Инновационное развитие промышленного нефтехимического производства с использованием информационных технологий и моделирования

Особенностью совершенствования современных рыночных отношений как на государственном, так и на мировом уровне является инновационное развитие предприятия или организации, независимо от размера и специфики направленности функциональной деятельности.

Реализация инновационных проектов выступает основополагающим фактором роста эффективности и конкурентоспособности промышленных производств [1], в том числе и нефтеперерабатывающей отрасли.

В соответствии с международными стандартами инновация (нововведение) определяется как конечный результат инновационной деятельности , получивший воплощение в виде нового или усовершенствованного продукта, внедренного на рынке, нового или усовершенствованного технологического процесса, используемого в практической деятельности. Непременными свойствами инновации являются: 1) научно-техническая новизна; 2) производственная применимость; 3) коммерческая реализуемость [2].

Для обеспечения конкурентоспособности продукции российских компаний необходимы определенные условия для их производства и успешного внедрения на рынок инноваций. Одним из таких важных условий является применение современных компьютерных, информационных и маркетинговых технологий.

Оценивая главные направления развития инноваций в России, можно выделить: создание спроса на инновации со стороны производителей и со стороны конечных потребителей; решение технических, экономических, инвестиционных и других задач [3].

Основными тенденциями инновационного развития современных производств являются [4]:

• 1)    переход от дискретных (циклических) технологий к непрерывным (поточным) производственным процессам как наиболее эффективным и экономичным;

• 2)    внедрение замкнутых (безотходных) технологических циклов в составе производства как наиболее экологически нейтральных;

• 3)    повышение наукоемкости «высоких» технологий как наиболее приоритетных в бизнесе.

Для оперативного и эффективного решения производственных задач и проблем перспективными являются разработка и использование различной структуры информационно-моделирующих систем (ИМС), информационно-управляющих систем (ИУС) сложных технологических процессов или, иначе, компьютерных систем принятия решений (КСПР).

Такие информационные системы базируются на методах математического моделирования и искусственного интеллекта и предназначены для моделирования и компьютеризации производства с целью изучения сложного объекта в целом, вместе со всей совокупностью его внутренних и внешних связей. ИМС позволяют проводить вычислительные (компьютерные) эксперименты на моделях для анализа возможных ситуаций при изменении параметров ведения процесса, даже в условиях, когда реальные эксперименты затруднены или невозможны, или могут привести к разрушению оборудования [5].

КСПР должна помогать пользователю на всех этапах процесса принятия решений: производить мониторинг ситуации, определять проблему и выполнять планирование различных сценариев ее решения, выбирать оптимальный вариант из нескольких альтернативных. В соответствии с этими целями основными подсистемами КСПР являются [6]:

• 1)    информационный блок, содержащий базы данных и базы знаний об объекте управления, внешних воздействиях, стратегиях и правилах ведения хозяйства;

• 2)    модельный блок (математическая модель или ряд моделей);

• 3)    оптимизационный блок (экономико-математическая модель);

Раздел 2. Прикладные исследования социально-экономических процессов

• 4)    блок визуализации и интерфейса человека с компьютерной системой.

В данной работе представляется компьютерная информационно-моделирующая система основного узла процесса пиролиза углеводородов , основанная на детерминированных математических моделях пиролизных трубчатых печей со змеевиками разной конструкции, в виде реакторов идеального вытеснения [7].

Термический пиролиз – это процесс разложения углеводородов (УВ), протекающий в трубчатых печах при высоких температурах (700– 900 ° С) с добавлением водяного пара. Основные товарные продукты – этилен, пропилен.

Промышленный блок трубчатых печей, работающих параллельно на различном сырье, где происходит гомогенный процесс высокотемпературного пиролиза углеводородного сырья, составляет основной узел пиролиза. Далее со всех печей пирогаз собирается в общий трубопровод и направляется на дальнейшую переработку: очистку и разделение на продуктовые фракции. Такая установка действует на Томском нефтехимическом комбинате и других нефтеперерабатывающих предприятиях Сибири и России [8].

Одна из основных технологических проблем для печей пиролиза – это универсальность по отношению к сырью. В качестве сырья процесса пиролиза используются углеводородные фракции: газовые (этан, пропан, бутан и их смеси, широкая фракция легких углеводородов), жидкие бензиновые фракции (прямогонные бензины, бензины-рафинаты и др.). Возникающие при этом вопросы компоновки сырья, перепрофилирования реакторов (печей) можно решать с помощью представляемой ИМС пиролиза [9].

ИМС основного узла процесса пиролиза УВ базируется на математических моделях, чувствительных к изменению химического состава сырья, так как учитывают механизм химических реакций, физико-химические закономерности протекающих явлений (кинетику процесса) и покомпонентный состав сырья и продуктов, а также технологические параметры процесса.

Вопросы построения детерминированных моделей кинетики пиролиза различного сырья и моделей реакторов (печей) процесса подробно описаны в работах [8–10].

Каждая модель кинетики состоит из определенного числа реакций, компонентов и системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). Так, модель пиролиза этан-пропановых сырьевых фракций представляет собой систему из 13 ОДУ, описывающую 36 реакций и 13 компонентов. Модель пиролиза широкой фракции легких углеводородов С3-С4 (ШФЛУ) включает 118 реакций, 41 компонент и систему из 41 ОДУ. Модель пиролиза бензинов состоит из системы 53 ОДУ, 177 реакций и 53 компонентов [11].

Проверка на адекватность моделей печей ИМС выполнялась по промышленным данным с установки ЭП-300 завода «Этилен» Томского нефтехимического комбината [12].

Представляемая ИМС основного узла пиролиза состоит из нескольких подсистем, состоящих из пакета программ и файлов данных (см. рис.).

Структура информационно-моделирующей системы пиролиза углеводородного сырья

Блок экономико-математического моделирования «Optimal» позволяет выбрать критерий оптимальности (Z) и сформировать систему ограничений. В качестве критерия «цели про- изводства» могут быть выбраны: Zmax – выход целевых продуктов, прибыль от реализации продукции; Zmin – затраты на сырье, общие затраты на производство и др.

Инновационное развитие промышленного нефтехимического производства...

С помощью разработанной ИМС выполнены различные исследования. Так, например, проведены серии прогноз-расчетов по выходу продуктов для пиролизного производства (завода «Этилен») Томского нефтехимического комбината на сырье Омского и Сургутского нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ), просчитывались варианты пиролиза ШФЛУ как самостоятельного сырья и добавки к прямогонному бензину. Например, добавление 20% ШФЛУ к бензину дает увеличение выхода целевых продуктов на 4,1%, уменьшение расхода смеси с 18,2 до 15,6 т/ч, что позволяет экономить бензин. Также исследования показали, что экономически целесообразно использовать ШФЛУ в качестве самостоятельного сырья, как более дешевого, альтернативного бензинам, при этом выход основных продуктов этилена и пропилена не снижается [13].

Результаты данной работы имеют практическое применение в научно-исследовательских организациях и на производстве. Получены акты об использовании научной разработки: 1) в ЗАО «Технефтехим» (г. Москва) – модель пиролиза этановых фракций для проектных и прогноз-расчетов; 2) в НИИ механики МГУ лабораторией

№109 центра АВОГАДРО – модель пиролиза бензиновых фракций для апробации методики по дискриминации сложных механизмов процессов газовой динамики; 3) на Томском нефтехимическом комбинате (завод «Этилен») – информационно-моделирующая система пиролиза углеводородов для расчетов с целью рекомендаций по использованию различного углеводородного сырья.

Таким образом, представляемая ИМС процесса пиролиза углеводородов используется для прогнозирования, планирования, оптимизации и решения широкого круга производственных задач при изменении технологического режима и состава сырья, при модернизации оборудования, а также в научно-исследовательских целях и в качестве тренажера для инженерно-технического персонала и подготовки специалистов.

По оценкам ученых, вследствие качественного и оперативного использования подобных информационно-моделирующих систем издержки производства снижаются на 6–10%, издержки обращения – на 7–20%. Эффективность применения ИМС выражается в экономии сырьевых и материальных ресурсов и сокращении оборотных средств на 7–10% [14].