют метод динамического программирования [81 - 83], тогда как для построения оптимальной программы используют принцип максимума [84 - 86] . В общем случае возможно применение и геометрического подхода [87].
Однако какая бы стратегия управления ни рассматривалась, функциональная зависимость (3.1) всегда предполагается известной. Поэтому, прежде чем приступать к решению задачи, требуется конкретизировать как саму функцию j , так и каждую переменную, входящую в ее состав.
Разработка алгоритма расчета оптимальных входных температур реакторов риформинга
Переходя к синтезу оптимальных управлений будем предполагать, что системы автоматического регулирования, отрабатывают все возмущающие воздействия за минимально короткий промежуток времени ДТ- 0 . Тогда решение поставленной задачи сводится к нахождению такой оптимальной программы, при которой создаются условия движения объекта по экстремальной траектории Структурно оптимальная система управления (СОУ) может быть разомкнутой: это является следствием детерминизма траектории управляемого объекта С , а значит и критерия оптимальности 1 при фиксированной программе изменения управляющих воздействий t; . (Предполагается, что при заданном начальном состоянии LQ и заданных входных функциях t; уравнения движения объекта имеют единственное решение. В дальнейшем это высказывание будет подтверждено).
Поиск оптимальных управлений осуществляется различными способами. Известно [iOl], что для подобного класса задач удовлетворительное аналитическое решение возможно получить лишь в случае линейного объекта, описываемого обыкновенными дифференциальными уравнениями не выше второго порядка, причем, как правило, для задач максимального быстродействия. Отсюда следует, что пытаться решать задачу аналитически для системы дифференциальных уравнений в частных производных, к тому же нелинейных относительно вектора состояния и управления (см.(2.1)) не имеет смысла, также, как и не имеет смысла пытаться анализировать изучаемый объект с помощью структурного подхода ( например, на основании исследования условия общности положения [85]) .
Существует два основных пути численного решения задачи [I02]. Это, так называемые, прямые и непрямые итерационные методы. Первые отличаются тем, что дифференциальные уравнения связи координат всюду строго выполняются, а итерационный процесс распространяется на условия оптимальности и граничные условия уравнений. В случае вторых, наоборот, требуется соблюдение необходимых условий оптимальности, тогда как итерационная процедура поиска переносится уже на дифференциальные уравнения с краевыми условиями.
Поскольку решение задачи прямыми методами обладает лучшей сходимостью [102] , в данной работе рассматривается только этот подход.
Общая характеристика типовой АСУ'Ш каталитического риформинга и состав задач управления
В настоящее время на Мозырском НПЗ эксплуатируется АСУ комбинированной установкой ЛК-6У, которая применительно к процессу риформинга решает задачи сбора и первичной переработки информации, а также некоторые технико-экономические задачи. При разработке программно-алгоритмической структуры типовой АСУТП риформинга необходимо обеспечить возможность функционирования системы в вычислительной среде операционной системы ОУС, а структура данных должна соответствовать требованиям, предъявляемым к существующей базе данных. Это накладывает доплнительные условия при реализации подсистем АСУТП.
Известно, что автоматизированные системы обычно имеют разветвленную иерархическую структуру. В данной работе предлагается двухуровневая АСУТП. Функции верхнего уровня подразделяются на информационно-вычислительные (функции сбора, переработки и предоставления технологической информации) и управляющие. К числу первых относятся следующие задачи:
1. Вывод информации на мнемосхему.
2. Вывод информации о состоянии технологического процесса на дисплей по запросу оператора.
3. Печать режимного листа.
4. Сигнализация работоспособности технологических участков.
5. Анализ работоспособности технологического оборудования.
6. Расчет основных технико-экономических показателей.
7. Печать сводки результатов работы установки за смену, сутки и т.д.
8. Определение тенденций изменения отдельных показателей и отображение их по требованию оператора.
Управляющие функции включают задачи определения рационального режима ведения технологического процесса, формирования и выдачи управляющих воздействий. При управлении процессом каталитического риформинга необходимо выделить такие задачи:
1. Управления кислотной активностью катализатора реакторов секции риформирования.
2. Оптимального управления реакторным блоком за межре-генерационный период времени.
3. Стабилизации температурных режимов ректификационных колонн установки.
4. Оптимального управления распределением материальных и тепловых потоков риформинга.
5. Оптимального управления процессом регенерации катализатора.
6. Однотактного логического управления (выполнение блокировок, защит).
7. Управление пуском и остановом технологической установки.
