Управление ректификацией нефти. Технологические диалоги


В. Г. Кузнецов










                УПРАВЛЕНИЕ РЕКТИФИКАЦИЕЙ НЕФТИ




    ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДИАЛОГИ



Практическое пособие
















Москва Вологда « Инфра-Инженерия» 2021

УДК 665.6
ББК 35.514
     К89



Рецензент: кандидат экономических наук, доцент кафедры высшей математики и экономико-математических методов Самарского государственного экономического университета Сизиков А. П.






    Кузнецов, В. Г.
К89       Управление ректификацией нефти. Технологические диалоги :
     практическое пособие / В. Г. Кузнецов. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 324 с. : ил., табл.

           ISBN 978-5-9729-0647-5


     Раскрыты теоретические основы управления ректификацией нефти. Описаны факторы процесса фракционирования нефти. Определены проблемы отечественной нефтепереработки.
     Для специалистов нефтеперерабатывающей промышленности, студентов и преподавателей нефтегазовых направлений подготовки.



                                                                 УДК 665.6
                                                                 ББК 35.514







ISBN 978-5-9729-0647-5

     © Кузнецов В. Г., 2021
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

     Данный текст не является справочным пособием или описанием результатов какого-либо научного исследования. Это всего лишь изложение (в не слишком строгой диалоговой форме) личного опыта решения задач, связанных с управлением ректификацией нефти. Можно также считать этот текст попыткой ответить на актуальный для нефтепереработки РФ вопрос, а именно: почему в машиностроении сложная задача гарантии качества и объема производимой продукции решается на стадии технологической подготовки

производства, которую осуществляют наиболее квалифицированные специалисты отрасли путем детальной алгоритмизации всех технологических операций, а в нефтепереработке (в частности наустановкахАВТ) эта

задача из-за низкого качества технологической подготовки решается (если решается) оперативным персоналом на стадии непосредственного технологического управления процессом, причем в условиях нечеткой постановки технологических целей и задач, а также колоссального избытка «сырой» информации.
     Надеюсь, что кому-нибудь этот текст будет полезен.

3

        СОДЕРЖАНИЕ


ТИПОВЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ТЕКСТЕ....................6

Глава I. ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ:
ЧТО НЕ ТАК С УПРАВЛЕНИЕМ РЕКТИФИКАЦИЕЙ НЕФТИ?..................7
1.1. В чем проблема?...........................................7
1.2. «Динамический запас» по отборам целевых продуктов. Так ли уж оптимален план?......................................17
1.3. Зона питания - ключ к контролю динамического запаса.46

Глава II. ДВА КЛЮЧЕВЫХ ФАКТОРА ПРОЦЕССА ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ НЕФТИ. ИНФОРМАЦИОННАЯ ИНТЕГРАЦИЯ ДАННЫХ О СОСТОЯНИИ ПРОЦЕССА...................72
2.1. Каверзный вопрос: запас по отборам продуктов АВТ есть, а запаса по их качеству может не быть?.........................72
2.2. Забытые подходы хорошо известной теории, или почему ректификация ректификации рознь. Технологический смысл Cut Points и наложений смежных продуктовых фракций..................92
2.3. «Наблюдаемость, управляемость, идентифицируемость» технологического процесса. Обратная связь. Проблема достоверности данных о состоянии процесса.............................104
2.4. «Точное» моделирование АВТ: ИТ-технология оперативного контроля процесса, или «осторожный» технологический консалтинг.124
2.5. Откуда и как возникают различия в качестве управления теоретически однотипными процессами ректификации: проблема целеуказания ..................................................153

Глава III. СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССА ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ НЕФТИ НА АВТ РФ...............169
3.1. Чем является технология: наукой, ремеслом или искусством?
Как относиться к «творчеству» на рабочем месте?................169
3.2. Технологическая подготовка производства: кто отвечает за качество технологических карт, а кто за брак продукции?.....178
3.3. Как разбить процесс фракционирования нефти на элементарные операции и описать их. И нужно ли делать это?..................191


4

Глава IV. КАК НАМ ОБУСТРОИТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ НЕФТИ?..................197
4.1. Информационная модель перерабатываемого нефтесырья.197
4.2. Планирование температур раздела смежных фракций (Temperature Cut Points) и управление ими............218
4.3. Контроль температурных наложений (налеганий) смежных продуктовых фракций, извлекаемых из нефти............229

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Эскиз технических требований...........256

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................317


5

        ТИПОВЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ТЕКСТЕ

АВТ - атмосферно-вакуумная трубчатка (установка разделения нефти);
НПЗ - нефтеперерабатывающий завод;
ИТК - истинные температуры кипения (кривая фракционного состава);
ТНК, ТКК - температуры начала и конца кипения (нефти или фракции);
LP - линейное программирование (математический метод);
АСУТП, АСУП - автоматизированные системы управления техпроцессом и производством.

6

Глава I



            ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ: ЧТО НЕ ТАК С УПРАВЛЕНИЕМ РЕКТИФИКАЦИЕЙ НЕФТИ?


        1.1. В чем проблема?

1.1.1. ВОПРОС: в чем суть проблемы с управлением ректификацией нефти, которую вы предлагаете обсудить?

ОТВЕТ. Если судить по отчетным данным НПЗ о состоянии технологии первичного разделения нефти на большинстве установок АВТ РФ, то складывается впечатление относительного технологического благополучия, однако при детальном анализе эффективности ректификации нефти обнаруживается неспособность оперативного технологического персонала стабильно и точно удерживать массу и состав технологических потоков установки в области оптимальных значений. Это означает не что иное, как наличие значимой проблемы с качеством управления ключевым и наиболее энергозатратным процессом НПЗ, что естественным образом ухудшает технологическую гибкость и экономическую эффективность всей схемы НПЗ.
    Основной причиной такого положения дел в ректификации нефти являются принципиальные методологические недостатки в технологическом обеспечении этого процесса, начиная с планирования работы АВТ («размытая», т. е. слишком «широкая» постановка технологической цели) и кончая технологическим регламентом и технологическими картами, которые содержат слишком широкие допустимые пределы параметров режима, не гарантирующие ни качества продукции, ни точности выполнения плановых заданий по отборам. Поэтому приходится констатировать неполную «наблюдаемость, управляемость и

7

идентифицируемость» указанного процесса, что противоречит требованиям концептуальной модели ISO/CIM современного производства. При этом обращает на себя внимание тот факт, что подобные недостатки технологического управления характерны именно для фракционирования нефти, но их, как это ни странно, значительно меньше в технологическом обеспечении процессов ректификации смесей с ограниченным числом компонентов.
     В условиях неполной «наблюдаемости, управляемости и идентифицируемости» процесса действия оперативного персонала установок АВТ при решении сложных задач управления процессом ректификации нефти теряют статус стандартизированных технологических манипуляций и превращаются в индивидуальные производственные импровизации, т. е. род своеобразного «искусства». Но такого рода творчество не может быть эффективным ни технологически, ни экономически.

1.1.2. ВОПРОС: при очень большом желании некоторые частные огрехи можно найти в управлении любым процессом переработки нефти. Но почему именно «относительно благополучный», как вы говорите, технологический процесс первичного разделения нефти (т. е. хорошо изученная, устоявшаяся технически и теоретически технология, адекватно моделируемая во всех технико-экономических аспектах проектирования и планирования) выбран вами для анализа проблемы эффективности управления как наиболее актуальная технологическая проблема для НПЗ РФ? Разве, например, управление каталитическими и гидрокаталитическими процессами углубленной переработки нефти менее важно для НПЗ РФ, или эти процессы, по вашему мнению, более изучены и гораздо лучше управляемы?

ОТВЕТ. Во-первых, для понимания специфики рассматриваемой проблемы следует принять во внимание особое положение процесса фракционирования нефти в схеме НПЗ (см. рис. 1.1). Дело в том, что эффективность управления всей схемой переработки нефти на НПЗ означает не что иное, как способность максимально точно и максимально оперативно контролировать массу и состав технологических потоков (включая потоки потерь) от входа НПЗ до терминалов отгрузки готовой продукции, приводя их в максимально точное соответствие с параметрами оптимального плана НПЗ на тот или иной период. Но оптимизационное планирование переработки нефти на НПЗ просто теряет смысл, если ключевой технологический узел распределения потоков по всей


8

схеме НПЗ (каким является АВТ) не может точно удерживать балансы и качество продуктов на оптимальных значениях, т. е. имеет значительный неконтролируемый «люфт» в балансах целевых продуктов.


увел и ч ивает ся

Рис. 1.1. Структура процессов и погрешностей управления ими

     Например, изменение (или погрешность) порядка всего лишь 1-2 % в контроле, планировании или управлении отбором бензина на АВТ мощностью 6 млн тонн в год приведет к изменению (или погрешности) в 20 % по загрузке риформинга мощностью 300 тыс. тонн в год или в 6 % для загрузки риформинга мощностью 1000 тыс. тонн в год. Колебания (или погрешности) такого рода в загрузке сырьем узлов риформинга приводят к таким изменениям в суммарном потоке октанотонн на узлы компаундирования, которые намного превышают по влиянию на структуру товарной продукции любые изменения, получаемые в результате манипуляций с режимом риформирования бензина или подбором катализатора для них.
     Во-вторых, именно на примере хорошо теоретически и технически проработанной технологии ректификации нефти наиболее ярко выделяется общая проблема технологической подготовки производства на НПЗ РФ. Особенно в сравнении с относительно благополучным качеством управления ректификаци


9

ей ограниченного числа компонентов, которая является совершенно однотипной с фракционированием нефти технологией.


1.1.3. ВОПРОС: итак, вы утверждаете, что в отечественной нефтепереработке якобы имеются некие особые и значимые для техникоэкономической эффективности НПЗ проблемы с управлением первичным фракционированием нефти. Но на каких фактах основывается такое утверждение?


ОТВЕТ. Для начала рассмотрим сугубо частный пример. Если в типовой структурной схеме установки АВТ как объекта управления (см. рис. 1.2) выделить ключевой входной возмущающий параметр Хп (например, состав перерабатываемого нефтесырья), основной параметр управления технологического режима Uk (например, отборы продуктовых фракций) и целевой выходной параметр Ym (например, отбор целевых продуктовых фракций от их потенциального содержания в перерабатываемом нефтесырье), то качество управления процессом фракционирования можно приблизительно оценить по степени компенсации возмущений процесса, сравнивая вариацию входного параметра с вариацией целевого выходного, учитывая, что целью управления является максимально точная стабилизация целевого параметра на уровне заданного оптимального значения.


Рис. 1.2. Структурная схема АВТ как объекта управления

10

     На рис. 1.3 приведен характерный пример месячного тренда фактических отборов (массовых расходов выводимых фракций, отнесенных к массе перерабатываемого нефтесырья) светлых целевых продуктов на одной из крупных современных АВТ РФ, а также тренд расчетной оценки потенциалов светлых целевых фракций заданного планом ассортимента в перерабатываемом нефтесы-рье. Указанные параметры в данном случае выбраны потому, что изменение потенциального содержания целевых продуктов в сырье, обычно выступает в качестве основного, т. е. наиболее опасного возмущения процесса фракционирования нефти, а отбор суммы светлых целевых продуктов от их потенциала в нефтесырье часто применяется на НПЗ в качестве интегрированного отчетного показателя эффективности работы АВТ, и потому этот параметр может выступать в качестве основной целевой выходной переменной (но надо отметить, что этот показатель в настоящее время явно устарел и выглядит рудиментом).


Рис. 1.3. Тренды потенциала и фактического отбора суммы целевых продуктов

     Как видно из графика на рис. 1.3 основные возмущения процесса (изменения фракционного состава и, соответственно, потенциалов целевых продуктов в перерабатываемом нефтесырье) носят перманентный характер и потому нуждаются в своевременной и оперативной компенсации за счет оперативной


11

подстройки продуктовых отборов. Между тем тренд фактических отборов целевых продуктов не просто сдвинут вниз относительно тренда потенциалов (в среднем на 1,37 %), что уже само по себе влечет технико-экономические потери в структуре товарной продукции, но этот тренд весьма вяло и противоречиво следует за потенциалами продуктов в перерабатываемом нефтесырье. В таблице 1.1 приведены оценки некоторых статистических параметров трендов, отображенных на рис. 1.3. Фактический отбор целевых фракций то запаздывает, то опережает потенциал (см. рис. 1.3), но при этом вариация фактического отбора целевых продуктов ниже (см. табл. 1.1), чем вариация возмущения по составу сырья. Низкая по сравнению с возмущением по качеству сырья вариация управляющего параметра означает, что управление не отслеживает и не компенсирует возмущение. А вот вариация целевого параметра - отбора продуктов от их потенциала - не только не меньше возмущения, но наоборот, она намного (в два раза) выше!


Таблица 1.1
Оценки статистических параметров трендов потенциала целевых фракций в сырье и фактического отбора их от потенциала

    Наименование        Потенциал     Фактический   Фактический 
    оцениваемого     целевых фракций     отбор     отбор целевых
  статистического    в сырье, % мас.    целевых    фракций от их
     параметра                       фракций, мас. потенциала, %
Среднее значение          55,0           53,4          97,1     
Минимум                   53,0           51,8          93,2     
Максимум                  57,0           54,8          100,9    
Среднеквадратическое       1,1            0,9           2,2     
отклонение                                                      
Размах колебаний           4,0            3,0           7,7     
(макс. - мин.)                                                  
Среднепрогрессивное        ---            ---          98,6     
значение                                                        
Оценка резерва                                                  
повышения отборов          ---            ---           1,5     
от потенциала                                                   

      Приведенные в таблице 1.1. сравнительные оценки среднеквадратических отклонений и размахов колебаний рассматриваемых трендов достаточно ясно


12