Информационно-измерительные системы для адаптивного управления промышленными станциями поточного смешения товарных бензинов

На правах рукописи

Астапов Владислав Николаевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ СТАНЦИЯМИ ПОТОЧНОГО СМЕШЕНИЯ ТОВАРНЫХ БЕНЗИНОВ

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные

и управляющие системы (приборостроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Пенза 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)».

Научные консультанты:	заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Конюхов Николай Евгеньевич;
	доктор технических наук, профессор Гречишников Владимир Михайлович
Официальные оппоненты:	Косолапов Александр Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения», заведующий кафедрой информационных систем и телекоммуникаций; Прохоров Сергей Антонович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени С. П. Королева (национальный исследовательский университет), заведующий кафедрой информатики и информационных технологий; Соловьев Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», профессор кафедры приборостроения
Ведущая организация:	ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» (г. Пенза)

Защита состоится «___» __________ 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.186.02 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан «___» __________2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Процесс смешения нефтепродуктов является завершающим и наиболее ответственным этапом в формировании не только качества, но и себестоимости товарной продукции.

При учете высокой производительности современных нефтеперерабатывающих заводов, а также непосредственной зависимости потребительских свойств готового продукта от физико-химических характеристик смешиваемых компонентов, важнейшую роль в системах управления промышленными станциями смешения товарных бензинов приобретают информационно-измерительные и управляющие системы (ИИиУС) для оценки детонационной стойкости, готового продукта и его компонентов. Точность и быстродействие ИИиУС во многом определяют качество производимой продукции.

Как показывает мировой и отечественный опыт, перспективным направлением разработки и создания таких ИИС является использование электрофизических методов, основанных на принципах электродинамики, оптоэлектроники, спектрометрии и акустики. При этом чаще всего используются зависимости детонационной стойкости от диэлектрической проницаемости, спектра поглощения, а также избыточного давления в реакторах холодно-пламенного окисления (РХПО).

Проблеме создания ИИС и датчиковой аппаратуры на основе указанных электрофизических явлений посвящены работы ряда отечественных ученых (В. С. Рудика, А. С. Уварова, Н. Е. Конюхова, Б. В. Скворцова). Среди зарубежных авторов следует отметить труды М. Н. Александрова,
Б. Н. Гордеева, Ю. Д. Жукова (Украина); M. Steven, W. Huntington, E. M. Good-ger, A. P. Valvade (США); E. R. Finske, W. C. Jonston (Великобритания).

Современные ИИиУС для оценки детонационной стойкости бензинов в основном основаны на использовании двигательных установок типа УИТ-85, работа которых основана на зависимости октанового числа от интенсивности детонации при определенных частотах вращения двигателя, углах опережения зажигания и температуре топливно-воздушной смеси. Установка калибруется на эталонных смесях изооктана и нормального гептана.

Кроме того, на некоторых нефтеперерабатывающих заводах России используются устройства экспрессного измерения октанового числа, в дальнейшем октаномеры, как отечественного производства (SHATOX, СИМ-Зб, ПЭ7000), так и импортного (например, ZX101C фирмы Zeltex). Однако все применяемые ИИС для оценки детонационной стойкости основаны на анализе предварительно отобранных проб. Это приводит к значительным экономическим издержкам, связанным с возможностью производства больших объемов нестандартных (бракованных) бензинов (до 300 м3), в течение времени анализа пробы, которое может лежать в пределах от
20 до 50 мин. При регулярном повторении процедуры анализа, в течение рабочей смены, потери могут достигать внушительных размеров – более
4 тыс. м3 в сутки, что крайне негативно сказывается на процессах ценообразования рынка нефтепродуктов.

Кроме того, существующие измерительные устройства и системы обладают рядом принципиальных недостатков, связанных с влиянием на точность измерения внешних эксплуатационных факторов, региональными особенностями исходного сырья, со сложностью их настройки и эксплуатации и невозможностью работы в потоке.

При создании ИИиУС для управления смешением важной проблемой является не только измерение октанового числа готового продукта, но и определение его компонентного состава, определяющего тип бензина в соответствии с действующими стандартами на углеводородное топливо (ГОСТ Р 51105–97). Существующие ИИиУС и системы обеспечения качества нефтепродуктов используют в своей основе линейные модели октанового числа и разработанные на их основе экспериментальные калибровочные характеристики. Однако такой подход не учитывает вариативность октанового числа и физико-химических характеристик смешиваемых компонентов, что создает высокую вероятность ложной идентификации типа бензина, условия для применения в производстве не предусмотренных стандартами экологически опасных компонентов и снижает качество товарной продукции.

Указанные недостатки во многом связаны с отсутствием научных основ создания ИИиУС для оценки октанового числа, встроенных в технологический процесс компаундирования бензинов, отвечающих современным требованиям по функциональным возможностям, точности, быстродействию и достоверности идентификации нефтепродуктов с учетом региональных особенностей исходного сырья и компонентного состава.

В связи с этим разработка, теоретическое обоснование и внедрение ИИС, позволяющих оценивать октановые числа углеводородных топлив в потоке и идентифицировать их компонентный состав, представляет собой актуальную научно-техническую проблему. Решение данной проблемы позволит нефтеперерабатывающим предприятиям страны оптимизировать процессы в системах управления компаундированием, исключить рекламации по качеству готовой продукции, а также повысить ее конкурентоспособность на мировом рынке нефтепродуктов.

Актуальность диссертационной работы подтверждена грантом в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» (гос. контракт № П1511 от 18.11.2010).

Цель диссертационной работы – теоретическое и экспериментальное обоснование новых способов построения и разработка технической реализации комплекса ИИиУС с улучшенными эксплуатационными характеристиками для поточного контроля и управления качеством товарных бензинов на станциях смешения нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ).

Задачи исследований:

1. Обзор и сравнительный анализ методов построения и технических возможностей отечественных и зарубежных ИИиУС для оценки октановых чисел и компонентного состава товарных бензинов.

2. Разработка и обоснование обобщенной структурной схемы информационно-измерительной и управляющей системы для оценки и обеспечения требуемого октанового числа и компонентного состава в потоке товарного продукта.

3. Экспериментальные и теоретические исследования электрофизических, акустических, электродинамических и оптико-акустических характеристик углеводородных топлив для выявления их новых взаимосвязей с требуемыми показателями качества и идентификации типа товарных бензинов.

4. Разработка принципов построения ИИиУС на основе термодинамических, оптических и акустических средств измерений для управления процессом непрерывного компаундирования нефтепродуктов.

5. Разработка математических моделей ИИиУС на основе термодинамических, оптических и акустических методов измерений.

6. Разработка математической модели получения требуемого октанового числа в процессе смешения компонентов товарного бензина.

7. Разработка методики определения (идентификации) долей смешиваемых компонентов (концентраций) и их октановых чисел в процессе приготовления бензинов.

8. Разработка программ моделирования ИИиУС для оценки октановых чисел компонент и определения их долей в смеси товарного бензина.

9. Техническая реализация комплекса ИИиУС для адаптивной системы управления станцией смешения бензинов.

10. Исследование и сравнительный анализ динамических характеристик станций смешения товарных бензинов.

11. Экспериментальные исследования и внедрение разработанных ИИС.

Методы исследований. Базируются на методах: физики, электродинамических, квантово-механических и акустических процессов, оптики и спектрального анализа, теории термодинамики растворов; линейной алгебры; решения оптимизационных задач; теории автоматического управления. Для получения результатов использовалось численное и натурное моделирование и проводились опытно-промышленные испытания ИИС для оценки качества углеводородных топлив и других технологических параметров.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложена обобщенная ИИС адаптивной системы управления станцией смешения товарных бензинов из ряда подсистем: ИИС оценки октановых чисел бензина в потоке, ИИС оценки октановых чисел компонентов, регулятора и ИИС расходов компонентов и блока расчета начальной рецептуры.

2. Выявлены взаимосвязи показателей качества углеводородных топлив с их электрофизическими, акустическими, электродинамическими и оптико-акустическими характеристиками:

– зависимость избыточного давления и концентрации СО от октанового числа в процессе реакции холодно-пламенного окисления бензина
в реакторе;

– частотные зависимости электропроводности и диэлектрической проницаемости бензинов, отражающие индивидуальную для каждого типа бензина совокупность признаков, определяющих компонентный состав бензина;

– зависимость акустического давления от октанового числа, возникающая при поглощении лазерного излучения в спектральных каналах измерения в контролируемом объеме топлива.

3. Разработаны принципы построения ИИиУС оценки октанового числа для адаптивного управления смешением на основе:

– термодинамического метода и зависимости давления в реакторе в процессе РХПО от октанового числа;

– лазерного оптико-акустического (ЛОА) метода, основанного на сканировании спектра поглощения анализируемой пробы топлива с помощью модулированного и перестраиваемого по длине волны лазерного излучения, измерении амплитуды возникающих при этом пульсаций давления с последующим проведением регрессионного анализа и определения октанового числа исследуемой бензиновой смеси с учетом фонового поглощения (шумов);

– полиметрического метода с использованием ситуационной модели определения октанового числа.

4. На основе термодинамического метода разработана математическая модель, отображающая зависимость октанового числа от давления РХПО в реакторе при заданной температуре, основанная на аналогии зависимости скорости протекания реакции взрыва (сгорания) топливно-воздушной смеси и детонационной стойкости бензина.

5. На основе ЛОА метода предложена математическая модель ИИС в виде множественной линейной регрессии для расчета октанового числа, аргументами которой являются разности коэффициентов поглощения на спектральных каналах измерения и коэффициенты влияния каждой компоненты на суммарное октановое число.

6. Впервые разработан полиметрический метод идентификации типа товарных бензинов и измерения их октанового числа, использующий результаты измерения плотности, акустического поглощения, удельной проводимости, отношения диэлектрических проницаемостей на двух частотах и температуры, совокупность измеренных значений которых определяет тип бензина и вид калибровочной модели для расчета октанового числа
(Пат. РФ № 2305283).

7. Впервые получена научно обоснованная математическая модель октанового числа товарного бензина с учетом его нелинейных взаимосвязей с октановыми числами и мольными долями смешиваемых компонентов (Пат. РФ № 2133493).

8. Разработана методика определения октановых чисел и долей смешиваемых компонентов в ИИиУС, основанная на использовании математической модели октанового числа и результатов измерения текущего значения октанового числа в потоке с применением методов эллипсоидальных оценок и линейного программирования. Существенным достоинством метода является минимальное количество априорной информации о свойст­вах неопределенности. Неопределенными величинами являются октановые числа компонентов, для которых указываются только гарантированные оценки диапазона их возможных значений.

9. Предложена и обоснована научно-техническая реализация ИИиУС для адаптивной оптимизации процесса компаундирования товарных бензинов на основе запатентованного способа управления смешивания жидкостей.

Практическая значимость работы заключается в создании промышленных образцов поточных информационно-измерительных и управляющих систем, обеспечивающих возможность идентификации типов бензинов, в отечественных и зарубежных ИИС данная функция отсутствует. Идентификация типа бензина позволяет использовать банк калибровок при контроле различных бензинов и обеспечивает повышение точности, достоверности и быстродействия измерительных систем детонационной стойкости бензинов.

Достоверность результатов. Достоверность проведенных теоретических исследований обеспечивается корректным математическим обоснованием предлагаемых решений и методов, совпадением результатов численного и натурного моделирования, а также результатами опытно-промышленных испытаний ИИС для оценки качества углеводородных топлив и других технологических параметров.

Реализация работы. Осуществлен мелкосерийный выпуск октаномера «АС-98» фирмой «Протон» (г. Самара), включенного в государственный реестр приборов и внедренного на нефтезаводах, нефтебазах и коммерческих фирмах России (г. Кириши, Мичуринск, Калининград, Саратов, Муллинская нефтебаза и др.). Результаты исследований, положивших основу созданию ИИС нового поколения «АС-2004», использованы в учреждении «Теплотехническая лаборатория» (испытательный центр «ЯнтарИТ», г. Калининград) при разработке «Дополнения к инструкции по эксплуатации октаномера «АС-98». Данный октаномер рекомендован Калининградским ЦСМиС для использования при паспортизации бензинов. Реакторный октаномер «ОКА-1» внедрен в ОНИЛ-2 СГАУ для научно-экспериментальных исследований. Устройство для измерения технологических параметров
в процессе смешивания «Квант-У» внедрено на предприятии ООО «ОЛВИ» (г. Самара) в опытную эксплуатацию. Результаты работы используются в учебном процессе СГАУ и СамГТУ при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении лекций по курсам, связанным с элементами автоматики, системами контроля и управления и при изучении курса по микропроцессорной технике. Акты внедрения представлены в приложении Б.

На защиту выносятся:

1. Новые взаимосвязи показателей качества углеводородных топлив с их электрофизическими, акустическими, электродинамическими и оптико-акустическими характеристиками, положенные в основу создания нового поколения поточных ИИС оценки октановых чисел и компонентного состава углеводородных топлив.

2. Термодинамическая модель октанового числа товарного бензина с учетом его нелинейных взаимосвязей с октановыми числами и мольными долями смешиваемых компонентов.

3. Методика определения октановых чисел и долей смешиваемых компонентов в процессе получения товарных бензинов на основе метода эллипсоидальных оценок и использования термодинамической модели.

4. Методы измерения октанового числа на основе зависимости октанового числа от давления РХПО и математическая модель ИИС оценки октанового числа.

5. Принципы построения ИИС на основе спектрометрических данных ЛОА-эффекта, зависимостей между параметрами (давления и температуры) РХПО в реакторе и детонационной стойкостью бензина и полиметрического метода.

6. Обобщенная структурная схема адаптивной ИИиУС для управления станцией компаундирования товарных бензинов.

– лазерный оптико-акустический метод и математическая модель ИИС оценки октанового числа и идентификации типа бензина и ИИС на его основе;

– комплексный (полиметрический) метод измерения октанового числа и идентификации типа товарных бензинов и ИИС на его основе.

7. Алгоритмы метода эллипсоидальных оценок, программное обеспечение и результаты численного моделирования ИИС.

8. Структурные схемы и конструкции поточных ИИС октановых чисел, плотности, вязкости и других технологических параметров топлив (объемный и массовый расход компонентов) в системе адаптивного управления процессом компаундирования товарных бензинов.

9. Результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения разработанных ИИС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на научно-технической конференции «Применение ВТ и математических методов в научных и экономических исследованиях» (Украина, г. Шацк,
1991); IV региональной научно-технической конференции «Новые высокие технологии в нефтегазовой отрасли и проблемы экологии» (г. Самара, 1997); семинаре «Вклад ученых СГАУ и СамГТУ в энергосбережение Самарской области» (секция нефтехимии, г. Самара, 2000); VII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (г. Сочи, 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», посвященной 70-летию основания Куйбышевского авиационного института (СГАУ, г. Самара, 2012).