ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗА НА ФРАКЦИИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 681.3

Ыбрай Д.С.

магистрант, кафедры Автоматизации телекоммуникаций и управления, Южно-Казахстанский университет им. М. Ауезова (г. Шымкент, Казахстан)

Каюмов К.Г.

к.т.н., доцент, Южно-Казахстанский университет им. М. Ауезова (г. Шымкент, Казахстан)

ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗА НА ФРАКЦИИ

Аннотация: статья представляет разработку и исследование новой двухуровневой системы автоматического управления ректификационной колонной, используемой в процессе переработки попутных нефтяных газов. Эффективность разделения газа на фракции в колонне существенно зависит от качества системы автоматического управления. В работе решены следующие задачи: описание колонны как многомерной системы с тремя входами и тремя выходами; выбор каналов управления для нижнего и верхнего уровней системы управления; анализ качества разработанной системы на основе оптимизации переходных процессов при моделировании замкнутой двухуровневой системы управления при максимальных возмущениях по нагрузке и заданию.

Ключевые слова: ректификационная колонна, попутный нефтяной газ, пропан, бутан, система автоматического управления, двухуровневая, линейно-квадратический, ПИД регулятор.

Правильно, различают несколько типов газов в зависимости от их происхождения и способа обработки. Природные газы добываются из независимых месторождений, попутные газы сопутствуют процессу добычи

1733

нефти, а искусственные газы формируются при переработке нефти каталитическими или термическими методами.

Составы этих газов значительно различаются. Например, газы, получаемые при термических процессах и каталитическом крекинге, содержат много непредельных углеводородов, в то время как газы, произведенные при каталитическом риформинге, гидроочистке или гидрокрекинге, могут быть свободны от них.

На современных технологических установках часто присутствуют блоки первичной обработки газа. Здесь газ очищается от сероводорода, а также выделяются углеводороды C3 и C4 в виде жидкой фракции. Это важные процессы, которые помогают не только сделать газ безопасным для использования, но и получить ценные компоненты, которые могут быть использованы в других производственных процессах.

Верно, для более точного разделения газа на отдельные индивидуальные углеводороды и узкие углеводородные фракции используются специально разработанные газофракционирующие установки (ГФУ). На нефтеперерабатывающих заводах обычно устанавливают не менее двух ГФУ.

Одна из них предназначена для переработки предельных углеводородов, таких как метан, этан, пропан и бутан, в то время как другая ГФУ предназначена для обработки непредельных углеводородов, включая более тяжелые углеводороды с длинными углеводородными цепями. Каждая ГФУ проектируется и настраивается с учетом конкретных потребностей завода и химического состава газа, обрабатываемого на этапе переработки. Эти установки играют ключевую роль в процессе нефтепереработки, обеспечивая эффективное разделение газовых смесей на ценные фракции для дальнейшего использования. [1].

Это точное описание процессов, используемых в газофракционирующих установках (ГФУ) для разделения смесей газов на индивидуальные компоненты или технические фракции. Различные процессы, такие как конденсация, компрессия, абсорбция, ректификация и адсорбция, могут комбинироваться в

1734

различных сочетаниях на ГФУ в зависимости от конкретных химических свойств газов и требований производства.

Установки разделения газов могут быть классифицированы как установки предельных и непредельных газов, а также по типу применяемой схемы извлечения целевых компонентов. Например, абсорбционные газофракционирующие установки (АГФУ) сочетают предварительное разделение газов абсорбционным методом с последующей ректификацией. В то время как конденсационно-ректификационные установки осуществляют частичную или полную конденсацию газовых смесей с последующей ректификацией конденсатов.

Эти процессы позволяют не только эффективно разделять компоненты газовых смесей, но и обеспечивать высокую чистоту и качество получаемых продуктов, что является ключевым в процессе нефтепереработки.

В качестве примера приводится описание технологической схемы установки конденсационно-компрессионного типа для переработки предельных углеводородов (рис. 1) и установки абсорбционного типа для переработки газов каталитического крекинга (рис. 2).

Это хороший обзор различий между схемами с нисходящим и восходящим режимом давления в установках разделения газов. В схеме с нисходящим режимом давления газовая смесь проходит через серию колонн, начиная с колонны для этана, и давление постепенно снижается от колонны к колонне. Это обеспечивает более эффективное разделение компонентов смеси, начиная с легких углеводородов и переходя к более тяжелым. Высокое давление поддерживается в первой колонне, что позволяет снизить потребность в насосах для перемещения продукта между колоннами. Однако, если в поступающем сырье содержится незначительное количество пропана и бутана, экономически более выгодной может быть схема с восходящим режимом давления.

В схеме с восходящим режимом давления сначала происходит конденсация тяжелых компонентов смеси в нижних частях установки, а затем

1735

легкие компоненты собираются в верхних частях. Это может быть более выгодным в случае, если требуется обрабатывать сырье с низким содержанием пропана и бутана, так как схема с восходящим режимом давления позволяет снизить энергозатраты на перекачку газов между колоннами.

Выбор между схемами зависит от конкретных характеристик сырья, требований к процессу и экономических факторов. На рис. 1 приведена принципиальная технологическая схема газоразделения с нисходящим режимом давления.

Рисунок 1 - Технологическая схема газофракционирующей установки конденсационно-компрессионно-ректификационного типа: I - газ установок первичной переработки нефти; II - головка стабилизации

установок первичной переработки нефти; III - головка стабилизации каталитического риформинга; IV - пропановая фракция; V - изобутановая

фракция; VI - бутановая фракция; VII - изопентановая фракция; VIII - пентановая фракция; IX - газовый бензин (С6 и выше); X - сухой газ;

XI - аммиак.

1736

Прямогонный газ через сепаратор С-1 подается на сжатие компрессором ЦК-1. При сжатии газ нагревается до 120 °С. Сжатый газ затем конденсируется в водяном конденсаторе-холодильнике ХК-1 и в конденсаторе-холодильнике ХК-2, охлаждаемом испаряющимся аммиаком. В ХК-1 охлаждение и конденсация заканчивается при 50 °С, а в ХК-2 — при 4 °С. После каждой ступени конденсации газожидкостная смесь разделяется на газ и жидкость в сепараторах С-2 и С-3. Газовые конденсаты из сепараторов С-1, С-2 и С-3 совместно с головками стабилизации установок первичной перегонки и риформинга подаются на блок ректификации.

В блоке ректификации из углеводородного сырья сначала удаляются метан и этан. Удаление происходит в ректификационной колонне, которая называется деэтанизатором. Верхний продукт этой колонны — метан и этан, нижний — деэтанизированная фракция. Верхний продукт деэтанизатора охлаждается искусственным хладагентом — аммиаком.

Деэтанизированная фракция из колонны К-1 поступает в депропанизатор К-2, верхним продуктом которого является пропановая фракция, а нижним — депропанизированная фракция. Верхний продукт после конденсации в воз-душном конденсаторе-холодильнике ХК-4 и охлаждения в концевом холо-дильнике выводится с установки, предварительно пройдя щелочную очистку. Нижний продукт из депропанизатора К-2 подается в дебутанизатор К-3.

Ректификатом колонны К-3 является смесь бутана и изобутана, а остатком — дебутанизированный легкий бензин. Ректификат конденсируется в конденсаторе-холодильнике ХК-5, а затем подается на разделение в бутановую колонну К-4. Остаток из колонны К-3 переходит в депентанизатор К-5.

Бутановая колонна служит для разделения смеси бутанов на нормальный бутан и изобутан, а колонна К-5 (депентанизатор) — для отделения от газового бензина пентанов, которые подаются на ректификацию в колонну К-6. Нижний продукт депентанизатора— фракция С6 и выше выводится с установки.

1737

Установка, схема которой приведена на рис. 2, предназначена для стабилизации бензина каталитического крекинга, очистки газа каталитического крекинга от сероводорода, извлечения из газа углеводородов С3—С4, разделения смеси этих углеводородов на пропан-пропиленовую и бутан-бутиленовую фракции.

Рисунок 2. Технологическая схема газофракционирующей установки абсорбционно-ректификационного типа: I - жирный газ;

II - свежий раствор МЭА; III - сероводород; IV - сухой г аз;

V - нестабильный бензин; VI - бутан-бутиленовая ф ракция;

VII - стабильный бензин; VIII - пропан-пропиленовая фракция.

Жирный газ с установки каталитического крекинга поступает на очистку моноэтаноламином в абсорбер К-1. Очищенный газ сжимается компрессором ПК-1 до 1,4 МПа, охлаждается и подается во фракционирующий абсорбер К-2, под 22-ю тарелку. На эту же тарелку, но выше ввода газа подается конденсат компрессии.

Во фракционирующий абсорбер вводится также нестабильный бензин, являющийся основным абсорбентом.

Фракционирующий абсорбер, иначе называемый абсорбер-десорбером, отличается от обычного абсорбера тем, что представляет собой комбинирован-

1738

ную колонну. В верхней части фракционирующего абсорбера происходит абсорбция, т. е. извлечение из газа целевых компонентов, а в нижней — регенерация абсорбента за счет подводимого тепла. Стекая сверху вниз по тарелкам фракционирующего абсорбера, насыщенный тяжелыми компонентами абсорбент встречается со все более горячими парами, десорбированными из жидкости, которая стекает в нижнюю часть колонны. С верха фракционирующего абсорбера уходит сухой газ, содержащий углеводороды С1—С2, а с низа вместе с тощим абсорбентом выводятся углеводороды С3—С4. В отличие от обычных абсорберов, куда питание подается только в газовой фазе, во фракционирующие абсорберы оно вводится и в виде жидкости, и в виде газа.

Для доабсорбции унесенных с сухим газом бензиновых фракций в верхнюю часть К-2 подается стабильный бензин. Температура в абсорбционной части поддерживается промежуточным охлаждением абсорбента. Насыщенный и деэтанизированный абсорбент из К-2 подается в стабилизатор К-3, верхним продуктом которого является головка стабилизации, а нижним — стабильный бензин [2]. Головка стабилизации поступает на блок очистки, где о чищается от сернистых соединений раствором МЭА и щелочью. Затем из очищенной головки в пропановой колонне К-4 выделяется пропан-пропиленовая фракция. Остаток пропановой колонны в бутановой колонне К-5 разделяется на бутан-бутиленовую фракцию и остаток, который объединяется со стабильным бензином.

Основу процесса ректификационной колонны в динамике в работе [4] предлагается использование ректификационной колонны для выделения пропан-бутана в качестве кубового компонента. аппроксимация приведенных разгонных характеристик этой ректификационной колонны позволяет её с высокой точностью представить в виде матрицы передаточных функций ( МПФ) 3х3, каждый элемент которой может быть записан в виде передаточной функции (ПФ) вида

1739

Выбор каналов управления нижнего уровня САУ ректификационной колонны. Проведем выбор каналов для САУ нижнего уровня, управляемой с помощью регуляторов ПИД-семейства. Однако учтем, что по ряду каналов взаимосвязь входа и выхода модели является нелинейной со средним значением коэффициента передачи линеаризованной модели, приведенным в табл. 2.

Таблица 2. Результаты анализа каналов ректификационной колонны .

Управляемая переменам,' Расход хладагента в Расход днстцщщ^% Расход пара в pemuiep, %

упр. воздействие конденсатор. % <Щ) W М

Уровень в конденсаторе, % 0.8 ■0.02 0.08

(У!) лйиейный нелинейный нелинейный

Температуру фпегиы, °С 0 АЫ 0.256 1.146

(Й пел и нсн н li и ШЖ1ШШ1 лнненнын

Температура низа PK, С щ лет статической шнепмоетп нелинейный 0.023 нелинейный и линейный

Исходя из анализа таблицы сделаем вывод, что каналами для управлениям регуляторами ПИД- семейства будут следующие: «расход дистиллята-температура флегмы», «расход пара в ребойлер-температура низа», «расход хладагента-уровень в конденсаторе». Синтез нижнего уровня САУ с минимизацией влияния перекрестных каналов. Структурная схема модели САУ нижнего уровня показана на рис. 3. Для синтеза регуляторов используем оптимизационный подход, реализованный в МайаЬ- программе looptune. В качестве критерия оптимальности выберем минимальную норму вектора отклонений переменных в перекрестных каналах при управлении по заданию. Цель оптимизации будет достигнута за счет использования статической «

1740

развязки» каналов ректификационной колонны с помощью матрицы DM0 ( рис.3). Такая развязка, исходя из описанных выше особенностей модели ректификационной колонны, является более надежной, чем динамическая « развязка». Для управления будем использовать ПИ регуляторы, поскольку ректификационной колонны является инерционным объектом, переходные процессы в котором длятся несколько часов. Таким образом, результатом синтеза будут параметры всех ПИ-регуляторов и значения недиагональных элементов матрицы DM0. Как видим, степень влияния перекрестных связей в САУ является пренебрежимо малой при регулировании как по заданию, так и по возмущению. Регулятор уровня в конденсаторе имеет небольшую статическую ошибку, но в данном случае ей можно пренебречь.

Рисунок 3. Модель САУ нижнего уровня ректификационной колонны.

Разработка модели объекта для верхнего уровня САУ. Анализ переходных процессов, показывает, что модель нижнего уровня САУ при управлении по заданию может быть представлена диагональной матрицей передаточных функций с элементами в виде инерционных звеньев первого порядка без запаздывания.

1741

Проведенные расчеты по передаточным функциям была подтверждена данными аппроксимации, показанными на рис. 4.

Синтез верхнего уровня САУ с использованием линейно-квадратичного регулятора. Структурная схема модели верхнего уровня САУ показана на рисунке 5.

Рисунок 4. Результаты аппроксимации модели нижнего уровня САУ.

Регулятор верхнего уровня представляет собой линейно-квадратичный регулятор с моделью скачкообразных возмущений в виде интегральной составляющей [5]. Параметры интегрального критерия качества переходных процессов, используемого в программе Цг - следующие:

1 \ 10"э 1Г3 ИГ*]), Л=П07 1 1]).

Анализ качества разработанной САУ. Для анализа качества САУ используем такие показатели качества, как время регулирования и модуль максимального отклонения технологических переменных при максимальных возмущениях. Также, сравним разработанную двухуровневую САУ с одноуровневой САУ по тем же показателям.

Из анализа графиков видно, что хотя обе САУ имеют приблизительно одинаковое время регулирования и в обеих отсутствует статическая ошибка, у одноуровневой системы значительно большие отклонения переменных в

1742

переходном процессе, поэтому двухуровневую систему следует признать значительно лучшей.

Выводы. В статье исследована возможность применения двухуровневой системы управления применительно к ректификационной колонне для выделения пропан-бутана в технологическом процессе переработки попутного нефтяного газа. Особенностью ректификационной колонны для разделения углеводородов является высокая степень нелинейности кривой фазового равновесия, что усложняет применение САУ, требующих точности используемой модели.

Рисунок 5. Модель предлагаемой двухуровневой САУ ректификационной колонны.

Для ТП переработки ПНГ для локальных НПЗ рекомендуется двухуровневая структура САУ. Нижний уровень для стабилизации параметров агрегатов при малых возмущениях и верхний для достижения устойчивости агрегатов к большим возмущениям, которая достигается путем изменения их рабочего режима. Преимущества многоуровневой архитектуры совпадают с выводами, сделанными в работе [9]. В указанной работе предложена трехуровневая каскадная система управления бинарной РК для разделения ацетона и бензола с использованием динамической «развязки». В предложенной нами САУ на нижнем уровне, который включает три ПИ-

1743

регулятора, была использована статическая «развязка», что обусловлено большей сложностью объекта управления, точную модель которого получить практически невозможно. Результаты исследования рекомендуется использовать при разработке систем управления ректификационными колоннами в технологическом процессе переработки природного газа, в которых присутствуют ректификационные колонны для разделения углеводородов.

Список литературы:

1. Звонарев, С.В. З-42 Основы математического моделирования: учебное посо- бие / С.В. Звонарев. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 112 с. ISBN 978-5-7996-2576-4;

2. Рябов В. Д. Химия нефти и газа: учебное пособие. — М.: ИД «ФОРУМ», 2009. — 336 с.: ил. — (Высшее образование);

3. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ. Ч. 1. - С.-Пб.: АНО НПО "Мир и семья", АНО НПО "Профессионал", 2012;

4. Кузнецов А.А., Судаков Е.Н. Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов: Справочное пособие. - М.: Химия, 2003;

5. Хачатурян О.А., Вартанов К.С. Пути снижения энергозатрат на мини-НПЗ. Мир нефтепродуктов. -Вестник нефтяных компаний. -2017.-№ 4.-С. 29-31;

6. Luyben W. Practical distillation control / W. Luyben. - N.Y : Van Nostrand Reihold, 1992. - 864 p;

7. Muhammad D. Modeling and Nonlinearity Studies of Industrial i-Butane/n-Butane Distillation Column / D. 2013. - № 8. - С. 345-348;

8. Muhammad, Z. Ahmad, N. Aziz // Journal of Applied Sciences. - 2011. - № 3. - С. 494-502;

9. Szabo, L. Three-Level Control of a Distillation Column / L. Szabo // Engineering. - 2012. - №10. - С. 675-681

1744

Ybray D.S.

South Kazakhstan University named after M. Auezov (Shymkent, Kazakhstan)

Kayumov K.G.

South Kazakhstan University named after M. Auezov (Shymkent, Kazakhstan)

OPTIMIZATION OF THE PROCESS CONTROL SYSTEM SEPARATION OF GAS INTO FRACTIONS

Abstract: article presents the development and research of a new two-level automatic control system for a distillation column used in the process of processing associated petroleum gases. The efficiency of gas separation into fractions in the column significantly depends on the quality of the automatic control system. The following tasks were solved in the work: description of the column as a multidimensional system with three inputs and three outputs; selection of control channels for the lower and upper levels of the control system; analysis of the quality of the developed system based on optimization of transient processes when modeling a closed-loop two-level control system under maximum load and task disturbances.

Keywords: distillation column, associated petroleum gas, propane, butane, automatic control system, two-level, linear-quadratic, PID controller.

1745