Оразбаева К.Н.

Атырауский институт нефти и газа

Системное моделирование комплекса технологических агрегатов нефтегазового производства в условиях неопределенности

Многие производственные объекты, в т.ч. объекты нефтегазового производства (технологическое оборудование добычи и транспортировки, технологические установки переработки и др.) представляют собой сложную систему, состоящей из взаимосвязанных подсистем и элементов. Исследование и решение проблем системного моделирования комплекса взаимосвязанных агрегатов технологической системы в условиях дефицита, неопределенности и нечеткости исходной ин6формации является актуальной задачей нефтегазового производства.

В условиях неопределенности, связанные дефицитом исходной информации, предлагаются применить вероятностные методы моделирования или методы имитационного моделирования [1]. Однако, применение этих методов неоправданно, если неопределенность связана с нечеткостью исходной информации, которая часто бывают в реальных производственных условиях. В этих условиях статистическая (количественная) информация отсутствуют или недостаточна, а аксиомы теории вероятностей (статистическая устойчивость объекта исследования, повторяемость экспериментов при одинаковых условиях и т.д.) не выполняются. Иногда доступной информацией является только нечеткая (качественная, содержательная, словесная) информация, представляющая собой знания (опыт, интуиция, суждения) человека - ЛПР, производственного персонала, специалиста-эксперта. При компетентности этих источников информации и при правильной организации опроса их, сбора и обработки такой нечеткой информации на ее базе можно построить модели, в которых учитываются все сложные взаимосвязи различных параметров и переменных производственного объекта. Полученные модели могут быть более содержательны, чем модели, разрабатываемые традиционными методами, и самое главное, адекватно описать реальные производственные объекты и задачи [2].

Рассмотрим предлагаемой в данной работе методику разработки системы моделей взаимосвязанных технологических агрегатов на примере разработки пакета моделей технологических агрегатов установки каталитического риформинга (УКР) Атырауского нефтеперерабатывающего завода. УКР является сложным объектом, состоящим из взаимосвязанных блоков и их системы агрегатов, на которые одновременно воздействует большое число различных параметров. К основным агрегатам УКР относятся реактора (гидроочистки Р-1; риформинга Р-2,3,4 и 4а), колонны (отпарные К-1,К-4; абсорберы К-2,3,5,6; стабилизационная К-7), печи (П-101,П-1;П-2,3), сепараторы, теплообменники и др.

Эти агрегаты и множество других аппаратов сильно взаимосвязаны между собой и изменения режимных параметров одного из них приводит к изменению параметров других, что влияют на процесс. В связи с этим, для оптимизации и управления процессом риформинга в рациональном режиме необходимо иметь связанные математические модели основных агрегатов установки, составленные на основе системного подхода, с учетом влияния технологических параметров на каждый агрегат, на промежуточные и конечные продукты, и на работу установки в целом [3-4].

Модели каждого объекта в системе могут быть построены с применением различных подходов и методов (аналитические, экспериментально-статистические, нечеткие, комбинированные), т.е. можно получить набор моделей для каждого агрегата УКР, например детерминированные, статистические, нечеткие, комбинированные. Для объединения таких моделей различных агрегатов УКР в пакет (систему) моделей с целью системного моделирования и оптимизации установки в целом, необходимо произвести анализ достоинств и недостаток каждой модели, которой возможно построить, выработать критерии выбора моделей по себестоимости, по назначению, по точности и т.д., а также определить принципы объединения моделей.

С этой целью нами проведен анализ различных типов моделей основных агрегатов УКР. На основе результатов исследований специфики процесса и агрегатов УКР данных экспериментов и экспертного спроса осуществлена оценка возможных типов моделей каждого агрегата установки. Результат этого анализа (оценка моделей) оформлен в виде таблицы 1. Для оценки (ранжирования) типы моделей использована пятибалльная шкала.

В качестве основных критериев сравнения различных типов моделей, по которым они оцениваются, выделены следующие: доступность необходимой информации для построения модели соответствующего типа, стоимость разработки (трудность разработки модели), точность модели, применимость этих моделей по назначению (в нашем случае для многокритериальной оптимизации по экономико-экологическим показателям в условиях неопределенности и применение системе поддержки принятия решений) и возможность объединения модели данного вида в единый пакет с целью системного моделирования установки в целом.

Таблица 1 отражает оценки для каждого типа модели основных агрегатов УКР, полученные на основе обработки результатов проведенного анализа. На основе информации приведенной в указанной таблице осуществлен многокритериальный выбор типа моделей агрегатов установки по выбранным критериям.

Результаты исследования работы системы агрегатов УКР и возможного набора их моделей показывают, что из-за сложности агрегатов, трудности изучения протекающих в них процессов и невозможности получения достоверных данных, построение детерминированных моделей для основных агрегатов (реактора, колонны, печи) практически невозможно. Для теплообменников построения моделей такого вида по критериям сравнения выше чем остальные, т.е для них целесообразно разработать детерминированные модели.

Таблица 2 - Анализ типов моделей агрегатов УКР.

№ п/п	Агрегаты УКР (основные)	Критерий	Виды моделей
			Детермированные	Статисти- чесские	Нечеткие	Комбини- ронные
1.1	Реактора (Р-1,2,3,4,4а)	Доступность необходимой информации	3	4.5	4.5	5
1.2		Стоимость разработки	2	4.5	3.5	3
1.3		Точность	4.5	3	3.5	4
1.4		Применимость по назначению	3.5	4	3.5	5
1.5		Возможность объединения в пакет	4	3.5	3.5	4
2.1	Колонны (К-1,4; К-2,3,5,6; К-7)	Доступность необходимой информации	3.5	4	4.5	5
2.2		Стоимость разработки	2,5	4	4	3.5
2.3		Точность	4.5	3.5	3.5	4.5
2.4		Применимость по назначению	3	4	4	5
2.5		Возможность объединения в пакет	4.5	4	4	4.5
3.1	Печи (П-101,П-1; П-2,3)	Доступность необходимой информации	4	5	4.5	4
3.2		Стоимость разработки	3	5	4	4
3.3		Точность	4.5	4,5	3.5	4
3.4		Применимость по назначению	4	4	4	4
3.5		Возможность объединения в пакет	4	4.5	4	4
4.1	Сепараторы (С-1-9)	Доступность необходимой информации	4.5	5	4	4,5
4.2		Стоимость разработки	3	5	4.5	4
4.3		Точность	4,5	4,5	3.5	4
4.4		Применимость по назначению	4	4,5	4	4.5
4.5		Возможность объединения в пакет	3.5	4	3.5	4
5.1	Тепло- обменники (Т;Х)	Доступность необходимой информации	4.5	4	4	4.5
5.2		Стоимость разработки	5	4.5	4	4
5.3		Точность	5	4	4	4.5
5.4		Применимость по назначению	4.5	4.5	4	4.5
5.5		Возможность объединения в пакет	4.5	4	4	4

Примечание: Оценка (ранжирование) по балльной шкале (1-5), где 1-самая низкая оценка; 5-самая высокая оценка.

Статистические (стохастические) модели перечисленных агрегатов УКР относительно легко строятся, удобны для объединения их в единую систему модели и пригодны для решения задач оптимизации установки. По результатам проведенного исследования можно сделать вывод, что для печей и сепараторов целесообразно построить статистические модели.

Однако, в существующей УКР Атырауского НПЗ сбор достоверной статистической информации для построения регрессионных моделей реакторов и колонн усложнено отсутствием или нехваткой специальных промышленных приборов и низкой надежностью имеющихся средств. В связи с этим, как более эффективные средства, дополняющие недостающие данные на основе качественной информации (знаний специалистов), выбраны методы теории нечетких множеств и экспертных оценок [2-5]. Точность получаемых нечетких или комбинированных моделей (основная часть информации также нечеткие) меньше чем у предыдущих моделей, но вполне достаточна для моделирования с целью оптимизации процесса риформинга.

При разработке моделей технологических агрегатов, которые входят в состав единой технологической установки, часто применяются подход декомпозиции, по которому модели отдельных подсистем и элементов строятся в отдельности, причем часто не учитываются вопрос дальнейшего объединения полученных моделей в единую систему. Такое частное (локальное) решение вопроса, не дает конечного желаемого эффекта и положительного результата. Моделирование и оптимизация отдельного агрегата технологического комплекса в полном смысле невозможно, так как, работа этого агрегата связана с работами остальных агрегатов комплекса.

Поэтому для полного решения проблем моделирования и оптимизации комплекса технологических агрегатов, какими являются УКР необходимо создать пакет моделей установки с учетом взаимосвязей между агрегатов, т.е. выход одних моделей могут быть входами других, а вход этих моделей могут являться выходами других. В состав пакета моделей входят также уравнения связи между отдельными моделями различных агрегатов. С применение такого пакета моделей можно осуществлять системное моделирование технологического комплекса, т.е. взаимосвязанных технологических агрегатов в целом и найти оптимальные режимы работы установки. В результате системного моделирования технологического комплекса можно выявить «узкие места» установки, решение которые позволить на много увеличить мощность и производительность технологической системы и процесса.

Объединение отдельных моделей агрегатов в систему производится в соответствии с протеканием технологического процесса на установке. При этом выходы одной модели (результаты расчета) являются входами другой. Например, в блоке гидроочистки результаты моделирования реактора (Р-1), являются исходными данными (входами) для моделирования теплообменников Т-1-3, результаты моделирования этих теплообменников являются входными данными для моделирования и оптимизации печи гидроочистки П-101, а часть выходных результатов моделей П-101, являются исходными данными для реактора Р-1, аналогично в блоке риформинга, выходы моделей реактора Р-2 являются входами для модели реактора Р-3, а результаты моделирования этого реактора являются исходными данными для моделирования реакторов Р-4,4а, далее продолжается цепочка К-6®П-2®К-7, откуда снимается готовый продукт. Таким образом, к основным критериям выбора типов моделей агрегатов кроме требуемой точности и эффективности их применения в компьютерных системах моделирования и оптимизации, относятся и простота их объединения в систему, т.е. взаимное соответствие выходных и входных переменных связанных между собой моделей.

Оптимальные режимные параметры различного оборудования УКР не могут быть определены в общем случае априорно, поскольку могут меняться параметры, влияющие на процесс, а также могут изменяться требования к получаемым продуктам. С этой точки зрения большим преимуществом обладает моделирование, оптимизация и управление процессом риформинга с помощью компьютерных систем в диалоговом режиме. Для системного моделирования установки в режиме диалога необходимо располагать достаточно простой математической моделью основных агрегатов. Это связано с тем, что затраты машинного времени на моделирование должны быть по возможности минимизированы, поскольку любой алгоритм оптимизации многократно обращается к подпрограмме моделирования, а время отклика системы управления для выдачи рекомендаций по управлению также должны быть малым. Поэтому при построении моделей УКР, как наиболее приемлемый подход, в данной работе предложена новая методика, согласно которой сначала по результатам исследований каждого агрегата и на основе собранных данных строится модель этого агрегата. Затем эти модели, с целью описания процесса в целом, объединяются в единую систему (пакет) моделей.

Литература:

1. Валеев С.Г. Регрессионное моделирование при обработке наблюдений. –М.: Наука: 1991.

2. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. –М.: Радио и связь, 1982.

3. Сериков Ф.Т., Оразбаева К.Н. Методы разработки экономико-математических моделей технологических объектов нефтепереработки в условиях неопределенности// Научный журнал Министерства образования и науки РК. Поиск, №2 – 2005. – С. 224-229.

4. Оразбаев Б.Б., Кудайкулов А.К. Методы моделирования и оптимизации параметров сложных объектов в нечеткой среде//Известия Министерства науки – АН РК, серия физико-математическая, 1996, №1. –С. 45-49.

5. Оразбаев Б.Б., Сериков Ф.Т. Моделирование и оптимизация экономико-экологических систем (на примере объектов нефтегазовой отрасли). –Алматы: Гылым, 2002.