XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

Процесс дебутанизации на сегодняшний день играет ключевую роль в нефтехимической и газоперерабатывающей отраслях. Успешное выполнение этого процесса напрямую влияет на качество конечной продукции и общую экономическую эффективность производств. Основными задачами, которые стоят перед инженерами и исследователями в этой области, являются минимизация потерь сырья, снижение энергозатрат, получение экономического эффекта на базе существующих мощностей производства.

Современные методы автоматизации и управления технологическими процессами позволяют значительно повысить эффективность систем контроля и регулирования. Однако традиционные методы автоматизации часто оказываются недостаточными для решения сложных задач, возникающих в процессе дебутанизации. В связи с этим возникает необходимость в разработке усовершенствованных контроллеров, способных адаптироваться к изменяющимся условиям работы, обеспечивать высокую точность управления и воздействовать одновременно на все параметры контролируемого технологического процесса.

В данной статье предлагается решение данной проблемы в виде разработки и проектирования контроллера системы усовершенствованного управления технологическим процессом (СУУТП) для оптимизированного управления работой колонны дебутанизации. В научно-исследовательской работе раскрываются основные принципы работы разработанной системы, а также результаты её испытаний моделей, основанных на исторических данных работы колонны. Исследование направлено на создание инновационных решений, способствующих улучшению качества и стабильности процессов дебутанизации.

Описание функционирования установки

Управление колонной дебутанизации – это пример, позволяющий наглядно показать взаимодействие отдельных частей данной программы [1]. На рис. 1. Представлена общая схема процесса.

Рис. 1. Технологическая схема колонны дебутанизации

Показателями качества верхнего и нижнего продуктов является содержание фракций углеводородов C5 и C4, соответственно.

Необходимо регулировать эти показатели так, чтобы они не превышали заданных характеристик. Кроме того, в процентах установлен верхний предел коэффициента загрузки тарелки 54. Возможна экономия энергопотребления в кипятильнике, она задается как целевой экономический показатель. Наконец, можно определить влияние расхода сырья на качество кубового продукта и использовать его в качестве модели с измеряемым возмущением, которое обусловлено тем, что фактический расход сырья регулируется на другом узле установки, предшествующей колонне дебутанизации [2].

Разработанное решение

С целью проведения оптимизации работы колонны было принято решение по внедрению многопараметрического контроллера усовершенствованной системы управления. Для этого необходимо построить динамические модели, отражающие воздействие манипулируемых параметров (MV) технологического процесса на контролируемые параметры (CV) данного процесса с учетом возмущающих воздействий (DV) [3].

Разрабатываемый контроллер является многопараметрическим и способен управлять несколькими параметрами системы, на основе динамическим моделей, содержащих дифференциальные уравнения первого и второго порядка. Каждая из динамических моделей отражает воздействие параметра MV или DV на параметр CV. Уникальной отличительной особенностью каждой модели является порядок дифференциального уравнения описывающего процесс модели и значения его коэффициентов. Существует три основных коэффициента описывающих параметры протекающего технологического процесса в контроллере СУУТП:

D (Deadtime) – время запаздывания;

G (Gain) – коэффициент усиления;

– постоянная времени.

От количественного значения данных коэффициентов в совокупности с порядком дифференциального уравнения, описывающего воздействие переменной MV или DV на CV зависит качество управления контроллером СУУТП технологическим процессом. На рис. 2.

Представлена разработанная модель контроллера СУУТП, содержащая основные модели управления и взаимосвязи между всеми типами переменных технологического процесса.

Рис. 2. Процесс дебутанизации в виде модели контроллера СУУТП

Стоит заметить, что температуры верхнего и кубового продукта являются промежуточными параметрами, оказывающими влияние на качество соответствующих фракций. Программа контроллера СУУТП регулирует эти температуры, при этом позволяет контроллеру в процессе наблюдения прогнозировать влияние возмущений температуры на качество фракций [4]. Это представляет интерес, поскольку между средствами воздействия и регулируемыми показателями качества имеется значительная задержка.

Также обратите внимание, что загрузка тарелки не оказывает влияния на остальные выходные сигналы.

В данной модели расход сырья является измеряемым возмущением. Он оказывает непосредственное влияние на качество кубового продукта без учета температуры нижней части. Изменения качества кубового продукта отражают колебания температуры нижней части в зависимости от типа процесса. Тем не менее, в приведенной выше модели нет противоречия, если расход сырья не оказывает существенного влияния на температуру нижней части. Конечная цель измеряемого возмущения – прогнозировать изменение качества кубового продукта в зависимости от изменения расхода сырья [5].

Управление в режиме реального времени одновременно по всем переменных технологического процесса осуществлено с помощью системы весовых коэффициентов и приоритетов. Приоритет существует только у переменных типа MV и находится в диапазоне значений от 1 до 999, где 1 – наивысший приоритет, 999 низший приоритет. Такое решение позволяет контроллеру СУУТП анализировать значимость управляющего параметра протекающего процесса и исходя из этого корректировать более оперативно, при этом сохраняя все остальные параметры в рамках установленных границ технологического процесса [6]. Весовые коэффициенты применяются только для параметров CV и обозначают насколько быстро контроллер будет изменять контролируемый параметр технологического процесса, чем больше численное значение веса параметра в диапазоне от 1 до 999, тем более медленно будет происходить его изменение, а следовательно, выше значимость для соблюдения регламентной технической карты процесса.

Детальная информация о рабочей точке и характеристике управления качеством и загрузкой представлена на рис. 3.

Рис. 3. Детализация параметров контроллера СУУТП

Заключение

В ходе исследования была разработана и протестирована методика проектирования контроллера для системы усовершенствованного управления процессом дебутанизации. Предложенный подход основывается на современных алгоритмах оптимизации и математическом моделировании, что позволило значительно повысить эффективность управления и улучшить динамические характеристики системы.

Результаты проводимых экспериментов продемонстрировали потенциал предложенного контроллера в условиях реального производства. Установлено, что использование разработанных методов может способствовать повышению точности регулирования и сокращению временных затрат на обработку, что важно для достижения оптимальных показателей качества продукции и снижения расходов на электроэнергию и сырье.

Таким образом, данное исследование открывает новые направления для дальнейших исследований в области автоматизации нефтехимических процессов и предоставляет возможности для оптимизации работы систем дебутанизации. В будущем планируется продолжить программу испытаний и рассмотреть внедрение предложенных решений в другие технологические установки, с целью повышения их надежности и эффективности.

Список литературы

1. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию – Москва: Химия, 1991. – 496 с.

2. Т. М. Бекиров, Г. А. Ланчаков. Технология обработки газа и конденсата [Текст] / - М.: Недра, 1999. - 596 с.

3. Зиятдинов Н.Н., Лаптева Т.В., Богула Н.Ю. Анализ гибкости оптимального проекта колонны дебутанизации – Текст: Вестник Казанского технологического университета, 2012. – Том.15, №12. – С. 148-151.

4. Мищенко Д.Д. Моделирование распределённой системы идентификации динамических моделей – Текст: Science Time, 2015. – №6. – С. 313-318.

5. Гершкович Ю.Б., Нурутдинов Н.Н. Математическая модель и оптимальное управление технологическим процессом депропанизации – Текст: Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, 2017. – №12. – С. 57-61.

6. Никитин Д.А., Сафин Э.М. Проектирование системы усовершенствованного управления в нефтегазовой отрасли – Текст: Студенческий вестник, 2020. – №17. – С. 37-38.