Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Антонов Олег Викторович. Оптимальное управление процессом каталитического риформинга с использованием гибридной математической модели : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.06 : Астрахань, 2003 186 c. РГБ ОД, 61:04-5/1852

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА
И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
12

  1. Описание процесса каталитического риформинга 12

  2. Анализ процесса как объекта управления 20

  3. Состояние вопросов автоматизации и моделирования процессов каталитического риформинга (литературный обзор) 28

  4. Постановка задачи исследования 38

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ ГИБРИДНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА
42

  1. Основные принципы построения гибридных математических моделей.. 43

  2. Использование нечетких множеств для целей математического моделирования и управления 46

  3. Построение диаграммы взаимного влияния факторов процесса каталитического риформинга 51

  4. Типовые элементарные соты диаграммы взаимного влияния 60

  5. Расчет по типовым элементарным сотам 65

  6. Построение гибридной сотовой математической модели процесса каталитического риформинга 81

  7. Проверка адекватности гибридной математической модели 122

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОПТИМАЛЬНОГО
УПРАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИБРИДНЫХ
МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
128

  1. Постановка задачи оптимального управления процессом каталитического риформинга 128

  2. Выбор методов решения задачи оптимизации 131

з
3.4. Алгоритм оптимального управления установкой каталитического
риформинга 137

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПРОЦЕССОМ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА
149

  1. Разработка структуры системы управления 151

  2. Разработка функционально-алгоритмической структуры системы управления 154

  3. Взаимодействие программного обеспечения системы оптимального управления и существующих SCADA-систем 160

  4. Разработка технической структуры системы управления 163

ВЫВОДЫ 171

ЛИТЕРАТУРА 172

ПРИЛОЖЕНИЯ 181

Приложение 1. Структура нефтеперерабатывающей промышленности в

различных регионах мира 182

Приложение 2. Октановые числа углеводородов 182

Приложение 3. Спецификация приборов и средств автоматизации системы

управления процессом каталитического риформинга 183

Приложение 4. Характеристики управляющих вычислительных машин 185

Введение к работе:

Нефтеперерабатывающая промышленность России играет важную роль в экономическом развитии страны. Производство нефтепродуктов - наиболее конкурентоспособная отрасль национальной экономики с позиций интеграции страны в систему мировых экономических связей. Основной задачей нефтеперерабатывающей промышленности является обеспечение потребностей в энергоносителях, моторных топливах и смазочных маслах, а также в сырье для нефтехимии. Анализ тенденций развития мирового рынка производства и потребления продуктов нефтепереработки показывает, что основная доля приходится на транспортное топливо (50-52%), а также бытовое и промышленное топливо (35-38%). Ситуация практически не изменится вплоть до 2010 года. Однако наметились принципиальные изменения в структуре производимых нефтепродуктов. Так, если в 1975-1980 годах сумма легких и средних дистиллятных продуктов составляла 60—61%, то в 1995 году она уже была 72% и к 2010 году достигнет 85% [95].

Структура нефтепереработки является основным критерием эффективности применяемых технологий и целевого использования сырья. В частности важным показателем служит удельный вес облагораживающих и углубляющих переработку нефти процессов. По данным журнала Oil and Gas [96] российская нефтеперерабатывающая промышленность по этому критерию серьезно отстает от мирового уровня. Краткий сравнительный анализ приведен в приложении 1.

Вместе с тем, в мировой нефтепереработке наметилась четкая тенденция повышения качества моторных топлив в направлении обеспечения их экологической безопасности при применении [92]. Введенные в США и некоторых странах Европы новые стандарты на моторные топлива (реформулированные топлива) предусматривают достаточно резкое изменение компонентного состава, а также ограничения содержания ароматических углеводородов (особенно бензола), серы, азота, высококипящих фракций [40].

Для достижения показателей моторных топлив в соответствии с новыми стандартами потребуется значительная перестройка структуры нефтепереработки. Кроме того, в России возникают специфические проблемы рационального использования нефтяного сырья, получения высококачественных моторных топлив из попутных нефтяных газов, газоконденсатов, широкой фракции легких углеводородов и углеводородных газов нефтеперерабатывающих заводов.

К сожалению, в настоящее время степень использования ценного углеводородного сырья невелика. На нефтеперерабатывающих заводах страны в предыдущие годы стабильно сжигалось на факелах около 8 млрд. м3 попутного нефтяного газа или более 20% от его ресурсов. В труднодоступных местах добычи нефти доля сжигаемого на факелах жирного газа достигает до 90%. Вовлечение в переработку газов и рефлюксов прямой перегонки нефти и бензинов, объем которых составляет половину всех ресурсов нефтезаводских газов, в 1994—1995 гг. находилось на уровне 64%; объем направляемого на переработку жирного газа составил всего 26%.

Создание современных нефтеперерабатывающих комплексов, решающих эту проблему требует больших капитальных и энергетических затрат. Стоимость строительства одного современного нефтеперерабатывающего завода мощностью 1-2 млн. т по сырью, предусматривающего комплексную переработку нефти, составляет 1-1.5 млрд. долларов США [95]. В этих условиях для России особое значение приобретают малозатратные новые технологии, позволяющие эффективно использовать сырье в переработке нефти, обеспечивающие повышение качества и снижение стоимости выпускаемой продукции.

Все это возможно при условии максимально полного использования ресурсов существующих установок нефтеперерабатывающих заводов. Наибольшие возможности в этом направлении представляют установки вторичной каталитической переработки нефтепродуктов, в том числе каталитический ри-форминг. Каталитический риформинг бензинов является важнейшим процессом современной нефтепереработки и нефтехимии. Он служит для одновременного получения высокооктанового базового компонента автомобильных

6 бензинов, ароматических углеводородов - сырья для нефтехимического синтеза - и водородосодержащего газа - технического водорода, используемого в гидро-генизационных процессах нефтепереработки. Каталитический риформинг является в настоящее время наиболее распространенным методом каталитического облагораживания прямогонных бензинов. Установки каталитического рифор-минга имеются практически на всех отечественных нефтеперерабатывающих заводах.

Управление установкой каталитического риформинга является достаточно сложной задачей по целому ряду причин. Технологический режим процесса определяется достаточно большим количеством режимных переменных. Кроме того, на процесс действуют существенные возмущающие воздействия. Имеет место непрерывное изменение качества поступающего на установку сырья и топливного газа. Определенный вклад в нарушение установившегося технологического режима вносит потеря активности катализатора и изменение технического состояния оборудования. Установка каталитического риформинга связана с другим оборудованием нефтеперерабатывающего завода, поэтому управление процессом должно учитывать режим работы этого оборудования.

Все это требует частой перестройки технологических режимов и многокритериального поиска оптимальных режимов управления. Поиск оптимальных управлений путем проведения экспериментов невозможен в связи со значительными материальными затратами.

Внедрение систем оптимального управления установками каталитического риформинга наталкивается, в свою очередь, на ряд трудностей. В первую очередь, это связано с вопросами построения адекватных математических моделей каталитических процессов вторичной нефтепереработки. При этом основной проблемой следует считать наличие достаточно большого количества информации о процессе, которую невозможно формализовать традиционными методами. К ней относится информация о качественном составе сырья и топливного газа, состоянии оборудования и пр.

Развитие теории нечетких множеств [40] открыло пути формализации качественной информации, а также её использования для целей управления, в том числе построение нечетких моделей объектов управления, нечетких регуляторов и систем в целом [1,93]. При этом технологические параметры изучаемого объекта рассматриваются как лингвистические переменные, значения которых определяется терминами типа "высокий", "низкий", "быстро", "медленно". Именно в таких терминах эксперты описывают различные состояния объекта, и теория нечетких множеств позволяет формализовать такие описания. С помощью данного подхода можно описывать параметры, о которых у нас нет достоверных данных. Кроме того, нечеткие множества позволяют работать с параметрами, значения которых не могут быть измерены обычными способами и вводятся оператором. Например, нагар на трубах печи: мал, не очень велик, велик, очень велик. Нечеткость возникает не только при описании значений параметров, но и при описании алгоритмов. Возможно построение системы регулирования на данных опроса экспертов, сформулированных следующим образом: «если температура велика и давление высоко или очень высоко, то управляющее воздействие большое отрицательное» [71].

Следует отметить, что многие работы в этом направлении [1,34] ведутся с позиции полного перехода на качественное описание процесса. Такой подход оправдан только в случае отсутствия какой-либо количественной информации о процессе. В большинстве случаев имеет место другая ситуация - количественная информация присутствует, но не позволяет построить математическую модель в целом. Вместе с тем, имеется массив качественной информации, дополняющий количественную. При этом только качественное описание приводит к совершенно неоправданным потерям количественной информации и, следовательно, к неудовлетворительной точности математического описания. Вопросы совместного использования количественной и качественной информации при математическом описании и управлении процессами представлены недостаточно.

Построение математической модели процесса каталитического риформинга с совместным использованием количественной и качественной информации открывает значительные перспективы для расширения возможностей оптимального управления процессом. Следует учесть, что для крупнотоннажных процессов с большими затратами на производство, к которым относится и процесс каталитического риформинга, внедрение систем оптимального управления позволит получить значительную экономическую выгоду. Управление процессом в оптимальном режиме позволяет повысить эффективность процесса на 3-5% за счет увеличения производительности установки и повышения качества продукции, что при мощности установки в 1 млн. тонн составляет до 50 тыс. тонн продукта в пересчете на сырье.

Таким образом, разработка эффективных автоматизированных систем управления установками каталитического риформинга, которые смогут использовать количественную и качественную информацию и, тем самым, повысить производительность оборудования и улучшить качественные показатели выпускаемого продукта, является, несомненно, актуальной научной и практической проблемой.

Целью настоящей работы является повышение эффективности эксплуатации установок каталитического риформинга за счет внедрения систем оптимального управления технологическим процессами на базе математических моделей с возможностью совместного использования количественной и качественной информации об объекте управления.

С учетом вышесказанного, цель настоящей работы является актуальной.

Соответствующей указанной цели научной проблемой является разработка алгоритмов оптимального управления процессом каталитического риформинга. При этом в качестве основной трудности выделим отсутствие полного математического описание объекта в количественных отношениях. Вместе с тем существует значительный объем информации о процессе в виде лингвистических описаний, который обычно теряется при построении модели процесса. Отметим, что в литературе вопросы совместного использования количествен-

ной и качественной информации проработаны явно недостаточно. Очевидно, что построение гибридных моделей позволит более полно учесть всю имеющуюся информацию о процессе и значительно расширить возможности управления им.

Для достижения поставленной цели необходимо:

осуществить анализ процесса каталитического риформинга применительно к целям оптимального управления;

разработать метод построения гибридных математических моделей каталитических процессов нефтепереработки, позволяющую совместно использовать количественную и качественную информацию о процессах;

построить гибридную математическую модель процесса каталитического риформинга;

разработать алгоритмы оптимизации процесса каталитического риформинга с использованием гибридных моделей;

разработать систему управления, реализующую алгоритмы оптимизации процесса каталитического риформинга.

Методы исследования: математическое моделирование, общие принципы теории управления, поисковые методы оптимизации, методы искусственного интеллекта.

Научная новизна работы состоит в следующем:

разработан метод построения гибридных математических моделей технологических процессов с возможностью объединения количественной и качественной информации о процессе;

построена гибридная математическая модель процесса каталитического риформинга;

синтезирован алгоритм решения задачи оптимизации процесса каталитического риформинга, учитывающий особенности гибридной математической модели.

Практическая ценность работы:

разработаны алгоритмы расчета по гибридным математическим моделям объектов управления;

разработано программное обеспечение, реализующее алгоритм оптимизации процесса каталитического риформинга с использованием гибридной математической модели процесса;

разработана система оптимального управления процессом каталитического риформинга, позволяющая повысить эффективность процесса за счет обработки качественной информации.

Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы изложены в 7 публикациях автора.

Результаты работы докладывались на XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-Дон» (г. Ростов-на-Дону, 2003), XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, 2002).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Она изложена на 186 страницах, содержит 66 рисунков. Список литературы включает в себя 101 наименование. Приложения объемом 6 страниц.

Во введении показана актуальность, сформулирована цель, определена научная новизна и практическая ценность результатов данной работы, приведено краткое содержание работы по главам.

Первая глава посвящена анализу процесса каталитического риформинга. Дано описание технологического процесса, проведен анализ процесса как объекта управления, освещено текущее состояние вопросов автоматизации и моделирования. Показана принадлежность процесса каталитического риформинга к группе процессов с неполным математическим описанием. Поставлена проблема исследования.

Во второй главе дается методика построения и расчета гибридной математической модели. Рассмотрено использование математического аппарата нечетких множеств для целей математического моделирования. Приведены этапы

11 построения гибридной математической модели, в том числе построение диаграммы взаимного влияния параметров процесса, выделение типовых участков диаграммы взаимного влияния в виде элементарных сот. Предложены основные варианты расчета по каждой элементарной соте и гибридной сотовой модели в целом. Проведено построение математической модели процесса с использованием предлагаемой методики построения гибридных сотовых моделей.

Третья глава посвящена вопросам оптимального управления по гибридным моделям. Выбран метод решения задачи оптимального управления статическим режимом на основе гибридной сотовой модели. Разработан алгоритм оптимального управления процессом каталитического риформинга.

В четвертой главе предложена реализация системы оптимального управления процессом каталитического риформинга, разработана алгоритмическая, функциональная и информационной структуры системы управления, даны варианты выбора технической структуры системы управления.

Таким образом, в диссертационной работе решается важная научная и прикладная проблема автоматизации оптимального управления процессом каталитического риформинга и на защиту диссертации выносится следующий круг вопросов:

метод построения гибридных сотовых математических моделей, позволяющий совместно использовать количественную и качественную информацию о процессах;

алгоритмы расчета по гибридным математическим моделям с возможностью объединения количественной и качественной информации в пределах одного элементарного участка математической модели (соты);

гибридная математическая модель процесса каталитического риформинга, позволяющая обрабатывать качественную информацию о процессе;

алгоритм оптимального управления, отличающийся использованием гибридной математической модели объекта управления;

система оптимального управления процессом каталитического риформинга с использованием гибридной математической модели объекта.

Подобные работы
Кокуев Андрей Геннадьевич
Оптимальное управление технологическим процессом с использованием энергоинформационной модели : на примере производства гофрированного картона
Белая Татьяна Иоанновна
Управление процессами пуска и останова установки каталитического риформинга на основе математической модели
Зубов Дмитрий Владимирович
Математическая модель и оптимальное управление процессом бинарной ректификации
Горюшко Иван Александрович
Методы обеспечения надежности при передаче и аналитической обработке информации в системах мониторинга с использованием моделей нечетких множеств
Ворыпаев Алексей Николаевич
Мониторинг качества процесса шлифования с использованием нейросетевых моделей
Конев Константин Анатольевич
Информационно-управляющая система качества менеджмента на основе использования системных моделей (На примере предприятия авиационного приборостроения)
Лихачев Денис Валерьевич
Автоматизация процесса проектирования составов бетонных смесей и их корректировки на основе прогнозирования качества будущего бетона с использованием четких и нечетких моделей
Давыдова Елена Михайловна
Модели и алгоритмы технологии обучения с использованием образовательного портала
Газетдинова Светлана Геннадьевна
Автоматизированная поддержка управления инструментальным обслуживанием производства на основе моделей дискретных процессов с приоритетами с использованием экспертных оценок
Шипитько Илья Александрович
Прогнозирующее управление с нейросетевой моделью объекта для манипулятора с нежесткими звеньями

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net