ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2014, № 4, с. 90-99
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
УДК 681.51.665.61.001.57
УПРАВЛЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫМИ МНОГОСТАДИЙНЫМИ ПРОЦЕССАМИ В НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ © 2014 г. И. А. Гусейнов, З. Г. Курбанов, Э. А. Меликов, А. И. Эфендиев, И. Р. Эфендиев
Азербайджан, Баку, Азербайджанская государственная нефтяная академия, НИИ "Автоматизация процессов управления" Поступила в редакцию 26.11.12 г., после доработки 20.01.14 г.
На основе всестороннего анализа особенностей одного класса нестационарных многостадийных процессов в нефтехимической промышленности разработана математическая модель технологического процесса очистки нефтяных фракций от органических кислот, поведение которых на каждой стадии описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений. Кроме того, рассматривается математическая постановка и решение задачи оптимального управления данным процессом. Для решения многостадийной задачи на основе принципа максимума Понтрягина получено необходимое условие оптимальности и разработан алгоритм его численного применения. Рассматривается построение системы оптимального управления, созданной на базе разработанных моделей и алгоритма оптимизации, определяющих оптимальные стратегии управления расходами щелочи и минимизации энергетических затрат, расходуемых на получение нефтяных фракций, полностью очищенных от нафтеновых кислот.
Б01: 10.7868/80002338814030093
Введение. Каталитические процессы в химической и нефтехимической промышленности в основном относятся к числу нестационарных сложных и многостадийных процессов. В настоящее время для оптимального управления такими процессами из-за большой размерности исходной задачи в основном применяют декомпозиционные подходы [1; 2, с. 83—91]. Это, однако, сопряжено с известными трудностями, вызванными необходимостью выполнения ограничивающих условий, таких как выпуклость и вогнутость множеств всех ограничений и функций, выпуклость целевых функций и условий регулярности. Кроме того, при использовании декомпозиционных подходов учет всех специфических особенностей реакционных и ректификационных процессов, который необходим для управления этими процессами в "динамике", представляет собой серьезные трудности.
В связи с этим одним из важных направлений совершенствования управления сложными нестационарными многостадийными процессами является алгоритмизация управления данными процессами. Кроме того, при решении задачи оптимального управления многостадийными процессами управление на каждой стадии и всей системой в целом должно рассматриваться совместно. Указанные условия и определяют специфику постановки задачи и выбора алгоритма оптимального управления [3, с. 15—22; 4, с. 750—754; 5, с. 13—20; 6, с. 680—683].
Рассмотрим класс нестационарных многостадийных каталитических процессов, поведение которых на каждой стадии может быть описано системой нелинейных дифференциальных уравнений. В качестве примера такого класса опишем установку по очистке нефтепродуктов от органических кислот, оборудованную по проекту американской компании "Мерикем" на Бакинском нефтеперерабатывающем заводе имени Г. Алиева и созданную для получения экологически чистых нефтяных фракций. Процессы в вышеназванной установке по своей структуре относятся к классу технологических процессов, протекающих в последовательно соединенных аппаратах.
1. Описание особенностей технологического процесса. Рассмотрим вкратце технологический процесс очистки нефтяных фракций от органических кислот, упрощенная схема которого показана на рис. 1. Полученный с установки первичной переработки нефти очищенный продукт — бензиновая фракция для очистки содержания в ней механических примесей, подается в корзи-нообразные фильтры. В этих фильтрах бензиновая фракция очищается от механических частиц размером более 300 мкм. После этого очищенная фракция поступает в верхнюю секцию контакт-
Очищенный бензин
Чистая щелочь
сД Т
Дизель ¥й, Ха° Очищенный дизель
Циркулирующая щелочь АТ2
Циркулирующая щелочь ар
уСз(?) Отработанная щелочь
г
Циркулирующая щелочь
Рис. 1. Упрощенная схема процесса очистки нефтяных продуктов от органических кислот
ного аппарата, укрепленного в верхней части дегидратора ЕЯ-1. В этом контактном аппарате бензиновая фракция контактирует с ламинарным потоком, протекающим вдоль вертикально расположенных электрических проводов, изготовленных из металла и смоченных в циркулирующем щелочном растворе.
В технологической схеме для обеспечения на должном уровне процесса очистки расход бензиновой фракции, подаваемой в дегидратор ЕЯ-1, контролируется позиционным расходомером. В верхнюю секцию контактного аппарата подается также и щелочной раствор. В итоге, во время протекания реакции нестабильная бензиновая фракция посредством щелочного раствора отделяется от серосодержащих примесей.
Реакция, протекающая в контактном аппарате, может быть записана в следующем виде:
2Ш0Н + Н28 ^ + 2Н20.
Содержащийся в бензиновой фракции, не вступивший в реакцию с серосодержащими соединениями и протекающий вниз вдоль металлических проводов щелочной раствор, отделяясь от этих проводов, смешивается в нижней части дегидратора с жидкой фазой и поступает в запасной отсек раствора. В это же время бензиновая фракция, протекая между проводами в одном направлении с щелочным раствором на выходе, отделяется от серосодержащих соединений и из верха дегидратора ЕЯ-1 выводится легкая бензиновая фракция.
В результате прохождения вышеперечисленных стадий, исходя из регламента, щелочной раствор, циркулирующий в технологической схеме, должен потерять не менее 40% своей первоначальной активности. Если же активность щелочи снизилась менее чем на 40%, то это один из показателей того, что в систему управления подали больше щелочи, чем это требовалось по регламенту установки. Если активность щелочи снижается более чем на 40%, то этот раствор должен быть заменен новым. Следует отметить, что в соответствии с требованиями установки щелочной раствор должен заменяться с периодичностью в каждые три дня.
В контактный аппарат дегидратора ЕЯ-1 из соответствующей ему емкости посредством насоса подается 15%-ный очищенный раствор щелочи. Для того, чтобы полностью вывести имеющиеся в системе серосодержащиеся соединения и воспрепятствовать избыточному расходу щелочного раствора, необходимо избавиться от образовавшегося серосодержащего щелочного раствора и подать в технологическую систему новый раствор. Наконец, очищенная бензиновая фракция по трубопроводам поступает в парк готовой продукции производства.
Теперь ознакомимся с процессом очистки керосиновой фракции (140—250°С) от органических кислот, осуществляющейся в контакторе ЕЯ-2. Керосин, полученный с установки первичной переработки нефти, посредством насоса подается в холодильник, где он охлаждается до температуры 38°С. После этого керосин, проходя через корзинообразные фильтры, очищается от механических частиц размером больших 300 мкм. Для высвобождения вышеназванных фильтров от механических частиц их периодически очищают. Керосин после прохождения фильтров поступает в верхний отсек контактного аппарата, расположенного в верхней части дегидратора ЕЯ-2, и затем протекает сверху вниз вдоль металлических проводов, смоченных в щелочном растворе.
Протекая вниз вдоль металлических проводов, керосин, в составе которого нафтеновые кислоты вступают в реакцию с щелочным раствором, поступает в фазу воды. После этого очищенный керосин выводится с верха контактного аппарата дегидратора ЕЯ-2 и подается в противоположном направлении в парк готовой продукции. На входе этого аппарата концентрация нового
щелочного раствора должна быть 4%. Действительно, превышение начальной концентрации щелочного раствора 4% приводит к лучшей нейтрализации нафтеновых кислот, содержащихся в керосине. Но в то же время в составе очищенного керосина образуются обладающие более устойчивыми особенностями эмульсионные вещества, а это в свою очередь отрицательно воздействует на качество получаемого товарного керосина. С этой точки зрения, нахождение активности очищенной щелочи на входе в пределах 3.5—5.6% на практике считается вполне нормальным.
Основной проблемой решения этой задачи является отсутствие на установке измерительного прибора (анализатора), осуществляющего оперативный контроль за активностью использованного щелочного раствора на выходе дегидратора ЕЯ-2. Поэтому в рассматриваемой системе невозможно обеспечить оптимальное значение расхода очищенной щелочи, подаваемого в дегид-раторы.
В дегидраторе ЕЯ-3 осуществляется очистка фракции дизельного топлива (250—350°С) от нафтеновых кислот при температуре 30—70°С и давлении 7.0—9.0 кг/см2. Дизельное топливо, вступая в реакцию с щелочным раствором, концентрация которого, как и в случае с керосиновой фракцией, должна быть 4%, очищается и выводится с верха контактного аппарата ЕЯ-3 в парк готовой продукции.
Таким образом, в технологическом процессе очистки нефтяных продуктов от органических кислот с помощью щелочного раствора основными аппаратами в данной системе являются де-гидраторы ЕЯ-1, ЕЯ-2 и ЕЯ-3, поскольку процесс нейтрализации нафтеновых кислот, содержащихся в составе нефтяных продуктов, происходит именно в данных аппаратах. Но всесторонний анализ схем автоматизации данных аппаратов показал, что некоторые очень важные и необходимые для определения их оптимальных режимов работы качественные показатели в общем и не измеряются. К этим показателям можно отнести нижеследующие:
концентрация нафтеновых кислот, содержащихся в составе бензиновой фракции, подаваемой на очистку на вход дегидратора ЕЯ-1;
концентрация использованного щелочного раствора на выходе дегидратора ЕЯ-2;
начальная концентрация нафтеновых кислот в составе керосиновой фракции, подаваемой на очистку на вход дегидратора ЕЯ-2;
активность использованного щелочного раствора после процесса нейтрализации на выходе дегидратора ЕЯ-2;
начальная концентрация нафтеновых кислот в составе дизельного топлива на входе дегидра-тора ЕЯ-3;
окончательная активность использованного раств
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.