Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ НЕЧЕТКОСТИ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Курмангазиева Л. Т., Оразбаев Б. Б.,

2.2. Исследование и построение комплекса моделей для системного моделирования технологических агрегатов блока каталитического риформинга

В результате анализа различных методов разработки математических моделей сложных объектов выявлено, что в исследовательских работах мало освещены вопросы системного моделирования технологического комплекса, состоящей из взаимосвязанных технологических агрегатов в условиях нехватки количественной информации, какими являются технологические агрегаты блока каталитического риформинга установки ЛГ. В условиях неопределенности, связанной с дефицитом исходной информации, предлагается применить вероятностные методы моделирования или методы имитационного моделирования [36].

Однако применить эти методы невозможно, если неопределенность связана с нечеткостью исходной информации, которая часто бывает в реальных производственных условиях. В этих условиях статистическая информация отсутствует или недостаточна, а аксиомы теории вероятностей (статистическая устойчивость объекта исследования, повторяемость экспериментов при одинаковых условиях) не выполняются. Иногда доступной информацией является только нечеткая (качественная, содержательная) информация, представляющая собой знания (опыт, интуицию, суждения) человека – ЛПР, производственного персонала, специалиста-эксперта.

При компетентности этих источников информации и при правильной организации их опроса, 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.

Рассмотрим предлагаемый метод создания пакета математических моделей взаимосвязанных агрегатов технологического комплекса на примере разработки пакета моделей технологических агрегатов блока каталитического риформинга технологической системы – ЛГ.

Установка каталитического риформинга является сложным объектом, состоящим из взаимосвязанных блоков и их системы агрегатов, на которые одновременно воздействует большое число различных параметров. К основным агрегатам ЛГ относятся реактора (гидроочистки Р-1; риформинга Р-2,3,4 и 4а), колонны (отпарная К-1, абсорберы К-2,3,6; стабилизационная К-7), печи (П-101,П-1; П-2,3), сепараторы, теплообменники и др. (см. рис. 2.1).

Блоки и агрегаты установки взаимосвязаны между собой и изменения режимных параметров одного из них приводит к изменению параметров других, что влияют на процессы. В связи с этим, для оптимизации и управления процессом риформинга в оптимальном режиме, необходимо иметь пакет связанных математических моделей блоков и 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 [82].

Модели каждого объекта в системе могут быть построены с применением различных подходов и методов, рассмотренных в разделе 1, т.е. можно получить набор моделей для каждого агрегата ЛГ, например статистические, нечеткие или комбинированные.

Для объединения таких моделей в единый пакет (систему) моделей, на основе которого проводится системное моделирование, с целью оптимизации установки в целом, необходимо произвести анализ достоинств и недостатков каждой модели, которую возможно построить, выработать критерии выбора моделей по себестоимости, по назначению, по точности и т.д., а также определить принципы объединения разрабатываемых моделей в пакет.

С этой целью нами проведен анализ различных типов моделей основных агрегатов блока каталитического риформинга установки ЛГ. На основе результатов исследований специфики процесса и агрегатов блока каталитического риформинга [113–115] данных экспериментов и экспертного спроса и анализа подходов к моделированию таких или аналогичных агрегатов осуществлена оценка возможных типов моделей основных агрегатов блока каталитического риформинга установки ЛГ. Результат этого анализа (оценка моделей) оформлен в виде табл. 2.1. Для оценки (ранжирования) типов моделей использована пятибалльная шкала.

В качестве основных критериев сравнения различных типов моделей, по которым они оцениваются, выделены: доступность необходимой информации для построения модели соответствующего типа, стоимость (трудность) разработки модели, степень адекватности модели, применимость этих моделей по назначению (в нашем случае для многокритериальной оптимизации в условиях неопределенности) и возможность объединения модели данного вида в единый пакет с целью системного моделирования работы блока в целом.

Табл. 2.1 отражает оценки для каждого типа модели основных агрегатов блока каталитического риформинга установки ЛГ, полученные на основе обработки результатов проведенного анализа.

На основе информации, приведенной в табл. 2.1, можно произвести выбор типа моделей агрегатов установки по заданным критериям.

Результаты исследования работы комплекса технологических агрегатов блока каталитического риформинга установки ЛГ 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 (реакторы риформинга Р-2, Р-3, Р-4,4а, печи П-1) практически невозможно или экономически нецелесообразно. Для теплообменников построение моделей такого вида, по оценкам выше приведенных критериев, целесообразно разработать детерминированные модели.

Статистические (стохастические) модели печи П-1 и сепараторов С-7, С-9 блока каталитического риформинга относительно легко строятся, удобны для объединения их в единую систему моделей и пригодны для решения задач оптимизации установки. По результатам проведенного исследования можно сделать вывод, что для печей и сепараторов наиболее оптимальным является построение статистических моделей.

На функционирующей ЛГ Атырауского НПЗ сбор достоверной статистической информации для построения регрессионных моделей реакторов риформинга Р-2, Р-3, Р-4,4а усложнен 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 экспертных оценок [116–118], а методами построения моделей – методы на базе ТНМ (смотрите предлагаемый ниже алгоритм синтеза нечетких моделей) и комбинированные методы. Адекватность таких моделей при правильной формализации и использовании знаний, опыта специалистов-экспертов достаточна высока, а также их можно эффективно использовать при моделировании с целью оптимизации процесса риформинга в диалоговом режиме.

Таблица 2.1

Анализ типов моделей основных агрегатов блока каталитического риформинга установки ЛГ

Примечание. Оценка (ранжирование) по балльной шкале (1–5), где 1 – самая низкая оценка; 5 – самая высокая оценка. Оценки нечеткие, т.е. нечеткие числа.

На практике для построения моделей при дефиците информации приходится использовать доступную информацию любого характера. Модели технологических агрегатов, полученные на основе таких данных, назовем комбинированными. Они могут быть получены с использованием различных сочетаний доступных данных и ориентированы на учет достоинств рассмотренных выше типов моделей. Однако построение комбинированных моделей может быть нецелесообразным из-за того, что необходим этап организации, проведения исследования и экспериментов различного характера, а также предварительной обработки собранных данных.

При разработке моделей технологических агрегатов, которые входят в состав единой технологической установки, часто применяется подход декомпозиции, по которому модели отдельных подсистем и элементов строятся в отдельности, причем часто не учитываются вопрос дальнейшего объединения полученных моделей в единый пакет. Такое частное решение вопроса не дает конечного желаемого эффекта и положительного результата. Потому что моделирование и оптимизация отдельного агрегата технологического комплекса блока каталитического риформинга в полном смысле невозможно, так как, работа этого агрегата связана с работами остальных агрегатов комплекса.

Поэтому для полного решения проблем моделирования комплекса технологического комплекса, какими являются объекты блока каталитического риформинга установки ЛГ и другие установки нефтеперерабатывающего производства, необходимо создать пакет моделей установки с учетом взаимосвязей между агрегатами, т.е. выходы одних моделей могут быть входами других, а выходы этих моделей могут являться входами прежних и других моделей.

С применением такого пакета моделей можно осуществлять системное моделирование технологического комплекса, т.е. взаимосвязанных технологических агрегатов в целом и найти оптимальные режимы работы технологического комплекса, что позволит интенсификацию технологического процесса.

Объединение отдельных моделей агрегатов в пакет производится в соответствии с ходом технологического процесса на комплексе. При этом выходы одной модели являются входами другой. Например, в блоке каталитического риформинга результаты моделирования реактора Р-2 являются исходными данными для моделирования работы 2-й ступени многокамерной печи П-1, результаты моделирования этой ступени печи являются входными данными для моделей реактора Р-3, а выходные результаты моделей Р-3 являются исходными данными для 3-й ступени печи П-1, выходные результаты, которые являются исходными данными
для реакторов Р-4,4а. Таким образом, к основным критериям выбора типов моделей агрегатов, кроме адекватности и эффективности их применения в компьютерной системе моделирования и оптимизации, относится и простота их объединения в систему, т.е. взаимное соответствие выходных и входных переменных, связанных между собой моделей.

Оптимальные режимные параметры различных агрегатов блока каталитического риформинга не могут быть определены в общем случае априорно, поскольку могут меняться параметры, влияющие на процесс. В этой связи большим преимуществом обладает оптимизация процесса риформинга с помощью компьютерных систем в диалоговом режиме. Для системного моделирования установки в режиме диалога необходимо располагать достаточно простой математической моделью основных агрегатов, так как затраты машинного времени на моделирование должны быть минимизированы, поскольку любой алгоритм оптимизации многократно обращается к подпрограмме моделирования, а время отклика системы управления для выдачи рекомендаций по управлению также должно быть малым. Поэтому при построении моделей блока каталитического риформинга, как наиболее приемлемый подход, в данной работе используется 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 единый пакет моделей.