Справочник инженера по АСУТП Проектирование и разработка 2008. Справочник инженера по асутп Проектирование и разработка Учебнопрактическое пособие ИнфраИнженерия
 Скачать 6.47 Mb.
|
|
Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 827 Эта температура будет промежуточной переменной, кото- рая является своего рода индикатором для стабилизации каче- ства верхнего продукта. Одна из реальных причин неудач при попытке внедрить упреждающее управление по модели заключается в том, что разработчик стратегии управления не знает, не понимает, и не чувствует сущности технологического процесса. Как резуль- тат - несоразмерность и несогласованность различных уров- ней управления между собой. Типичным примером служит отсутствие динамической синхронизации между алгоритмом АРС и локальным регули- рованием: АРС дает новое задание локальному регулятору, и остает- ся в убеждении, что к следующему такту это задание будет выполнено. На следующем такте выясняется, что контроли- руемая переменная так и не приняла заданное значение. Кон- троллеру АРС невдомек, что причина состоит в инерционно- сти локального регулятора - он просто не успел отработать предыдущее задание. Контроллер АРС принимает более жест- кое решение, и увеличивает задание регулятору. В итоге про- цесс выходит из-под контроля. Одно из возможных решений данной проблемы - ввести локальный регулятор в состав и под контроль модели АРС. Эффективным средством повышения устойчивости упре- ждающей модели служит моделирование неконтролируемых возмущений с помощью матрицы наблюдений. После того, как матрица наблюдений пропускается через фильтр Калмана, случайные флуктуации отвергаются, а действительные откло- нения учитываются упреждающим контроллером. Дополни- тельным средством повышения устойчивости служит эталон- ная модель (фильтр первого порядка), которая может быть быстро настроена on-line. Это весьма эффективный альтерна- тивный способ отслеживания заданного значения и отсева воз- мущений. Существенным элементом хорошего пакета АРС является способность сохранять работоспособность при отказе или не- достоверности измерительных устройств. Это свойство не просто адекватности, а структурной устойчивости модели и является тем качеством, которое определяет ее практическую ценность. 828 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка 12.14. АРС на установке каталитического крекинга Рис. 12.27 Установка каталитического крекинга представляет собой прекрасную возможность для демонстрации эффекта стабили- зации процесса и экономической выгоды при умелом приме- нении усовершенствованного управления. Знание особенностей процесса позволяет обойти многие из существующих проблем управления: 1. Сырьем для установки является смесь тяжелых неф- тей, поэтому поточный анализ состава сырья невозмо- жен. 2. Каталитический крекинг проходит с множеством по- бочных реакций высокомолекулярных и ароматиче- ских углеводородов, затрудняющих выбор технологи- ческого режима для повышения выхода целевых про- дуктов. 3. Хотя активность катализатора является одним из важ- нейших показателей, его очень сложно определить. 4. Скорость коксования змеевиков оказывает решающее воздействие на состав выходов реактора, но предска- зать ее крайне сложно. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 829 5. Критическим параметром установки является давле- ние. Влиянием давления определяются выходы реак- тора, эффективность укрепляющей колонны, выгора- ние кокса, энергопотребление компрессора и т.д. 6. На неопределенность технологических переменных накладываются специфические особенности процесса: - Наличие тяжелого вращающегося оборудования; - Выход реактора представляет собой сложную смесь углеводородов, которая требует сложного анализа; - Питание главной колонны фракционирования на- ходится в перегретом состоянии, и его истинный расход и состав также непросто измерить; - Унос катализатора в виде твердых частиц, и их присутствие в жидких и газовых потоках создает проблемы с отложениями в теплообменниках; - Температурные ограничения, накладываемые кон- струкционными материалами; - Реакционные процессы представляют собой мно- жество экзотермических и эндотермических реак- ций. Следовательно, система управления должна строиться с учетом массового, теплового баланса, и баланса давлений. Технология управления установкой каталитического кре- кинга должна создаваться не только для преодоления всех трудностей, описанных выше, но и для расширения рабочего диапазона и лучшей управляемости с целью: 1. Увеличения производительности установки; 2. Увеличение жесткости крекинга; 3. Уменьшение потребления энергоресурсов; 4. Увеличение степени извлечения целевых продуктов. 12.15. Управление реактором и регенератором Управление расходом сырья. Подача сырья в реактор лимитируется несколькими ограничениями: • Производственное задание; • Давление на всасе компрессора; • Ограничения воздушного компрессора; • Ограничения колонны фракционирования и т.д. 830 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Управление режимом регенератора. Стратегия регенерации катализатора заключается в управлении выжигом кокса с максимизацией активности ката- лизатора и без нарушения физических ограничений регенера- тора. Управление нагрузкой газового компрессора. Эта стратегия заключается в максимизации производи- тельности газового компрессора для снижения давления реак- тора и колонны фракционирования. Это позволяет регулятору перепада давления реактор/регенератор перенести нагрузку на воздушный компрессор. Управление подачей воздуха. Эта стратегия должна минимизировать давление регене- ратора, давая возможность увеличить подачу воздуха на сжи- гание. Это позволит увеличить пропускную способность или поднять конверсию. 12.16. Управление главной колонной фракционирования Цель управления главной колонной фракционирования заключается в разделении продуктов реакции на промежуточ- ные компоненты, которые при дальнейшей переработке пре- вратятся в конечную продукцию. Поскольку сырьем для колонны фракционирования явля- ется перегретый газовый поток, колонна является главным источником рекуперации энергии. Основные принципы работы колонны фракционирования являются общими для всех процессов разделения, но есть су- щественные отличия: 1. Питание колонны и продукты разделения - это слож- ные многокомпонентные смеси, которые гораздо труднее поддаются фракционированию, чем легкие компоненты. 2. Кроме ключевых компонентов разделения, произво- дится множество побочных продуктов и по верху и по кубу колонны. 3. Питание подается снизу колонны в перегретом газооб- разном состоянии, и само по себе является носителем тепловой энергии. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 831 4. Поэтому колонна фракционирования, в отличие от большинства ректификационных колонн, не нуждается во внешних источниках тепловой энергии. 5. Профили скоростей жидких и газовых потоков внутри колонны сильно меняются в силу сложного механизма массообмена и удаления тепла с помощью боковых ребойлеров. 6. Внутренняя конструкция колонны является нетради- ционной, в особенности нижняя часть колонны, в ко- торой присутствует катализатор. 12.17. Эффективность АРС на каталитическом крекинге Поскольку производительность установок каталитическо- го крекинга очень высока, даже незначительное улучшение приводит к существенному экономическому выигрышу. Эффект, полученный на конкретном узле, зависит от эф- фективности работы самого узла и всей установки в целом. Общий результат применения алгоритмов усовершенст- вованного управления и не только на установках каталитиче- ского крекинга, но и на многих других химических, нефтехи- мических и нефтегазоперерабатывающих производствах скла- дывается из следующих преимуществ: • Увеличение производительности установки на 1-10%; • Увеличение выхода целевых продуктов на 5-15%; • Плавный и быстрый перевод установки на новую нагрузку. Время перехода на новую нагрузку сокращается на 20-60%; • Уменьшение потребления энергии и производст- венных затрат на 1-5%; • Увеличение пробега установки за счет точного вы- держивания технологического режима и соблюде- ния всех ограничений до 10%; • Повышение стабильности технологического режи- ма в 1.5 раза; • Увеличение безопасности установки. 832 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка 12.18. Решения в области добычи нефти и газа (по материалам фирмы Honeywell) В данном разделе описаны требования и современные решения по созданию автоматизированного интеллектуально- го месторождения, а также возможности Honeywell по обеспе- чению заказчиков аппаратными средствами и технологиями, отвечающими этим требованиям и реализующими соответст- вующие решения. Современные системы реального времени способны со- бирать множество технологических данных и показателей хо- да производственных процессов, таких как расходы, темпера- тура, давление и т.д. DCS или SCADA системы обеспечивают основу для этих функций. Необходимость в этих системах и уменьшение их стоимости за последние годы определили то, что внедрение и модернизация этих систем стали обязатель- ной частью разработки новых, и развития действующих авто- матизированных месторождений. Автоматика и надзор - местный и дистанционный. Центр управления включает DCS или SCADA систему управ- ления, которая наблюдает за всем оборудованием от скважин и кустов до промыслового пункта подготовки нефти. Honeywell's Digital Video Manager (DVM) позволяет опе- раторам постоянно следить визуально за всеми операциями. DVM интегрирован с Experion PKS и системой безопасности - ЕВ1. Инструменты операторов, такие как беспроводные Tablet PC's также как портативные PC's могут быть использованы операторами для сбора информации в процессе их обходов. Эти приборы могут быть беспроводными, дают полный дос- туп к дисплеям системы управления и обеспечивают связь между производством и командами ремонтников. Honeywell's IntelliTrac и Mobile PKS обеспечивают наи- более широкие возможности. Неизмеряемые величины, такие как ручные установки заслонок, коррозионная инспекция, от- четы по вращающимся механизмам, инструкции операторов могут быть введены и использованы в этих устройствах. Мониторинг потоков. Динамическая модель потоков на сети трубопроводов от скважин, кустов к промысловым пунк- там сбора, дожимным и кустовым насосным станциям (ДНС и КНС) может также использоваться, чтобы дать раннее преду- Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 833 преждение об изменениях в процессе из-за утечек, прорывов воды, остановках скважин и т.п. Технологическая безопасность. Возможность выключе- ния оборудования безопасным образом при нештатных ситуа- циях - обязательная часть хорошей работы оборудования. Система безопасности, называемая Emergency Shutdown Sys- tem (ESD) или Safety Instrumented System (SIS), должна иметь высокую вероятность срабатывания в случае необходимости. Измерения. Измерение добычи требует точности и ком- пенсационных вычислений при обмене потоками между ком- паниями, партнерами. Это еще более важно в местах раздела продукции, областях с несколькими владельцами скважин или кустов. Очень вероятно, что государственные органы хотят иметь записи о продукции для фискальных целей. Во многих случаях фискальные измерения реализуются в автономных системах, с их собственными базами данных, графикой, системами ввода-вывода. Такие системы изолиро- ваны исторически, чтобы сохранять любые изменения отдель- но и быть уверенным в высокой точности компенсационных вычислений. Контроль утечек. Контроль утечек в системе промысло- вых трубопроводов и трубопроводов по перекачке нефти от промыслов пунктов сбора до магистральных трубопроводов представляет собой очень важную задачу. Honeywell предоставляет заказчикам современную аку- стическую систему определения утечек ALDS. ALDS является проверенной на практике технологией обнаружения и опреде- ления положения утечек. ALDS на сегодняшнее время являет- ся единственной системой низкого уровня с подтвержденным временем послужным списком по успешной обработке лож- ных срабатываний, что требуется для полностью автоматиче- ского отключения задвижек трубопроводов. Акустическая система определения утечек (ALDS) разработана для обнару- жения и определения координат утечек в жидкости, газе и для двух фазных течений. Контроль коррозии. Возможности Honeywell включают уникальные измерения уровня коррозии в выбранной точке процесса или трубы. При этом информации становится дос- тупной немедленно. В добыче нефти и газа это значит, что изменения в уровне коррозии на основном оборудовании мо- 27—3110 834 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка гут стать известными немедленно. Это переводит управление коррозией от спорадических проверок оборудования к непре- рывному отслеживанию процесса коррозии. Охрана - устройства, системы, компьютерные реше- ния. Физическая защита стала областью пристального внима- ния за последние несколько лет. Мотивы этого заключаются в необходимости защиты от вмешательства третьей стороны, нежелательного проникновения на объект, предотвращения порчи оборудования, воровства оборудования или подделки. В нефтяной и газовой промышленности удаленное размещение является частью бизнеса, поэтому требуется особое внимание к охране. Удаленность объектов требует использования IT и коммуникационных сетей. Универсальный Центр Управления. Для мониторинга технологических процессов и поддержки принятия решений при управлении нефтегазодобывающими производствами и трубопроводами концерном Honeywell разработан специали- зированный программный пакет Production Control Center (РСС). Будучи по сути интегрирующей средой, РСС позволя- ет объединить различные функциональные приложения в еди- ную информационное пространство, обеспечивающее визуа- лизацию производственных параметров и управление процес- сами одновременно. РСС является оболочкой, предназначен- ной для интеграции не только ряда специализированных при- ложений, но и для совместной работы с другими приложения- ми фирмы Honeywell семейств Business.FLEX (приложения для производственного управления, MES), ProfitPLUS (усо- вершенствованное управление технологическим процессом - АРС) и т.д. Это часто требуется для эффективной работы опе- раторов технологического процесса. Программные средства других поставщиков решений также могут быть интегрированы в РСС. Основные данные и результаты работы этих приложений включаются как в общие отчеты (например, журнал смен операторов), так и в экранные формы (например, экран общего обзора). Средства контроля доступа РСС распространяются и на эти приложения. Приложения РСС. Ниже указаны лишь основные при- ложения Production Control Center, типичные для систем про- изводственного управления нефтегазодобывающими произ- водствами и трубопроводами. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 835 Production Event Analyzer — анализ и отчеты по событиям, сгенерированным системами DCS и системами обеспечения безопасности. Данный инструмент позволяет создавать специ- альные фильтры, позволяющие в значительной мере ускорить поиск требуемой информации, хранящейся в базе данных, что обеспечивает повышение эффективности работы операторов, технологов и инженеров. Safety Module - модуль контроля производственной безо- пасности. Safety Module представляет собой программное средство, позволяющее анализировать в заданные пользовате- лем промежутки времени и отображать значения тэгов, кри- тичных для контроля безопасности производственных процес- сов. Возможна фильтрация по именам и описаниям тэгов, по- иск по различным зонам их ответственности (например, про- цедура останова насосного оборудования) и т.д. Shutdown Analyzer - анализ отключений. Данное про- граммное средство позволяет осуществлять мониторинг и соз- давать отчеты по процедурам полного или частичного отклю- чения оборудования. В его функции входит: • Отслеживание всех активных отключений • Группировка возможных отключений по иерархиче- ским уровням • Поиск и анализ событий, ставших причинами отклю- чений • Диагностика всех сконфигурированных при настройке "ожидаемых эффектов" для каждого уровня отключе- ний • Отслеживание корректности исполнения операций от- ключения и контроль состояний исполнительного обо- рудования Safety Valve Scout - диагностика клапанов безопасности. Позволяет постоянно в оперативном режиме контролировать исправность клапанов, задействованных в процедурах экс- тренных и плановых отключений. Исправность клапанов определяется как соответствие их паспортных и реальных параметров (время отклика, скорость открытия/закрытия и т.п.). Результаты анализа фиксируются в отчетах: текущие параметры клапанов, список неисправных клапанов, частота отказов с разделением по уровням отключе- ний, детальный отчет по каждому клапану и др. 836 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Production Summary Screen - экранная форма контроля производственных показателей. kd* jftew FgvorlW» Ajfcjr»» f^J Mtp lfkZJ-ыt/OAl 1 xwfcfiefr. IB ^ Л a t • af M l l l l l l l l l lillilllllhlllillili DI D5 £>7 ©s об, H2 m lllllllll " ^ Г *J*T K12 ' K1«*«i2" Lt1 L1 L 1 r H5V..P6S, ousters ft QQ Таш PrbtkKiion !«! CxXirs i? hours ?hcmfs l b Local «гагкА Рис. 12.28 Отражает состояние производственных показателей, сконфигурированных в ходе настроек системы. Позволяет контролировать состояние всех производственных процессов и оборудования на одном экране. Trending - средство работы с трендами. Позволяет ото- бражать тренды технологических параметров с использовани- ем цветовой маркировки, изменять масштабы и временные диапазоны и т.п. (рис. 12.29). Operations Monitoring - средство отслеживания исполне- ния производственных процедур. Предназначено в первую очередь для начальников смен операторов и позволяет автори- зованному персоналу создавать отчеты по отклонениям пока- зателей производственных параметров в зоне их ответствен- ности, а также вводить причины этих отклонений. Применение Operations Monitoring позволяет в конце ка- ждой смены осуществлять анализ соответствия выполненных производственных процедур предварительному плану и, при |