CC BY
33
УДК 658 + 504:378
М.В. Герасименко, Т.В. Савицкая
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия
АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Разработан алгоритм управления безопасностью химико-технологических систем и продемонстрирован на примере установки каталитического крекинга Московского нефтеперерабатывающего завода. В основе данного алгоритма лежит нахождение аппроксимирующих зависимостей технологических параметров на основе имеющихся выборок с заводских датчиков с использованием программного комплекса MathCAD, а также разработанного программного обеспечения, написанного на языке С#, для нахождения оптимальных параметров технологического процесса с целью предотвращения возникновения аварийной ситуации на опасных производственных объектах.
The algorithm of management is developed by safety of chemical and technological systems and shown on an example of installation of catalytic cracking of Moscow oil refinery. At the heart of this algorithm finding of approximating dependences of technological parameters on the basis of available samples from factory sensors with use of the program MathCAD complex, and also the developed software written in the C# language, for finding of optimum parameters of technological process for the purpose of prevention of emergence of an emergency on dangerous production objects.
В процессе освоения новой техники и технологии возникли неизвестные ранее проблемы в области промышленной безопасности. Статистические данные Министерства по чрезвычайным ситуациям (МЧС) России свидетельствуют о росте чрезвычайных ситуаций техногенного характера. К сожалению, эта тенденция продолжается и по сей день. Высокую озабоченность вызывают аварии на объектах с химическими технологиями и при перевозке ядовитых, взрывчатых и других опасных продуктов. Поэтому весьма важной задачей является разработка все более новых методов и алгоритмов управления безопасностью потенциально опасных объектов.
Данная работа посвящена разработке алгоритма управления безопасностью химико-технологических систем. Объектом исследования является установка каталитического крекинга Г-43-107 Московского нефтеперерабатывающего завода. Данная установка состоит из 5 секций, наиболее опасной из которых является секция каталитического крекинга и ректификации (секция 200). На примере данной секции и будет продемонстрирован предлагаемый алгоритм.
На основе анализа плана локализации и ликвидации аварийных ситуаций (ПЛАС) Московского нефтеперерабатывающего завода было выявлено, что наиболее опасной причиной возникновения аварийной ситуации в секции 200 является повышение температуры в реакторе Р-201. Учитывая, что целевой переменной является температура в зоне реакции, превышение которой выше допустимого значения может привести к аварийной ситуации, необходимо определить параметры, влияющие на ее значение.
Исходя из описания технологической схемы реакторного блока, можно сделать вывод, что основными таковыми параметрами являются: тем-
пература сырья, расход сырья, температура катализатора и его расход. Причем управляющими переменными будут расходы сырья и катализатора. Тогда общий вид зависимости целевого параметра от остальных будет иметь вид:
ТРЗ = а0 + а1 ■ Тс + а2 • FС + а3 ■ TK + а4 ■ FK ,
где а0 - а4 - коэффициенты, конкретные значения которых были определены в результате анализа выборки данных из режимных листов установки, при помощи метода наименьших квадратов, реализованного в программном
комплексе MathCAD: ао = 699,328; ai = 0,07; а2 = - 0,033, аз = -
—3 РЗ с
0,301а4 = 1,527*10 ; Т - температура в реакционной зоне, °С; Т - температура сырья, °С; F - расход сырья, м3/ч; Тк - температура катализатора,
К 3
°С; F - расход катализатора, м /ч.
Из режимных листов были определены интервалы значений, принимаемых технологическими параметрами:
• температура в зоне реакции может принимать значения в интервале от 480 до 525 °С, причем нормой рекомендуется считать значения в интервале от 511 до514 °С;
• температура сырья не должна превышать 330 °С;
• расход сырья должен быть не менее 160 м /ч;
• температура катализатора не должна превышать 700 °С;
• расход катализатора может изменяться от 2000 до 6500 м /ч.
Стоит отметить, что данная зависимость не является точной математической моделью процессов, происходящих в реакционной зоне реактора каталитического крекинга, и может использоваться лишь для приблизительного выражения влияния температур и расходов сырья и катализатора на температуру в зоне реакции. Данная зависимость может с достаточной степенью эффективности использоваться только в определенных ранее интервалах значений используемых параметров. Однако предложенная форма функциональной зависимости полностью соответствует целям, поставленным в данной работе.
Для решения задачи управления безопасностью технологическими процессами с целью предотвращения возникновения аварийной ситуации разработано программное обеспечение (ПО) на языке программирования С#, в основе реализации которого лежит генетический алгоритм. Алгоритм работы ПО представлен на блок-схеме (см. рис. 1).
Алгоритм работы с ПО:
1. Ввод данных: значение начального целевого параметра, его пределы возможных значений и пределы нормы, а также шаг, с которым начальное значение целевого параметра будет изменяться для достижения состояние нормы. Помимо этого необходимо ввести пределы возможных значений управляющих переменных и значения всех используемых постоянных.
ЛУЧ. ОТ ОС. - ЛТЕК. '
Рис. 1. Блок-схема: алгоритм работы ПО
2. После вычисления количества шагов и установления значения целевого параметра (Хтек.) на текущем шаге, генерируется начальная популяция особей. Популяция составляет 1000 особей (задается в программе). Каждая особь имеет такое же количество численных значений п - сколько пользователь задал управляющих переменных.
3. Далее вычисляется здоровье каждой особи (ХоТос.), т.е. конкретное значение целевого параметра при конкретных значениях управляющих переменных.
4. После сортировки здоровья особей «50% наихудших особей» исключается. Т.е. убираются те особи, значения целевого параметра при которых, давали наибольшее отклонение (по модулю) от установленного значения целевого параметра на текущем шаге (Хтек).
5. Далее происходит перемешивание оставшихся 50% особей, создание 25% детей (путем их скрещивания попарно) и добавлением 25% новых случайных особей.
6. Далее производится мутация особей с 5% вероятностью. Это означает, что случайно выбирается число от 1 до 100 и если оно попадает в интервал [1..5], то мутация произойдет. Мутация заключается в следующем: у особи есть п - количество численных значений, случайным образом выбирается одно из них, переводится в двоичную систему и изменяется одно из значений полученного числа: 0на 1 или 1на 0.
7. По достижении заданного количества итераций (Ы = 100000) и ряда проверок производится вывод результатов.
Вывод результатов для секции 200, реактора Р-201 представлен на рисунке 2.
'1 Fjjjnj_ □BE
1 tabPagel tabPage2 tabPage3
Result=520,000001 I Fc=168,8562;Fk=8455,983; Итераций: 59 Result=518,000001 I Fc=208,8238;Fk=8048,845; Итераций: 30 F!esult=516 I Fc=230,8466;Fk=5219,344; Итераций: 19 Result=514 I Fc=278,4795;Fk=4895,759; Итераций: 14 Result=512,500001 I Fc=280,153;Fk=3992,829; Итераций: 12
пиши
Рис. 2. Вывод результатов - интерфейс окна разработанного ПО
Данное ПО показало удовлетворительные результаты при расчетах на нескольких технологических блоках установки каталитического крекинга с целью управления безопасностью опасных производственных объектов. ПО совместимо с операционной системой Windows 2k/XP/7, имеет удобный для пользователя интерфейс, представляет собой один исполняемый файл.
