Software & Systems

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

1. Lysenkova S.A. On mathematical modeling of catalytic cracking. Proceedings in Cybernetics, 2018, no. 4, pp. 107–110 (in Russ.).
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. Nigmatullin V.R., Kostenkov D.M., Koskina A.I. et al. Tools for automated calculation of test pressures, welding control, pipeline joints heat treatmentin in CAD AVEVA PDMS/E3D. Oil and Gas Business, 2019, no. 5, pp. 173–184. Available at: http://ogbus.ru/files/ogbus/issues/5_2019/ogbus_5_2019_p173-184.pdf (accessed July 13, 2022) (in Russ.). 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. Fontokina V.A., Savenko A.A., Samarskiy E.D. The role of BIM technologies in the construction economy. The Eurasian Scientific J., 2022, vol. 14, no. 1, pp. 1–11 (in Russ.).
6. Kuklina E.A. Digital transformation strategy as a tool for implementing the business strategy of a company in the oil and gas sector of modern Russia. Administrative Consulting, 2021, no. 6, pp. 40–53. DOI: 10.22394/1726-1139-2021-6-40-53.
7. Meshalkin V.P., Moshev E.R. Modes of functioning of the automated system "Pipeline" with the integrated logistical support of pipelines and vessels of industrial enterprises. Engineering and Automation Problems, 2014, no. 1, pp. 64–73 (in Russ.).
8. Furaev D.N., Chistyakova T.B. Computer system for teaching resource-saving design of oil recycling processes. Bull. of St PbSIT (TU), 2021, no. 59, pp. 101–106. DOI: 10.36807/1998-9849-2021-59-85-101-106 (in Russ.).
9. Furaev D.N., Chistyakova T.B. Software package for the design of energy-saving catalytic cracing plant. Mathematical Methods in Engineering and Technology, 2019, vol. 12-3, pp. 18–21 (in Russ.).