CC BY
18
VII. Выводы и заключение
Предложенный алгоритм кластеризации FCR DV является модификацией алгоритма нечеткой кластеризации c-means. Алгоритм предоставляет возможность определять количество кластеров в процессе работы и проводить повторную реорганизацию кластеров, определять и удалять пустые кластеры для повышения точности распознавания. С помощью модифицированного алгоритма FCR DV удалось выделить большее количество летательных аппаратов, чем с помощью алгоритма c-means. Однако количество итераций FCR DV выше, чем у метода метод c-means. Данный факт говорит о том, что при наличии выборки большего объема для проведения кластерного анализа потребуется больше времени. Однако с учетом темпов развития производительности современных компьютеров можно надеяться, что данный недостаток не будет серьезной проблемой.
Список литературы
1. Бакулев П. А. Радиолокационные системы. М.: Радиотехника, 2004. 286 с.
2. Барсегян А. А., Куприянов М. С., Степаненко В. В., Холод И. И. Методы и модели анализа данных: OLAP и Data Mining. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 336 с.
3. Нейский И. М. Классификация и сравнение методов кластеризации. URL: http://it-claim.ru/Persons/Neyskiy/Article2_Neiskiy.pdf (дата обращения: 02.05.2017).
4. Котов А. Н., Красильников Н. Кластеризация данных. 1988. С. 13-15. URL: http://logic.pdmi.ras.ru/~yura/internet/02ia-seminar-note.pdf (дата обращения: 05.02.2017).
5. Jiangsheng Y. Clustering Methods. Applications of Multivariate Statistical Analysis. Beijing: Institute of Computational Linguistics. 2008. 20 с. URL: http://www.archive.org/web/20030422001200/icl.pku.edu.cn/yujs/papers/pdf/clster.pdf (дата обращения: 07.03.2017)
6. Roubos J. A., Setnes M., Abonyic J. Learning Fuzzy Classification Rules from Labeled Data. Delft: Delft University of Technology. 2006. 17 с. URL: http://www.researchgate.net/publication/222657076_Learning_iuzzy_classificaion_rules_from_labeled_data/links/09e4 150879582c877f000000 (дата обращения: 05.05.2017)
7. Вешкурцев Ю. М., Бычков Е. Д., Титов Д. А. Цифровой фильтр на основе теории нечетких множеств с адаптивно изменяемыми функциями принадлежности // Известия вузов России. Радиоэлектротехника. 2007. Вып. 2. С. 43-50.
8. Statistica. Advanced analytics software package / Official WebSite, 2010. URL: http://www.statistica.io (дата обращения: 25.03.2017).
9. Петров П. К., Семин Ю. Н. Математико-статистическая обработка и графическое представление результатов педагогических исследований с использованием информационных технологий: учеб. пособие, Ижевск: Изд -во «Удмуртский университет», 2013. 179 с.
УДК 658.26:620.92.001.57
МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ЭФФЕКТИНОСТИ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ ПРЕДПРИЯТИЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
А. В. Кульбякина, И. В. Долотовский
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-158-165
Аннотация - В статье рассматриваются методические положения системного анализа эффективности функционирования топливных систем предприятий переработки углеводородного сырья (УВС). Современные объекты переработки УВС - это крупные потребители энергетических ресурсов (ЭР) на собственные нужды. Снижение потребления ЭР, в том числе топливопотребления, а также создание рациональной структуры топливных систем - сложная и актуальная научная задача, решение которой возможно только с использование методов системного анализа и синтеза сложных систем. В соответствии с принципами системного анализа, на основных этапах исследования разработана иерархическая структура топливной системы, блочная схема синтеза оптимального варианта топливной системы с использованием математических моделей и комплекса критериев эффективности. Приведены результаты от внедрения конкретных технических решений по созданию собственных источников энергообеспечения объектов переработки УВС.
Ключевые слова: системный анализ, энергоэффективность, математическое моделирование, топливная система, углеводородное сырье, энергетический комплекс.
I. Введение
Современные предприятия переработки углеводородного сырья - газа, газового конденсата, нефти (ПП УВС) являются крупными потребителями всех видов энергетических ресурсов (ЭР) на собственные нужды. Энергетическая составляющая в себестоимости конечной продукции достигает 11-15 % с негативной тенденцией увеличения в последние годы. Первичными ЭР для ПП УВС являются топливо (жидкое и газообразное), электрическая и тепловая энергия. В среднем на долю потребления топлива приходится до 60 %, на электрическую энергию - до 40%. Такое распределение потребления первичных ЭР связано с тем, что тепловая энергия в большом количестве вырабатывается в собственных энерготехнологических аппаратах, замещая тем самым потребление от стороннего источника. Потребление ЭР происходит в технологической системе (ТС) и энергетическом комплексе (ЭК) объекта. Технологическая система является основой формирования ЭК и его подсистем, базовыми из которых являются теплотехнологическая, электротехнологическая, топливная. Топливная система характеризуется наибольшим числом взаимосвязей с ТС и внешними системами энергоснабжения.
II. Постановка задачи
Решение проблем повышения эффективности топливной системы ПП УВС и синтез ее оптимальной структуры с учетом всех внутрипроизводственных и внешних влияющих факторов: технологических, эксплуатационных, экономических, экологических, климатических, организационных и др. возможно только на основе принципов системного подхода к исследованию сложных систем. Системный анализ топливной системы выполняется поэтапно, в том числе включает разработку математической связи между исходными характеристиками состояния системы и параметрами ее подсистем, также ЭК, ТС, внешними системами энергообеспечения на всех уровнях иерархии. В задачи анализа также входит оценка эффективности структуры топливной системы ПП УВС, сравнение ее с альтернативными вариантами.
III. Теория
1. Характеристика топливных систем ПП УВС
Основными потребителями топлива на ПП УВС являются: огнетехническое оборудование, установки термического обезвреживания отходов, факельные системы, котлоагрегаты. Для обеспечения установок жидким или газообразным топливом в централизованном порядке на заводах перерабатывающих УВС организуется топливное хозяйство, включающее в себя цехи подготовки топлива, закольцованные топливопроводы с беспрерывно циркулирующим жидким топливом, с проложенными линиями на отдельные технические установки. Имеется и теплообменное оборудование для предварительного подогрева топлива перед его подачей на форсунки печи. Принципиальная схема генерирования и потребления газо- и жидкофазных потоков в наиболее общем виде для газоперерабатывающих заводов (ГПП) приведена на рис. 1 для нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) на рис. 2.
Рис. 1. Принципиальная схема генерирования и потребления газовых потоков для ГПП: У1-УТ - установки по переработке газа; У1-УТ - установки по переработке газового конденсата
Потребителю или на другие г ехн мо га че ски е нужды
Рис. 2. Принципиальная схема генерирования и потребления газовых и жидких потоков для НПЗ:
У1-Уп - установки по переработке нефти
Несмотря на значительное сходство технологических процессов на ГПП и НПЗ, их системы топливообеспе-чения имеют существенные отличия. Так, на ГПП в качестве основного топлива выступает газ из сети товарного газа, а также углеводородные газы, получаемые в процессе переработки сырья. На НПЗ в большом количестве присутствует жидкое топливо собственной выработки, нефтезаводские газы, а товарный газ, как правило, является сторонним ЭР.
Для действующего отечественного НПЗ процентное распределение используемого топлива по основным технологическим процессам приведено в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
ПРОЦЕНТНЫЙ СОСТАВ ТОПЛИВА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
НА НПЗ
Технологический Собственный Природный Мазут, Кокс
процесс газ, % газ, % % (топливо конверсии), %
Первичная переработка (ЭЛОУ-АВТ) 75 15 10 -
Каталитический крекинг 43 6 25 26
Гидроочистка 99,5 0,4 0,1 -
Термический крекинг 80 5 15 -
Как видно из таблицы, большая часть потребления приходится на собственное топливо (нефтезаводской газ, мазут и топливо конверсии), а доля природного газа колеблется от 0,5 до 20 % по всем технологическим процессам. В этом свете перспективными являются научные разработки по максимальному использованию потенциала горючих вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), в большом количестве содержащихся на ПП УВС, это позволит сократить потребление товарного или покупного топливного газа на технологические нужды объекта.
Анализ потребления ЭР за последние несколько лет свидетельствуют о тенденции увеличения его удельного потребления. Это вызвано такими объективными факторами как: увеличение глубины переработки сырья, повышение качества выпускаемой продукции; изменение состава и увеличение объема перерабатываемого сырья; внедрение вторичных энергоемких технологических процессов. С другой стороны, воздействие на абсолютные и удельные показатели потребления ЭР оказывает и целый ряд негативных внутрипроизводственных и внешних факторов. Внутрипроизводственные факторы, такие как устаревшая материально-техническая база и, как следствие, низкие КПД энергопотребляющего и энергогенерирующего оборудования, повышенная энергоемкость технологических процессов; низкая степень рекуперации и регенерации теплоты технологических процессов; потери ЭР. К внешним наиболее значимым факторам можно отнести повышенную напряженность региональных топливно-энергетических балансов и неустойчивость электроснабжения.
Решение вопросов повышения эффективности топливных систем ПП УВС и синтеза их оптимальных структур возможно при комплексном подходе, который базируется на принципах системного анализа и устанавливает внутренние и внешние взаимосвязи между объектом, системами и подсистемами ПП УВС, внешними системами энергообеспечения в динамике переменных во времени, наиболее значимых влияющих факторов.
2. Системный анализ топливных систем ПП УВС
Системный анализ топливной системы и ее элементов предполагает следующие этапы: определение структуры объекта и параметров его функционирования; разработку и расчет характеристик и показателей эффективности объекта; идентификацию виляющих факторов и степень их влияния на режимы работы объекта. Вопросы синтеза топливной системы - это, в первую очередь, определение принципов лежащих в основе ее функционирования, разработка рациональной структура и параметров топливной системы; математическое моделирование альтернативных вариантов структуры; разработка комплекса технических решений по повышению эффективности топливной системы.
Первым аспектом системного анализа топливной системы ПП УВС является построение ее структуры на безе блочно-иерархического подхода с установлением сложных детерминированных взаимосвязей с ЭК и ТС (рис. 3). Анализ разработанной структуры свидетельствует о том, что топливная система характеризуется большим числом взаимосвязей с ТС и теплотехнической подсистемой в ходе динамического, непрерывного во времени, процесса потребления и генерации ЭР.
Формализованное описание структуры энерготехнологического баланса ПП УВС (рис. 3) для решения задач повышения эффективности топливной системы представляет объединение множеств моделей структуры:
N производств ТС
Р =(р1 Рм) • (1)
ТС ТС ••и ТС) • (1)
M подсистем ЭК
Р =[р1 РМ \•
1 ЭК ЭК' и ЭК ) •
(2)
ПП УВС в целом
ППУВС = РТС и Рэк,
(3)
где Р^С...Р^С - математическое описание структуры производств подготовки, переработки УВС, утилизации отходов, кондиционирования и хранения промежуточных и конечных технологических потоков, транспортирования продуктов;
Р^к...Р^ - математическое описание структуры подсистем ЭК, осуществляющих генерацию, преобразование, транспортирование топлива, электроэнергии, тепловой энергии, воды, внутрипроизводственных энергоносителей.
I______________________________________________I
Рис. 3. Схема энерготехнологического бааланса ПП УВС на иерархическом уровне внешних стистем,
основых систем предприятия и подстистем
Синтез рациональной структуры и определение режимов эксплуатации топливной системы ПП УВС на основании обобщающего векторного критерия системной эффективности:
_ п _
и = &-иг (4)
г=1
где Щ - значение г -го критерия эффективности щ, отнесенное к его экстремальному значению и ^ в
группе альтернативных вариантов технических решений; щ = Щ / иетй.;
п - количество частных критериев эффективности разрабатываемых решений по повышению энергоэффективности топливной системы;
у - элементы вектора коэффициентов относительной важности (рангов) частных критериев.
Вектор приоритетов Ж = (у ,у2 ,..., у ) определяется на основании вычислений среднего геометрического каждой строки матрицы парных сравнений частных критериев
у' =п п Ъч (5)
V ч=1
где - элемент / -й строкиу-го столбца матрицы парных сравнений частных критериев.
Элементы вектора приоритетов получаются известным способом - делением на сумму средних геометрических
г',
Уг = Л/п . (6)
I У
г=1
В качестве частных критериев эффективности принимались критерии рационализации балансов, а также технико-экономические критерии эффективности.
На основе разработанной структуры топливной системы, комплекса показателей эффективности, созданы математические модели расчета и оптимизации балансов топливной системы.
3. Математическое моделирование топливных систем ПП УВС
В общем виде математическую модель топливной системы, в зависимости от влияющих факторов в формальном виде можно записать:
У = ¥(X, Т, Ъ, Р, д,т), (7)
где У, X - вектор выходных и входных переменных соответственно;
¥ - векторная функция векторных аргументов X, Б, Р, д и скалярного аргумента Т (время); Т - технологическая топология; Б - вектор конструкционных параметров; Р - вектор технологических параметров; д - вектор параметров технологического режима элементов.
Е - вектор параметров окружающей среды; Б - придельные (благоприятные) значения свойств системы; и - аппаратное оформление современного уровня; к0 - некоторое значение критерия эффективности;
у * *
к - оптимальное значение коэффициента эффективности; ктах - предельное оптимальное значение коэффициента эффективности действующих топливных систем; А - вариация изменения вектора.
Математическая модель критерия эффективности топливной системы, которые служат показателем качества ее функционирования, в общем виде запишется:
к = к (Т, Ъ, Р, д, Б,т) , (8)
где k - коэффициент эффективности, Б - вектор показателей свойств системы;
Б - вектор показателей свойств системы;
Математические модели топливной системы (7, 8) положены в основу использования метода математического моделирования, стратегии применения принципов и методов системного анализа, синтеза и оптимизации для решения задач синтеза оптимальной структуры топливной системы (рис. 4). Использование математических моделей при заданных значениях вектора входных параметров X и выбранных критериях эффективности с
п
заданной точностью позволяют определить выходные переменные У, оценить свойства системы и величины коэффициентов эффективности функционирования топливной системы.
Рис. 4. Блочная схема синтеза оптимальной структуры топливной системы с использованием математического моделирования.
Таким образом, задача синтеза оптимальной топливной системы представляет собой краевую задачу, решение которой должно определить технологическую топологию системы, параметры входящих в нее элементов, оптимальные параметры ее функционирования, в соответствии с выбранными коэффициентами эффективности.
IV. Результаты численных экспериментов Разработанные теоретические аспекты системного анализа позволили разработать ряд технических решений по оптимизации структуры топливной системы в составе ЭК ПП УВС. Для предприятий добычи, переработки и хранения УВС была предложена система тепло, электро-, водоснабжения с максимальной утилизацией горячих отходов и стоков [3].
Также разработаны варианты систем энергоснабжения отдельных производств крупных объектов ПП УВС с ЭСН на базе ПГУ-ТЭЦ [1]. Так, для комплексной установки переработки нефти ГК-3 производительностью 3000 тыс. т/год. В качестве базового варианта энергообеспечения рассмотрена газовая турбина ГТЭ-6у, КУ-42 ТКЗ, Р-2,7-4,5/0,6 КТЗ: Мощность, МВт:
- электрическая,................................................................................................ 9,2
- тепловая........................................................................................................ 14,2
Расход топлива, т у. т./ч................................................................................... 2,844
Индекс доходности руб./руб............................................................................ 1,963
Интегральный эффект (за 10 лет), млн руб........................................................ 990
Срок окупаемости, лет.................................................................................... не более 5
Предложены варианты для резервуарного парка с аппаратами РВС-5000 предприятия нефтеперерабатывающего профиля, расположенного в средней климатической зоне [2]. Производительность по исходному сырью составляет 9,1 млн т/год. газотурбинной энергосиловой установкой ГТЭС - 2,5 . Котел-утилизатор Г-250. Тур-
бина приводная конденсационная К-2,5-3,4П: Мощность, МВт:
- электрическая,..................................................................................................................................................4,2
- тепловая,..................................................................................................................................................................8,0
Расход топлива, т у. т./ч, 1,393
Интегральный эффект (за 10 лет), млн руб.....................................................................372,9
Срок окупаемости, лет................................................................................................................................~4,0
V. Обсуждение результатов
Варианты ЭСН оценивались по разработанному комплексу критериев эффективности, анализ данных позволяет сделать вывод о целесообразности их внедрения в состав ЭК ПП УВС, различной технологической топологии. Для отдельных технологических процессов ПП УВС применение предложенных вариантов энергообеспечения с оптимизацией топливной системы приносит значительный экономический эффект и позволяет снизить потребление ЭР, в том числе топлива, на собственные нужды. Синтез оптимальной структуры топливной системы в составе ЭК ПП УВС производился в соответствии с разработанными принципами системного подхода и на основе блочной схемы, с использованием методов математического моделирования.
VI. Выводы и заключение
1. Разработаны методические положения системного анализа топливных систем предприятий переработки углеводородного сырья, включающие в себя разработку иерархическую структуры топливной системы, комплекса критериев эффективности, математические модели ее элементов.
2. Разработанная иерархическая структура топливной системы позволила определить количественные и качественные взаимосвязи между системами и подсистемами предприятий переработки углеводородного сырья и внешними системами энергообеспечении.
3. На основании разработанного комплекса критериев эффективности, структуры топливной системы, математических моделей элементов с использованием принципов системного анализа, синтеза и оптимизации разработана блочная схема синтеза оптимальной структуры топливной системы.
4. Приведены технико-экономические показатели внедрения решений по созданию эффективных топливных систем в составе энергетического комплекса предприятий переработки углеводородного сырья.
Источник финансирования. Благодарности
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №17-79-10134)
Список литературы
1. Кульбякина (Ленькова) А. В., Ларин Е. А., Долотовский И. В. Эффективная система энергообеспечения комбинированных установок переработки нефти // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. 2016. № 8. С. 233-238.
2. Долотовский И. В., Ларин Е. А., Кульбякина (Ленькова) А. В. Повышение энергоэффективности систем теплохолодоснабжения резервуарных парков нефтегазовых предприятий // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 11. С. 3-8.
3. Пат. 134993 Российская Федерация, МПК F 01 К 17/02. Установка электро-тепло-водоснабжения / Долотовский И. В., Ларин Е. А., Долотовская Н. В., Кульбякина (Ленькова) А. В. № 2013130457/06; заявл. 02.07.2013; опубл. 27.11.2013, Бюл. № 33.
