УДК 681.3:665.6 Н.И. ФОМИН, М.А. ФОКИН N.I. FOMIN,

УДК 681.3:665.6
Н.И. ФОМИН,
N.I. FOMIN,
М.А. ФОКИН
M.A. FOKIN
АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ
КОЛОННОЙ ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ НА МИНИ-НПЗ
ANALYSIS OF THE CHARACTERISTICS OF DISTILLATION CONTROL
COLUMN PRIMARY OIL PROCESSING
В статье рассматривается вопрос автоматизации первичной переработки нефти (ППН) на миниНПЗ. Основное внимание уделяется установке первичной переработки нефти, как объекту управления. Производится оценка качественных показателей целевых нефтепродуктов на мини-НПЗ, для оптимального управления установкой ППН.
Приведены сведения о верхнем уровне, функционирующего в режиме централизованного управления и
нижнем уровне, обеспечивающего управление технологическим процессом нефтепереработки.
Ключевые слова: мини-НПЗ острое орошение, циркуляционное орошение, ректификационная колонна,
технологический процесс, первичная переработка нефти, нефтепродукты.
The article discusses the automation of primary oil refining (PPN) on the mini-refineries. Focuses on the installation of primary oil refining, as an object of control. Evaluates quality indicators targeted oil mini-refineries for
optimal control setting PPN.
Information is given on the top level of functioning in the mode-balanced, centralized management and lower
level provides control the technological processes of oil refining.
Key words: acute irrigation, irrigation circulation, distillation column, process, primary processing of oil, oil
products.
В цепи технологических процессов ректификации нефти на мини-НПЗ главным является процесс ППН. Качество продуктов ППН во многом определяет уровень техникоэкономических показателей всего нефтеперерабатывающего предприятия. Главной в технологической линии переработки сырой нефти является ректификационная колонна, от которой зависит качество полученных нефтепродуктов.
Технологическая цепочка (рис. 1) включает ряд звеньев, основными из них являются:
колонна К-1, предназначена для предварительного отбензинивания нефти; ректификационная колонна К-2 – для получения широких фракций светлых нефтепродуктов; опарная колонна верхней секции К-3; опарная колонна средней секции К-4.
Сложная колонна К-2 состоит из шести секций и предназначена для разделения частично отбензиненной нефти. Секции 1 и 2 составляют нижнюю простую колонну, секции 3
и 4 среднюю, секции 5 и 6 верхнюю простую колонну. Отпарные секции (стриппинги) средней К-4 и верхней К-3 простых колонн вынесены за пределы основной колонны.
Рисунок 1  Упрощённая технологическая схема
технологической цепочки
Отбензиненная нефть поступает в нижнюю простую колонну К-1, верхний продукт
этой колонны (в паровой фазе) поступает в среднюю простую колонну и т.д. В сложной колонне нефть разделяется на четыре нефтепродукта мазут (нижний нефтепродукт сложной
колонны), дизельное топливо (нижний боковой нефтепродукт), лигроин (верхний боковой
нефтепродукт), и бензин (верхний нефтепродукт сложной колонны).
Установка характеризуется непрерывностью технологического цикла, начиная с поступления нефти и кончая выпуском товарных нефтепродуктов. Звенья установки имеют
много замкнутых и взаимосвязанных материальных потоков. Процессы, протекающие в
большинстве этих звеньев, взаимообусловлены. Таким образом, данное производство является сложным комплексом взаимосвязанных звенья, объединённых в технологические цепочки. Конечная цель функционирования установки - выработка заданного объёма и ассортимента нефтепродуктов - производственно-технологически связана с работой каждого звена. Изменение показателей технологической цепочки вызывает изменение показателей работы звена, улучшая или ухудшая их.
Состояние технологического процесса характеризуется весьма сложной совокупностью показателей. При этом требования к качеству и количеству получаемых целевых продуктов необходимо выполнять в условиях достаточно жёстких ограничений на расход электроэнергии, воды, пара и других реагентов.
В процессе работы установки состав перерабатываемого сырья и его расход изменяются зачастую непредвиденным образом, возмущая нормальное протекание процесса, что
затрудняет управление процессом. Управление установкой усложняется также в результате
того, что в рамках завода она связана с установками каталитического риформинга, каталитического крекинга, коксования и др., являясь для них источником сырья.
С учётом этих особенностей процесса в целях более наглядного представления его как
объекта управления построим технологическую цепочку, исключив взаимосвязь между материальными потоками и условно разделив процесс на динамическую и статическую части.
Выходными параметрами статической части являются количества: бензина (y11 ), лигроина (y21 ) , дизельного топлива (y31 ).
Однако как показали исследования, оптимальное управление установкой ППН невозможно без учёта качественных показателей целевых нефтепродуктов.
В связи с этим согласно установленным нормам по ГОСТу ГОСТ 9965-76 определяются следующие физико-химические характеристики целевых нефтепродуктов: температура
начала кипения бензина, температура кипения 50% бензина, температура конца кипения бензина, температура начала кипения лигроина, температура кипения 50% лигроина, температура конца кипения лигроина, температура вспышки лигроина, температура кипения 50% дизельного топлива, температура конца кипения дизельного топлива, температура начала кипения широкой фракции, температура конца кипения широкой фракции.
В числе указанных характеристик имеются так называемые "горячие точки", поддержание которых на требуемом уровне является достаточным условием получения кондиционных нефтепродуктов. К ним принадлежат: температура конца кипения бензина (ТККБ) - y12 ,
температура начала кипения лигроина (ТНКЛ) - y22 , температура конца кипения лигроина
(ТККЛ) - y23 , температура конца кипения дизельного топлива (ТККДТ) - y32 .
Исходя из приведённых выше рассуждений в качестве выходных параметров статики,
кроме количественных, примем четыре вышеназванные качественные характеристики.
Эффективное управление этими выходами возможно варьированием:

для y11 и y12 температурами верха колонн K-1 и верхней секции верхней простой
колонны К-2: TBK-1 (x1 ) , ТВС-5 (x2 );

для y12 и y21 температурами верхней секции верхней простой колонны К-2 и
нижней секции верхней простой колонны К-3: TBС-6 (x5 );

для y21 и y22 температуры нижней секции верхней простой колонны К-3 и верхней секции средней простой колонны К-2: TBС-3 (x3 );

для y21 и y23 температуры верхней и нижней секции средней простой колонны
К-2;

для y31 и y32 температуры верхней и нижней секции средней простой колонны
К-2: TBС-1 (x4 ), TBС-4 (x6 ).
Нормальная работа технологической цепочки обеспечиваются путём регулирования
режимных температур – отводом тепла в концентрационной и подводом тепла в отгонной
секциях колонн, а также нагревом сырья до оптимальной температуры.
Острое орошение, этот способ отвода тепла вверху колонны. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе-холодильнике и поступает
в ёмкость или сепаратор, откуда часть ректификата насосом подаётся обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводиться как целевой продукт.
Циркуляционное орошение, вариант отвода тепла используется широко не только для
регулирования температуры наверху, но и в средних сечениях сложных колонн. Для создания циркуляционного орошения с некоторой тарелки колонны выводят часть флегмы, охлаждают в теплообменнике, в котором она отдаёт тепло исходному сырью, после
чего насосом возвращают на вышележащую тарелку [1].
Циркуляционное орошение часто сочетают с острым орошением. Так, сложная колонна атмосферной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и по высоте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Последние располагаются обычно под
отбором бокового погона или используют отбор бокового погона для создания циркуляционного орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной
секции. В концентрационной секции сложных колонн вакуумной перегонки мазута отвод
тепла осуществляется посредством циркуляционного орошения.
В свою очередь, стабилизация этих режимных температур (являющихся выходами
динамики процесса) осуществляется острое орошения и циркуляционное орошения.
k−1

x1 - по каналу расхода острого орошения (ОО) в колонну K-1 (GОО
) − u1 ;

x2 - по каналу 1 расхода циркуляционного орошения (ЦО) в колонну К-2
k−2
(G1ЦО
) − u2 ;
k−2

x3 - по каналу 2 расхода ЦО в колонну К-2 (G2ЦО
) − u3 ;
k−2

x4 - по каналу 3 расхода ОО в колонну К-2 (G3ОО
) − u4 ;
k−2

x5 - по каналу 4 расхода ЦО в колонну К-2 (G4ЦО ) − u5 ;
k−2

x6 - по каналу 5 расхода ОО в колонну К-2 (G5ОО
) − u6 .
Таким образом, управляющими входами динамики является:
u1 , u2 , u3 , u4 , u5 , u6 .
Из числа входных параметров выделим возмущающие воздействия, под которыми будем понимать координаты, управление с помощью которых или невозможно вообще, или
нецелесообразно по определённым причинам.
В зависимости от того, поддаются или нет возмущения измерению или контролю,
подразделим их на контролируемые и неконтролируемые.
К числу основных контролируемых внешних возмущений для колонны K-1 отнесём
расход сырой нефти [f̃1 (GC1 ), f̃2 (GC2 )], для колонны К-2 - расход отбензиненной нефти
f̃2 (GОТБ.Н. ).
Структурная схема технологической цепочки как объекта управления представлена на
рис. 2 (сплошными стрелками указано непосредственное влияние входных параметров на
показатели выходных параметров процесса, пунктирными - косвенное влияние).
Рисунок 2  Структурная схема объекта управления
Изменение расхода нефти связано с нестабильностью поставок её на установку - так
называемыми плановыми ограничениями; изменение расходов других потоков, упомянутых
выше, объясняется нестабильностью работы сырьевых насосов и изменениями гидравлического сопротивления трубопроводов. Изменения расходов указанных входных потоков колонн существенно сказываются на динамических свойствах систем управления. Например,
увеличение расхода сырья приводит к снижению температуры его нагрева, повышению
уровня в колонне, что в свою очередь резко изменяет профиль температур по всей колонне и,
следовательно, приводит к нежелательным переходным процессам.
В результате проведённого анализа управления ректификационной колонной были
достигнуты следующие результаты:

получена схема технологической цепочки ППН на мини-НПЗ;

установлены выходные параметры статической части, «горячие точки», выходными параметрами динамической части, основные контролируемые внешние возмущения;

сформирована на основе полученных данных структурная схема технологической цепочки как объекта управления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
А. А. Гречухина, А.А. Елпидинский, А.Е. Пантелеева, Совершенствование работы установок подготовки нефти – Казань: Изд-во Казан. Гос. технол. института, 2008. –
120 с.
Фомин Николай Иванович
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орёл
Аспирант кафедры «Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность»
Тел. +7 (953) 610-63-47
E-mail: [email protected]
Фокин Михаил Александрович
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орёл
Аспирант, ассистент кафедры «Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность»
Тел.: +7(4862) 45-57-57
E-mail: [email protected]