CC BY
16УДК 681.5 Igor V. Zhukov1, Viktor G. Kharazov3
И.В. Жуков1, В.Г. Харазов2
THE RESULTS OF THE GRADUAL UPGRADING AND OPERATION OF THE ADVANCED CONTROL SYSTEM (APC SYSTEM)
«KINEF» Ltd., Brovko pl., 1, Kirishi, region of Leningrad, 187110, Russia
Saint-Petersburg State Institute of Technology (Technical University), 26 Moskovsky pr., 26, St.-Petersburg, 190013, Russia e-mail: vikharazov@yandex.ru
The results of systems operation advanced process control (APC) and causes a decrease in the efficiency of these systems. As example, consider the life cycle of the improved control system (CCS) of ELOU-AVT-6 Kirishi refinery. Given the trends (dynamics feedback) technological parameters of mathematical models of analyzers (MMA) and on-line applications when you change jobs temperature and the download of the stabilization unit and a secondary rectification, as well as dynamics of the feedback parameters if you enable/
Keywords: Advanced control system, the controller, the stabilization unit and a secondary rectification, the dynamics of the response optimization.
Введение
Усовершенствованное управление или АРС (Advanced Process Control) на данный момент является высокорентабельным и наиболее динамично развивающимся направлением в теории и практике автоматического управления и оптимизации технологических процессов. Отметим, что АРС-системы успешно используются на многих нефтеперерабатывающих, химических, целлюлозно-бумажных, металлургических и энергетических предприятиях.
APC-система - это система многомерного прогнозирующего оптимального управления, включающая систему технико-экономических и производственных мероприятий, направленных на повышение эффективности работы технологических объектов за счет выделенных средств управления.
Основные задачи, которые ставятся перед APC-системой, - оптимизация показателей качества получаемых продуктов, снижение потерь при изменении производственных заданий, экономия топливно-энергетическим ресурсов, максимизации выхода наиболее ценных продуктов и визуализация основных показателей качества продуктов на базе математических моделей анализаторов (ММА) в режиме реального времени. Все эти задачи основаны на использовании статистических методов и результатов математического моделирования установки.
Типичные причины снижения эффективности усовершенствованной системы управления (УСУ) следующие:
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЭТАПНОЙ МОДЕРНИЗАЦИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (APC-СИСТЕМЫ)
ООО «КИНЕФ», пл. Бровко, 1, г. Кириши, Ленинградская обл., 187110, Россия
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: vikharazov@yandex.ru
Приводятся результаты эксплуатации систем усовершенствованного управления и причины снижения эффективности этих систем. В качестве примера рассмотрен жизненный цикл усовершенствованной системы управления установки ЭЛОУ-АВТ-6 Киришского нефтеперерабатывающего завода. Приведены тренды (динамика откликов) технологических параметров, математических моделей анализаторов и поточных анализаторов при изменении задания по температуре и загрузке блока стабилизации и вторичной ректификации, а также динамика откликов параметров при включении функции оптимизации.
Ключевые слова: Усовершенствованная система управления, контроллер, блок стабилизации и вторичной ректификации, динамика отклика, функция оптимизации.
• изменение производственных задач по качеству сырья и выпускаемых продуктов;
• изменения технологической схемы производства и состава оборудования;
• значительное изменение производительности установки (снижение на 40-60 % или повышение выше проектного максимума);
• изменения в схеме управления технологическим процессом (переконфигурирование ключевых контуров регулирования, перенос измерительных датчиков или их замена, возникновение серьезных проблем с исполнительными механизмами и др.);
• влияние человеческого фактора на эффективность работы УСУ (консерватизм операторов, неоптимальная схема диспетчеризации и управления производством, недостаточная квалификация производственного персонала, недооценка руководством производственных подразделений значения АРС-системы и т.п.).
Все эти причины приводят к некорректной работе как ММА, так и УСУ, которая не может эффективно выполнять поставленные задачи.
В качестве примера рассмотрим жизненный цикл УСУ установки ЭЛОУ-АВТ-6 Киришского нефтеперерабатывающего завода. Первое внедрение системы состоялось в 2006 году. Система состояла из контроллера атмосферного блока, охватывающего колонны К-1 и К-2 с отпарными колоннами К-6, К-7, К-9 и контроллеров блока стабилизации и вторичной ректификации С6К1К2 и С6^
1 Жуков Игорь Викторович, канд. техн. наук, инженер-технолог отдела АСУТП, ООО «КИНЕФ», e-mail: Zhukov_i_v@kinef.ru Igor V. Zhukov, Ph.D (Eng.), process engineer, «KINEF» Ltd.,
2 Харазов Виктор Григорьевич, д-р техн. наук, профессор каф.автоматизации процессов химической промышленности, e-mail: vikharazov@yandex.ru Viktor G. Harazov, Dr Sci, (Eng.), Professor, Chemical Enginering Control Department, SPbSIT(TU)
Дата поступления 13 ноября 2017 года
колонн К-8, К-3, К-5. Под контроллером в данном случае понимается специализированное программное обеспечение, установленное на отдельном сервере.
В данной работе представлен заключительный этап модернизации контроллера блока стабилизации и
вторичной ректификации С6^ после замены колонн К-8, К-3, К-5 и изменении структуры систем управления.
На рисунке 1 представлена принципиальная технологическая схема блока стабилизации и вторичной ректификации установки ЭЛОУ-АВТ-6.
Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема блока стабилизации и вторичной ректификации установки ЭЛОУ-АВТ-6.
Бензиновые фракции НК-180 °С из емкости орошения Е-1 колонны К-1 смешивается с бензином из емкости орошения Е-3 колоны К-2 и общим потоком прокачиваются по трубному пространству теплообменников, где нагреваются теплом фракции 180-240 °С и далее подаются в колонну стабилизатор К-8.
С верха колонны К-8 пары и газы поступают в параллельно работающие водяные конденсаторы-холодильники Т-6/1,2 и далее в рефлюксную емкость Е-2. Жирный газ (пропан-бутановая фракция) из емкости Е-3 выводится с установки на газофракционирующую установку совместно с газом из емкости Е-1. Головка стабилизации (рефлюкс) из Е-2 возвращается в виде орошения в колонну и откачивается с установки. Температура низа колонны К-8 поддерживается за счет циркуляции горячей струи через печь П-2/2. Стабильная бензиновая фракция (начало кипения (НК) - 180 °С) из колонны К-8 подается в колонну К-3. С верха колонны К-3 пары фракции НК-62 °С поступают на конденсацию в конденсатор воздушного охлаждения Т-9/1,2,Т-8/2, а из емкости Е-4 фракция НК - 62 °С возвращается в виде орошения в колонну и выводится с установки.
Температура низа колонны К-3 поддерживается за счет циркуляции горячей струей через печь
П-2/1. Фракция 62-180 °С с низа колонны К-3 подается в колонну К-5, где с верха колонны К-5 пары фракции 62-105 °С поступают на конденсацию в конденсатор воздушного охлаждения Т-57/1,2, а из емкости Е-6 фракция 62-105 °С возвращается в виде орошения в колонну и выводится с установки. Температура низа колонны К-5 поддерживается за счет циркуляции горячей струи через печь П-2/1. Фракция 105-180 °С с низа колонны К-5 выводится с установки.
На рисунке 2 представлен интерфейс контроллера блока стабилизации и вторичной ректификации C6KN с контролирующими (CV) и управляющими (MV) параметрами, где изменяя нижние (Low Limit) и верхние (High Limit) пределы в CV, ставится задача по повышению качества выпускаемых продуктов или оптимизации выхода продукта. При этом система отслеживает и не позволяет нарушать технологические ограничения, связанные как с ведением технологического процесса, так и системой блокировок и противоа-варийной защиты. Пределы CV выставляются узкими, а MV - широкими. Это необходимо для поддержания контролирующих переменных в заданных пределах путем изменения задания регуляторам, используемым в УСУ.
Рисунок 2. Интерфейс контроллера блока стабилизации и вторичной ректификации C6KN
ММА на блоке стабилизации и вторичной ректификации С6^ представлены в виде уравнений первого порядка, которые получают по результатам тестирования технологического объекта, блока или отдельного оборудования путем воздействия на каждый из параметров технологического процесса - температуру, давление, расход. При этом остальные параметры сохраняются без изменений.
Отбор пробы производится после прокачки продукта по всей линии до выхода с установки, чтобы исключить влияние на результат предыдущих воздействий. Анализируя процесс ректификации, происходящий в колоннах, несложно априори определить ключевые технологические параметры. Например, при повышении температуры верха колонны температура конца кипения (КК) продукта, выводимого с верха колонны, увеличивается, а при увеличении давления в колонне температура КК уменьшается.
Структура одной из математических моделей анализа АМ309 3 (температура КК фракции 62-105 °С, выводимой с верха колонны К-5) представлена в таблице 1.
В качестве примера рассмотрим результаты работы контроллера С6^ при изменении задания по температуре КК фракции 62-105 °С с учетом ограничений по температуре НК фракции 62-105 °С в соответствии с тре-
бованиями по выпуску фракции 62-105 °С. В контроллере изменяли СУ пределы нижний и верхний от 87,0088,8 °С до 89,0092,0 °С при увеличении и пределы от 89,0092,0 °С до 87,0089,0 °С при уменьшении задания.
Таблица 1. Входные сигналы, используемые в модели
Регрессионное уравнение Примечание
АМ309 3 = 23,003 - 0,073*FIC345 - 14,48*Р1С305 + 0,83*Т1С320 + 0,1^Ю309 Получено с использованием исторических данных
Входные сигналы Описание параметра
Р1С305 Давление верха К-5
Т1С320 Температура верха К-5
FIC345 Расход орошения К-5
FIC309 Расход питания в К-5
На рисунке 3 пунктирными линиями отмечены моменты времени изменения задания в контроллере по Ткк фракции 62-105 °С (границы заданий отмечены горизонтальными отрезками), а на рисунке 4 показана динамика откликов технологических параметров колонн К-3, К-5 при изменении задания.
Рисунок 3. Динамика откликов ММА и поточного анализатора Тнк и Ткк фракции 62-105 °С: АМ309_1, АМ309_3 - значения ММА Т„к и Ткк фракции 62-105 °С; А1309_1, А1309_3 - значения ПА Тш фракции 62-105 °С
—-}•—у— — —' к — —- ~ ' д — - ----1----1----}----■ ——н—|
эфн;
—-¡---¡ —-
ээ- 939796 9= 94 -в: 155134,5 - ::
г-
00 6: !0 7:00 7:30 8:00 3: ЗО 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 П ЗО 12 00 12:30 13:М 13 30 14:00 14:30 15 00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 13 Э'Ле_Т1С300.2Р | ОО 13 ЗО 19 00 19:30 20:00 20:30 21:00 2 22:00 22:30 23
1В4 133,5185 132,5 132 131,5-о. г 1 Н" ::
>0 6:3-0 7:«} 7:30 В:00 3:30 Э:СО 9:30 10:М 10:30 11:00 11 ЗО 12:00 12:30 13:00 13 30 14:00 14 ЗО 15 1- ОО 1Б:30 16:00 10:30 17:00 17:3>0 1В:00 13:3-3 19:00 19:30 20:00 20:30 2 avt6_.TlC616.SP | 0 21:30 22:00 22:30 23
177 176 175174
ОО в Ю 7:00 7:30 ВОО 3:30 9«. ЭЗО 10:00 10:30 11 ЗО 12:00 12:30 13:00 13 ЗО 14 ОО 14 1- ау16_Т1С61 7.ЁР | ОО 13:30 1ЭОО 19 30 20:03 20:30 21:00 21:30 22,00 22:30 23
Рисунок 4. Динамика откликов технологических параметров колонн К-3, К-5 при изменении Ткк фр.62-105 °С: ТЮ300^Р - задание по температуре верха К-3; ТЮ320^Р - задание по температуре верха К-5; ТЮ616^Р - задание по температуре горячей струи К-3; ТЮ617^Р - задание по температуре горячей струи К-5.
На рисунке 5 и в таблице 2 представлена динамика отклика ММА и поточного анализатора фракции 62-105 °С и фракции 105-180 °С.
В повседневной работе контроллер С6^ должен стабильно отрабатывать изменения загрузки блока стабилизации и вторичной ректификации, связанные, как с изменением загрузки установки, так и с изменениями задания по качеству выпускаемых продуктов управления, которые находится на атмосферном блоке. В нашем случае загрузку блока изменяли за счет
уменьшения Ткк фракции 105-180 °С и Тнк фракции 180240 °С. При этом управляли температурой верха колонн К-1 и К-2.
На рисунке 6 пунктирными линиями отмечены моменты времени изменения задания по данным продуктам и видео- график изменения загрузки блока. На рисунке 7 представлена динамика откликов ММА и поточных анализаторов, а на рисунке 8 - динамика откликов ММА и поточных анализаторов блока стабилизации и вторичной ректификации.
| ♦ г 7 Г 11-у
| ♦ .)■.№ А'Л1 1 У|
| -*- .'мч I 5у|
Рисунок 5. Динамика откликов ММА и поточного анализатора при изменении Ткк фракции 62-105 °С: АМ309_4 - значения ММА содержания балластных компонентов во фракции 62-105 °С; А1311_1 - значения ПА Т„к фр. 105-180 °С; АМ311_1 - значения ММА ТИК фракции105-180 °С; АМ311_4 - значения ММА содержания бензолообразующих компонентов во фракции 105-180 °С.
Таблица 2.Сравнительный анализ показаний лабораторного контроля и ММА
Время отбора проб Продукт Показатель, % Лабораторный контроль, % ММА, %
08:00 НК-62 НС5 12,4 12,84
08:00 НК-62 Содержание бензолообр. 13,91 14,41
08:00 62-105 Содержание балласт. 8,35 7,54
08:00 105-180 Содержание бензолообр. 0,126 0,086
15:00 НК-62 НС5 14,56 16,13
15:00 НК-62 Содержание бензолообр. 5,13 6,85
15:00 62-105 Содержание балласт. 10,45 11,21
15:00 105-180 Содержание бензлообр. 0,079 0,021
21:00 НК-62 НС5 13,55 13,96
21:00 НК-62 Сод. бензлообр. 14,42 15,21
21:00 62-105 Содержание балласт. 10,06 9,09
21:00 105-180 Содержание бензлообр. 0,136 0,096
Г-»- а л;_~1С1?С.5Р |
Рисунок 6. Динамика изменения загрузки блока стабилизации и вторичной ректификации: Т1С230^Р - задание по температуре верха К-1; ЛС240^Р - задание по температуре верха К-2; FIC228.PV - расход нестабильного бензина из Е-1 в К-8
эи е :: ■:: ■:: I:: I':'. ::: ::: :: :: ::: ::: им: ::: ■::: ::: 2:'Ю 1 :: ; м
Рисунок 7. Динамика откликов ММА и поточных анализаторов при изменении загрузки блока стабилизации и вторичной ректификации: АМ236_1, АМ311_3 - значения ММА Т„к фракции 180-240 °С и Ткк фракции 105-180 °С; А1236_1, А1311_3 - значения ПА Т„к фракции 180-240 °С
и Ткк фракции 105-180 °С
6:00 6:30 7:03 7:30 8:03 8:30 9:00 5:30 10:00 10:30 11:03 11:30 12:03 12:30 13:03 13:30 1 4:03 14:30 15:03 15:30 16:03 16:30 17:03 17:30 18:03 18:30 19:03 19:30 23:03 20:30 21:03 21:30 22:0С
Г^- а'Лс_АГЛ?11_1.РУ I
5:03 6:30 7:03 7:30 8:03 8:30 9:03 9:30 10:03 10:30 11:03 11:30 12:03 12:30 13:03 13:30 14:03 14:30 15:03 15:30 16:03 16:33 17:03 17 30 18:03 18:30 19:03 19:30 23:03 20:30 21:03 21:30 22:00
| а'Лс_АГ.1;05_;.РУ 1
6:00 6:30 7:03 7:30 8:03 8:30 9:03 9:30 10:00 10:30 11:03 11:30 12:03 12:30 13:03 13:30 14:03 14:30 15:03 »5:30 16:03 16:33 17:03 17:30 18:03 18:30 »9:03 19:30 20:03 20:30 21:03 21:30 22:0:
| а 'Лс_АГ.13С9_1.РУ~]
70,4 4 70,2 4
—аим»
ш
6:00 6:30 7:03 7:30 8:03 8:30 9:00 9:30 10:03 10:30 11:03 11:30 12:00 12:30 13:03 13:30 14:03 14:30 15:03 15:30 16:03 16:13 17:03 17:30 18:03 18:30 19:03 19:30 23:03 20:30 21:03 21:30 22:0В
Р*- а'Л;_А1?0£_1.РУ |
та1
&::: I:: ":: " :: ::: ::: 14:: ::: ::: ::: ::: " :: ":: ;:: ::: =:: :::: ;::: : :: : :: :: ::
| « a-.lS_-.CC5_;.Р'Л
с:м ::: ":: ":: в с: : е: ::: ?:: :::::: ::::::: ; е: ::: : е: 4 оо ~ у. ::: ::: :::::: ь:: 5::::::;::: 2 оо : :: :: ::
Рисунок 8. Динамика откликов ММА и поточных анализаторов при изменении загрузки блока стабилизации и вторичной ректификации: АМ309_1, АМ309_3, АМ311_1 - значения ММА Т„к и Тш фракции 62-105 °С, Т„к фракции 105-180 °С; А1309_1, А1309_3, А1311_1 - значения ММА Т„к
и Т,к фракции 62-105 °С, Т„к фракции 105-180 °С
Как видно из рисунка 8, значения ММА отклоняются незначительно, а показания поточных анализаторов их повторяют, что отвечает заданию по качеству выпускаемых продуктов (фракций).
Помимо управления технологическим процессом и поддержания качества продукта, для контроллера в зависимости от производственной ситуации ставятся различные оптимизационные задачи, решаемые контроллером С6К^ В качестве примера выбрана зада-
ча по снижению тепловой нагрузки на печи П-2/2 и П-2/1 блока стабилизации и вторичной ректификации (рисунок 9). Решение этой задачи достигается путем уменьшения задания по температуре горячей струи на выходе из печей. При этом соблюдаются установленные пределы задания по качеству выпускаемых продуктов и поддержания технологических параметров. Пунктирной линией на рисунке 9 отмечен момент включении функции оптимизации.
Рисунок 9. Динамика откликов параметров по блоку: FЮ_ABT-6.PV - загрузка установки, м3/ч; F-tm - расход мазута к печам П-2/2 и П-2/1, м3/ч; F-tg- расход газа к печам П-2/2 и П-2/1, м3/ч; TI519.PV - температура окружающей среды, °С; KVO_K-5 - нагрузка конденсаторов воздушного охлаждения (КВО) колонны К-3, кВт/ч; ^0_К-3 - нагрузка КВО колонн К-3, кВт/ч
На рисунке 10 представлена динамика откликов ММА и поточных анализаторов при включенной функции оптимизации
Рисунок 10. Динамика откликов ММА и поточных анализаторов при включенной функции оптимизации: АМ309_1, АМ309_3, АМ311_ 1 - значения ММА Т„к и Тт фракции 62-105 °С, Т„к фракции 105-180 °С; А1309_1, А1309_3, А1311_1 - значения ММА Т„к и Ткк фракции 62-105 °С,
Тнк фракции 105-180 °С
Выводы
1. Для обеспечения корректной работы усовершенствованной системы управления, включающей в себя математические модели анализаторов и контроллеры, после существенных изменений в оборудовании или технологии производства, необходимо проводить обследование объекта, дорабатывать контроллеры и математические модели анализаторов с учетом новых производственных заданий.
2. Контроллер С6К^ отрабатывая задание по изменению Ткк фракции 62-105 °С, использует регуляторы температуры верха К-5 и температуру горячей струи К-5, а также поддерживает Тнк фракции 62-105 °С в заданных пределах, корректируя задание регулятора температуры верха К-3 и горячей струи К-3. Расхождение между показаниями математических моделей анализаторов и поточных анализаторов по фракционному составу Тнк и Ткк фракции 62-105 °С, Тнк фракции
105-180 °С не превышают 2,0 °С, а расхождения показаний математических моделей анализаторов и лабораторных анализов по углеводородному составу не превышают 2,0 % мас.
3. Стабильная работа контроллера при изменении загрузки блока обеспечивает сохранение параметров качества выпускаемой продукции в допустимых пределах и выполнение оптимизационных задач, поставленных перед контроллером.
4. Снижение тепловой нагрузки на печи блока стабилизации и вторичной ректификации, выполняемое в условиях постоянной загрузки установки и незначительных колебаний по расходу топливного газа к печам, при условии, что регулировка температурой на выходе из печей ведется с коррекцией по расходу топливного мазута, позволяет снизить расход топлива к печам приблизительно на 0,1 м3/ч.
5. При работе контроллера за счет поддержания качества выпускаемых продуктов в заданных пределах уменьшается вероятность их отклонений за пределы, указанные в СТП, а уменьшение выпуска некондиции повышает прибыль предприятия.
7. Снижение нагрузки на КВО колонны К-5 составило примерно 9 % от текущей скорости вращения, при этом потребляемая мощность в сумме на два КВО снизилась примерно на 7 кВт. Нагрузка на КВО колонны К-3 снизилась примерно на 9 % от текущей скорости вращения, потребляемая мощность в сумме на трех КВО снизилась примерно на 7 кВт. Суммарное снижение потребляемой мощности составило 14 кВт.
Литература
1. Ермоленко А.Д., Кашин О.Н., Лисицын Н.В., Макаров А.С., Фомин А.С., Харазов В.Г. Автоматизация процессов нефтепереработки, уч. пособ. / под. общ. ред. д-ра техн. наук В.Г. Харазова. СПб.: Профессия, 2015. 304 с.
2. Жуков И.В., Харазов В.Г. Сравнительный анализ работы виртуальных и поточных анализаторов на установках первичной переработки нефти // Автоматизация в промышленности. 2015. № 3. С. 8-10.
3. Бахри А., Жуков И.В., Харазов В.Г. Моделирование процесса висбрекинга // Известия вузов. Нефть. Газ. 2016. № 5. С. 35-40.
4. Бахри А., Жуков И.В., Харазов В.Г. Моделирование фракционирующей колонны процесса висбрекинга. // Известия СПбГТИ(ТУ). 2016. № 34(60). С. 50-54.
References
1. Ermolenko A.D., Kashin O.N., Lisicyn N.V., Ma-karov A.S., Fomin A.S., Harazov V.G. Avtomatizacija pro-cessov neftepererabotki, uch. posob. / pod. obshh. red. d-ra tehn. nauk V.G. Harazova. SPb.: Professija, 2015. 304 s.
2. Zhukov I.V., Harazov V.G. Sravnitel'nyj anal-iz raboty virtual'nyh i potochnyh analizatorov na ustanovkah pervichnoj pererabotki nefti // Avtomatizacija v promyshlenno-sti. 2015. № 3. S. 8-10.
3. BahriA., Zhukov I.V., Harazov V.G. Modelirovanie processa visbrekinga // Izvestija vuzov. Neft'. Gaz. 2016. № 5. S. 35-40.
4. Bahri A., Zhukov I.V., Harazov V.G. Modelirovanie frakcionirujushhej kolonny processa visbrekinga. // Izvestija SPbGTI(TU). 2016. № 34(60). S. 50-54.
