ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Малышкин А. Б.¹

¹ORCID: 0000-0001-5902-4769, младший научный сотрудник, ООО «ВНИИОС-наука»

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Аннотация

В статье рассматриваются проблемы, возникающие при управлении процессом производства олефинов, которые являются основным строительным материалом в современной нефтехимической индустрии. Проведен анализ таких важнейших технологических процессов производства этилена как пиролиз и гидрирование этан-этиленовой фракции. Выявлены основные негативные факторы, влияющие на качество производимого целевого продукта. Отмечен низкий уровень автоматизации при гидрировании ацетилена в этан-этиленовой фракции. Предложены основные пути решения проблемы по автоматизации основных технологических процессов нефтехимической промышленности.

Ключевые слова: автоматизация, автоматизированная система управления, селективное гидрирование, этилен, ацетилен, водород, катализатор, реактор.

Malyshkin A. B.¹

¹ORCID: 0000-0001-5902-4769, research assistant, LLC «VNIIOS–science»

PROBLEMS AND PROSPECTIVES  TECHNOLOGICAL  PROCESS AUTOMATION AT PETROCHEMICAL PLANTS

Abstract

This article considers problems, which happen with control system automation of olefins production process, because olefins are the main construction material in modern petrochemical industry. There is conducted analysis of such an important technological processes such as pyrolysis and hydrogenation ethane-ethylene fraction in ethylene manufacturing. Find out main negative factors, which influences on quality of the final product. Low level of the automation is observed in acetylene hydrogenation process in ethane-ethylene fraction. Main ways for the problem solution are offered for automation of the main technological processes in petrochemical industries.

Keywords: automation, automated control system (ACS), selective hydrogenation, ethylene, acetylene, hydrogen, catalyst, reactor.

Нефтехимическая промышленность одна из важнейших отраслей, продуктами которой мы пользуемся почти что ежеминутно, каждый пятый предмет, окружающий нас, произведен именно благодаря этой индустрии. Также, нефтехимия является одной из важнейших статей пополнения бюджета, наряду с добычей и экспортом нефти заграницу, при этом, чем глубже переработка нефтехимического сырья, тем выше стоимость полученного продукта. Целевыми продуктами нефтехимических комбинатов являются – олефины, яркие представители которых – этилен (С₂Н₄), пропилен (С₃Н₆) и их производные полиолефины.

Сначала, нефтегазовыми компаниями добываются природные углеводороды, такие как: нефть, природный газ и попутный нефтяной газ, а затем перерабатываются нефтеперерабатывающими и газоперерабатывающими комплексами, где из них получают три основных вида сырья для дальнейшей переработки такие как:

1. Прямогонный бензин с нефтеперерабатывающих заводов;
2. ШФЛУ (широкая фракция легких углеводородов) получаемая газоперерабатывающими заводами;
3. Этан – ценное нефтехимическое сырье для нефтехимиков, содержащийся в природном газе.

Полученное в результате переработки сырье в различных пропорциях подвергают высокотемпературному пиролизу, благодаря которому, при разложении, образуются этилен и пропилен. Ценность этих продуктов обусловлена тем, что на земле их практически нельзя найти, и они имеют двойную углерод-углеродную связь, благодаря которой могут вступать практически во все реакции, образуя длинные углеродные цепочки. Но, первостепенным целевым продуктом нефтехимических комбинатов является – этилен.

Производство олефинов в России происходит исключительно пиролизом перспективных видов сырья, при разложении которых выход этилена варьируется от 25 до 50% масс.

Наибольшее внимание в процессе ведения пиролиза уделяется технологическим параметрам таким, как температура разложения сырья, разбавление его паром и время пребывания в печи пиролиза.

Процесс пиролиза можно разбить на две стадии. На первой стадии происходит образование таких продуктов, как метан, водород, этилен, этан, пропилен и т.д. Во время второй стадии образуются химические вещества такие, как диолефины, бензол, ацетилен, тяжелые смолы пиролиза, кокс, с участием уже образовавшихся продуктов при первой стадии.

Температура разложения – самый важный параметр, так как она в первую очередь определяет степень превращения исходных веществ по реакциям, которые протекают в процессе пиролиза, а также определят степень разложения исходного вещества.

Технология разбавления сырья паром в свою очередь также определяет состав продуктов на выходе из печи пиролиза. Это обусловлено снижением парциального давления углеводородов, что позволяет увеличить выход низших олефинов и уменьшить скорость образования ароматических углеводородов, а также снизить коксообразование в змеевиках.

Таким образом, благодаря температуре разложения, степени разбавления сырья паром, а также времени его пребывания в печи, можно повысить жесткость пиролиза и соответственно увеличить выход этилена без снижения селективности процесса.

Получение этилена не заканчивается процессом пиролиза, который в свою очередь только начало длинной производственной цепочки, за которым следует охлаждение полученных в процессе пиролиза смесь газов (пирогаз), их сжатие в многоступенчатых компрессорах, выделение водородсодержащего газа, низкотемпературная ректификация с выделением фракции углеводородов С₂ (фракция С₂ – этан-этиленовая фракция), узел гидрирования ацетилена в этан-этиленовой фракции и последующее её разделение с получением этилена.

Гидрирование ацетилена в этан-этиленовой фракции является наиважнейшим процессом после пиролиза [1], в процессе которого, этилен очищается от ацетилена с целью получения продукта полимерной чистоты для процесса полимеризации.

Количество ацетилена на выходе из реактора регламентируется ГОСТ 25070-2013 и не должно превышать более 0,0001% об., в противном случае недогидрированный полупродукт будет сжигаться на факеле как брак и предприятие понесет колоссальные убытки, так как такой этилен с превышенной концентрацией по ацетилену нельзя подвергнуть последующей полимеризации, в процессе которой получаются полимеры. Именно поэтому автоматизации этого процесса необходимо уделить особое внимание, применяя современные методы проектирования, оценки и контроля эффективности автоматизируемых процессов [2-5].

Этан-этиленовая фракция, полученная на установке газоразделения, предварительно нагревается в паровом теплообменнике, а также в теплообменнике обратных потоков уже прогидрированной этан-этиленовой фракцией, а затем смешивается с водородсодержащим газом и подается в адиабатические или изотермические реакторы селективного гидрирования ацетилена во фракции С₂ (рис. 1).

Реактор гидрирования состоит из нескольких слоев, количество которых зависит от количества ацетилена, образованного во время пиролиза. Перед каждым слоем, температура этан-этиленовой фракции регулируется в теплообменниках, после чего её смешивают с водородом, и подают в реакторные слои. Затем прогидрированная фракция, после последнего слоя, охлажденная в теплообменнике обратных потоков, осушается и подается в колонну отмывки этан-этиленовой фракции от «зеленого масла» уже очищенным от ацетилена этиленом, либо в емкость, где оно отслаивается от этан-этиленовой фракции.

Рис. 1 - Принципиальная технологическая схема гидрирования ацетилена

В процессе гидрирования, оператору установки приходится вручную изменять режимы работы, регулируя подачу водорода и температуры, постепенно увеличивая значения по водороду и температуре, так как катализатор теряет свои свойства, из-за того, что его поверхность покрывается коксом, снижая его активность и селективность. При этом очень высока вероятность ошибки при неправильных действиях оператора, так называемый человеческий фактор, что очень часто приводит к потерям производительности, срыву реакции, но и к сожалению в химической промышленности достаточно часто возникают чрезвычайные ситуации с пожарами или даже взрывами установок, что приводит к человеческим жертвам.

Как правило, техногенные катастрофы связаны именно с человеческим фактором, ошибками при управлении химическими реакциями на катализаторных системах. В большинстве случаях при управлении химическими процессами оператор не в состоянии воспринять поток информации одновременно проступающей от десятков датчиков реактора и приборов аналитического контроля, из-за чего очень часто процесс управления осуществляется некорректно, что ведет к потерям сырья и снижение производительности установок и энергетическим затратам.

Так как основной задачей оператора является полное удаление ацетилена, из-за отсутствия интеллектуальной системы управления (эффективных программных продуктов) для управления процессом, как правило в систему подается избыточное количество водородсодержащего газа и устанавливаются завышенные температуры для гарантированного обеспечения гидрирования при колебаниях качества фракции С₂ и нагрузки на реактор по сырью.

Из-за того, что в реактор подается избыточное количество водорода, и работа установки ведется на повышенных температурах, то параллельно с целевой реакцией происходят побочные реакции перегидрирования этилена в этан, образование побочного масла и рост перепада давления.

К сожалению, на Российских предприятиях не используется в полной мере системы автоматизированного управления. В настоящее время существует два типа элементарных систем управления.

Первый тип управления – управление дозировкой гидрирующего газа по нагрузке.

Второй тип управления – управление дозировкой гидрирующего газа по концентрациям гидрируемой молекулы ацетилена на выходе из реактора.

Обе эти системы используют жесткую логику без учета концентраций химических элементов на входе в реактор. Ни одна из существующих систем управления не имеет возможности управления температурой и соответственно кинетикой химического процесса и энергией активации химических реакций.

При недостатке энергии, подводимой в систему, происходит затухание целевых химических реакций, а при избытке энергии, то есть при повышенных температурах ведения процесса, происходит активация побочных реакций, в том числе разгон неконтролируемой цепной реакции гидрирования и крекинга углеводородов, с неконтролируемым выделением тепла и активацией пирофорных процессов.

Для комплексного решения выше указанных проблем, требуется разработка интеллектуальных систем автоматизированного управления, способных анализировать поток информаций и осуществлять полноценные управляющие воздействия, как подача гидрирующего газа, так и автоматизированное управление энергией реакции. Такие системы управления позволят исключить человеческий фактор.

В этой связи можно наметить несколько возможных вариантов развития систем автоматизации на предприятиях нефтехимической промышленности.

В первом варианте для относительно простых способов переработки сырья рекомендуется использовать комплексную систему с введением автоматизированного контроля всех входных и выходных технологических параметров, объединенных в SCADA систему [6, 7].

В некоторых случаях будет очень полезной как дополнение или как самостоятельная (второй вариант) подсистема имитационного моделирования [8] и подсистема оценка степени межуровневого взаимодействия информационных потоков предприятия [9].

В третьем варианте предлагается система, основанная на прогнозировании последствий действий оператора [10]. В её основу могут быть положены как математические [11], так и экспериментальные зависимости, описывающие динамику технологического оборудования [12], взаимосвязь входных и выходных технологических параметров с учетом фактора времени и вероятности наступления события [13, 14]. Достоинством такой системы является разделение реального и виртуального времени, в результате которого автоматизированная система может «заглянуть» за пределы реально происходящих событий и виртуально оценить последствия действий оператора или самой системы управления.

Литература

1. Муллахметов А.Г. Гидрирование ацетилена в этан-этиленовой фракции на новом палладиевом катализаторе: автореф. дис. канд. техн. наук. Казань: Изд-во КГТУ, 2000. 18 с.
2. Холопов В.А., Голубцов И.Н. Классификация автоматизированных производств для определения уровня и метода их автоматизации // Ползуновский вестник. 2012. № 1. С. 315-317.
3. Курнасов Е.В., Тен В.Э. Алгоритмы анализа и контроля эффективности автоматизированных технологических процессов // Автоматизация и современные технологии. 2014. № 12. С. 21–25.
4. Курнасов Е.В. Оценка эффективности автоматизированного технологического процесса с учётом его декомпозиции и синтеза подпроцессов // Автоматизация. Современные технологии. 2016. № 4. С. 31–35.
5. Холопов В.А., Ладынин А.И. Анализ структур АСУТП по отношению к типам производства // Промышленные АСУ и контроллеры. 2015. № 6. С. 7-11.
6. Kurnasov E.V. Object attachment of devices in SCADA systems // Russian Engineering Research. 2013. Т. 33. № 3. С. 152–155.
7. Курнасов Е.В. Метод ситуативного изменения поведения объектов АСУТП в пользовательских интерфейсах SCADA-систем // Автоматизация и современные технологии. 2014. № 4. С. 20–28.
8. Кушнир А.П. Имитационное моделирование прохождения твердого тела через преграду // Вестник МГТУ МИРЭА. 2015. Т. 2. № 4 (9). С. 116-126.
9. Курнасов Е.В. Оценка степени межуровневого взаимодействия информационных потоков производственного предприятия с MES-системой // Сборка в машиностроении и приборостроении. 2012. № 3. С. 3–5.
10. Албагачиев А.Ю., Кушнир А.П. Прогнозирование результатов измерения инерционных параметров на основе математического моделирования // Приборы. 2012. № 9. С. 24-28.
11. Кушнир А.П. Моделирование течения вокруг вращающегося диска // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2010. № 7. С. 3-8.
12. Кушнир А.П. Моделирование процесса разгона асинхронного привода при переменной нагрузке // Вестник Московского государственного университета приборостроения и информатики. Серия: Приборостроение и информационные технологии. 2011. № 32. С. 21-27.
13. Албагачиев А.Ю., Кушнир А.П. Вероятностная оценка точности изготовления // В сборнике: Научные труды IV Международной научной конференции “Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении” 2015. С. 27-30.
14. Холопов В.А., Павлов Н.Г. Проблемы конфигурирования компонентов автоматизированной системы управления технологическим процессом // Вестник Московского государственного университета приборостроения и информатики. Серия: Машиностроение. 2012. № 43. С. 27-31.

References

1. Mullahmetov A.G. Gidrirovanie acetilena v jetan-jetilenovoj frakcii na novom palladievom katalizatore: avtoref. dis. kand. tehn. nauk. Kazan': Izd-vo KGTU, 2000. 18 s.
2. Holopov V.A., Golubcov I.N. Klassifikacija avtomatizirovannyh proizvodstv dlja opredelenija urovnja i metoda ih avtomatizacii // Polzunovskij vestnik. 2012. № 1. S. 315-317.
3. Kurnasov E.V., Ten V.Je. Algoritmy analiza i kontrolja jeffektivnosti avtomatizirovannyh tehnologicheskih processov // Avtomatizacija i sovremennye tehnologii. 2014. № 12. S. 21–25.
4. Kurnasov E.V. Ocenka jeffektivnosti avtomatizirovannogo tehnologicheskogo processa s uchjotom ego dekompozicii i sinteza podprocessov // Avtomatizacija. Sovremennye tehnologii. 2016. № 4. S. 31–35.
5. Holopov V.A., Ladynin A.I. Analiz struktur ASUTP po otnosheniju k tipam proizvodstva // Promyshlennye ASU i kontrollery. 2015. № 6. S. 7-11.
6. Kurnasov E.V. Object attachment of devices in SCADA systems // Russian Engineering Research. 2013. Т. 33. № 3. С. 152–155.
7. Kurnasov E.V. Metod situativnogo izmenenija povedenija ob#ektov ASUTP v pol'zovatel'skih interfejsah SCADA-sistem // Avtomatizacija i sovremennye tehnologii. 2014. № 4. S. 20–28.
8. Kushnir A.P. Imitacionnoe modelirovanie prohozhdenija tverdogo tela cherez pregradu // Vestnik MGTU MIRJeA. 2015. T. 2. № 4 (9). S. 116-126.
9. Kurnasov E.V. Ocenka stepeni mezhurovnevogo vzaimodejstvija informacionnyh potokov proizvodstvennogo predprijatija s MES-sistemoj // Sborka v mashinostroenii i priborostroenii. 2012. № 3. S. 3–5.
10. Albagachiev A.Ju., Kushnir A.P. Prognozirovanie rezul'tatov izmerenija inercionnyh parametrov na osnove matematicheskogo modelirovanija // Pribory. 2012. № 9. S. 24-28.
11. Kushnir A.P. Modelirovanie techenija vokrug vrashhajushhegosja diska // Trenie i smazka v mashinah i mehanizmah. 2010. № 7. S. 3-8.
12. Kushnir A.P. Modelirovanie processa razgona asinhronnogo privoda pri peremennoj nagruzke // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta priborostroenija i informatiki. Serija: Priborostroenie i informacionnye tehnologii. 2011. № 32. S. 21-27.
13. Albagachiev A.Ju., Kushnir A.P. Verojatnostnaja ocenka tochnosti izgotovlenija // V sbornike: Nauchnye trudy IV Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii “Fundamental'nye issledovanija i innovacionnye tehnologii v mashinostroenii” 2015. S. 27-30.
14. Holopov V.A., Pavlov N.G. Problemy konfigurirovanija komponentov avtomatizirovannoj sistemy upravlenija tehnologicheskim processom // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta priborostroenija i informatiki. Serija: Mashinostroenie. 2012. № 43. S. 27-31.