ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Разработка высоконадежной двухуровневой автоматизированной системы для установок нового поколения многофракционного разделения углеводородного сырья (МРУС) в жидкой фазе.

Рекомендуемая область пременения

В установках МРУС для организации нефтеперерабатывающих линий, получение продуктов для предприятий химической промышленности.

Назначение, цели и задачи проекта

Назначение высоконадежной двухуровневой автоматизированной системы – способность за небольшой промежуток времени вывести установку на оптимальный, с позиции качества конечных продуктов, режим работы.

Целью проекта является создание самообучающегося алгоритмического механизма, основанного на анализе максимального количества воздействующих факторов и минимизирующий величину ошибки регулирования.

Задачи проекта: 1) Комплексное исследование принципов работы установки многофракционного  разделения углеводородного сырья (МРУС) в жидкой фазе. Изучение наиболее сложных процессов последовательного разделения фракций в ректификационных колоннах установки. 2) Разработка и реализация опытного образца регулятора, проектирование принципиальных электрических схем, разработка и изготовление печатных плат, разработка предварительного алгоритмического и программного обеспечения системы управления нижнего уровня. Выбор режима взаимодействия многопроцессорных подсистем в единой системе управления. 3)Тестирование созданного электронного оборудования на отдельно выделенном участке установки МРУС. Анализ стабильности работы в различных режимах функционирования установки.  Выявление недостатков в работе каналов обратных связей и прямого управления. Определение необходимого и достаточного количества контролируемых параметров установки МРУС на основе общего предварительного анализа установившихся режимов и разнице качества работы установки с теоретически ожидаемым. 4) Осуществление необходимой доработки электронного оборудования на основании экспериментального включения (тестирования). Корректировка принципиальных электрических схем, изготовление «второго» образца, изменения в алгоритмическом и программном обеспечении, повторное тестирование во всех режимах работы установки МРУС. При наблюдении незначительных отклонений от теоретически ожидаемых результатов или при их совпадении переход к производству полноценной автоматической системы управления нижнего уровня. При неудовлетворительном (большие расхождения) результате повторное проведение необходимых (вновь выявленных) «горячих» доработок и корректировок. 5) Разработка и реализация всей системы управления установки МРУС нижнего уровня. Корректировка (по необходимости) электрических принципиальных схем, создание окончательных вариантов фотошаблонов, производство печатных плат, сборка электронных компонентов системы управления, конвейерное тестирование отдельных модулей, сборка в промышленные технологические шкафы. 6) Монтаж и полное подключение к установке МРУС на экспериментальной площадке с прокладкой всех линий связи установке датчиков контроля и силовых управляющих модулей.  7) Первое включение установки МРУС с закачкой жидкого углеводородного сырья (нефти, газоконденсатов и т.п.). Выход на низкотемпературные расчетные режимы получения светлых фракций (бензины). Комплексная проверка всех компонентов системы управления нижнего уровня по всем контролируемым параметрам. Устранение выявленных недостатков и изменение (в случае необходимости) общего алгоритма взаимодействия отдельных модулей системы. Определение временных параметров управления и контроля (скорость реакции, частота сканирования параметрических датчиков и т.п.) в случае комплексной (полной) работе установки МРУС и корректировка работы системы в целом. 8) Разработка алгоритмического и программного обеспечения системы управления верхнего уровня, визуализация технологической схемы установки МРУС на мониторах компьютера, формирование необходимых форм отчетности и структур баз данных системы, графическая визуализация всех контролируемых параметров и т.п. Установка программ на управляющий компьютер, предварительное тестирование на устойчивость и надежность. Прокладка канала связи между компьютером верхнего уровня и технологическими шкафами системы нижнего уровня. Тестирование канала связи, устранение (по необходимости) сбоев, дополнительная проверка работы компьютера верхнего уровня без включения силовых систем установки МРУС. Проверка достоверного прохождения данных от системы нижнего уровня на управляющий компьютер. 9) Общее включение установки МРУС под  управлением двухуровневой автоматизированной системы. Выход на установившиеся низкотемпературные режимы и трехдневная непрерывная эксплуатация в автоматическом режиме под наблюдением оператора. Формирование (распечатка) необходимых отчетов за данный период работы и анализ информации (графиков технологических параметров, энергопотребления, устойчивости, объем полученных фракций и т.п.) в комплексе. Лабораторный анализ качества полученных фракций. Последовательный перевод установки в высокотемпературные режимы работы с непрерывным анализом и коррекцией программного обеспечения верхнего уровня (по необходимости). Имитирование аварийных ситуации (отключение энергии, обрыв линий параметрических датчиков, повреждение трубчатых нагревателей и т.п.) и анализ реакции системы на них. 10) Вывод установки МРУС на расчетную мощность по всем режимам, ежедневный анализ накапливаемой системой технологической информации для формирования интеллектуального правила корректировки режимов с целью повышения качества разделяемых фракций. Передача установки в опытную эксплуатацию. 11) Редактирование накопленной рабочей информации с целью получения полноценной технологической  документации для дальнейшего производства аналогичных систем управления к установкам МРУС. 12) Подача заявки на сертификацию изделия.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

На рынке действуют нефтеперерабатывающие установки представленные в блочном исполнении; с огневым нагревателем, которые не снабжены двухуровневой автоматизированной системой. Технология разработки высоконадежной двухуровневой автоматизированной системы для установок нового поколения многофракционного разделения углеводородного сырья (МРУС) в жидкой фазе является системой нового поколения, разрабатывается впервые и решает проблемы сложных процессов последовательного разделения фракций в ректификационных колоннах установки, корректировки режимов с целью повышения качества разделяемых фракций.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Данный проект является комплексным и рассматривается без отрыва от самой технологии разгонки углеводородного сырья в жидкой фазе. Все предусмотренные технологией процессы являются тонкими и требуют четкого выполнения множества различных условий при эксплуатации. Так, например, только температурные режимы реакторных зон и разделительных тарелок должны быть разрешаемы с шагом 0.1⁰С. и стабилизироваться в этих же пределах. Для демонстрации тонкости технологии в качестве примера приведены некоторые химические соединения и температуры их вскипания:

1. Изобутилциклопентан первичный  148.3 ⁰С.

2. 3-метилоктан                                  144.2 ⁰С.

3. 4-метилоктан                                  142.4 ⁰С.

4. 4-этилгептан                                   141.2 ⁰С.

5. Диметилгептаны                            140.0 ⁰С.

6. Изопропилциклогексан                 154.6 ⁰С.

Очевидно, что любое нарушение условий вскипания прекращает нормальный выход фракций и нарушает качество разгонки. Задача системы управления решить задачу максимального соблюдения условий регламента. В этом случае необходим самообучающийся алгоритмический механизм, основанный на анализе максимального количества воздействующих факторов  и минимизирующий величину ошибки регулирования.

Процесс получения товарных нефтепродуктов (бензинов, дизельных и котельных топлив) осуществляется на основе распределения материальных потоков получаемых фракций на установке МРУС и их смешения.

В разрабатываемой системе управления алгоритмы реализации распределения фракций и их смешения учитывают всякое изменение технологических или режимных параметров.

Смесительная операция характеризуется несколькими входными и одним выходным материальным потоками. Общее уравнение смесительной операции

x_i = f_i(q, y), i = 1, ......., n    (1)    

где x_i -i-тый входной поток; y – выходной поток, q - управляющее воздействие, связанное с изменением технологических, или режимных параметров.

Технологическая структура комплекса смешения может быть получена путем соединения отдельных типовых операций, при этом, реализуется процедура смешения нескольких продуктов из общих компонентов. Можно рассматривать различные модели, отличающиеся видом функции f. Если в уравнение операции (1) ввести соотношения, в которых смешиваются исходные потоки, вида  u_i = f(q),  то уравнение может быть записано так:

x_i = u_i?y      (2)

Совокупность конкретных значений параметров u₁*, ...., u_n* рассматривается как оптимальный рецепт приготовления смеси. Множество  допустимых  рецептов U = {u₁,....,u_n}  определяется равенством Su_i = 1    и   ограничениями   на   качественные   показатели   готового   продукта.

j_k(u₁, ...., u_n, d_k1,...., d_kn) ??b_kпредю  (b_{kпред. –} предельное значение K-того основного параметра по ГОСТ, d_ki – K-тый показатель качества i-того компонента).

При этом должны выполняться ограничения: u_i?y?R_i, где R_i - ресурс i-ого компонента.

В качестве основных показателей качества используются

- для дизельных топлив:

плотность, содержание серы, фракционный состав, цетановое число, кинематическая вязкость, температура        вспышки, температуры застывания, помутнения и фильтруемости;

- для бензинов:

плотность, фракционный состав, октановые числа (моторный и исследовательский метод),  давление насыщенных паров;

- для котельных топлив:

плотность, вязкость, температура вспышки, температура застывания или текучести.

Проведение лабораторных исследований результатов смешения фракций и анализ отклонений от качественных показателей позволяет ввести в алгоритмы системы управления дополнительные уравнения, связывающие эти отклонения с режимными и технологическими параметрами на момент получения данных фракций.

Таким образом, программно-технический комплекс системы управления представляет собой  гибкий самонастраивающийся механизм, способный за небольшой промежуток времени вывести установку на оптимальный, с позиции качества конечных продуктов, режим работы.

Техническая часть системы управления представляет собой тридцать (по количеству ректификационных колонн установки) самостоятельных микрокомпьютерных систем (контроллеры) с собственными каналами обратной связи и управления. Управление трубчатыми нагревателями ректификационных колонн производится через силовые модули, построенные на IGBT – транзисторах высокой мощности или силовых тиристорах. Каждая система самостоятельно обрабатывает порядка 20 технологических параметров (температура дна колонны, входного потока, зоны нагревателя, верхней тарелки-сеточки, ток нагревателя и т.п.) и управляет необходимыми задвижками – регуляторами потока и адресного смешения. Цепи управления задвижками выполнены стандартными решениями. Все контроллеры включены в единую сеть «общая шина» RS485. Управляющий компьютер верхнего уровня способен изменять законы регулирования каждого устройства в отдельности для достижения оптимального режима работы каждой ректификационной колонны. Компьютер верхнего уровня одновременно является и пультом управления (может быть удален на 1200 метров) установки МРУС в случае эксплуатации в так называемом «Ручном режиме». Функция «Ручной режим» так же позволяет на начальном этапе определять «характер» установки и выбирать или вырабатывать различные законы регулирования (управления) для отдельных ее участков.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Расширение и производство нефтеперерабатывающих предприятий актуальная задача для Российской экономики. Уже в ближайшее время прогнозируется рост дефицита различного вида топлива из-за нехватки нефтеперерабатывающих мощностей. Строительство новых заводов с устаревшими или громоздкими технологиями требует капиталовложений от бизнеса значительно выше среднего, что приводит к монополизации отрасли. Разработанная установка МРУС нового поколения с двухуровневой автоматизированной системой компьютерного управления с новым способом многофракционного разделения углеводородного сырья является привлекательным продуктом для множества предприятий уже сегодня. Много потенциальных заказчиков из Якутии, Китая, стран СНГ и даже Ирана. Предполагаемый проект прохождения нефтепровода по дальневосточному региону предполагает реализуемость установок МРУС непосредственно в регионе, что позволит создать новые рабочие места. При чем, организация нефтеперерабатывающих линий будет доступна и среднему бизнесу. Возможность поэтапного расширения линии нефтепереработки позволяет поэтапное вложение финансовых средств совместно с получением товарных продуктов.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Установка МРУС с двухуровневой автоматизированной системой компьютерного управления является экологически безопасной, энергосберегающей. Повышение автоматизации технологического процесса в 2-5 раз. Энергосбережение в 3 раза.

Новые потребительские свойства продукции

Основные конкурентные преимущества технологии в сравнении с традиционными следующие:
- исключается использование нефтепродуктов и печей для нагрева углеводородного сырья, отсутствие открытого огня;
- наличие мощнейшей системы управления улучшает качество получаемых нефтепродуктов и позволяет гибкую коррекцию технологического процесса;
- обеспечивается качественное выделение фракций на расчетных режимах с полным отсутствием посторонних примесей;
- не используется вода, водяной пар и сжатый воздух в технологическом процессе, что позволяет использование установки в условиях пониженных температур;
- применение нагревателя особой конструкции с электрическим питанием позволяет совместить узел нагрева сырья с ректификационной колонной, оптимизировать конструкцию установки;
- простота в обслуживании, управлении, запуске и выходы на режимы работы установки;
- высокая степень автоматизации управления технологическими процессами;
- возможность остановки для проведения регламентных работ, технического обслуживания только части установки (модулей), что позволяет регулировать загрузку установки по производительности в зависимости от наличия сырья, необходимости осуществления регламентного, технического обслуживания и других факторов;
- возможность изготовления, монтажа и ввода в эксплуатацию оборудования установки отдельными модулями (пусковыми очередями), что позволяет оптимально регулировать потоки финансовых средств;
- возможность переработки товарной нефти с повышенным содержанием воды;
- возможность изготовления установки в транспортном исполнении.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Предлагаемые инвестиции

3 млн. руб.
Полная стоимость проекта – 3900 тыс. руб.
Имеющиеся у заявителя сумма – 400 тыс. руб.
Возможные инвестиции – 500 тыс. руб.
Запрашиваемая сумма средств на реализацию проекта – 3000 тыс. руб.

Рынки сбыта

На сегодняшний день (при отсутствии установки в готовом виде) собран пакет заказов на более чем 35 таких установок. География заказчиков весьма обширна и представлена не только Российским бизнесом. Много потенциальных заказчиков из Якутии, Китая, стран СНГ и даже Ирана.

Возможность и эффективность импортозамещения

Патентный поиск осенью 2005 года показал патентную чистоту предлагаемой технологии на Мировом рынке аналогичных технологий.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

25.06.2007