Совершенствование системы регулирования газофракционирующей установки ЗАО РНПК с целью обеспечения стабильности процесса

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина

Дипломный проект

Совершенствование системы регулирования газофракционирующей установки ЗАО РНПК с целью обеспечения стабильности процесса

газофракционирующий установка нефтеперерабатывающий

Руководитель проекта

профессор, к.х.н. Чернышева Е.А._

(должность, звание, фамилия, инициалы)

(подпись) Дипломник гр.: ХТ-09-1

Кузнецов А.Е.

(фамилия, инициалы)

(дата)

Консультанты по технологической и экспериментальной части

инженер Генин Г.В.

(должность, звание, фамилия, инициалы)

ст. препод., к.т.н. Зуйков А.В. _

(должность, звание, фамилия, инициалы)

(подпись)

Консультант по разделу безопасность и экологичность профессор, д.т.н. Глебова Е.В.

(должность, звание, фамилия, инициалы)

(подпись)

Консультант по разделу экономика доцент, к.э.н. Ларионова О.А.

(должность, звание, фамилия, инициалы)

(подпись)

Москва 2014 год



Аннотация

Данная работа выполнена на базе Российского Государственного Университета Нефти и Газа имени И.М. Губкина c использованием междисциплинарного подхода. Содержит 110 страницы, 27 таблиц, 32 рисунка и графика, использовано 22 литературных источников.

Работа посвящена анализу и поиску решения проблемы нестабильного режима работы газофракционирующей установки ЗАО “РНПК”.

По итогу данного проекта разработаны оригинальные системы управления, учитывающие специфику и ограничения каждого аппарата. Изменения не требуют замены основного технологического оборудования и предполагают низкие дополнительные капитальные затраты.

В работе применен комплексный подход к анализу технологической схемы установки, как с технологической точки зрения, так и с точки зрения автоматизации и регулирования.

Дополнительно разработаны динамические модели фракционирующих колонн, подтверждающие работоспособность и эффективность предлагаемых схем управления. Так же выполнен расчёт экономической эффективности инвестиционного проекта, подтвердивший целесообразность его реализации.



Annotation

This work was carried out at the base of Gubkin Russian State University of Oil and Gas by interdisciplinary approach. It contains 110 pages, 27 tables, 32 illustrations and graphs. The bibliography consists of 22 sources of literature.

The work is devoted to analyzing and searching solutions of the problem of mode of operation obtained in the unit of GFU private company «RNPK".

As a result of this work the original control systems was elaborated, taking into consideration the specific character and restrictions of all the elements.

In this paper we apply an integrated approach to the analysis of the technological scheme of the installation, as from a technological point of view and in terms of automation and control.

In addition, calculation of hydrodynamic regime of trays is made for columns. It was also calculated the cost - effectiveness of the investment project, which confirms the feasibility of its implementation.



Введение

Одним из важнейших приоритетов энергетической стратегии России является модернизация и коренная реконструкция нефтеперерабатывающей промышленности для выведения ее на современный технический уровень обеспечения страны качественными моторными топливами, смазочными материалами, сырьем для нефтехимии и другими нефтепродуктами, а также экспорта нефтепродуктов, качество которых должно отвечать мировым стандартам и требованиям внутреннего и экспортного рынка.

С улучшением качества выпускаемой продукции необходимо внедрение новых технологий, направленных на снижение энергопотребления при производстве и сокращении потерь ценных продуктов и компонентов.

Немаловажным моментом в достижении высокого качества продукта являются потенциальные возможности схем регулирования процесса, в том числе: устойчивость (робастность) к внешним возмущениям и достигаемый уровень стабильности режимных параметров, как основы, определяющей достижение требуемого качества продукта и экономических показателей процесса.

Целью данной работы является разработка мероприятий по совершенствованию системы регулирования, направленных на обеспечение стабильности качества продуктов, выработки и энергозатрат на газофракционирующей установки ЗАО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания».



1. Литературный обзор

1.1 Переработка нефтезаводских углеводородных газов

В процессах переработки углеводородного сырья образуется в среднем 5- 20% масс. углеводородных газов (предельных и непредельных, нормального и изостроения). Каждый компонент этих газов находит свое рациональное использование либо как сырье для других технологических процессов, либо как компонент моторного, бытового или технологического топлива, либо как экстрагент или хладоагент и т.д.

Источником углеводородных газов на НПЗ являются газы, выделяющиеся из нефти на установках AT, ABT и образующиеся в результате проведения термодеструктивных или каталитических процессов переработки нефтяного сырья, а также газы стабилизации нестабильных бензинов. [1] Углеводородный состав газов различного происхождения представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав газов различных процессов переработки ромашкинской нефти

Компонент	Газы процессов переработки, % масс	Сжиженные газы стабилизации, % масс
	АВТ	КР	ГО дизтоплива	ЗК	Пиролиз	КК	АВТ	КР	КК	ЗК
Водород	-	5,50		0,40	16,00	2,50	-	-	-	-
Метан	2,65	12,50	34,00	32,50	34,40	11,00	-	-	-	-
Этилен	-	-	-	4,50	29,30	6,00	-	-	0,12	3,50
Этан	13,32	24,50	24,50	21,50	5,00	8,00	0,80	1,60	0,84	5,00
Пропилен	-	-	-	4,00	10,50	22,00	-	-	23,00	7,50
Пропан	41,29	32,00	20,50	15,00	0,20	12,50	21,70	46,90	7,89	6,60
Изобутилен			-	2,20	1,30	6,00	-	-	19,81	2,15
н -Бутилен	-	-	-	4,40	1,20	14,00	-	-	18,81	6,60
Изобутан	8,02	11,00	21,00	7,00	-	14,00	14,80	26,20	17,47	12,90
н - Бутан	24,5	14,50	-	8,50	0,50	4,00	48,20	21,10	4,14	15,50
Амилены	-	-	-	-	-	-	-	-	3,07	13,25
Изопентан	5,05	-	-	-	-	-	8,10	2,20	4,43	2,10
н-Пентан	3,27	-	-	-	-	-	3,50	2,00	0,90	11,50
Гексаны и выше	1,90	-	-	-		-	2,90	-	0,06	13,00
Примеси	-	-	-	-	1,5	-	-	-	0,09	0,75

В зависимости от химического состава различают предельные и непредельные газы. Предельные углеводородные газы получаются на установках перегонки нефти и гидрокаталитической переработки (каталитического риформинга, гидроочистки, гидрокрекинга) нефтяного сырья. В состав непредельных газов, получающихся при термодеструктивной и термокаталитической переработке нефтяного сырья (в процессах каталитического крекинга, пиролиза, коксования и др.), входят низкомолекулярные моно-, иногда диолефины как нормального, так и изостроения. [2]

Как правило, предельные и непредельные углеводородные газы на НПЗ перерабатываются раздельно вследствие их различного назначения. При фракционировании предельных газов получают следующие узкие углеводородные фракции:

- метан-этановую (сухой газ), иногда этановую, которую используют как сырье пиролиза или в качестве хладоагента на установках глубокой депарафинизации масел и т.д.;

- пропановую, используемую как сырье пиролиза, бытовой сжиженный газ и хладоагент для производственных установок;

- изобутановую, являющуюся сырьем установок алкилирования, производств синтетического каучука;

- бутановую для получения бутадиена или используемую как бытовой сжиженный газ и как компонент автобензинов для регулирования их пусковых свойств;

- изопентановую, которая служит сырьем для производства изоп-ренового каучука и высокооктановым компонентом автобензинов;

- пентановую фракцию - сырье для процессов пиролиза, изомеризации и т.д. Иногда смесь пентанов и более тяжелых углеводородов не разделяют на фракции, а используют как газовый бензин. [2]

На ГФУ непредельных газов из олефинсодержащих потоков выделяются следующие фракции:

- пропан-пропиленовая - сырье процессов полимеризации и алкилирования, нефтехимических производств;

- бутан-бутиленовая - сырье установок алкилирования для производств метилэтилкетона, полиизобутилена, синтетического каучука и др.;

- этан-этиленовая и пентан-амиленовая фракции, используемые как нефтехимическое сырье.

Получаемые на ГФУ фракции углеводородных газов должны по качеству соответствовать техническим условиям на эти нефтепродукты. До фракционирования углеводородные газы направляются вначале в блоки очистки от сероводорода и осушки.

На нефте- и газоперерабатывающих заводах наибольшее распространение получили следующие физические процессы разделения углеводородных газов на индивидуальные или узкие технические фракции: конденсация, компрессия, ректификация и абсорбция. На ГФУ эти процессы комбинируются в различных сочетаниях. [2]

1.2. Подготовка нефтезаводских углеводородных газов

Осушка - применяют при последующей низкотемпературной ректификации газа (например, с выделением этилена). При этом необходимая степень осушки газа определяется не только возможными условиями конденсации воды при последующей переработке, но и возможностью образования гидратов (комплексных соединений молекул углеводородов и воды). Осушку проводят как с использованием жидких (гликолей), так и (в основном) твердых поглотителей (кислотоустойчивых цеолитов);

Очистка - удаление химических примесей из углеводородов или превращение их в безвредные химические соединения. Примесью называется такое химическое соединение, присутствие которого наносит вред при применении конкретных углеводородов. Многие примеси, подлежащие удалению из потока углеводородных газов, такие как сероводород, меркаптановая сера и нафтеновая кислота, представляют собой кислотные соединения. Они вызывают коррозию оборудования и дезактивацию катализаторов последующих процессов переработки углеводородных фракций. [4]

Компрессия и конденсация -- процессы сжатия газа компрессорами и охлаждения его в холодильниках с образованием двухфазной системы газа и жидкости. С повышением давления и понижением температуры выход жидкой фазы возрастает, причем сконденсировавшиеся углеводороды облегчают переход легких компонентов в жидкое состояние, растворяя их. Обычно применяют многоступенчатые (2, 3 и более) системы компрессии и охлаждения, используя в качестве хладоагентов воду, воздух, испаряющиеся аммиак, пропан или этан. Раз- деление сжатых и охлажденных газов осуществляют в газосепараторах, откуда конденсат и газ направляют на дальнейшее фракционирование методами ректификации или абсорбции. [5]

Абсорбция - процесс разделения газовых смесей, основанный на избирательном поглощении отдельных компонентов сырья жидким поглотителем

- абсорбентом. Растворимость углеводородов в абсорбенте возрастает с повышением давления, ростом молекулярной массы и понижением температуры процесса ниже критической температуры абсорбируемого газа. [3]

Абсорбция - обратимый процесс, и на этом основано выделение поглощенного газа из жидкости -десорбция. Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять из него поглощенный компонент. Для десорбции благоприятны условия, противоположные тем, при которых проводят абсорбцию, то есть повышенная температура и низкое давление. Наилучшим абсорбентом для углеводородных газов являются близкие им по строению и молекулярной массе жидкие углеводороды, например, бен- зиновая или керосиновая фракции.

Ректификация является завершающей стадией разделения углеводородных газов. Особенность ректификации сжиженных газов, по сравнению с ректификацией нефтяных фракций, - необходимость разделения очень близких по температуре кипения компонентов или фракций сырья при высокой четкости фракционирования. Так, разница между температурами кипения этана и этилена составляет 15°С. Наиболее трудно разделить бутан-бутиленовую фракцию: темпе- ратура кипения изобутана при нормальном давлении составляет 11,7 °С, изобутилена - 6,9°С, бутена - 1 - 6,29°С, а н-бутана - 0,5 °С. [7]

Ректификацию сжиженных газов приходится проводить при повышенных давлениях в колоннах, поскольку для создания жидкостного орошения необходимо сконденсировать верхние продукты колонн в обычных воздушных и водяных холодильниках, не прибегая к искусственному холоду.

Конкретный выбор схемы (последовательности) разделения, температуры, давления и числа тарелок в колоннах определяется составом исходной газовой смеси, требуемой чистотой и заданным ассортиментом получаемых продуктов. [2]

1.3. Методы разделения углеводородных газов

В настоящее время в промышленности существует несколько основных процессов разделения углеводородных газов. Рассмотрим некоторые из них.

1.3.1 Низкотемпературная сепарация

Низкотемпературной сепарацией называют процесс извлечения жидких углеводородов из газов путем однократной конденсации при пониженных температурах от -10 до -25°С с газогидромеханическим разделением равновесных газовой и жидкой фаз.

Особенностью извлечения жидкой фазы из газа с помощью иных устройств является то, что по мере сепарации изменяются размеры капель взвешенной влаги (их дисперсперсность) Так, на входном участке диаметр капель в потоке газа колеблется от 100 до 1000 мкм (в среднем около 700-800 мкм), и присутствовать пленочная жидкость. После первой ступени сепарации в потоке остаются капли диаметром от 30 до 150 мкм, а после второй ступени в газе присутствуют самые мелкие капли от 1 до 30-50 мкм (в зависимости от конструкции предыдущего сепаратора).

На выходе из первой ступени суммарное содержание дисперсной жидкой фазы не должно превышать 350 мг/м³ газа. [5]

Основные факторы, влияющие на процесс НТС

На эффективность работы установок НТС большое влияние оказывают состав сырьевого газа, температура, давление, число ступеней сепарации.

Состав сырьевого газа. Чем тяжелее состав исходной смеси (чем больше средняя молекулярная масса газа), тем выше степень извлечения жидких углеводородов. Однако, начиная с средней молекулярной массы около 22, утяжеление состава исходной смеси практически не оказывает влияния на степень извлечения компонентов С₃ и выше.

Для тощих исходных смесей для повышения степени извлечения жидких углеводородов иногда используют метод сорбции в потоке, т.е. осуществляют впрыск в поток исходной смеси стабильного конденсата или других углеводородных жидкостей на некотором расстоянии от сепаратора. Таким образом, производится утяжеление смеси, а, следовательно, и повышается степень извлечения компонентов С₃ и выше.

Влияние температуры. Для легких газов (средняя молекулярная масса не более 22. средняя температура кипения минус 156-133°С) снижение температуры сепарации от 0 до - 40°С обеспечивает существенный рост степени извлечения конденсатообразующих компонентов.

Для жирных газов (средняя молекулярная масса более 22, средняя температура кипения выше, чем минус 133°С) влияние температуры на степень извлечения жидких углеводородов мало.

Таким образом, чем легче состав исходной смеси, тем более низкая температура требуется для выделения жидких углеводородов на установках НТС.

Влияние давления. Давление сепарации обычно в пределах 5-7,5 МПа мало влияет на степень извлечения компонентов С₃ и выше. Более важен свободный перепад давления, позволяющий достигать низких температур сепарации.

Число ступеней сепарации. При одинаковых параметрах (давление и температура последней ступени охлаждения) - чем меньше число ступеней сепарации, тем больше выход жидкой фазы. Но при одноступенчатой сепарации чрезмерно высоки потери компонентов с углеводородным конденсатом. Увеличение ступеней сепарации повышает четкость разделения газовой и жидкой фаз.

Исходя из параметров ведения процесса, можно сделать вывод о том, что процесс НТС характеризуется высокими капитальными вложениями и большими энергетическими затратами. [6]

1.3.2 Компрессионный метод

Компрессионный метод основан на сжатии газа с последующим его охлаждением. При этом тяжелые компоненты газа ходят в жидкое состояние. Оптимальное давление сжатия определяется несколькими факторами, составом исходного таза, требуемой степенью извлечения целевых компонентов, энергозатратами на сжатие и охлаждение и т.п. В большинстве случаев оптимальное давление составляет 2,0-4,0 МПа. Газ обычно сжимают с помощью двух- или трехступенчатых компрессоров. Для повышения эффективности работы компрессоров применяют ступенчатое охлаждение газа в промежуточных холодильниках и охлаждение стенок цилиндров компрессора. Для сжатия газа используют поршневые и турбокомпрессоры. Первые обычно применяют в области высоких давлений, вторые - при давлениях не выше 4,5 МПа. Турбокомпрессоры имеют боль шую производительность. Для привода компрессоров используют электродвигатели, газомоторы, паровые или газовые турбины. Наиболее экономичными являются паровые турбины.

Компрессионный метод применяют для отбензинивания жирных газов, содержащих более 150 г углеводородов С₃ и выше на 1 м³ газа. Недостатком метода является нечеткое разделение, что приводит к попаданию легких углеводородов в конденсат и потере значительной части тяжелых углеводородов с газовой фазой. Поэтому данный метод применяют обычно в комбинации с другими, более эффективными методами отбензинивания. [7]

1.3.3 Мембранные методы концентрирования и разделения газов

Мембранные процессы разделения основаны на преимущественной проницаемости одного или нескольких компонентов газовой смеси через разделительную перегородку - мембрану. Мембранные процессы могут быть обусловлены градиентами давления (баромембранные процессы), электрического потенциала (электромембранные процессы), концентрации (диффузионно- мембранные процессы) или комбинацией нескольких факторов.)

Мембрана характеризуется двумя основными показателями в отношении компонентов газовой смеси: проницаемостью и селективностью. Проницаемость мембраны определяет ее производительность по данному компоненту, а селективность - разделительную способность. Эти свойства зависят от рабочей температуры, давления, присутствия примесей в двухкомпонентной газовой смеси и могут меняться в течение срока службы.

С помощью мембран можно осуществить разделение изомерных углеводородов, так как разветвление цепи приводит к заметному снижению проницаемости. Возможно, выделение желаемого компонента из смеси ненасыщенных углеводородов, например С₃. Диеновые углеводороды характеризуются более высокой проницаемостью, чем парафиновые и олефиновые с тем же числом С-атомов. При применении пористых мембран для этого процесса необходимо, чтобы длина свободного пробега молекул была больше диаметра пор мембраны, т.е. частота столкновений молекул газа со стенками пор превышала частоту взаимных столкновений молекул. Поскольку средние скорости молекул обратно пропорциональны квадратному корню их масс, компоненты разделяемой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями. В результате смесь, прошедшая через мембрану, обогащается компонентом с меньшей молекулярной массой, а концентрат (задержанная фаза) - с большей.

При применении непористых мембран, что обычно имеет место при разделении углеводородов, оно осуществляется за счет разной скорости диффузии компонентов через перегородки. Для таких мембран проницаемость газов на 2 - 3 порядка ниже, чем для пористых, но селективность значительно выше.

К основным проблемам, препятствующим более широкому внедрению мембранной технологии, относятся малая проницаемость и в ряде случаев низкая селективность мембран, а также необходимость высокой технологической культуры при их производстве и эксплуатации. [3]

1.4. Типовые схемы процессов разделения предельных нефтезаводских газов

Используемые в настоящее время на НПЗ схемы газофракционирующих установок различаются в основном способами деэтанизации сырья и последовательностью извлечения целевых продуктов.

Принципиальная схема газофракционирования представлена на рисунке 1.



Рисунок 1 - Принципиальная схема газофракционирующей установки

1 - деэтанизатор; 2 - пропановая колонна; 3 - бутановая колонна; 4 - изобутановая колонна; 5 - пентановая колонна; 6 - изопентановая колонна;

I - сырье; II - щелочь; III - сухой газ; IV - пропановая фракция; V - изобутановая фракция; VI - бутановая фракция; VII - изопентановая фракция; VIII - пентановая фракция; IX - легкий бензин.

Для деэтанизации предельных газов применяют схемы, представленные на рисунке 2 [5]:

a) Ректификационная схема с деэтанизацией в головной колонне;

b) Ректификационная схема с депропанизацией в головной колонне и последующим разделением углеводородов С₂ и С₃ в ректификационной колонне;

c) Абсорбционная схема с фракционирующим абсорбером.



Рисунок 2 - Варианты схем деэтанизации a, b - ректификационные; c - абсорбционная;1 - этановая колонна; 2 - пропановая колонна; 3 - десорбер; 4 - фракционирующий абсорбер; I - сырье; II - этановая фракция; III - пропановая фракция; IV - фракция С4 и выше; V - свежий абсорбент.

Характеристика режимов работы ректификационных колонн В схемах деэтанизации представлена в таблице 2

Таблица 2 - Характеристика ректификационных колонн схемы деэтанизации

Колонна	Давление, МПа	Расчетный диаметр (верх, низ), м	Флегмовое число	Число теоретиче- ских тарелок	Температура, °С
					верха	питания	низа	орошения
Схема а
Этановая	3,0	0,356/0,395	8	13	50	100	116	36
Пропановая	1,9	0,474/0,646	5	19	55	93	138	40
Схема b
Пропановая	1,9	0,497/0,715	3,5	19	50	82	137	44
Этановая	3,0	0,24/0,24	3,5	13	48	56	71	37
Схема с
Фракциони- рующий абсорбер	1,3	0,26/0,313	-	16	59	40	75	35
Десорбер	0,9	0,643/0,475	0,5	13	61	104	213	45
Пропановая	1,9	0,474/0,646	5	19	55	93	138	40

Процентное соотношение количества подводимого и отводимого тепла при разделении газов представлено в таблице 3

Таблица 3 - Относительные затраты тепла и холода по принятым вариантам схем деэтанизации

	Схема а	Схема b	Схема с
Подвод тепла	100	90	134
Отвод тепла	100	86	118
Общая поверхность теплообмена, м2	351	318	361

Из приведенных данных видно, что для деэтанизации газов более выгодно применение ректификационных схем а и b, Низкая эффективность абсорбционной схемы с объясняется большим рециркуляционным потоком, увеличивающим капитальные и эксплуатационные затраты. Сравнение ректификационных схем а и b показывает, что выбор схемы деэтанизации определяется не только экономическими показателями процесса. В том случае, когда возможны значительные колебания в составе сырья, деэтанизацию целесообразно проводить по схеме а, т.к. при деэтанизации по схеме b в головной колонне условия по выделению пропана из углеводородов С₄ становятся жесткими, т.е. режим этой колонны трудно регулировать как по давлению, так и по температуре при изменении расхода этана в сырье. Из-за нестабильного режима разделение в этой колонне будет нечетким, возможен унос бутанов с дистиллятом и не полный отбор пропана из нижнего продукта. При стабильных условиях работы ГФУ целесообразно применение варианта b. При разделении смеси предельных газов с высоким содержанием легких углеводородов более эффективным оказывается применение абсорбционной схемы с. [9]

Затраты при ректификации определяются преимущественно флегмовым числом и числом тарелок в колонне. Для близкокипящих компонентов с малой относительной летучестью эти параметры особенно велики. Поэтому из общих капитальных и эксплуатационных затрат на газофракционирование, существенная

(около половины) часть приходится на разделение фракций i-C₄-н-C₄ и i-C₅-н-С₅. В этой связи на НПЗ часто ограничиваются фракционированием предельных газов без разделения фракций С₄ и выше.

Обычно чистота отбираемой фракции ?С₃ составляет 96% масс., а ?С₄ - 97% масс. Отбор от потенциала - соответственно 82 и 95%. «Сухой» газ на 90% масс. состоит из фракций С₁-С₃. С установок АГФУ блока разделения непредельных газов уходят сухой газ, пропан-пропиленовая и бутан-бутиленовая фракции. В типичных заводских газах из непредельных углеводородов при- сутствуют только олефины: этилен, пропилен, бутилены. Углеводороды более высокой непредельности - ацетилен, бутадиен, содержатся лишь в газах пиролиза, а в газах термического крекинга появляются только при значительном ужесточении режима. [2]

1.5. Основное оборудование газофракционирующих установок

Процесс разделения газов на установках ГФУ проводят в ректификационных колоннах. По типу внутренних контактных устройств различают тарельчатые, насадочные и пленочные колонные аппараты представленные на рисунке 3. Области применения контактных устройств определяются свойствами разделяемых смесей, рабочим давлением в аппарате, нагрузками по пару (газу) и жидкости и т.п. [9]

В тарельчатых аппаратах рисунок 3 а контакт между фазами происходит при прохождении пара (газа) сквозь слой жидкости, находящейся на контактном устройстве (тарелке).

В насадочных колоннах рисунок 3 б контакт между газом (паром) и жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними.

В пленочной колонне рисунок 3 в, фазы контактируют на поверхности тонкой пленки жидкости, стекающей по вертикальной или наклонной поверхности.

Рисунок 3 - Схемы основных типов колонных аппаратов: а -- тарельчатый: 6 -- насадочный: в -- пленочный: I -- корпус колонны; 2 -- полотно тарелки; 3 -- переточное устройство; 4 -- опорная решетка. 5 -- насадка: 6 -- распределитель 7 - трубная решетка; 8 - трубка

1.6. Схемы регулирования качества продуктов ГФУ

Регулировка качества дистиллята узких фракций, состоящих из нескольких компонентов, расходом орошения с коррекцией по температуре на верхней тарелке, приводит к нестабильности качества дистиллята при нестабильности расхода и состава сырья. Это явление усугубляется при попадании в сырье компонента легче целевого легкого, т.к. резко снижается температура кипения смеси находящейся на верхней тарелке, и при нестабильности давления в колонне приводит к попаданию тяжелых компонентов в дистиллят. Данная проблема описана во многих литературных источниках, но не везде показаны решения. Регулировка качества дистиллята расходом орошения с коррекцией по температуре на верхней тарелке применима в процессах разделения фракций широкого углеводородного состава, где влияние изменения концентрации одного из компонентов незначительно. По этому поводу, во многих литературных источниках рекомендуется, для получения стабильного качества дистиллята, состоящего из нескольких компонентов, применять схему регулирования по температуре на контрольной тарелке. Такая схема заранее реагирует на изменения, происходящие в системе, и адаптируется, позволяя получать дистиллят требуемого качества. [17]

На рисунке 4 изображены различные схемы регулирования качества продуктов газофракционирующих установок.

Рисунок 4 - Различные схемы регулирования качества продуктов



2. Объекты и методы исследования

2.1 Объект исследования

Объектом исследования является ГФУ ЗАО «РНПК»

Мощность установки ГФУ составляет 300 тыс.т/год. Установка однопоточная и состоит из трех колонн (рис. 5):

1. Колонна выделения пропан-бутановой фракции (1-К-1);

2. Колонна разделения бутановой и пентановой фракций (1-К-2);

3. Разрезная колонна разделения и-бутана и н-бутана (1-К-3).

Краткое описание процесса:

Предельное сырье с установок АВТ, АТ и риформинга поступает в буллитный парк ГФУ. В буллитах происходит отстаивание от воды. Сырье подается в пропановую колонну 1-K-1. С верха колонны 1-K-1 выводится сухой газ и пропан-бутановая фракция. Подвод тепла в 1-К-1 и последующие колонны осуществляется за счет конденсации водяного пара. Кубовый продукт 1-К-1 - бутан-пентановая фракция подается в колонну 1-К-2. Верхним продуктом 1-К-2 является смесевая фракция целевых углеводородов - изо-бутана и н-бутанов. Кубовым продуктом является пентановая фракция. Смесевая фракция изо-бутана и н-бутанов подается в разрезную колонну 1-К-3 и разделяется на два продукта: изо-бутановую и н-бутановую фракцию. [13]

Рисунок 5 - Технологическая схема ГФУ ЗАО “РНПК”

2.1.1 Методы математической статистики

Для выявления проблематики данной установки использовались метод парной и множественной корреляции. [14]

Методы параной и множественной корреляции применяются, когда приходится иметь дело с такими переменными величинами, между которыми существует зависимость, но эта зависимость не является вполне определенной: каждому значению одной из величин (X) соответствует некоторая совокупность значений другой (Y), причем распределение (Y) меняется определенным образом при изменении (Х). В этом случае связь, существующая между переменными (Х) и (Y), называется корреляционной связью.

Корреляционная связь величин заключается в том, что при задании одной из них устанавливается не одно точное значение, а вероятность различных значений другой. Таким образом, зависимость обнаруживается не между самими величинами, а между каждой из них и соответствующими ей математическим ожиданием другой.

Корреляционная связь устанавливается на основе статистических методов анализа. Она является промежуточной между точной зависимостью, даваемой функциональной связью, и совершенной независимость переменных. [14]

Наиболее важным показателем корреляционной связи служит коэффициент корреляции R, характеризующий степень линейной связности переменных.

Если R равно 1 то данная зависимость функциональная, если равна 0 то данные величины не связаны.

В качестве переменных были взяты параметры режимных листов установки. Метод множественной корреляции позволил определить взаимное влияние нескольких параметров, и установить степень влияния каждого из параметров на качество получаемого продукта. Метод парной корреляции использовался для выявления зависимости между переменными, в ходе доказательства связи контуров.

2.1.2 Программы моделирования ХТП

Проектные и технологические расчеты, проводимые в области нефтепереработки и нефтехимии, отличаются нелинейностью и часто итерационностью, т.е. по окончании части расчета возникает необходимость многократно повторить его заново с уточненными начальными данными, что трудноосуществимо без применения компьютерной техники.

В силу этого, в настоящее время все крупнейшие мировые компании, работающие в химической, нефтяной и газовой промышленности, широко используют различные программные продукты, позволяющие существенно сократить сроки проектирования и строительства новых технологических мощностей, повысить прибыльность эксплуатации установок, улучшить качество продуктов, а также строго соблюдать требования безопасности производства и защиты окружающей среды. [15]

Разработка современных технологических процессов переработки природного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ, имеющих высокую точность описания параметров технологических процессов и позволяющих без значительных материальных и временных затрат производить исследования этих процессов.

Такие модельные исследования имеют огромное значение не только для проектирования, но и для функционирования существующих производств, так как позволяют учесть влияние внешних факторов (изменение состава сырья, изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и т.д.) на показатели действующих производств.

Таким образом, эффективная организация и функционирование проектных служб и, как следствие, технологических производств возможно лишь при условии владения инженерами специализированными комплексными программно-техническими системами.

Любая система моделирования включает набор следующих основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химико- технологических процессов:

? набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей;

? средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом - нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа;

? различные методы расчета термодинамических и транспортных свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях, вязкости, теплопроводности и т.д.;

? набор моделей и алгоритмов для расчета отдельных элементов технологических схем или отдельных процессов (например, перекачка жидкости, компремирование газа, ректификация, экстракция, теплообмен и т.п.);

? средства для формирования технологических схем из отдельных элементов;

? средства для расчета технологических схем, состоящих из большого числа элементов, определенным образом соединенных между собой.

В ходе выполнения диплома применялась программа Unisim Design, с помощью которой создавались статические и динамические модели, позволявшие оценить характер поведения реальной системы. Так же данная программа использовалась для оценки правильности принятого решения позволявшего решить производственную задачу. [16]

2.1.3 Анализ чувствительности процесса

У любого объекта есть контролируемые параметры (CV), управляемые или регулируемые параметры (MV) и возмущения (DV). Они представлены в таблице 4. [17]

Таблица 4 - Контролируемые, регулируемые параметры процесса и возмущения

CV	MV	DV
Y - состав дистиллята	FD - расход дистиллята	FF - расход сырья
X - состав остатка	FB - расход остатка	XF - состав сырья
LA - уровень в емкости	FR - расход орошение	Ft - температура сырья
LS - уровень в колонне	Qr - нагрузка по рибойлера	S - питание рибойлера
P - давление в колонне	Qc - нагрузка по конденсатору	W - питание конденсатора

Анализ чувствительности позволяет оценить отклики системы (технологического аппарата, блока, установки) на вносимые извне возмущения и выявить контролируемые параметры, поддержание которых обеспечит устойчивость системы. Применяются инвариантный и прямой методы анализа. [18]

Инвариантный метод (CV = const):

1. Фиксируется качество дистиллята и кубового продукта, при этом снимаются показания температурного профиля колонны.

2. Вносятся изменения в составе сырья приходящего в колонну, т.е. изменяется состав легкой части (увеличивается или уменьшается количество одного либо нескольких компонентов). Далее снова снимаются данные по температурному профилю колонны. Аналогичная операция проводится при изменениях температуры и расхода сырья.

3. Строится график отклонений температурного профиля колонны по каждой тарелке от начального значения температуры на i-ой тарелке.

4. На построенном графике находится тарелка, где прослеживаются минимальные отклонения от начальных температур. Минимальное отклонение свидетельствует о возможности контроля качества дистиллята по температуре на этой тарелке (рис. 6)



Рисунок 6 - Определение контрольной тарелки По данным рисунка 6, контрольной является тарелка № 7. Прямой метод:

1. Фиксируется температурный профиль колонны (базовое значение).

2. Изменяется расход орошения или рефлюксное число ± 2% от исходного значения (dT/dR), фиксируется температурный профиль колонны при каждом отклонении.

3. Находится изменение температуры на каждой тарелке от начального значения как в «+» так и в «-», строится график зависимости изменения температур каждой тарелки, на графике находится максимальный сигнал с i- ой тарелки, которая в результате, и будет контрольной для верхней части колонны (рис. 7).

4. Аналогично находится контрольная тарелка низа колонны при изменении подвода тепла в ребойлер (dT/dQ) (рис. 7).



Рисунок 7 - Определение контрольной тарелки

По данным рисунка 7 контрольными тарелками для верха и низа колонны являются тарелки № 9 и № 56 соответственно.



3. Технологическая часть

3.1 Актуальность и цель проекта

Проект является первой реализацией идей междисциплинарного семинара, вытекающих из концепции взаимоувязанного «технология - управление» решения проблемных задач на объектах нп/нх; в данном случае, проблемным объектом является ГФУ Рязанского НПЗ.

В проекте я решаю проблемы установки от «управления» в тесной связи с участником от «технологии» - Некипеловым А., дипломником гр. ХТ-09-3.

В ходе обработки и совместного анализа, собранных на объекте первичных данных, были выявлены специфические особенности и ограничения, противоречия и несоответствия целевых задач технологии и управления ГФУ.

Основная проблема управления состояла в том, что в действующем поле рабочих параметров процесса ни одна из известных конфигураций не способна обеспечить стабильное управление процессом, поскольку природа наблюдаемых циклических возмущений - пиковых бросков давления в 1-К-1 - явно не была порождением случайных сил. Решение проблемы заключалось в смещении параметров рабочего режима колонны в область, в которой источник возмущения был нивелирован.

Анализ действующей системы управления позволил сформулировать два принципиальных условия согласования технологии с управлением, которые необходимо было учесть при синтезе новой конфигурации управления:

- в реальных условиях работы установки технологический режим подвергается непрерывным возмущениям, вследствие вариаций «расхода - состава - температуры» сырья. Поэтому в системе управления необходимо предусмотреть блок адаптации режима, обеспечивающий корректировку параметров процесса, пропорционально вносимому возмущению;

- состав средств управления каждой колонной должен полностью соответствовать составу технологических задач, решаемых в границах колонны.

Разработка управления колоннами установки, с учетом отмеченных выше условий, оказалась не тривиальной задачей: потребовалась разработка для всех колонн нового алгоритма адаптации - «обратного флегмового числа», и дополнительно под колонну 1-К-3 - блок, корректирующий отбор и-бутана/н- бутана пропорционально содержанию компонентов в питании колонны.

В совокупности со схемными решениями в технологии процесса, изменения в системе управления являются необходимыми и достаточными условиями достижения поставленных заводом задач: отбор и-бутана увеличен с 61,5 до 86%, н-бутана с 75,8 до 80% и дополнительно пропана с 81 до 99%.

Предполагаемый экономический эффект от реализации проекта +130,9 млн.руб/год.

3.2 Стабилизация режима работы колонны 1-К-1

Колонна 1-К-1 занимает ключевую позицию в концепции управления газофракционирующей установки. Стабильный режим работы 1-К-1 предопределяет условия работы последующих колонн и в итоге, количество и качество получаемых продуктов и энергозатраты процесса.

Анализируя работу действующей колонны 1-К-1, можно выделить 3-и контролируемых переменных, определяющих в совокупности достижимость целевых задач регулирования объекта:

- давление в колонне;

- количество сухого газа;

- содержание С₃ в кубовом продукте.

Циклический режим захлебывания колонны, из-за накопления и-бутана на верхних тарелках, порождает значительные вариации давления, которые не поддаются демпфированию и стабилизации существующими средствами управления.

Организация стационарной сдувки паров с верха 1-К-1 (рис. 8) - борьба со следствием, направленная на ограничение амплитуды колебаний давления в колонне (рис.9).

Рисунок 8 - Система стабилизации давления в 1-К-1

Рисунок 9 - Тренд давления в колонне 1-К-1

Простое решение проблемы сводится к смещению температурного профиля колонны и, как следствие, - исключению накопления и-бутана в рамках нового диапазона режимных параметров.

Данное предложение, с учетом новой конфигурации управления колонны, обеспечивает необходимые и достаточные условия стабильной работы системы, в том числе, минимизацию потерь С₃₊ с сухим газом (рис. 10).

Рисунок 10 - Стационарная сдувка продукта в линию неочищенного сухого газа

Примененная в 1-К-1 редкая в практике НПЗ схема регулирования температуры верха колонны (рис. 11), изменением подвода тепла в ребойлер - при ручном задании орошения - следствие крутой зависимости расхода сухого газа от температуры конденсации и состава паров колонны (рис. 12).

Рисунок 11 - Существующая конфигурация системы управления колонны 1-К-1



Рисунок 12 - Зависимость расхода сухого газа от температуры верха 1-К-1

Конфигурация управления всех колонн установки идентичная, поэтому на примере 1-К-1 целесообразно сразу отметить присущие ей особенности:

- регулирование температуры верха колонны, подводом тепла в ребойлер неизбежно порождает базисную нестабильность технологического режима, поскольку время запаздывания (тепловая инерционность) превышает постоянную времени объекта;

- в действующей схеме управления отсутствуют элементы адаптации режимных параметров к возмущениям, вносимым в колонну вариациями «расхода-состава- температуры» питания (рис. 13);

- с точки зрения стабильности процесса, в каждой колонне необходимо поддерживать постоянство параметров верхнего и нижнего продуктов, и в этой связи, следует отметить полное отсутствие во всех колоннах, как контроля, так и регулирования качества кубового продукта.



Рисунок 13 - Вариации питания колонны 1-К-1: a) расход, b) состав

Контур «температура верха - расход тепла в ребойлер» фактически

поддерживает постоянство теплового баланса, тем самым порождая многовариантное сведение материального баланса колонны.

Выбор задания регулятора температуры верха, на уровне 64^оС безусловно увязан с минимизацией расхода сухого газа: в заданной рабочей точке отношение ДV_{сух.газ}/ДT_верх существенно ниже, чем, например, при 58^оС.

Необходимость регулярной корректировки расхода орошения (рис. 14) свидетельствует о нечувствительности примененной схемы управления к изменениям параметров питания колонны. Кроме того, изменение расхода орошения, сообразно расходу сухого газа, по-сути означает изменение флегмового числа, что не влияет на качество ПБФ (допустимы широкие вариации состава компонентов), но критично для минимизации концентрации С₃ в кубовом продукте.



Рисунок 14 - Тренд расхода орошения в колонне 1-К-1

Подтверждением данного вывода является наблюдаемые проскоки С₃ в колонну 1-К-2 и связанные с этим нарушения режима, дополнительные потери целевых продуктов.

Совершенствование существующей конфигурации управления колонны возможно на следующих принципах:

- в качестве элемента адаптации к вариациям питания верх колонны регулировать каскадом из двух контуров (i)контур регулирования расхода орошения по уровню ж.ф. в рефлюксной емкости (жесткая связь) и (ii)контур регулирования расхода дистиллята, с коррекцией по обратному флегмовому числу (низкий коэффициент усиления);

- контур регулирования температуры низа колонны связать с подводом тепла в ребойлер.

В предлагаемом варианте управления верхние контуры являются ведущими, тогда как нижний контур - ведомый, роль которого сводится к пассивной адаптации к изменениям параметров режима вследствие действий верхних контуров. Такая комбинация функций управления позволяет исключить конфликт взаимного влияния работы контуров, являющийся типичной причиной нестабильности режима колонны.

Автономность в работе нижнего контура является достаточным условием поддержания заданного качества кубового продукта.

Включение в конфигурацию управления элементов адаптации, помимо достижения технологических целей, дает неоспоримое преимущество - минимизацию энергозатрат на фракционирование сырья.

Представленная на рис. 14 система регулирования разработана с учетом рассмотренных принципов, позволяющих обеспечить стабильность режимных параметров и, как следствие - исключить превышение нормы С₃ в кубовом продукте, минимизировать потери С₃₊ с сухим газом, снизить энергопотребление колонны 1-К-1.

Рисунок 15 - Предлагаемая конфигурация системы управления колонны 1-К-1 Эффективность предлагаемой конфигурации системы управления подтверждается результатами работы динамической модели колонны 1-К-1.

3.3 Стабилизация режима работы колонны 1-К-2

Эффективность действующей системы управления колонны 1-К-2 можно оценить по разбросу значений контролируемых переменных:

- давление в колонне;

- количество С₅ в дистилляте;

- количество С₄ в кубовом продукте.

Анализ трендов режимных параметров 1-К-2 выявил существенные вариации основного параметра - давления в колонне, стабильность которого определяет четкость фракционирования компонентов с близкими температурами кипения.

Колебание давления в колонне (рис. 16) - производная от содержания С₃ в газовой фазе 1-Е-18. При добавлении С₃ к смеси бутанов существенно расширяется температурный диапазон конденсации парогазовой смеси, из-за чего сочетание параметров «давление - температура - концентрация С₃» 1-Е-18 в каждый конкретный момент будет определять возможность/не возможность полной конденсации.

Рисунок 16 - Тренд давления в колонне 1-К-2

С учетов данного обстоятельства и в рамках существующей конфигурации управления колонны (рис. 17), стабильность давления можно обеспечить лишь при условии подключения клапанов (i)на линии байпаса конденсации и (ii)на выводе газовой фазы из 1-Е-18 в единый контур «split-rang». Однако такой вариант решения проблемы стабильности - борьба со следствием, т.к. предполагает сохранение источника возмущения: проскока С₃ из 1-К-1; и, кроме того, решение обусловит дополнительные потери С₃₊.

Подобно 1-К-1 колонна 1-К-2 работает в условиях значительных возмущений, вносимых вариациями расхода и компонентного состава питания (рис. 18).

Поскольку ведущий контур в схеме 1-К-2 - «температура верха - расход тепла в ребойлер», при ручном задании расхода орошения, то реальной целевой задачей управления является сохранение на заданном уровне теплового баланса колонны, тем самым, обуславливая необходимость многовариантной автокоррекции материального баланса, сообразно вносимым возмущениям.

Рисунок 17 - Конфигурация действующей системы управления колонны 1-К-2



Рисунок 18 - Тренд расхода сырья в колонну 1-К-2

Однако реальной задачей управления 1-К-2 должна быть иная цель - извлечение максимального количество бутанов из депропанизированной смеси

?бутаны + С₅₊ в условиях колебаний расхода и состава сырья.

Как отмечалось ранее, из-за отсутствия в управлении элементов адаптации к возмущениям, вносимым питанием, включая проскоки С_3, одновременно обеспечить и высокую чистоту целевых продуктов, и максимальный отбор бутанов, в рамках 1-К-2 невозможно.

Поскольку приоритетом является высокая чистота целевых продуктов, то деление сырья в 1-К-2 осуществляется с недобором бутанов (рис. 19).



Рисунок 19 - Тренд содержания н-бутана во фракции С₅₊

Для достижения поставленных целей - высокий отбор/высокое качество бутанов, необходимо:

- обеспечить низкое содержание С₃ в сырье - решается стабилизацией режима 1- К-1;

- добавить контур регулирования температуры (содержание С₄) в нижней зоне колонны;

-обеспечить адаптацию режима колонны к изменениям расхода/состава сырья.

Регулирование подвода тепла в ребойлер по температуре на контрольной тарелке, в сочетании с организацией бокового отбора ж.ф., позволит ограничить содержание С₄ в кубовом продукте.

Механизм адаптации режима колонны к вариациям расхода/состава сырья предлагается реализовать через регулирование верха колонны на основе принципа

«обратного флегмового числа», описанного ранее в управлении 1-К-1.

Стабильность параметров низа колонны обеспечивается контуром, связывающим температуру на 61 тарелке с подводом тепла в ребойлер.

Предлагаемая система регулирования (рис. 20) разработана с учетом рассмотренных требований, обеспечивающих стабильность режимных параметров и, как следствие - высокий отбор и качество вырабатываемых бутанов. Реализация обозначенных принципов позволит снизить энергопотребление колонны (подвод тепла в ребойлер с 1,75 до 1,3 Гкал/час).

Рисунок 20 - Конфигурация предлагаемой системы управления колонны 1-К-2

Эффективность предлагаемой конфигурации системы управления подтверждается результатами работы динамической модели колонны 1-К-2.

3.4 Стабилизация режима работы колонны 1-К-3

Сложность регулирования режима в колонне 1-К-3 со 118 тарелками определяется значительной инерционностью процесса (запаздывание, постоянная времени переходного процесса). Поэтому выбор подходящей конфигурации системы управления для таких колонн - достаточно кропотливая задача.

Выбор параметра, по которому ведется регулирование, с минимальной инерционностью, позволит минимизировать диапазон колебания качества продуктов при минимальном энергопотреблении.

Существующая конфигурация системы управления, с учетом отмеченных несоответствий, обеспечивает приемлемые результаты лишь ценой неоправданно высоких затрат тепловой энергии.

В 1-К-3 особенно сильно ощущаются влияние на режимные параметры ведущего контура колонны «подвод тепла в ребойлер по температуре верха» с ручной корректировкой задания расхода орошения (рис. 21).

Как следствие, статистический анализ выявил наличие сильной корреляционной зависимости (R = 0.95) между температурой куба и давлением в колонне, что свидетельствует о практически функциональной зависимости между указанными параметрами. В пределах влияния сильной связи и специфических особенностей действующей системы управления, не представляется возможным поддерживать стабильный режим колонны, поэтому качество бутанов в пределах спецификаций обеспечивается за счет высокой кратности орошения.

Рисунок 21 - Существующая конфигурация системы управления 1-К-3

Предлагаемая концепция конфигурации управления 1-К-3 основана на следующих принципах:

- по аналогии с 1-К-1, в схему управления включить элементы адаптации режима к вариациям питания: регулировать верх колонны каскадом из двух контуров (i)контура регулирования расхода орошения по уровню ж.ф. в рефлюксной емкости (жесткая связь) и (ii)контура регулирования расхода дистиллята, с коррекцией по обратному флегмовому числу (низкий коэффициент усиления);

- регулировать уровень ж.ф. в кубе, изменением расхода пара в ребойлер;

- регулировать расход н-бутана, с коррекцией по наклону профиля температуры (dT) в нижней секции колонны.

Ведущий контур регулирования, с точки зрения сбалансированного отбора н-бутана и содержания в сырье - контур регулирования расхода кубового продукта - н-бутана, с коррекцией по dT. А верхний контур - расход орошения с коррекцией по уровню в 1-Е-3, при поддержании обратного флегмового числа - ведущий с точки зрения адаптации, за счет обеспечения постоянства внутренних потоков.

...