VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

1 Теоретический обзор

Любой НПЗ не может обойтись без процесса ректификации. Его функция может быть как вспомогательной – разделение целевых и побочных продуктов, получаемых в процессе нефтепереработки, так и основной – выделение топливных фракций из нефти (нефтепродуктов). Процесс ректификации – один из самых энергоёмких процессов нефтепереработки (На его долю приходится 50-80 % энергозатрат НПЗ).

Разработка ресурсоэффективных технологий и управление сложными технологическими системами невозможно представить без использования метода математического моделирования. Эти методы лежат в основе программных комплексов для автоматизированного проектирования и используются в современных стратегиях управления процессами, где математические модели встроены непосредственно в алгоритм управления.

Оптимальное проектирование и эффективное управление процессами позволяют снизить энергопотребление, увеличить мощность и производительность технологической схемы и улучшить качество продукции, обеспечить безопасность и экологичность производства, повышение качества фракционирования, уменьшение количества загрязненных сточных вод, а также увеличение отбора целевых продуктов.

Изучение реакции на возмущения параметров очень важно для управления. Это утверждение особенно справедливо для ректификационных колонн. Большинство систем имеют линейные (или близкие к линейным) отклики на изменения. Ректификационная колонна не является линейной системой, поэтому, в большинстве случаев, стандартные системы управления непригодны. Идентификация возмущаемых параметров и параметров управления особенно актуальна для дальнейшей разработки систем управления ректификационной колонной. После установления управляющих и управляемых наборов параметров необходимо понять, как отвечает ректификационная колонна на возмущения.

Анализ параметрической чувствительности позволяет:

• определить области высокой ПЧ, работа в которых, в общем случае, нежелательна, поскольку может привести к нештатным и аварийным ситуациям;

• дать рекомендации по разработке оптимальных алгоритмов управления;

• выполнить оптимизацию установки.

Под чувствительностью выходной переменной параметра понимают величину . Аналогично определяется чувствительность выходной переменной относительно изменений входных и управляющих переменных ,. В практике расчетов находят применение нормированные чувствительности , , .

Эти величины безразмерны и с их помощью можно сопоставлять и оценивать влияние различных параметров и управлений на выходные величины элементов ХТС и на критерий оптимизации в любой точке поиска.

2 Цель и задачи работы

Цель заключалась в исследовании параметрической чувствительности колонны фракционирования нефти, определения влияния возмущений параметров на показатели эффективности работы колонны с использованием разработанной математической модели процесса в среде HYSYS.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• определение возмущаемых параметров;

• определение целевых выходных параметров;

• разработка методики расчета ПЧ на математической модели, построенной в САПР;

• анализ параметрической чувствительности.

3 Объекты исследования

Объектами исследования были приняты две схемы ректификации, простая и сложная:

1. Колонна фракционирования нефти, состоящая из отпарной колонны и конденсатора. Число тарелок в колонне 7, флегмовое число 2,9 (мольное), расход потока питания 500, 4000, 8000, 12000кг/ч. Схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Колонна фракционирования нефти

2. Установка с колонной отбензинивания и частично интегрированными потоками. Схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Принципиальная технологическая схема фракционирования нефти

4 Расчет по первой схеме

Расчеты по первой схеме выполнены для двух вариантов: полного и парциального конденсатора.

Были проведены исследования влияния возмущений на работу технологической схемы. В качестве возмущений использовались отклонения расхода жидкой части потока питания (+1, +2, +5% от начального значения), флегмового числа (+1, +2, +5% от начального значения). Погрешность измерений и недостоверность параметров в программе HYSYS составляет примерно 5%, что помогло выбрать максимальное значение отклонения. В качестве контролируемых параметров – содержание компонентов в дистилляте, температура и давление в верхней части колонны, они очень чувствительны к возмущениям.

Для расчета коэффициента чувствительности перешли от частных производных к конечным разностям:

где G – расход пара, кг∙моль/с;

L – расход жидкости, кг∙моль/с;

R – флегмовое число;

x – мольное содержание компонентов.

Чувствительность температуры и давления в верхней части колонны к расходу флегмы (R), пара(G), жидкости(L) рассчитали следующим образом:

где P_i0- давление насыщенных паров, МПа;

Т – температура на тарелках, °С.

Возмущение расхода потока питания (+1, +2, +5%)

При изменении потока питания параметрическая чувствительность по расходу пара и жидкости незначительна. Из графика видно, что коэффициент параметрической чувствительности увеличивается с ростом температуры кипения компонентов (рисунок 3).

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента чувствительности компонентов с различной температурой кипения к изменению расхода пара и жидкости

Возмущение флегмового числа (+1, +2, +5%)

При возмущении флегмового числа состав дистиллята проявляет высокую параметрическую чувствительность.

Из графика видно, что коэффициент параметрической чувствительности увеличивается с ростом температуры кипения компонентов (рисунок 4).

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента чувствительности компонентов с различной температурой кипения к изменению флегмового числа

Параметрическая чувствительность температуры и давления верха колонны

Наблюдается высокая параметрическая чувствительность температуры верха колонны к любым возмущениям при расходе потока питания 500, 4000

кг/ч. ПЧ уменьшается с ростом расхода потока питания (рисунок 5, 6).

Рисунок 5 – Зависимость параметрической чувствительности температуры верха колонны к расходу пара при возмущения расхода потока питания

Рисунок 6 – Зависимость параметрической чувствительности температуры верха колонны к расходу жидкости при возмущения расхода потока питания

Параметрическая чувствительность температуры верха колонны к возмущению расхода флегмы постоянна (рисунок 7).

Рисунок 7 – Зависимость параметрической чувствительности температуры верха колонны к расходу флегмы при разных расходах потока питания

Наблюдается низкая параметрическая чувствительность давления верха колонны к возмущению расхода потока питания.

Параметрическая чувствительность давления верха колонны растет с увеличением возмущения расхода флегмы (рисунок 8).

По результатам расчета установили, что чувствительность температуры верха колонны к расходу флегмы, пара и жидкости значительно выше, чем чувствительность давления верха колонны.

Рисунок 8 – Зависимость чувствительности давления верха колонны к расходу флегмы

Были сделаны расчеты коэффициента параметрической чувствительности по расходу пара, жидкости и флегмы, параметрическая чувствительность температуры, давления вверху колонны к расходу флегмы, пара и жидкости. При изменении потока питания параметрическая чувствительность по расходу пара и жидкости незначительна. Коэффициент параметрической чувствительности по расходу пара, жидкости и флегмы увеличивается с ростом температуры кипения компонентов и с понижением их содержания в дистилляте. Состав дистиллята проявляет высокую ПЧ к возмущению флегмы. Чувствительность температуры значительно выше, чем чувствительность давления. Наблюдается высокая параметрическая чувствительность температуры верха колонны к любым возмущениям и растет с увеличением возмущения расхода потока питания. Наблюдается низкая ПЧ давления верха колонны к возмущению расхода потока питания, ПЧ давления к расходу флегмы растет с увеличением возмущения расхода флегмы.

Состав дистиллята очень чувствителен к расходу флегмы, следовательно, нужно связать его с давлением верха колонны, менять давление и реагировать на возмущения расхода флегмы.

5 Расчет по второй схеме

В данной части работы проведены исследования влияния расхода пара в куб колонны на количество выхода продуктов, нагрузку конденсаторов. Одновременно анализировались давление и температура в верхней части колонны и в области отбора дизельной фракции (под 19-ой тарелкой). Расход пара изменяли в пределах от 2 до 5% от массы мазута, отбираемого с установки. Для возможности расчета параметрической чувствительности каждый расход изменяли в пределах от 1 до 5%.Погрешность измерений и итерационных расчетов позволила обосновать максимальное значение отклонения.

Таблица 1 – Исходные данные для расчета ПЧ выхода продуктов от влияния расхода пара в куб колонны К2

G, кг/ч	-5%	-3%	-2%	-1%	+1%	+2%	+3%	+5%
255	242	247	250	252	258	260	263	268
382	363	371	374	378	386	390	393	401
509	484	494	499	504	514	519	524	534
636	604	617	623	630	642	649	655	668

Также в работе проведены исследования влияния количества орошения от первоначального значения на выход дизельной фракции, смесь легкого и тяжелого бензина. На схеме буквами обозначены потоки орошения, которые последовательно изменяли от минус 10 до плюс 10% с шагом 2. В таблице 2 представлены значения отклонений орошений и флегмового числа.

Таблица 2 – Исходные данные для расчета ПЧ выхода продуктов от влияния орошения

Орошение	Расход, кг/ч	Расход после отклонения, кг/ч
		-10%	-8%	-6%	-4%	-2%	2%	4%	6%	8%	10%
	1000	900	920	940	960	980	1020	1040	1060	1080	1100
c	5500	4950	5060	5170	5280	5390	5610	5720	5830	5940	6050
e	5150	4635	4738	4841	4944	5047	5253	5356	5459	5562	5665
	R	-10%	-8%	-6%	-4%	-2%	2%	4%	6%	8%	10%
d	1,47	1,32	1,35	1,38	1,41	1,44	1,5	1,53	1,56	1,59	1,62

Влияние расхода греющего пара в куб второй колонны на количество выхода дизеля и бензиновой фракции

Расчеты показали, что значения параметрической чувствительности небольшие, но всё же наблюдаются выраженные пики, значения которых отличаются на порядок от других значений. Это можно наблюдать по графикам зависимости параметрической чувствительности от расхода греющего пара. Заметно, что пики образуются при малых значениях отклонения (на +1, -1%) для всех расходов (255, 382,509, 636).

Рисунок 9 – График зависимости ПЧ по расходу греющего пара на количество выхода дизеля

Рисунок 10 – График зависимости ПЧ по расходу греющего пара на количество выхода дизеля

Рисунок 11 – График зависимости ПЧ по расходу греющего пара на количество выхода бензиновой фракции

Рисунок 12 – График зависимости ПЧ по расходу греющего пара на количество выхода бензиновой фракции

Влияние расхода греющего пара на нагрузку конденсаторов

Расчеты показали, что изменение расхода пара в данной схеме не влияют на нагрузку конденсатора колонны 1. Значения ПЧ по расходу пара на второй конденсатор небольшие, но так же наблюдаются пики, как и в случае ПЧ по расходу пара на выход дизеля и бензиновой фракции. Пики наблюдаются в области малых отклонений.

Рисунок 13 - График зависимости ПЧ по расходу греющего пара на конденсатор

Рисунок 14 – График зависимости ПЧ по расходу греющего пара на конденсатор

Влияние расхода греющего пара на температуру и давление

Расчеты показали, что при отклонении расхода греющего пара в куб второй колонны от 1 до 5 % не оказало влияние на давление и температуру в верхней части колонны, а так же на температуру в области отбора дизеля (под 19-ой тарелкой).

В таблице 4 приведены значения параметрической чувствительности выхода дизельной фракции от изменения расхода орошения b, c, e.

Таблица 3

Исходное орошение, кг/ч			c	e
Отклонение орошений, %		1000	5500	5150
-10		0,000040	0,000047	0,000039
-8		0,000047	0,000064	0,000048
-6		0,000068	0,000001	0,000069
-4		0,000106	0,000002	0,000102
-2		0,000216	0,000000	0,000208
2		0,000236	0,000004	0,000042
4		0,000105	0,000035	0,000114
6		0,000076	0,000016	0,000084
8		0,000058	0,000011	0,000062
10		0,000048	0,000007	0,000049

Расчет показал, что изменения орошений в данных пределах не оказывает значительного влияния на выход дизельной фракции.

В таблице 4 указаны значения параметрической чувствительности выхода смеси легкого и тяжелого бензина от изменения расхода орошения b, c, e.

Таблица 4

Исходное орошение, кг/ч			c	e
Отклонение орошений, %		1000	5500	5150
-10		0,023450	0,128415	0,014293
-8		0,021989	0,129911	0,013651
-6		0,021482	0,134211	0,014135

Продолжение таблицы 4

-4	0,020273	0,138075	0,014203
-2	0,015964	0,143906	0,013908
2	0,027463	0,136366	0,020386
4	0,031137	0,142627	0,015578
6	0,030197	0,146433	0,015690
8	0,029854	0,149810	0,015771
10	0,029801	0,152896	0,015862

Значения параметрической чувствительности показывают незначительное влияние изменения орошения в данных пределах на выход смеси тяжелого и легкого бензина.

В таблице 5 приведены значения параметрической чувствительности выхода дизельной фракции, смеси тяжелого и легкого бензина от изменения флегмового числа в колонне К2.

Таблица 5

Отклонение от начального значения R	R	ПЧ
	1,47	Дизель	Бензин
-10	1,32	0,000019	0,859698
-8	1,35	0,000001	0,887034
-6	1,38	0,000003	0,922355
-4	1,41	0,000025	0,972230
-2	1,44	0,000032	1,013383
2	1,5	0,000063	1,038832
4	1,53	0,000042	1,086611
6	1,56	0,000001	1,121094
8	1,59	0,000001	1,160694
10	1,62	0,000005	1,198844

1. Результаты расчета говорят о том, что изменение флегмового числа в данных пределах не привело к значительным изменениям выхода дизельной фракции и смеси легкого и тяжелого бензина.

По результатам работы можно сделать вывод о том, что при малых возмущениях расхода греющего пара, появляется область с более высокой параметрической чувствительностью, по сравнению с другими отклонениями. Необходимо уделить внимание точности управления. Результаты расчета данной схемы показали, что расход греющего пара не повлиял на температуру и давление в верхней части колонны, на температуру в области отбора дизельной фракции.

Наблюдается слабая параметрическая чувствительность к возмущениям расхода орошения, флегмового числа на выход дизельной фракции и сумму тяжелого и легкого бензина.

Заключение

В работе была исследована параметрическая чувствительность колонны фракционирования нефти, определены влияния возмущений параметров на показатели эффективности работы колонны с использованием разработанной математической модели процесса в среде HYSYS.

Для достижения цели решены поставленные задачи.

Выявлены области высокой параметрической чувствительности, которые будут оказывать отрицательное влияние на работу установки. В таком случае необходимо уделить внимание управлению.

 

Код для цитирования: Скопировать