УДК 681.3:665.6 Н.И. ФОМИН, М.А. ФОКИН

УДК 681.3:665.6
Н.И. ФОМИН,
N.I. FOMIN,
М.А. ФОКИН
M.A. FOKIN
К ВОПРОСУ АНАЛИЗА АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ
УСТАНОВКОЙ ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ
ON THE ANALYSIS OF THE AUTOMATION OF
MANAGEMENT OF PRIMARY OIL PROCESSING
В статье приведён анализ систем автоматизации управления установкой первичной переработки
нефти. Основное внимание уделяется методам автоматического управления ректификационными колоннами.
Производится оценка эффективности автоматических систем управления (АСУ) для установок первичной
переработки нефти (ППН).
Так же в статье приводятся особенности управления установками на мини-НПЗ. Указываются основные недостатки и достоинства известных методов управления установкой на мини-НПЗ.
Ключевые слова: мини-НПЗ, первичная переработка нефти, ректификационная колонна, технологический процесс, нефтепродукты, автоматическая система управления, нечёткая логика.
The article presents the analysis of the automation control systems installation of primary oil processing. The
focus is on methods of automatic control of distillation columns. Assess the effectiveness of automatic control systems
for the distillation of oil.
Also in the article the features of the control units on the mini-refineries. Outlines the main advantages and
disadvantages of the known methods of plant control on the mini-refineries.
Key words: primary refining, distillation column, the process, the primary processing of oil, oil products, automatic control system, fuzzy logic.
Процесс первичной переработки нефти занимает одно из главных мест в нефтеперерабатывающей промышленности. Это обусловлено тем, что при переработке сырой нефти от
качества исходного сырья напрямую зависит качество выходного продукта. Поэтому процессы ректификации постоянно в центре внимания исследователей и практиков по нефтепереработке.
Процесс первичной переработки нефти на НПЗ уделяется большое внимание с 70-х
годов прошлого века.
Одна из первых в мировой практике автоматизированных систем управления комплексом ППН внедрена на нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ) в г. Уайтинге (США) [1].
Установка управляется вычислительной машиной 2ВМ- 704. Управляющая вычислительная
машина (УВМ) каждые 4 минуты считывает показания со 196 первичных приборов. Используя метод линейного программирования, оптимизированы 54 из 161 зависимых переменных
процесса путём нахождения соответствующих величин для более чем 19 независимых переменных. Расчёты выполняются через каждый 20 минут, с использованием их регулируется
работа 19 органов управления, обеспечивая предельную производительность установки.
Высокая эффективность этой системы предопределила интенсивное внедрение УВМ в
управление процессами ППН на ряде крупнейших НПЗ США и Европы.
В этой системе применены две ЭВМ нижнего и верхнего уровня управления. Первая
из ЭВМ принимает сигналы от аналоговых датчиков. Она осуществляет сбор информации об
измеряемых расхода (через каждые 2 с), давлениях (регистрация через 4 с), уровнях (через
каждые 8 с), температурах (регистрация через каждые 16 с). ЭВМ нижнего уровня связана с
ЭВМ верхнего уровня по двум каналам - для передачи данных и для управления. Измеряемые величины, вводимые вручную с пульта константы, ограничения и другая информация
поступает в ЭВМ верхнего уровня, которая рассчитывает новый режим и передаёт данные о
нем ЭВМ нижнего уровня. Помимо расчёта материального и теплового балансов, регистрации уровней в резервуарах, печати заводской и вахтенной документации эта ЭВМ осуществ-
ляет управление процессом, используя его статические модели. Система управления работает в реальном масштабе времени.
На НПЗ фирмы "Элф" в г. Фейзене (Франция) система оптимального управления блоком атмосферно-вакуумной трубчаткой использует ЭВМ типа М-40 и включает в себя 4 программы: сбора технологической информации с установки; характеристики текущего момента
(с её помощью рассчитывают свойства продуктов, внутреннее орошение жидкость/пар в колонне на различных уровнях отбора); управления, которая, используя параметры программы
текущего момента и производственных задач, вычисляет управляющие параметры; "контрольных точек", обеспечивающая преобразование управляющих параметров в аналоговых
преобразователях.
Основным параметром является точка "отсечки" фракции, представляющая собой
границы точек отбираемого и 5% следующего более тяжёлого продукта. Эта точка устанавливается оператором или рассчитывается с учётом технических требований на отбираемый
продукт. Регулируемыми параметрами являются: температура нефти на выходе из печи, температура верха колонны, расход по отбору керосина, лёгкого и тяжёлого газойлей. Расчёт
осуществляется каждые 10 минут [2].
Начиная с первой половины 60-х годов в Советском Союзе также начаты работы по
разработке и внедрению АСУ технологическими процессами ППН с применением экономико-математических методов и средств вычислительной техники.
Первые системы строились на базе УВМ типа "Днепр-1" и других машин 1-го и 2-го
поколений и предназначались в основном для сбора информации о процессах нефтепереработки и выдачи отдельных рекомендаций оперативному персоналу.
Одна из таких систем, в составе которой для сбора информации была применена ЭВМ
типа УМ-1, эксплуатировались на установке ППН АВТ-12/1 Рязанского НПЗ. На этом же заводе на установке АВТ-2 находилась в эксплуатации машина "Днепр-1", которая также выполняла функции сбора информации о процессе [3].
Следующий этап разработки и внедрения автоматизированной системы управления
процессом ППН, заменяющей существующие щитовые системы КИП и автоматики.
Развивается теория архитектуры с трёхуровневой структурой АСУ для управления
процессом ППН.
Основной идеей, заложенной в комплекс средств, является переход от трудоёмкой и
малоэффективной диагностики состояния технологического процесса по показаниям многочисленных вторичных приборов, к автоматическому контролю с помощью развитой системы
сигнализации отклонений переменных за допустимые пределы плюс возможность получения
в нужный момент всей информации о статике и динамике процесса, необходимой для управления [4].
Была создана компактная линейная математическая модель процесса для сравнительно большой области технологических режимов с высокой степенью адекватности и практической инвариантностью по отношению к фракционному составу нефти. Коэффициенты
множественной корреляции находятся в пределах 0,9-0,97.
В качестве критерия управления принята максимизация чёткости фракционирования,
в результате чего соответствующая температура раздела может занимать одно из крайних
положений. Такой критерий принят с учётом условия соблюдения определённой последовательности отбора фракций. При отсутствии приоритета по отбору минимизируется степень
чёткости, что соответствует минимизации энергозатрат. Функция цели находится путём решения 37 уравнений связи с учётом граничных условий.
В ряде случаев разработанные АСУ установкой ППН в основном построены на базе
морально и технически устаревших типов управляющих вычислительных машин первого и
второго поколения, а также элементов пневмоавтоматики, что препятствует применению
эффективных экономико-математических методов.
В работе [5] описана АСУ крупнотоннажной установкой ЭЛОУ АВТ-6М. Обработка
данных, поступающих от датчиков, расчёты и представление информации производится с
помощью ЭВМ.
В дальнейшем в состав АСУ включены информационные и учётно-плановые задачи,
режимные параметры выводятся на печать с часовым интервалом, рассчитываются среднесменные и среднесуточные плановые и фактические величины отборов основных фракций.
Алгоритмы первичной переработки информации основаны на линейной интерполяции
переменной по двум-трём дискретным точкам функции этой переменной. Опрос датчиков
осуществляется по жёсткой программе с интервалом в 1 минуту.
В ЭВМ вводится 170 параметров - это расходы, температуры, давления, уровни.
Вручную вводятся данные лабораторных анализов по плотности, расходные нормы по топливу, пару и воде на 1 тонну нефти, плановые показатели по выпуску продукции.
Недостатком этой работы является то, что установка первичной переработки нефти не
полностью охвачена оптимальным управлением.
Как видно, рассмотренные работы посвящены вопросам разработки функциональной
концепции автоматизированной системы управления процессом ППН, синтезу её структуры,
обсуждению полученных результатов в плане достижения конкретного экономического эффекта.
По мимо больших НПЗ в мире повсеместно вводятся в эксплуатацию нефтеперерабатывающие мини-заводы, способные обеспечить бензином, дизельным топливом, мазутом потребности, например, сельского хозяйства в области.
Нефтеперерабатывающая установка для мини-НПЗ должна отвечать самым строгим
требованиям по безопасности ведения процесса, энергетической эффективности и качеству
получаемой продукции. Желательно получать необходимые продукты в одну или максимум
две ступени ректификации без использования дополнительных источников энергии. Для
обеспечения качества выпускаемой продукции, наиболее оптимальным вариантом является
строительство сравнительно небольших мини-НПЗ, на которых бы производилось высокачественное дизельное топливо и бензин. Для достижения требуемого результата необходимы
АСУ, которые смогли бы дать должный эффект по выходу целевых продуктов и повышения
экономического эффекта.
Для управления сложной ректификационной колонной известен способ автоматического регулирования путём расхода орошения по температуре верха простой колонны, входящей в состав сложной колонны, с корректировкой по плотности смежных боковых погонов
и разности их плотностей. Экономический эффект достигается за счёт повышения чёткости
отбора и качества целевых продуктов и экономии энергозатрат [6].
Недостатком является регулирование только верха колонны, что не обеспечивает увеличение отбора светлых нефтепродуктов.
Известен способ управления процессом первичной переработки нефти в сложной ректификационной колонне с выводом боковых погонов нефтепродуктов, в котором по текущим
значениям концентраций лёгких и тяжёлых компонентов нефтепродуктов, используя динамическую модель процесса, определяют концентрации лёгкого компонента в отбираемом
выше погоне нефтепродукта и концентрацию тяжёлого компонента в отбираемом ниже
нефтепродукте и в зависимости от их значений дополнительно корректируют расходы циркуляционных и острого орошений, расход перегретого пара в низ сложной колонны и величины отборов боковых нефтепродуктов. Способ позволяет уменьшить концентрации нежелательных примесей в боковых погонах нефтепродуктов, например, уменьшить вынос дизельного топлива в мазут и, следовательно, увеличить отбор светлых нефтепродуктов на
0,8% [7]. Однако, данный способ может быть использован только при наличии анализаторов
качества, которые имеют низкую надёжность и значительное время запаздывания.
Наиболее близким техническим решением является способ автоматического регулирования в сложной атмосферной колонне процесса ректификации частично отбензиненной
нефти с предварительным нагревом её в печи, подачей в колонну циркуляционного ороше-
ния для съёма тепла и в низ колонны водяного пара, отбором бензина, боковых погонов и
мазута из куба колонны, включающий регулирование температуры поступающей в колонну
нефти изменением расхода топлива в печь и регулирование температуры в зоне орошения
изменением его расхода [8]. Способ является достаточно простым и до настоящего времени
находит применение в практике. Однако, при изменении состава исходной нефти или при
нестабильной работе колонны отбензинивания данный способ не обеспечит при ректификации максимальный отбор светлых нефтепродуктов и чёткость их отделения от фракций мазута.
Использование нечёткой логики в системах управления мини-НПЗ позволяет уменьшить вмешательство оператора в процесс управления и, следовательно, позволяет разработать новые методики управления, более адаптированные к промышленной среде.
Регуляторы, построенные на базе нечёткой логики, в ряде случаев способны обеспечить более высокие показатели качества переходных процессов по сравнению с классическими регуляторами. Кроме того, используя методы синтеза нечётких алгоритмов управления, можно выполнить оптимизацию сложных контуров регулирования без проведения всесторонних математических исследований.
Вывод. В результате проведённого анализа систем управления ректификацией на
ППН можно сделать следующие выводы:

необходимо провести анализ развития математического аппарата процесса
ППН с целью модификации имеющихся алгоритмов и математических моделей;

исследовать процесс как объект управления, его структуру.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Vestly D.T., Process Control and Automat, 1963, 10, N3, p. 101-104.
2.
Boffard A. Rew. Assoc. Trans. Tech. Petrol., 1971, N0208, p. 67-71.
3.
Багиров И.Т., Нуриева З.Д. Современная укрупнённая комбинированная установка ЭЛОУ АВТ с вторичной перегонкой бензина.-М.: 1970.-58C.
4.
Склярский Э.И., Грибакин Г.И., Шиб Л.М., Автоматизированная система централизованного контроля и управления "Нефть-1",- М. .- Химия, 1977,-168с.
5.
АСУП Киришинского НПЗ. Решения по комплексу технических средств вычислительного центра предприятия. Технорабочий проект. АИЦ 350/П-75Д 2.0,1.
6.
Дианов В.Г. «Автоматизация процессов в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности». – М. Химия, 1998, с. 296- 300.
7.
Патент - 2096064 РФ, МПК6 B01D3/42. Способ автоматического регулирования процесса ректификации нефти в сложной колонне/ Глинчак С.И.; Егоров Ю.А.; Шиб
Л.М.; Борисов В.А.; Соколов В.П.; Сидоров С.А; Производственное объединение "Горькнефтеоргсинтез".- N 93006597/25; Заяв. 30.02.1993; Опубл. 20.11.1997.
8.
Заде Л.А. Понятие лингвистической переменной и её применение к принятию
приближенных решений. - М.: Мир, 1976.
Фомин Николай Иванович
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орел
Аспирант кафедры «Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность»
Тел. +7 (953) 610-63-47
E-mail: evtib_gu_unpk@mail.ru
Фокин Михаил Александрович
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орел
Аспирант, ассистент кафедры «Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность»
Тел.: +7(4862) 45-57-57
E-mail: Litaliano13@yandex.ru