Как уже отмечалось ранее, процессы переработки углеводородных систем относятся к числу сложных технологических процессов и имеют следующие особенности:
- - наличие токсичных и взрывопожароопасных веществ;
- - непрерывность протекания процессов;
- - экстремальные режимы процессов (температуры, давления и т.д.);
- - высокие скорости процессов;
- - большое число связанных между собой параметров технологического процесса;
- - высокие требования к качеству продукции.
491
Управлять подобными технологическими процессами невозможно без современных средств автоматики и вычислительной техники. Более того, из-за опасности аварий необходимы высокоэффективные автоматизированные системы управления технологическими процессами, создаваемые на основе новейших достижений в области теории управления с использованием экономико-математических методов и высокоэффективной вычислительной и управляющей техники.
АСУТП предназначены для эффективного управления технологическим процессом и обеспечивают:
- - стабилизацию материальных и тепловых потоков в оптимальном режиме;
- - повышение оперативности обслуживающего персонала в нормальных и аварийных ситуациях;
- - пуск и остановку каждой установки;
- - регулирование качества продукции;
- - оптимизацию энергозатрат;
- - улучшение условий труда и обеспечение безопасности производства.
В качестве примера рассмотрим принцип построения АСУТП установки ЭЛОУ-АВТ, которая представлена по иерархическому принципу: нижний уровень - распределенная система управления на базе микропроцессорной техники, верхний уровень - мини-ЭВМ высокой производительности.
Функции нижнего уровня:
- - автоматический сбор и первичная переработка информации о процессе;
- - централизованный контроль за состоянием технологического процесса;
- - аварийная сигнализация отклонений технологических параметров от регламента;
- - блокировка отдельных агрегатов в аварийных ситуациях;
- - автоматическая стабилизация параметров технологического процесса в режиме прямого управления;
- - многосвязное управление в режиме прямого цифрового управления;
- - пуск и останов установки;
- - связь с верхним уровнем.
Автоматический сбор и первичная переработка информации включают в себя следующие процедуры:
- - опрос первичных датчиков;
- - фильтрацию помех;
492
- - расчет действительных значений параметров с учетом характеристик датчиков, усреднение параметров;
- - интегрирование значений расходов;
- - обработку аналитических данных;
- - контроль отклонений технологических параметров от нормы.
Централизованный контроль за состоянием технологического процесса осуществляется с помощью пультов технолога-оператора, состоящих из цветных мониторов, клавиатуры и принтеров. С помощью функциональной клавиатуры оператор-технолог осуществляет вызов необходимой информации на экран дисплея или на печать и вмешивается при необходимости в ход технологического процесса путем выдачи управляющих воздействий. Для облегчения работы оператора предусмотрена доступная система отображения информации, которая включает технологические схемы, схемы контуров регулирования, показания сигнализации, отклонений, графики по динамике процесса и т.д.
Автоматическая блокировка и сигнализация в аварийных ситуациях осуществляются с помощью специальной подсистемы. По специальным алгоритмам выполняются многосвязное цифровое управление и автоматический пуск и останов агрегатов установки.
На установках первичной переработки нефти АВТ, например, функции верхнего уровня АСУП следующие:
- - расчет материального баланса и технико-экономических показателей;
- - расчет специальных параметров и характеристик объекта: флегмовых чисел, расчет ИТК нефти, расчет теплосъемов циркуляционных орошений, распределение профилей концентраций и температур в колоннах и т.д.
Предусмотрена оптимизация динамических характеристик переходных процессов в системе, отдельных технологических блоков, технологического процесса установки, а также прогнозирование качественных показателей нефтепродуктов. Имеется связь с нижним уровнем.
В расчете материального баланса (МБ) и технико-экономических показателей (ТЭП) определяются учетные количества нефтепродуктов и энергозатрат за вахту, сутки и плановый период. Кроме того, периодически исследуются качество нефтепродуктов, удельные энергозатраты, себестоимость калькулируемой продукции. Расчет МБ и ТЭП имеет цели:
- - подведение итогов работы за определенный период;
- - анализ производственной хозяйственной деятельности;
- - выявление имеющихся резервов по снижению энергозатрат, увеличению глубины отбора целевых продуктов и снижению себестоимости целевой продукции.
493
Вышеперечисленные данные представляются оператору-технологу для оценки хода технологического процесса, а также используются в задаче оптимизации. Расчет осуществляется по специальным алгоритмам. Для учета специфики производства проводится адаптация математических моделей и корректировка компонентов этих моделей при изменении технологического режима. Это осуществляется по специальному алгоритму, в котором используются методы регрессионного анализа.
Оптимизация отдельных технологических блоков и динамических характеристик переходных процессов также осуществляется по специальным алгоритмам с заданным критерием оптимизации и управления. Прогнозирование качественных показателей дает возможность по имеющимся математическим моделям и текущим данным технологического процесса определять качественные показатели нефтепродуктов с точностью не ниже точности определения этих показателей по лабораторным анализам.
Системы управления процессами переработки углеводородных систем включают использование комбинированных моделей, полученных исходя из материальных и тепловых балансов теории дистилляции нефти и состоящих из уравнений парожидкостных равновесий, уравнений кинетики превращения отдельных компонентов и фракций, уравнений тепло- и массопереноса. В процессах первичной переработки нефти за критерии оптимизации принимается минимум энергозатрат или максимум выхода светлых нефтепродуктов. Решение задачи оптимизации осуществляется по специальным алгоритмам с использованием квадратичного программирования при наличии возмущения в технологическом процессе установки. Строгие модели включают в качестве "первого принципа" термодинамику процесса. В результате точно моделируется реальный нелинейный характер процесса. Линейные (или регрессионные) модели описывают отклик системы при помощи линейных приближений и являются точными только в очень узком диапазоне условий. Преимущество строгих моделей заключается в том, что производственный персонал может полагаться на предсказания (оптимизацию) и может доверять тому, что модель точно описывает процесс.
Оптимизаторы используют методы последовательного квадратичного программирования (SQP-процедуры), которые основаны на вычислении производных целевой функции относительно каждой независимой переменной. Обычно один прогон оптимизации установки занимает 15-30 мин в зависимости от используемых
494
аппаратных средств. Частота проведения оптимизации может меняться. Если оптимизатор установлен в режиме замкнутого контура, то частота запуска оптимизации определяется временем, которое требуется для выхода на новый стационарный режим установки после каждого успешного набора действий. Запуск полной последовательности оптимизации контролируется стационарностью режима работы. Обычно оптимизация производится каждые 4 часа. При работе оптимизатора в режиме открытого контура прогоны производятся по необходимости.
Специализированной системой, входящей в состав АСУТП, является система аварийного останова (САО) и система вибродиагностики, которая позволяет обнаружить дефекты в оборудовании на ранней стадии развития и не допустить разрушения оборудования в случае возникновения аварии. Основной задачей САО является уменьшение вероятности возникновения аварийных ситуаций и ущерба в случае аварий на опасных промышленных предприятиях. Система аварийного останова, или система противоаварийной защиты (СПАЗ), выполняет автоматический останов всей установки, отдельных блоков или отдельного оборудования при инициировании останова специальными датчиками на установке оператором. При этом необходимо не только обеспечение надежного останова в случае аварийных условий на установке, но и исключение случайных остановов, вызванных неисправностью самой системы аварийного останова или приборов, т.е. ложных срабатываний.
Система аварийного останова обеспечивает безопасность посредством управления запорной арматурой аварийного останова и системами сброса давления, согласованием действий с другими системами с целью отключения печей с огневым обогревом, компрессоров, насосов.
При разработке САО изучаются требования, предъявляемые к останову установки, и, исходя из них, разрабатывается матрица причинно-следственных связей с различными уровнями останова. Необходимо учитывать: защиту персонала; минимизацию загрязнения окружающей среды; обеспечение безопасности производства; защиту оборудования; требования к блочному оборудованию; наличие технологических систем производства.
Отрицательные последствия отказов минимизируются благодаря разработке системы, которая в случае аварии не производит останов незатронутых аварией секций установки. Входные сигналы в систему поступают с полевых приборов в результате ручного вмешательства оператора на площадке или в операторной,
495
с панели системы обнаружения пламени и газа и в результате взаимодействия с другими технологическими системами. Соответствующие сигналы поступают и в другие системы РСУ, давая возможность этим системам произвести необходимые действия при аварийном останове. Тревожная сигнализация включает визуальную индикацию и инициирует звуковые сигналы. При крупных авариях персонал, находящийся в другом месте, информируется с помощью звуковых и визуальных сигналов.
Чтобы исключить нарушение непрерывности процесса вследствие единичных отказов, предусматриваются, по меньшей мере, два независимых средства обнаружения наличия аварийных условий, которые могут привести к опасной ситуации.
В тех случаях, когда отключение неизбежно приведет к останову других секций, такие остановы инициируются при управляющих действиях системы. Отклонения технологических условий от установленных пределов в результате первичного останова не допускаются и подстраховываются отказобезопасными таймерами. В тех случаях, когда останов секции установки влечет за собой останов другого оборудования срабатывает сигнальное предупреждение.
На этапе эксплуатации САО автоматическая испытательная подсистема периодически проверяет всю программируемую релейную логику и программы отключения вводов/выводов. При любой неисправности, обнаруженной в системе средствами самодиагностики, на панель системы аварийного останова генерируется аварийный сигнал.
При применении современных систем аварийного останова (систем противоаварийной защиты) в совокупности с современным полевым оборудованием на порядок уменьшается вероятность возникновения аварий на установках предприятия. Кроме того, внедрение систем автоматизированного управления приводит к более рациональному использованию энергоресурсов, что, в свою очередь, уменьшает вредные выбросы в атмосферу, снижает возможность пожаров и аварий.
496
- В чем заключается специфика АСУТП?
- В чем состоят сущность и функции системы аварийного останова?
- Перечислите основные функции, назначения и требования к СПАЗ.
- Какие требования предъявляются к средствам аварийного останова технологических установок?
- Какими особенностями обладает АСУП установок АВТ на верхних и нижних уровнях системы управления?
497
- Сформулируйте принципы оптимальной и безопасной организации управления технологическими процессами НПЗ на примере ЭЛОУ АВТ.
- Перечислите основные преимущества внедрения СПАЗ на НПЗ.
498
