Разработка динамических моделей НПЗ: опыт Repsol и AspenTech

Совместный научно-исследовательский проект Repsol и AspenTech: разработка динамических моделей НПЗ.
Разработка динамических моделей НПЗ: опыт Repsol и AspenTech

В 2009 году Европейский Союз ввел новые экологические требования и нормы в отношении нефтяного топлива, которые обязуют владельцев нефтеперерабатывающих заводов в целях сокращения вредных выбросов транспортных средств выпускать бессернистое топливо. Содержащиеся в данных нормах технические условия, предполагают, что концентрация серы в бензиновом и дизельном топливе не должна превышать 10 частиц на миллион (10 ppm). Это оказывает значительное влияние на технологические установки НПЗ и, как следствие, требует повышения качества компонентов смешения путем увеличения капиталовложений в технологии десульфурации и улучшения условий эксплуатации.

Для приведения производственного цикла на большинстве существовавших на тот момент НПЗ потребовалось не только модернизировать установки гидродесульфурации, но и пересмотреть сами стратегии управления предприятиями. Подобный масштаб работы диктовался необходимостью сохранить рентабельность предприятия и оптимизировать свой производственный цикл, сокращая потери качества, неизбежные из-за несовершенства технологического процесса гидродесульфурации. Для поиска оптимального выхода из сложившейся ситуации, одна из десяти крупнейших нефтегазовых корпораций мира RepsolYPF совместно с ведущим производителем отраслевого программного обеспечения AspenTech провели специальные совместные исследования. Их целью стала разработка технологических моделей для оценки различных методик упреждающего управления и выбора более эффективной стратегии автоматического регулирования технологического процесса.

Совместный научно-исследовательский проект двух компаний начался с разработки имитационной модели процесса гидродесульфурации в соответствии с основными принципами теории управления и в сочетании с использованием прогнозирующего котроллера (MPC) многомерной системы автоматического регулирования. Центром внимания стала установка гидродесульфурации на чрезвычайно сложном по своей технологии НПЗ Repsol в испанском Пуэртольяно. Для более глубокого понимания процесса гидродесульфурации корпорация сосредоточила значительные усилия и научно-исследовательские ресурсы на его изучении. Данные, собранные в ходе работы с экспериментальной установкой и контроля над функционированием промышленного оборудования, были использованы для разработки высокоточной модели динамического поведения процесса гидродесульфурации, включая механизмы термодинамики и кинетики.

В ее основу были положены инструментальные средства MS Excel, которые позволяют получить простой и быстрый метод вычислительной обработки всей релевантной информации, необходимой для прогнозирования откликов процесса гидродесульфурации и его рабочих характеристик. Однако критическим этапом проекта стало внедрение фирменной технологии Repsol как стандартного режима функционирования установки гидродесульфурации в среде моделирующей платформы Aspen HYSYS.

Проект продвигался от базовой модели к хорошо откалиброванной модели установившегося состояния последовательными шагами. На первом этапе был собран максимальный объем данных об объекте управления, уже упомянутая технология Repsol была интегрирована в модель, которая была затем откалибрована и наполнена информацией для конкретной операции сероочистки. В качестве исходных данных были использованы схемы технологических процессов и трубной обвязки, а также все формуляры проектного оборудования завода в Пуэртольяно.

Полученная модель была оптимизирована путем добавления информации из Exel, которой располагала Repsol. И уже целостная модель реактора HDS была преобразована в «контейнер», который может использоваться как стандартный блок, функционирующий в среде моделирующей платформы. В частности, эта модель реализует метод преобразования типового выхода модели Repsol для кинетики (сток дистиллятора D86 и его свойства) в смешанный поток псевдокомпонентов и заполнение данными распределений этих псевдокомпонентов. Благодаря этому теперь может быть построена и использована сложная модель технологической установки гидродесульфурации.

Модель была настроена и откалибрована методом устранения расхождений между модельными и заводскими данными – путем регулировки определенных значений и параметров, таких как граничные условия, состав сырья, характеристики регулирующих клапанов, а также перепады давлений на теплообменнике и эффективность работы лотков. Это особенно важный шаг, обеспечивающий соответствие модели реальному функционированию установки, без чего дальнейшее развитие модели невозможно.

На втором этапе проекта был осуществлен переход от базовой модели реактора HDS, которая отображала его установившееся состояние, к модели его динамического поведения, которую разработали специалисты AspenTech и Repsol, используя данные научно-технического центра последней. Эта математическая модель была затем реализована в виде программы, помещенной внутрь «контейнера», и блок реактора начал работать в среде моделирующей платформы в обоих режимах – установившемся и динамическом.

Прежний подход, когда реактор моделировался и использовался в среде Excel, требовал довольно сложной процедуры переноса результатов моделирования из среды Excel в среду моделирующей платформы и последующей проверки воздействия перенесенных результатов на остальную часть технологического процесса с целью обнаружения оперативных или каталитических изменений в реакторе. При этом обеспечение сходимости итеративного процесса в контуре водорода было практически ручной процедурой, которая требовала слишком больших затрат времени и труда.

В конце второго этапа запланированная интеграция была завершена в рамках единой рабочей среды, моделирующей платформы Aspen HYSYS, что обеспечило существенную экономию затрат времени на проведение причинно-следственного анализа вариантов решений по сравнению с прежним подходом. Динамическая модель может также использоваться в качестве виртуальной производственной установки для изучения динамического поведения объекта управления в ответ на оперативные изменения (модифицирование установок регуляторов или варьирование подаваемого на вход сырья).

Наконец, на третьем этапе была создана матричная динамическая система установки. Для этого полученную ранее модель объединили с прогнозирующим контроллером многомерной системы автоматического регулирования (АРС). Анализ и прогноз на НПЗ в Пуэртольяно построены на основе среды AspenDMCplus и используют в качестве базовых 15 независимых переменных, на основе которых формируется 21 зависимая переменная. Каждый элемент матрицы содержит кривую отклика на единичный скачок для каждой пары «независимая переменная – зависимая переменная».

В моделирующей платформе Aspen HYSYS Dynamics имеется объект, который представляет собой реальный контроллер APC. Этот объект может добавляться к имитационной модели и напрямую связываться с реальным программным обеспечением APC, которое работает на том же компьютере. Таким образом, контроллер APC «не знает», что на самом деле он управляет моделью установки.

По завершении всех трех этапов проектирования наступил этап проверки адекватности имитационной модели реальной установке HDS. Базовая процедура проверки состояла в том, чтобы получить матричную модель Aspen DMCplus из высокоточной динамической модели путем приложения к последней единичного воздействия и дальнейшего сравнения получаемого отклика с результатом матричной модели Aspen DMCplus, регулирующей реальный технологический процесс.

Реальный контроллер установки HDS предназначался для работы в условиях более высокой концентрации серы в дизельном топливе (около 200 частиц на миллион), чем в условиях моделируемого будущего процесса гидродинамической десульфурации (10 ppm). Такое изменение степени обессеривания оказывает существенное влияние на амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) технологических переменных. При настройке процесса на концентрацию 10 частиц на миллион удалить остаточные сернистые компоненты оказывается гораздо труднее, чем другие компоненты с разрешенной концентрацией 200 ppm. Следовательно, жесткость регулирования реактора и требования к расходу водорода для снижения концентрации серы в готовом продукте на 1 ppm становятся совершенно иными. Эта проблема затрагивает не только процедуру моделирования матрицы усилений, но и моделирование динамического поведения, и потому использование данной процедуры в процессе проверки адекватности модели чревато серьезными погрешностями.

Следовательно, для объективного сравнения поведения динамической модели с аналогичным функционированием реальной установки HDS необходима какая-то альтернативная процедура. Наилучшим решением оказалась проверка некоторых динамических характеристик на «живой» установке HDS. После трехдневного периода испытаний на промышленной установке внесение изменения главных переменных процесса были завершены по достижении концентрации серы в дизельном топливе 50 ppm. Результирующая динамическая матрица была затем использована для проверки динамических характеристик HYSYS.

Интеграция всех установок HDS в рамках единой высокоточной модели дала компании Repsol мощное инструментальное средство, которое позволяет оценивать влияние операционных изменений или изменений качества сырья на функционирование установки, разрабатывать оперативные логические блоки, проводить концептуальные исследования и базовые инженерные изыскания, а также анализировать возможные риски (HAZOP).

Данный проект имел четко определенную цель, которая требовала высокотехнологичного подхода, то есть одновременно богатого профессионального опыта в самых разных областях знаний для эффективной разработки инструментальных средств моделирования, и больших усилий по распространению текущего потока знаний на все многодисциплинарные группы. Нынешняя задача компании Repsol состоит в том, чтобы применить имеющуюся интегрированную модель к другим установкам гидродесульфурации, расширить и максимизировать ее использование как в стационарных, так и в динамических приложениях, избегая тем самым нежелательных перерывов в работе действующего технологического оборудования и минимизируя неблагоприятные воздействия на нормальное функционирование реальных производственных объектов.

© Издание 12NEWS (ИП Маринин А.Л.), 2012


Комментарии на публикацию Разработка динамических моделей НПЗ: опыт Repsol и AspenTech

Совместный научно-исследовательский проект Repsol и AspenTech: разработка динамических моделей НПЗ.