Оптимальне керування процесом каталітичного риформінгу при отриманні високооктанового компонента бензину.

Abstract

У дисертаційній роботі представлено вирішення актуальної наукової задачі створення та реалізації системи оптимального керування процесом каталітичного риформінгу на базі уточненої математичної моделі для збільшення його продуктивності. Розроблена уточнена математична модель реакторного блоку каталітичного риформінгу, яка враховує особливості перетворення реакційної суміші, а також зміну активності каталізатора з плином часу в кожному реакторі і в результаті має меншу похибку за основними розрахунковими показниками. Розроблений ітераційно-нейромережевий спосіб ідентифікації математичної моделі, що дозволяє мінімізувати час пошуку настроювальних коефіцієнтів. Запропоновано спосіб розрахунку оптимального розподілу температур реакційної суміші на входах реакторів каталітичного риформінгу в залежності від ароматизації сировини і чутливості процесу по каналу керування температурою. Розроблена функціональна структура і технічна реалізація дворівневої системи оптимального керування на базі математичної моделі. Створено комплекс програм «Математичне моделювання та оптимізація процесу каталітичного риформінгу», що містить чисельну реалізацію методів і алгоритмів, представлених у роботі.

В диссертационной работе представлено решение актуальной научной задачи создания и реализации системы оптимального управления процессом каталитического риформинга на базе уточненной математической модели для увеличения его производительности. Анализ существующих способов математического моделирования и оптимального управления процессом каталитического риформинга показал, что известные математические модели не обеспечивают высокую точность расчета оптимальных режимов процесса. Это снижает общую эффективность управления и технико-экономические показатели каталитического риформинга. Разработана уточненная математическая модель реакторного блока каталитического риформинга, описывающая процесс в виде системы последовательно соединенных моделей отдельных реакторов с индивидуальными настроечными коэффициентами. Для компенсации нестационарности процесса каталитического риформинга в результате дезактивации катализатора с течением времени, в уравнения для расчета констант скоростей наиболее чувствительных к состоянию катализатора реакций введены дополнительные корректирующие коэффициенты, которые уточняются на этапе идентификации математической модели. Получена модифицированная функция ошибок математической модели, позволяющая минимизировать ошибку модели каждого реактора, а также всего реакторного блока в целом. Разработанная модель учитывает особенности превращений реакционной смеси, а также изменение активности катализатора с течением времени в каждом реакторе каталитического риформинга и в результате дает меньшую ошибку по основным расчетным показателям в сравнении с известными аналогами. Разработан итерационно-нейросетевой способ идентификации математической модели процесса каталитического риформинга, позволяющий минимизировать время поиска настроечных коэффициентов. При этом нейронная сеть используется для уменьшения количества шагов поискового алгоритма, а точное значение настроечных коэффициента определяется методом поразрядного приближения с изменением направления поиска, причем шаг и направление поиска выбирается в зависимости от знака и значения функции перепада температур реакционной смеси в каждом реакторе. Разработаны алгоритмы для расчета уточненной математической модели, а также идентификации математической модели каталитического риформинга итерационно-нейросетевым способом. Осуществлена постановка задачи оптимального управления процессом каталитического риформинга на основании технико-экономического анализа функционирования установки каталитического риформинга Одесского НПЗ. Выбраны управляющие воздействия и разработан способ решения задачи оптимизации процесса каталитического риформинга на основе метода нелинейной оптимизации Хука-Дживса, дополненного процедурой проверки ограничений. Методами имитационного моделирования исследована чувствительность выходных показателей процесса к выбранным управляющим воздействиям. Предложен способ расчета оптимального распределения температур реакционной смеси на входах реакторов каталитического риформинга в зависимости от ароматизации сырья и чувствительности процесса по каналу управления температурой. На основании исследования оптимальных режимов разработан способ и алгоритм оптимального управления, обеспечивающий наибольшую производительность процесса каталитического риформинга путем оптимального распределения температур на входах первого и второго реакторов при постоянном предельном значении остальных управляющих воздействий. Разработана двухуровневая функциональная структура и техническая реализация разработанной системы оптимального управления процессом каталитического риформинга на основе программируемого логического контроллера Simatic S7-400. Создан комплекс программ «Математическое моделирование и оптимизация процесса каталитического риформинга», содержащий численную реализацию методов и алгоритмов, представленных в работе. Разработаны подходы интеграции данного комплекса в современные SCADA системы. Разработанная система оптимального управления процессом каталитического риформинга на базе уточненной кинетической модели прошла опытно-промышленные испытания и передана в эксплуатацию (в составе математического, алгоритмического и программного обеспечения) на ОАО «ЛУКОЙЛ - Одесский НПЗ», что подтверждено соответствующим актом. По результатам испытаний установлено, что использование предложенной системы оптимального управления увеличивает выход конечного продукта (катализата) и его октановую характеристику на 3-5%.

The dissertation offers a solution to the pressing problem of the catalytic reforming unit performance improvement through the creation and implementation of optimal control system based on the updated kinetic model. The updated mathematical model of catalytic reforming reactor unit has been developed. It describes the process in the form of series-connected models of separate reactors with individual tuning coefficients. The obtained model takes into account time changes in the activity of the catalyst in each reactor and it shows reduce of the error in the basic estimate indicators. The iterative neural-network method of the catalytic reforming mathematical model identification has been developed. It allows us to minimize the tuning coefficients search time. We have suggested the method of calculation of the optimal temperature distribution in the reaction mixture at the inlet of the catalytic reforming reactor depending on the aromatization of raw materials and the sensitivity of the process by the temperature control channel. The functional structure and the technical implementation of the two-level optimal control system based on the mathematical models have been presented. The software system “Mathematical Modeling and Catalytic Reforming Optimization” containing the numerical implementation of the methods and algorithms presented in the paper have been created.