USD 73.8537

-0.14

EUR 89.6584

+0.03

BRENT 69.68

+0.1

AИ-92 45.37

+0.04

AИ-95 49.06

0

AИ-98 55.13

+0.02

ДТ 49.37

0

8 мин
120
0

Система UniSim для управления на НПЗ

Система UniSim для управления на НПЗ

НПЗ MiRO, расположенный в Германии расширил свою систему топливного газа, реализовав возможность использовать природный газ в качестве дополнительного источника энергии. Обязательным требованием к интеграции новой системы природного газа со сложной схемой приоритетного управления в действующую систему топливного газа было проведение подключения без остановки производственного оборудования. Поэтому было решено провести подробное исследование динамической модели (ИДМ) новой и интегрированной общей системы топливного газа с помощью пакета UNISIM® Design. Цели ИДМ заключались в обеспечении стабильной и безопасной работы новой системы, а также в сокращении сроков запуска системы. Что представляет собой этот проект и каковы его первые результаты, достигнутые после успешного ввода новой системы топливного газа в эксплуатацию?
НПЗ и проект использования природного газа

MiRO Mineraloelraffinerie Oberrhein является одним из крупнейших нефтеперерабатывающих заводов Германии. НПЗ MiRO расположен в г. Карлсруэ и состоит из двух площадок, которые различными потоками связаны друг с другом (по сырью, продукции и инженерным сетям). В прошлом система топливного газа этого НПЗ в качестве дополнительного внешнего источника энергии использовала сжиженный нефтяной газ (СНГ), однако изменение цен сделало природный газ более привлекательной альтернативой с финансовой точки зрения. Поэтому руководство НПЗ MiRO решило использовать в качестве альтернативного источника энергии природный газ.

Структура новой интегрированной системы топливного газа, использующей в качестве источников энергии отходящий газ, газ от установок флюид-каталитического крекинга (ФКК), коксовый газ, сжиженный нефтяной газ и природный газ, показана на рис. 1.

рис 1.jpg

В целях удовлетворения различных требований НПЗ специалисты компании MiRO разработали комплексную схему приоритетного управления. Кроме того, трубопроводы и средства управления новой системы природного газа необходимо было интегрировать с действующей системой топливного газа без остановки производственного оборудования. Таким образом, исследование динамической модели системы топливного газа проводилось со следующими основными целями.

·         Обеспечение стабильной работы комплексной системы топливного газа при любых условиях эксплуатации и в переходных режимах

·         Исключение возникновения колебаний и других динамических нарушений

·         Тестирование конфигурации системы управления и предварительная настройка контроллеров перед установкой

·         Достижение дополнительных целей управления (определение минимальных и максимальных значений расхода и т. д.)

·         Отработка перехода с СНГ на природный газ в качестве основного топлива и обратно

·         Безопасный ввод в эксплуатацию

·         Сокращение сроков ввода в эксплуатацию


 

Динамическое моделирование системы топливного газа с помощью UniSim

Системы динамического моделирования процессов, такие как Honeywell UniSim Design[1], Invensys DYNSYM[2] и Aspentech Aspen HYSYS Dynamics[3], используют методы, основанные на базовых физических принципах, которые обеспечивают реалистичное воспроизведение переходных процессов, типичных для нефтегазовой и химической промышленности. Чтобы создать модель процесса, пользователь выбирает готовые компоненты и термодинамические пакеты для определения физических свойств и фазовых равновесий системы, после чего создает технологическую схему, добавляя и связывая друг с другом модели работы типовых блоков (трубопроводов, резервуаров, насосов, дистилляционных колонн и т. д.) и оборудования управления (клапаны, ПИД-регуляторы и т. д.). Полученную модель можно инициализировать, задав определенные начальные условия, и протестировать с помощью разных заранее подготовленных сценариев в рамках исследования динамической модели.

Исследование динамической модели является стандартным инструментом, используемым в перерабатывающих отраслях промышленности, для анализа и оптимизации переходных процессов. В качестве примера применения этой методики для анализа работоспособности оборудования или исследования безопасности можно привести оценку динамической нагрузки на факельную установку на НПЗ [1] или на континентальных газовых месторождениях [2], а также исследования компрессоров [3]. Для проведения ИДМ на НПЗ MiRO авторы выбрали пакет UniSim Design благодаря высокой скорости и стабильности моделирования, а также широким возможностям моделирования сложных систем управления.

Новую систему природного газа было необходимо интегрировать в систему топливного газа с использованием имеющихся трубопроводов и резервуаров, поскольку добавить новое оборудование без остановки производственного оборудования было невозможно (согласно требованию, указанному выше). Имеющееся оборудование не оптимизировано с точки зрения пропускной способности и перепадов давления, что может привести к нарушениям при протекании переходных процессов в интегрированной системе. На рис. 2 показана небольшая часть общей модели UniSim, в которой с большой точностью моделируются реальные трубопроводы НПЗ.

рис 1.jpg
Приоритетное управление
Приоритетное управление — это стратегия управления, в которой одна регулируемая переменная корректируется с помощью двух или более управляемых переменных [4]. Для приоритетного управления обычно используется алгоритм ПИ/ПИД-регулирования для каждой управляемой переменной. Выбор между выходами этих ПИ/ПИД-регуляторов в конкретный момент времени выполняет селектор меньшего или большего (LS или HS). При этом интегральные части ПИ/ПИД-регуляторов, которые не были выбраны селектором, могут перейти в состояние интегрального насыщения. Поэтому, чтобы исключить такое развитие событий, требуется использовать определенную стратегию противодействия насыщению. Одним из возможных вариантов является применение внешней обратной связи для перенастройки, которая предотвращает насыщение и уравнивает значения на выходах всех регуляторов [5]. На рис. 3 показана возможная реализация контроллера приоритетного управления с двумя регуляторами (С1 и С2), двумя управляемыми переменными (PV1 и PV2), селектором меньшего значения, внешней обратной связью для перенастройки (ERF) и одной регулируемой переменной (OP).  
рис 1.jpg

Схема приоритетного управления системы топливного газа НПЗ MiRO гораздо сложнее — она должна быть способна:

·         справляться с большим количеством управляемых параметров и контроллеров;

·         учитывать сложную структуру технологического оборудования;

·         соблюдать различные требования (ограничения по условиям безопасности, оптимальные рабочие точки и т. д.).

В качестве примера на рис. 4 показана часть схемы приоритетного управления.

 рис 1.jpg


Анализ модели с использованием различных сценариев
Чтобы обеспечить достижение описанных выше целей, выполняется обширное моделирование с использованием большого количества реалистичных сценариев. Например, в случае внезапного отключения печи мощностью 100 МВт на 5-й минуте с начала моделирования давление в системе топливного газа не вышло за пределы заданного диапазоне, как показано на рис. 5. Кривая красного цвета отражает давление. Уставка давления составляет 8,5 бар (изб.), и давление поднялось до 9,1 бар (изб.). Кривая синего цвета отражает активную регулируемую переменную (OP), которая непосредственно управляет клапаном, связанным с HGP 260 P4 на рис. 4.
рис 1.jpg

Поскольку в процессе управления участвуют несколько ПИД-регуляторов, взаимодействие которых может привести к возникновению колебаний, основным предметом внимания в ходе анализа модели должна стать настройка параметров ПИД-регулирования. 

В результате проведенных исследований был внесен ряд корректировок:

·         пределы давления для выпуска факельного газа;

·         параметры клапанов;

·         параметры управления. 

В целом, анализ модели подтвердил, что проектное решение системы топливного газа, включая систему природного газа и комплексную систему приоритетного управления, полностью выполняет свои функции и система работает без ошибок.

Ввод системы природного газа в эксплуатацию

В декабре 2013 года система природного газа была встроена в существующую систему топливного газа. В ходе работ по мере необходимости решались стандартные задачи настройки системы регулирования, такие как линеаризация нелинейных характеристик клапанов. Значения параметров управления, которые были получены в ходе ИДМ, стали хорошей основой для дальнейшей тонкой настройки параметров. Во многих случаях значения параметров управления динамической модели можно было использовать без каких-либо изменений.

В результате тщательной подготовки ввод системы в эксплуатацию был выполнен без существенных проблем. Стоит обратить внимание на короткий период времени, который потребовался для ввода в эксплуатацию и запуска расширенной системы топливного газа.

Сложной задачей оказалась подготовка операторов установок. Несмотря на то, что операторы прошли обучение на тренажере с упрощенной моделью, сложность новой системы приоритетного управления оказалась серьезной проблемой для многих из них.

 Заключение

НПЗ MiRO расширил свою систему топливного газа с целью использования природного газа в качестве дополнительного альтернативного источника энергии. Новая система природного газа, которая включает в себя сложную схему приоритетного управления, была интегрирована в действующую систему топливного газа без остановки производственного оборудования. Для обеспечения безопасной и стабильной работы новой системы, а также исключения проблем при вводе в эксплуатацию, было проведено исследование динамической модели системы топливного газа с использованием пакета UniSim Design. Исследование модели позволило разработать полнофункциональную и безошибочно работающую систему. В результате ввод в эксплуатацию и запуск расширенной системы топливного газа прошли без каких-либо существенных проблем.

Литература

[1]       Gruber, D., Leipnitz, D.-U., Sethuraman, P., Alos, M.A., Nogues, J.M., Brodkorb, M.: Are there alternatives to an expensive overhaul of a bottlenecked flare system?, (Есть ли альтернативы дорогим работам по капитальному ремонту факельной установки, ставшей узким местом?) PTQ, Q1, стр. 93–95, 2010.

[2] Panigrahy, P., Balmer, J., Alos, M.A., Brodkorb, M., Marshall, B.: Dynamics break the bottleneck (Анализ динамической модели позволяет справляться с узкими местами). Hydrocarbon Engineering, September, стр. 93 –96, 2011.

[3] Nugues, J.M., Brodkorb, M., Feliu, J.A.: How can dynamic process simulation be used for centrifugal compressor systems (Как использовать динамическое моделирование процессов для анализа центробежных компрессорных систем). Hydrocarbon Engineering, August, стр. 92–98, 2012.

[4] Luyben, Michael L.: Essentials of process control (Принципы управления технологическими процессами). Edited by William L. Luyben, McGraw-Hill (серия McGraw-Hill по технологиям для химической промышленности), New York, стр. 122-125, 1997.

[5]       Smith, Carlos A.: Automated Continuous Process Control (Автоматизированное управление непрерывными процессами). John Wiley & Sons, Hoboken NJ, стр. 88-92, 2002.

[1] Пакет UniSim® Design является зарегистрированным товарным знаком корпорации Honeywell.


[2] DYNSYM является зарегистрированным товарным знаком корпорации Invensys.


[3] Aspen HYSYS Dynamics является зарегистрированным товарным знаком корпорации Aspen Technology.






Статья «Система UniSim для управления на НПЗ» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№9, 2014)

Авторы:
Читайте также