Модели нефтеперерабатывающего производства

Производственный процесс нефтеперерабатывающих заводов может быть изложен различными способами, в том числе и с помощью использования моделей, отражающих суть функционирования системы. Одно из фундаментальных свойств мозга – способность опознавать образы [3], представляющие собой отвлечение от индивидуального, являющиеся общим для всех элементов класса [4]. Древние моделировали мир в системе образов [5] и пользовались символами, чтобы сделать идеи доступными [5], приблизить мышление к объекту [6].

При рассмотрении важнейших химических производств анализируются основные принципы создания химико-технологических систем [7], выбор технологических режимов и аппаратурного оформления процессов, организация технологической схемы, решение задач ресурсо- и энергосбережения, охраны окружающей среды и т.д. [8].

В то же время, действительное нефтеперерабатывающее производство состоит из множества связанных между собой элементов, несущих функцию переработки сырья в готовый продукт [9].

Алгоритм производства сложен из порядка операций, выполняемых элементами системы. Технологическая схема – это связь между данными элементами с описанием происходящих в них. Технологическая схема описывается в тексте или последовательным схематическим изображением соединенных между собой машин и аппаратов, или же последовательным условным обозначением связанных между собой операций [9].

Сама по себе схема может быть рассмотрена как элементы, соединенные определенным образом, способная принимать и производить информацию о протекающих процессах [10]. Метод, применяемый при рассмотрении технологической схемы – метод системного анализа [11], который применяется на всех периодах химического производства [10].

Каждый аппарат входящий в системы имеет собственные показатели в виде параметров входных и выходных потоков, показатели управляющих воздействий, также параметры состояния этого аппарата, определяющие функционирование аппарата в рабочем состоянии.

Анализ и синтез аппаратов осуществим при наличии их описания и модели, характеризующей качественное и количественное состояние системы аппаратов [12].

Существует три части модели производства: химическая модель, графическая и математическая [13].

Химическая модель является первым шагом построения этой общей модели. В основе данной модели лежат реакции, с помощью которых из сырья получают готовый продукт в способствующих этому условиях. Химическая модель отражает основные и второстепенные реакции [14]. Когда процесс многокомпонентен (нефтехимия и нефтепереработка), химический процесс выглядит как формализованная модель без промежуточных стадий.

Именно химические модели помогают определить оптимальную технологию производства и анализировать способы получения продукта.

Путем сравнения химических схем выявляется доступность сырья, стоимость сырья и продуктов, оборудования, возможность сбыта продукции.

Таким образом, химические модели используются как при разработке и проектировании промышленных процессов, так и при их эксплуатации.

Однако химической модели мало для полного представления технологического процесса, в связи с чем используют также и графические модели.

Назначение графических моделей – отобразить связь между элементами системы. В основе этих моделей заложена химическая модель [15].

Сама по себе модель может иметь вид одной из трех схем: структурной, функциональной, технологической.

Функциональная схема отражает взаимосвязи между процессами определенного производства. Рассмотрим функциональную схему производства бензинов (рисунок 1.1):

Рисунок 1.1 – Функциональная схема производства бензинов

Так же, как и химическая модель, функциональная схема является условием для аппаратурного обеспечения производства, и являет собой основу для разработки эскизного проекта.

Например, из функциональной схемы на рисунке 1.1 видно, что для стадии первичной подготовки нефти аппаратурное оформление будет состоять из дегидраторов, ректификационных колонн, реакторов гидроочистки и печи для подготовки сырья к процессу гидроочистки, блока каталитического риформинга, стабилизационной колонны и сепараторов [15].

Следующий вид графической модели – технологическая схема, отражающая элементы и узлы системы, связи между ними, виды соединения и последовательность технологических процессов в системе [16].

В данном виде схем связи между элементами изображены в виде потоков, а вещества, участвующие в производстве приводятся с данными. Технологические схемы подробнее всего иллюстрируют производственный процесс.

Существует подробная и формализованная упрощенная технологическая схема. В формализованной схеме аппараты одного типа приведены в виде упрощенных блоков. Например, блок теплообменников, сепараторов. Как говорилось выше, технологическая схема состоит из элементов – это аппараты и связи между ними. Приведенная ниже модель являет собой подробную схему, отражая технологическое направление блоков и потоков (рисунок 1.2).

1 – смеситель; 2 – теплообменник; 3 – змеевик; 4,5,6 – реакторы;
7 – сепаратор; 8 – колонна

Рисунок 1.2 – Технологическая схема установки

каталитического риформинга ЛК-6У

Схемы могут включать в себя обозначение потоков с уточнением фракционного состава потока.

Итак, назначение технологической схемы заключается в изображении всех процессов превращения сырья в готовый продукт, а также отражение связей между данными процессами [17].

Данный вид схем является более подробной графической моделью производственного процесса, в отличие от других видов схем.

Структурная схема в свою очередь позволяет выделить однотипные блоки производственного процесса. Отличием от технологической схемы является то, что структурная схема отражает элементы системы в виде укрупненных блоков (рисунок 1.3). Также как и технологическая схема, она показывает технологические связи между элементами рассматриваемого процесса.

Рисунок 1.3 – Структурная схема блока риформинга

Таким образом, структурная схема представляет собой упрощенный вид графической модели, показывающий основные крупные блоки аппаратов и взаимосвязи между ними.

В нынешнее время развитие компьютерных технологий является основанием для перехода от графики к графическим информационным технологиям и системам.

Растут возможности и требования к информации, содержащейся в технологических схемах, расчет и оптимизация производственных процессов нуждается в разработке оптимального метода графического изображения технологических схем.

Развитие технологий производства провоцирует рост элементов и связей между ними в технологических системах. Соответственно, в производствах с развитой и сложной структурой, как предприятия нефтяного и нефтеперерабатывающего производства количество аппаратов на простых установках может насчитываться до десятков, а в блоках процессов до сотен элементов. Это является причиной усложнения технологических схем, когда сама по себе схема выглядит как сеть спутанных линий.

Подобные между собой схемы не имеют общих принципов и алгоритмов построения моделей для системного анализа, что приводит к потребности разработки всех стадий схемы для каждого процесса индивидуально.

Информационные системы нефтеперерабатывающих предприятий базируются на структурных схемах, сопровождающих предприятие на всех периодах формирования – от проекта до начала эксплуатации. По завершении этапа эскизного проекта структурная схема переходит в соответствующий электронный архив со индивидуальной системой. Структурная схема являет собой основу предметной базы данных и используется во время эксплуатации объекта, обеспечивая все регламентные работы, тренаж, тестирование, модернизацию и диагностику.

Достоинство нынешних информационных систем заключается в том, что информация, сопровождающая технологическую схему имеет комплексность и стандартность представления в электронном виде.

Экономический рост сферы нефтепереработки непосредственно связан с использованием информационных технологий. Из наиболее часто используемых методов использования информационных технологий можно выделить компьютерное моделирование различных процессов и объектов, например технологических схем или их фрагментов, а также отдельных аппаратов нефтеперерабатывающих производств.