Автоматизация процесса селективной очистки масел

Автоматизация процесса селективной очистки масел

22

1. Литературный обзор

1.1 Автоматизация процессов селективной очистки за рубежом

1.1.1 Депарафинизация селективным растворителем

Фирма «Икотрон»

Автоматизированная система управления процессом депарафинизации селективным растворителем предназначена для максимизации выхода депарафинированных масляных фракций и снижения удельного расхода энергоресурсов. Средства управления по ограничениям на основе математической модели процесса позволяют довести до максимума подачу сырья, оптимизировать расход растворителя и уменьшить энергорасходы. Схема управления представлена на рисунке 1 [1].

Система регулирования температуры и отношения растворитель/сырье устанавливает подачу разбавленного растворителя и его температуру в кристаллизаторе. Средства управления на основе модели процесса определяют оптимальную температуру и отношение растворитель/сырье исходя из свойств сырья.

Система регулирования вязкости сырья оптимизирует подачу разбавляющего растворителя для обеспечения заданной вязкости смеси. Средства охлаждения управляют профилем температуры в кристаллизаторе с целью повышения скорости фильтрации и улучшения условий процесса кристаллизации.

Система управления подачей сырья и переключением аппаратов предусматривает выбор условий, обеспечивающих максимальную подачу сырья в пределах, ограниченных процессами фильтрации, охлаждения и разделения продуктов. Средства управления переключения сырья основаны на использовании пакета программ динамического регулирования по ключевому компоненту сырья и соответствующим технологическим параметрам.

Система регулирования процесса фильтрации управляет промывкой и подачей разбавляющего растворителя в оптимальном количестве исходя из свойств перерабатываемого сырья и технологических условий. Нагрузку фильтра оптимизируют изменением скорости фильтрации или подачей рецикла. На установках депарафинизации, оснащенных фильтрами малой производительности, проводят оптимизацию процесса горячей фильтрации.

I - хладагент, II - растворитель на промывку, III - парафин на хранение, IV - депарафинированное масло на хранение; 1 - секция охлаждения, 2 - секция криогенного охлаждения, 3 - секция фильтрации, 4 - секция отделения парафина, 5 - осушка растворителя, 6 - управление подачей сырья/максимилизация, 7 - ограничения, 8 - регулировка равномерности подачи сырья и уровня фильтрата в приемнике, 9 - регулирование подачи растворителя, 10 - регулирование температуры и подачи растворителя, 11 - регулирование вязкости сырья, подаваемого на фильтр, 12 - регулирование скорости охлаждения, 13 - регулирование режима промывки фильтра, 14 - оптимизация узла очистки парафина, 15 - регулирование нагрузки

Рисунок 1 - Схема управления установкой депарафинизации селективным растворителем «Икотрон» [1]

Система управления секцией разделения продуктов снижает удельный расход энергии путем оптимизации условий разделения депарафинированной масляной фракции и парафиновой лепешки, меняя давление, подачу рецикла и пара на отпарку. Оптимизация печи проводится методом упреждающего регулирования и регулирования по ограничениям.

Регулирование системы охлаждения позволяет снизить удельный расход энергии и увеличить производительность установки. Производительность системы охлаждения может быть максимизированна с учетом ограничений процесса. Для защиты компрессора при низких нагрузках системы охлаждения используют средства противоположного регулирования.

Экономические показатели. Когда удается увеличить подачу сырья на 10%, выход депарафинизированного масла возрастает обычно на 1-2%. Средний срок окупаемости - от 4 месяцев до 2 лет.

1.1.2 Депарафинизация селективным растворителем

Фирма «КОМБАСТШН ЭНДЖИНИРИНГ СИМКОН»

Система SSDES/OT (Simkon Solvent Dewaxing Expert System and Optimization Technology), реализующая экспертную систему и технологию оптимизации, обеспечивает максимальное извлечение соответствующего ТУ обеспарафиненного продукта при минимальном расходе энергии. Она применяется для повышения производительности по сырью и оптимизации использования растворителя. Схема управления установкой представлена на рисунке 2 [1].

Система максимизации подачи сырья действует в пределах, допускаемых ограничениями. Средства локальной оптимизации максимизируют охлаждение и производительность фильтров в реальном масштабе времени.

Система переключения сырья снижает время, необходимое для достижения новых рабочих условий при переключении потоков сырья, чтобы уменьшить количество некондиционного продукта и повысить продолжительность рабочего цикла.

Система регулирования температуры застывания депарафинизированного продукта обеспечивает заданное качество его по этому параметру при максимально допустимой температуре фильтрации, доводя до минимума расход хладагента.

I - сырье (рафинат), II - хладагент, III - депарафинированное масло,

IV - парафиновый гач; 1 - секция отделения депарафинированного масла, 2 - теплообменники труба-в-трубе, 3 - холодильники труба-в-трубе, 4 - фильтры для отделения парафина, 5 - секция выделения парафинового гача, 6 - повторное фильтрование, 7 - максимизация подачи сырья, 8 - регулирование переключения подачи сырья, 9 - регулирование температуры потери текучести, 10 - линейное измерение задания, 11 - регулирование разбавления, 12 - регулирование в системе охлаждения, 13 - регулирование коэффициента рециркуляции фильтрата, 14 - регулирование промывки фильтра

Рисунок 2 - Схема управления установкой депарафинизации селективным растворителем «КОМБАСТШН ЭНДЖИНИРИНГ СИМКОН» [1]

Регулирование температуры в системе охлаждения обеспечивает равномерную кристаллизацию парафина благодаря поддержанию заданной скорости охлаждения сырья. Средства упреждающего регулирования устанавливают потоки холодного фильтрата и давление хладагента в холодильниках.

Система регулирования подачи разбавляющего растворителя обеспечивает поддержание вязкости на заданном уровне для протекания процессов кристаллизации и фильтрации в оптимальных условиях, повышая до максимума производительность установленных фильтров и снижая затраты на регенерацию растворителя.

Программа управления загрузкой растворителя помогает оператору определять нарушение баланса в производстве сухого и влажного растворителя, а также исключает чрезмерные потери растворителя.

Средства управления подачей орошения и отпаркой в узле разделения снижают расход энергоресурсов, обеспечивая содержание растворителя в продукте на заданном уровне. Средства управления соотношением потоков и контуры упреждающего регулирования компенсируют изменение подачи сырья в отпарную колонну.

Система управления компрессорами для сжатия хладагента и инертного газа минимизирует расход энергии путем снижения рециркуляции газов при пониженных нагрузках.

Экономические показатели. Максимизация подачи сырья позволяет повысить производительность установки на 5%. Снижение производительности выхода некондиционного продукта при переключениях сырья и увеличение степени извлечения повышают выходы целевых продуктов в среднем на 2%. Возможно сокращение расхода энергии на 6%.

Система реализована на нескольких установках [1].

1.2 Верхний уровень АСУТП

1.2.1 SCADA-системы на верхнем уровне АСУТП

Самый верхний уровень любой автоматизированной системы - это, конечно, человек. Однако в современной технической литературе под верхним уровнем понимается комплекс аппаратных и программных средств, выполняющих роль полуавтоматического диспетчерского узла АСУТП, ядром которого служит ПК или более мощный компьютер. Человек-оператор входит в систему как одно из функциональных звеньев верхнего уровня управления. Такой подход имеет и положительные, и отрицательные стороны. Положительный момент состоит в том, что круг обязанностей оператора в таком случае заранее определен, и от него не требуется детального знания технологического процесса. Другими словами, управлять процессом сможет не только квалифицированный технолог. Отрицательные же стороны - следствие того, что уменьшается гибкость управления за счет снижения влияния на процесс [2].

В связи с этим разработчикам АСУТП приходится учитывать дополнительные требования. Необходимо не только принять во внимание аппаратную составляющую процесса, не только подобрать режимы работы оборудования, но и разработать надежное и корректно работающее ПО. Конечно, оптимальный вариант - это такая организация работы, когда одна и та же группа разработчиков отвечает и за технологическую карту процесса, и за подбор и отладку оборудования, и за разработку ПО. В таком случае разработчики должны быть одинаково сильны и в технологии конкретного процесса, и в применении специального оборудования, и в написании сложных управляющих, сервисных и коммуникационных программ. Однако подобрать такую команду бывает затруднительно.

Для упрощения разработки программной составляющей АСУТП сейчас используются так называемые программы ММI (Man-Machine Interface - интерфейс человек-машина) и SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных). Применение этих пакетов позволяет вести автоматизированную разработку ПО АСУТП; осуществлять в реальном времени контроль и управление технологическим процессом; получать и обрабатывать информацию о процессе в удобном виде.

Самый захватывающий и на первый взгляд простой этап при использовании SCADA-систем - это моделирование технологического процесса на экране монитора. Графический аналогичный Windows интерфейс системы интуитивно понятен и прост. Для установки исполнительных механизмов, электродвигателей, клапанов, емкостей, трубопроводов и прочего используемого в технологическом процессе оборудования достаточно щелчка мышью. Привязка параметров оборудования к потребностям процесса также проста, выполняется за несколько щелчков мышью. Глобальные и «тактические» параметры процесса заносятся в формы, организованные в виде таблиц или баз данных. Устанавливаются стандартные органы управления процессом, организуется опрос датчиков контроля. После чего можно щелкнуть мышью по кнопке «Пуск» и запустить работу технологического процесса. Так происходит в теории или при демонстрации возможностей конкретной SCADA-системы. Но на практике все сложнее [2].

Разработка АСУТП, использующих SCADA-системы, вне зависимости от процесса и конкретного пакета SCADA подразумевает следующие основные этапы:

· разработка архитектуры системы в целом. АСУТП строится в клиент-серверной архитектуре. Определяется функциональное назначение отдельных узлов автоматизации и их взаимодействие;

· создание прикладной системы управления каждым узлом автоматизации (вернее, алгоритма автоматизированного управления этим узлом);

· анализ и устранение аварийных ситуаций;

· решение вопросов взаимодействия между уровнями АСУТП; подбор линий связи, протоколов обмена; разработка алгоритмов логического взаимодействия различных подсистем;

· решение вопросов возможного наращивания или модернизации системы;

· создание интерфейсов оператора;

· программная и аппаратная отладка системы.

Все эти вопросы необходимо решать на этапе проектирования и создания именно верхнего уровня АСУТП, иначе могут возникнуть ситуации, когда разнообразные функциональные модули технологического процесса будет затруднительно увязать с единой по идеологии и техническому воплощению системой управления. Использование системы SCADA позволяет вполне успешно провести все вышеперечисленные этапы проектирования и отладки.

1.2.2 Как работают SCADA-системы

SCADA-пакеты состоят из нескольких программных блоков: модули доступа и управления, сигнализации, базы данных реального времени, базы данных и модули ввода-вывода и аварийных ситуаций.

Главное требование к SCADA-системам - корректная работа в режиме реального времени. Причем главным приоритетом при передаче и обработке обладают сигналы, поступающие от технологического процесса или на него и влияющие на его протекание. Они имеют приоритет даже больший, чем обращение к диску или действия оператора по перемещению мыши или сворачиванию окон. Для этих целей многие пакеты реализованы с применением операционных систем ОС реального времени, однако в последнее время все больше разработчиков создает свои SCADA-продукты на платформе Microsoft Windows NT, встраивая в нее подсистемы жесткого реального времени RTX (Real Time Extension). При таком подходе можно использовать Windows NT как единую ОС при создании многоуровневых систем, задействовать стандартные функции Win32 API и строить интегрированные информационные системы - АСУП [2].

Источники данных в системах SCADA могут быть следующими.

· Драйверы связи с контроллерами. Очень важна надежность драйверов связи. Драйверы должны иметь средства защиты и восстановления данных при сбоях, автоматически уведомлять оператора и систему об утере связи, при необходимости подавать сигнал тревоги.

· Реляционные базы данных. SCADA-системы поддерживают протоколы, независимые от типа базы данных, благодаря чему в качестве источника данных может выступать большинство популярных СУБД: Access, Oracle и т. д. Такой подход позволяет оперативно изменять настройки технологического процесса и анализировать его ход вне систем реального времени, различными, специально созданными для этого программами.

· Приложения, содержащие стандартный интерфейс DDE (Dynamic Data Exchange) или OLE-технологию (Object Linking and Embedding), позволяющую включать и встраивать объекты. Это дает возможность использовать в качестве источника данных даже некоторые стандартные офисные приложения, например Microsoft Excel.

Ввод поступающих и вывод передаваемых данных организованы как система специальных функциональных блоков. Текущая информация о процессе хранится в специальных базах ввода-вывода. Входные блоки получают информацию и приводят ее в вид, пригодный для дальнейшего анализа и обработки. Блоки обработки реализуют алгоритмы контроля и управления, такие как ПИД-регулирование, задержка, суммирование, статистическая обработка; над цифровыми данными могут проводиться операции булевой алгебры и др. Выходные блоки передают управляющий сигнал от системы к объекту. Для связи с объектами используются широко распространенные интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet. Для увеличения скорости передачи применяются различные методы кэширования данных, что устраняет перегрузку низкоскоростных сетей. Иными словами, если два различных клиента одновременно запрашивают у сервера одни и те же данные, он посылает контроллеру не два запроса, а лишь один, возвращая второму клиенту данные из кэш-памяти.

Едва ли не самый важный момент при создании АСУТП - это организация такой системы управления, которая обеспечивала бы надежность и оперативную отработку аварийных ситуаций как в самой системе управления, так и в технологическом процессе. Аварийное сигнализирование и отработка аварийных ситуаций в технологическом процессе в большинстве SCADA-систем выделяются в отдельный модуль с наивысшим приоритетом. Надежность же системы управления достигается за счет горячего резервирования. Можно зарезервировать все: сервер, его отдельные задачи, сетевые соединения и отдельные (или все) связи с аппаратурой. Резервирование происходит по интеллектуальному алгоритму: чтобы не создавать удвоенную нагрузку на сеть, основной сервер взаимодействует с аппаратурой и периодически посылает сообщения резервному серверу, который сохраняет в памяти текущий статус системы. Если основной сервер выходит из строя, резервный берет управление на себя и работает до тех пор, пока основной не приступит к работе. Сразу после этого базы данных основного сервера обновляются данными резервного и управление возвращается основному серверу [2].

Все SCADA-системы открыты для дальнейшего расширения и усовершенствования и имеют для этих целей встроенные языки высокого уровня, чаще всего Visual Basic, либо допускают подключение программных кодов, написанных самим пользователем. Кроме того, к системам можно подключать разработки иных фирм, объекты ActiveX, стандартные библиотеки DLL Windows. Для реализации этих технологий разработаны специальные инструментальные средства и специализированный интерфейс.

SCADA-система может быть интегрирована с самыми разными сетями: другими SCADA-системами, офисными сетями предприятия, регистрирующими и сигнализирующими сетями (например, охрана и пожарная сигнализация) и т.п. Для эффективной работы в этой разнородной среде SCADA-системы используют стандартные протоколы NETBIOS и TCP/IP. Одно только упоминание протокола TCP/IP уже говорит о том, что SCADA-системы могут работать и в Интернете, тем более что все более актуальной становится передача оперативной и статической информации о процессе на Web-узлы.

В заключение хотелось бы сказать, что понятие АСУТП изначально шире, чем SCADA. Когда в литературе иногда говорят о SCADA-системах, подразумевая АСУТП, это не совсем правильно. SCADA разрабатывались именно как системы, позволяющие предоставлять оператору информационные услуги на верхнем уровне управления технологическим процессом. Но они не могут обеспечить полностью автоматизированное управление сверху донизу хотя бы по той простой причине, что это всего лишь программный продукт, устанавливаемый на персональном компьютере. А любой технологический процесс требует, кроме того, еще разнообразного специфического оборудования и происходит он в реальной жизни, а не в виртуальной среде.

Однако сложившаяся практика построения автоматизированных систем управления достаточной сложности свидетельствует о том, что применение SCADA-систем в проектировании АСУТП значительно упрощает жизнь разработчикам и позволяет организовать надежное и качественное управление при эксплуатации систем.

2. Технологическая часть

2.1 Назначение процесса

Установка селективной очистки масел предназначена для удаления из масляных фракций смолистых веществ, полициклических и нафтено - ароматических углеводородов с короткими боковыми цепями, серосодержащих соединений путем экстракции полярными растворителями с целью улучшения их химического состава, вязкостно - температурных и антиокислительных свойств, повышения их индекса вязкости и снижения коксуемости и нагаро - лако - образующих свойств [4].

Исходным сырьем для производства нефтяных масел служат масляные дистилляты, получаемые при вакуумной перегонке мазутов [5].

В этих фракциях содержатся [6]: парафиновые углеводороды (алканы нормального и изостроения); нафтеновые углеводороды, содержащие 5-ти и 6-тичленные кольца с парафиновыми цепями различной длины; ароматические углеводороды (арены моно- и полициклические); смолисто-асфальтеновые вещества; серо-, азот - и кислородсодержащие гетероорганические соединения.

Гудрон подвергается деасфальтизации с целью удаления смолистых веществ и полициклических углеводородов с повышенной коксуемостью и низким индексом вязкости (малые количества могут быть удалены при селективной очистке).

Ароматические углеводороды, в большинстве случаев содержащие нафтеновые кольца и боковые парафиновые цепи разной длины, ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями, а также кислородсодержащие соединения, представленные в виде производных фенола, и серосодержащие соединения удаляются в процессе селективной очистки.

Удаление парафиновых углеводородов, имеющих по сравнению с другими углеводородами наименьшую вязкость и кристаллизующихся при пониженных температурах, осуществляют в процессе депарафинизации с целью получения высокозастывающих масел.

Таким образом, после облагораживания масляная основа нефтяных масел представляет собой концентрат нафтено-парафиновых углеводородов, содержание которых в зависимости от происхождения нефти составляет 50-75%.

Целевые продукты селективной очистки масел - рафинаты по сравнению с сырьем имеют меньшие плотность, вязкость, кислотность коксуемость и более высокую температуру застывания. С целью улучшения низкотемпературных свойств масел рафинаты направляются на депарафинизацию и далее используются для приготовления масел.

Побочные продукты селективной очистки - экстракты, содержащие низкоиндексные полициклические ароматические углеводороды и смолистые соединения, используются в качестве сырья для производства битумов, технического углерода, нефтяных коксов, в качестве компонента мазута, газойлевой фракции, в качестве топлива печей на битумной установке и для приготовления пластификаторов каучуков в резиновой и шинной промышленности.

2.2 Теоретические основы

Процесс селективной очистки относится к физическим методам очистки масел, которые предусматривают разделение масляной фракции на две части без изменения химического строения углеводородов исходного сырья.

Селективная очистка - массообменный экстракционный процесс, основанный на избирательном растворении отдельных групп углеводородов, входящих в состав масел. [3-5].

Страницы: 1, 2, 3