Фураев Д.Н. (d.furaev@pmpspb.ru ) - Санкт-Петербургский государственный технологический институт (аспирант), Санкт-Петербург, Россия, Чистякова Т.Б. (-) - Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) (профессор, зав. кафедрой систем автоматизированного проектирования и управления), Санкт-Петербург, Россия, доктор технических наук | |
Ключевые слова: цифровая информационная модель, процесс вторичной переработки нефти, компьютерная система, проектирование, информационное обеспечение, математическое обеспечение, программное обеспечение |
|
Keywords: digital information model, oil recycling process, computer system, design, information provision, mathematical support, the software |
|
|
В процессе развития промышленный объект, согласно СП 333.1325800.2020, проходит несколько последовательных этапов жизненного цикла: проектирование, строительство, эксплуатация, модернизация (реконструкция), капитальный ремонт, снос и ликвидация. Самыми сложными и дорогостоящими являются проектирование и строительство. Проектирование и строительство новых и реконструкция существующих производств вторичной переработки нефти ведется в соответствии с современными ресурсосберегающими и энергоэффективными требованиями. Выделяют следующие основные процессы вторичной переработки нефти (ПВПН): каталитический крекинг, гидрокрекинг, каталитический риформинг, гидроочистка, каталитиче- ская изомеризация. Перечисленные процессы как объекты проектирования и управления имеют общие признаки: направлены на переработку продукции первичной переработки нефти; выход целевых продуктов зависит от состава исходного сырья, которое, в свою очередь, зависит от места добычи нефти; процессы являются каталитическими, с изменяющейся активностью катализатора в период эксплуатации и с возможностью его регенерации; задействовано разнообразное технологическое оборудование в зависимости от типа процесса, используемого сырья, производительности и энергопотребления; являются высокотемпературными и энергоемкими процессами; управление качеством продукции осуществляется изменением температуры, типом и активно- стью катализатора, скоростью подачи сырья, давлением в реакторе; процессы протекают в основном в трубчатых реакторах; процессы характеризуются сложными причинно-следственными связями, усложняющими процессы управления: сложная кинетика протекающих химических реакций, зависящая от состава сырья и активности используемого катализатора, изменяющейся со временем эксплуатации. Таким образом, ПВПН являются сложными объектами проектирования и управления и характеризуются большим количеством взаимозависимых параметров со значительным влиянием возмущающих воздействий. Несмотря на значительную сложность задачи проектирования промышленных объектов имеются решения для отдельных этапов проектирования в виде математических и имитационных моделей отдельных процессов переработки нефти, БД оборудования, определенных расчетов, трехмерных моделей, которые также могут быть применены к проектированию ПВПН и интегрированы в единую компьютерную платформу проектирования [1–4]. На данный момент нет единой компьютерной системы для данного класса объектов, основанной на цифровой информационной модели и способной перенастраиваться на различные ПВПН. Цифровые информационные модели Наиболее востребованным направлением в проектировании является разработка цифровых информационных моделей (ЦИМ) объекта проектирования. Существует тенденция формирования проектной и рабочей документации из ЦИМ объекта проектирования, поэтому целью проектных компаний является разработка ЦИМ промышленного объекта с помощью современных сред проектирования на каждом этапе, а затем формирование необходимой документации. При правильном подходе к разработке ЦИМ она служит единым источником данных для расчетных программ, смежных сред проектирования и получения необходимой проектной документации. Выделяют следующие основные предпосылки разработки ЦИМ: сокращение сроков проектирования и экспертизы, улучшение качества проектирования, оперативное взаимодействие между всеми участниками проектирования, уменьшение числа коллизий при строительстве объекта, ведение точной сметы строительства и закупок, сопровождение экс- плуатации объекта, развитие информационных технологий, внедрение инноваций и переход на цифровизацию производств. Технологии цифровизации, в частности, разработки ЦИМ, внедряются и используются при реконструкции или модернизации действующих производств, а также при строительстве новых промышленных комплектов в крупных российских компаниях [5, 6]. Проектирование объектов ПВПН – сложный многостадийный процесс, являющийся результатом совместного труда проектиров- щиков различных специальностей, которых можно представить как проектную инжиниринговую команду. Проект состоит из отдельных разделов, за разработку каждого отвечают инженеры соответствующей специализации. На рисунке (см. http://www.swsys.ru/uploaded/ image/2022-3/2022-3-dop/20.jpg) приведена схема состава ЦИМ объекта ПВПН. В данном исследовании основное внимание уделено работе инженеров-конструкторов (инженеров-механиков) и инженеров-монтажников, так как в проекте любого промышленного объекта на создание монтажной части проекта приходится около трети всех трудозатрат. Наиболее сложными и наукоемкими основными этапами проектирования ПВПН являются: - выбор, размещение и компоновка технологического оборудования в соответствии с техническим заданием (ТЗ) на проектирование с обеспечением заданной производительности, энергопотребления, качества продукции; - выбор и трассировка технологических трубопроводов в соответствии с требованиями ТЗ по производительности и ресурсопотреблению [7]. Структура компьютерной системы Разработана функциональная структура компьютерной системы, включающая информационное, математическое и программное обеспечение, интерфейсы проектировщика, обучаемого, инженера по знаниям и администратора. Структура системы приведена на рисунке 1. Компьютерная система включает [8, 9]: - БД характеристик сырья, характеристик катализаторов, технологического оборудования, деталей трубопровода, норм и стандартов на проектирование; - библиотеку математических моделей ПВПН (кинетика химических реакций, тепло- обменные процессы, гидродинамика), настраиваемых на различные периоды эксплуатации и активность катализатора, компоновки технологического оборудования, трассировки трубопроводов; - интерфейсы инженера по знаниям, проектировщика, обучаемого, администратора; - модули разработки ЦИМ, задания сырья и его характеристик, выбора катализатора и его характеристик, выбора технологического оборудования и его размещения и компоновки, трассировки трубопроводов и расчета его характеристик, вывода норм и стандартов на проектирование, расчета и сравнения показателей с ТЗ, формирования проектной документации. Комплекс средств компьютерной системы Математическое обеспечение компьютерной системы построено на базе кинетики химических реакций ПВПН, математических моделей материального и теплового балансов реактора, математических моделей компоновки технологического оборудования, расчета и трассировки трубопроводов. Обобщенная модель ПВПН представлена на рисунке 2. Информационное обеспечение компьютерной системы состоит из различных БД – характеристик сырья, катализаторов, технологиче- ского оборудования и деталей трубопроводов, стандартов и норм на проектирование. Общая схема структуры информационного обеспечения приведена на рисунке (см. http://www.swsys. ru/uploaded/image/2022-3/2022-3-dop/40.jpg). ПО включает различные программные среды – как авторские разработки, так и существующее ПО, применяемое для решения задач определенных этапов проектирования. На выбор программных сред влияют способность корректного решения задач для данного класса объектов и их стоимость. Структура ПО приведена на рисунке (см. http://www.swsys.ru/uploaded/image/2022-3/2022-3-dop/21.jpg). Заключение Тестирование и разработка ЦИМ проведены на примере установок каталитического крекинга производительностью 2 500 тыс. т/год и потребляемой мощностью 23 тыс. кВт, изомеризации производительностью 608 тыс. т/год и потребляемой мощностью 44 тыс. кВт. Предложенная компьютерная система позволяет решать задачу проектирования объектов вторичной переработки нефти за счет разработки цифровых информационных моделей, а также производить контроль и мониторинг выполнения ТЗ на проектирование или реконструкцию на всех этапах проектирования ПВПН. Использование данной компьютерной системы обусловливает повышение качества проектной документации и снижение временных и финансовых затрат на проектирование. Исследование выполнено по гранту Российского научного фонда, проект № 21-79-30029. Литература 1. Лысенкова С.А. О математическом моделировании каталитического крекинга // Вестн. кибернетики. 2018. № 4. С. 107–110. 2. Mokrozub V.G., Malygin E.N. Development of decision-making support systems to design chemical process equipment for batch production. Advanced Materials and Technologies, 2019, no. 2, pp. 48–58. DOI: 10.17277/amt.2019.02.pp.048-058. 3. Нигматуллин В.Р., Костенков Д.М., Коскина А.И. и др. Инструменты для автоматизированного расчета давлений испытаний, контроля сварных швов, термообработки стыков трубопроводов в среде САПР AVEVA PDMS/E3D // Нефтегазовое дело. 2019. № 5. С. 173–184. URL: http://ogbus.ru/files/ogbus/issues/5_2019/ogbus_5_2019_p173-184.pdf (дата обращения: 13.07.2022). DOI: 10.17122/ogbus-2019-5-173-184. 4. Sierla S., Azangoo M., Fay A., VyatkinV., Papakonstantinou N. Integrating 2D and 3D digital plant information towards automatic generation of digital twins. Proc. XXIX IEEE ISIE, 2020, pp. 460–467. DOI: 10.1109/ISIE45063.2020.9152371. 5. Фонтокина В.А., Савенко А.А., Самарский Е.Д. Роль BIM-технологий в организации и технологии строительства // Вестн. евразийской науки. 2022. Т. 14. № 1. С. 1–11. 6. Куклина Е.А. Стратегия цифровой трансформации как инструмент реализации бизнес-стратегии компании нефтегазового сектора современной России // Управленческое консультирование. 2021. № 6. С. 40–53. DOI: 10.22394/1726-1139-2021-6-40-53. 7. Мешалкин В.П., Мошев Е.Р. Режимы функционирования автоматизированной системы «Трубопровод» при интегрированной логистической поддержке трубопроводов и сосудов промышленных предприятий // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2014. № 1. С. 64–73. 8. Фураев Д.Н., Чистякова Т.Б. Компьютерная система для обучения ресурсосберегающему проектированию процессов вторичной переработки нефти // Изв. СПбГТИ (ТУ). 2021. № 59. С. 101–106. DOI: 10.36807/1998-9849-2021-59-85-101-106. 9. Фураев Д.Н., Чистякова Т.Б. Программный комплекс для проектирования установок каталитического крекинга // ММТТ. 2019. Т. 12-3. С. 18–21. References
|
http://swsys.ru/index.php?id=4930&lang=%E2%8C%A9%3Den&like=1&page=article |
|