Модели и алгоритмы автоматизации технологических процессов специализированного нефтеналивного порта

В настоящее время Северо — Западный регион нашей страны становится центром реализации государственной политики по экспорту российских энергоносителей в страны Западной Европы. Согласно Федеральной Целевой Программе «Развитие транспортной системы России на 2010;2015 г. г.» и Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года, построены новые нефтеналивные терминалы в, Финском заливе, модернизируется порт Санкт-Петербург. Увеличивается число танкеров, перевозящих нефть и нефтепродукты, строятся: суда для транспортировки сжиженного газа, возрастает интенсивность судоходства, ведется прокладка нефтепроводов по дну Балтийского моря [55].

Введенные в эксплуатацию нефтеналивные терминалы в городах Приморск и Высоцк представляют собой сложнейшие технологические комплексы, оборудованные современными техническими средствами, предназначенными для обеспечения высокопроизводительной работы терминалов в условиях низких температур, надежными системами защиты, контроля и сигнализации, предназначенными для полного исключения ситуаций, не предусмотренных технологическими регламентами предприятий. На случай природных катаклизмов предусмотрены беспрецедентные меры по обеспечению экологической безопасности региона, акватории порта и адекватные технические средства для их реализации.

Начало эксплуатации современных нефтеналивных терминалов в Северо — Западном регионе и строительство высокопроизводительных портов в. нашей стране стало возможным, благодаря крупным научным достижениям выдающихся русских ученых. Среди широко известных ученых, внесших огромный вклад в разработку современных технологий и создание высокопроизводительных терминалов, перегрузочных машин и оборудования для отечественных портов следует отметить академика А. Н. Крылова, М: Я. Алферьева, И. Г. Бубнова, В. Г. Власова, H.H. Исанина, H.H.

Ковалева, В. Т. Костенко, P.A. Нелепина, В. Н. Перегудова, B. J1. Поздюнина, И. Д. Спасского, Ю. А. Шиманского, Никерова П. С., Яковлева П. И., Ветренко Л. Д., Штенцеля В. К., Ирхина А. П., Сиротского В. Ф., Трифанова В. Н. и многих других. На современном этапе возрождения и развития отечественных портов фундаментальными стали труды Степанова A. JL, Эглита Я. Я., Кацмана Ф. М., Казакова А. П., Климова E.H., Дерябина Р. В., Гнеденко Б. В., Зубкова М. Н., Андрианова E.H., Костылева И. И., Попова С. А., Терехова O.A., Тюрина Б. Ю. и др. В настоящее время, в связи со строительством крупных морских и речных портов на Черном море, в Дальневосточном регионе, на Балтике, на магистральных реках нашей страны, широко развернуты фундаментальные и прикладные исследования в данной предметной области [8], [11], [54].

Нефтеналивной порт оборудован комплексом автоматизированных систем, с помощью которых осуществляется оперативный контроль и управление по обеспечению приема нефти от производителей и реализация графика транспортировки и поставки нефти, согласно карго — плану предприятия, на экспорт. В процессе работы производится учёт приёма, хранения и поставки нефтиконтроль и управление количеством и качеством нефтиучитывается объем свободной ёмкости в резервуарном парке и др. Принимаются необходимые технологические решения по изменению грузопотоков нефти в случаях возникновения потребностей, определяемых конкретными условиями, сложившимися на объекте [78Н80].

Вместе с тем, несмотря на наличие развитой структуры систем и средств автоматизации технологических процессов, нефтеналивной порт может быть отнесен к классу эргатических систем со сложной структурой диспетчерского управления [16], [17]. Участие диспетчера (человека-оператора) в решении технологических задач, вопросов организации и управления погрузки и выгрузки нефти, дизельного топлива, мазута и др., согласно технологическому регламенту предприятия, является обязательным.

Для нормального функционирования нефтеналивных терминалов требуется значительная энергия. Прежде всего, это тепловая энергия, необходимая для обогрева технологических трубопроводов. Следует отметить, что только разветвленная система циркуляции теплоносителя, трансформаторного масла и мазута в порту г. Высоцк может потреблять тепловую мощность, доходящую в зимнее время до 28 000 кВт. Поскольку по инструкции нагрев трансформаторного масла должен производиться до температуры 120-К50 0 С, нетрудно предположить, что имеются большие производственные резервы для снижения энергопотребления в порту средствами автоматики. Кроме того, большие энергетические затраты требуются для обеспечения работы перекачивающих насосов и другого электроэнергетического оборудования порта. Поэтому экономия топлива и энергии на объектах комплекса является одной из самых важных научно-технических задач [6]. Актуальность исследований в этом направлении является бесспорной. По предварительным оценкам, только энергетические затраты на предприятии могут быть снижены на 8-Н0% за счет разработки и внедрения энергосберегающих технологий и их реализации средствами автоматизации технологических процессов и производств, без существенных расходов на их реализацию.

Отечественный и мировой опыт эксплуатации сложных, многомерных систем показывает, что ни одна даже самая совершенная инструкция и техническая регламентация действий не может привести к эффективным результатам, если решения основываются лишь на инструктивных предписаниях, опыте и интуиции людей, участвующих в реализации технологического процесса [10], [18]. Технологические процессы работы нефтеналивных терминалов и портового оборудования следует совершенствовать и обновлять на базе современных методов и средств моделирования с использованием информационных технологий, фундаментальных положений современной теории управления [21], [22], [53]. На их базе должны обосновываться и получаться оптимальные решения в условиях конкуренции [26], [69], [71]. Сложность проведения исследований состоит в том, что в современных условиях на нефтеналивных терминалах не допускается проведение эксперимента, и поэтому основным направлением их изучения является моделирование, алгоритмизация и вычислительный эксперимент [42].

Другим актуальным направлением исследований является создание современных быстродействующих информационно — измерительных систем и комплексов для определения состава и качества отгружаемой нефти и нефтепродуктов [51], [63]. Это вызвано, прежде всего, большим числом показателей, подлежащих измерениям и оценкам. В настоящее время контролируемыми показателями состава нефти, в соответствии с ГОСТ Р 51 858−2002, являются: массовая доля серы (%), плотность (кг/м3), выход фракций (%), массовая доля парафина (%), массовая доля воды (%), концентрация хлористых солей, (мг/дм), массоваядоля механических примесей (%), давление насыщенных паров (мм.рт.ст), содержание хлорорганических соединений (млн" 1), массовая доля сероводорода (млн." 1), массовая^ доля метили этилмеркаптанов (млн" 1).

При поставке нефти на экспорт, согласно международным стандартам, массовая доля воды должна быть не более 0,5%, концентрация хлористых солей не более 100 мг/дм3. При поставке нефти на нефтеперерабатывающие заводы Российской Федерации, соответственно, массовая доля воды должна быть не более 1,0%, концентрация хлористых солей недолжна превышать более 900 мг/дм, что также определено ГОСТ Р 51 858−2002 .

Заметим также, что для определения показателей состава нефти используются специальные пробы, которые могут исследоваться только в лабораторных условиях. На получение и оформление результатов анализа требуется значительное время, составляющее до 1.5 часов, что создает определенные неудобства, поскольку может привести к дополнительным простоям крупных танкеров у причалов терминала в ожидании оформления документов.

Исходя из вышесказанного, в диссертации выполнены исследования в данной предметной области. Исследования направлены на решение важной научно-технической задачи, имеющей существенное значение для народного хозяйства. Народнохозяйственное значение состоит в повышении энергетической эффективности работы нефтеналивных терминалов современных отечественных портов, в обеспечении экологической безопасности и надежности реализации технологических процессов путем разработки моделей и алгоритмов оптимизации.

Актуальность проблемы. Развитие и совершенствование технологических процессов высокопроизводительных нефтеналивных терминалов, состоящих из многих компонентов, взаимосвязанных между собой с помощью организационных структур и технологических состояний, обусловлено необходимостью экспорта российских энергоносителей в страны Западной Европы, что является важным направлением реализации государственной политики в области совершенствования и развития рыночных отношений в период преодоления последствий кризиса мировой экономической системы. В сложившихся условиях особую актуальность приобретают вопросы автоматизации и оптимизации технологических процессов в нефтеналивных портах, обеспечивающих снижение потерь нефтепродуктов, значительное сокращение потребления топлива и энергии, необходимых для удовлетворения собственных потребностей предприятия в энергоресурсах. Актуальность определяется необходимостью существенных улучшений технологических схем функционирования трубопроводной системы и организации погрузки и выгрузки нефти и нефтепродуктов. Эффективность автоматизации нефтеналивных портов и портового оборудования обеспечивается путем применения математических методов исследования операций, разработки моделей и алгоритмов, базирующихся на современных информационных технологиях, которые вместе с организационными и технологическими преобразованиями элементов и существующих систем управления перегрузочным комплексом позволяют качественно изменить функционирование всех подсистем, значительно улучшить организационно — технологические показатели предприятия в различных сферах бизнеса [1]. Наиболее адекватными процессам и перспективными считаются модели, построенные на основе системного подхода с соблюдением вариационных принципов оптимизации. Многоцелевой характер функционирования системы и ее подсистем требует для обеспечения эффективности решения задач выполнение большого числа ограничений технических, экономических и экологических показателей, которые взаимосвязаны между собой [4]. Поэтому 'разработка моделей, алгоритмов и методологических принципов автоматизации, реализации концепции эффективного функционирования и развития нефтеналивных терминалов и их систем является исключительно важной научной задачей. Создание механизмов реализации концепции совершенствования процессов автоматизации нефтеналивных портов на основе новых информационных технологий и компьютерных вычислительных средств является фундаментальным направлением использования имеющихся резервов' снижения потребляемых ресурсов, улучшения технико — экономических и производственных показателей специализированных портов, определяющим актуальность основных положений и выводов диссертационных исследований.

Диссертация посвящена разработке моделей и алгоритмов, предназначенных для автоматизации и оптимизации технологических процессов в специализированных нефтеналивных портах, принятия наиболее эффективных решений по организации и управлению режимами работы технологических линий.

Целью работы является повышение эффективности и качества функционирования нефтеналивных терминалов и систем обеспечения температурных режимов нефти во время погрузки и выгрузки путем моделирования и оптимизации технологических процессов в порту. Эффективность обеспечивается за счет снижения затрат топлива и энергии на обеспечение работы портового оборудования, совершенствования технологий обеспечения безопасности водных коммуникаций средствами алгоритмизации с применением современных информационных технологий.

Автоматизация технологических процессов в нефтеналивных портах, по существу, требует эффективного решения конкретных проблем обеспечения функционирования сложных технических объектов и их элементов с учетом выбора структуры транспортирования нефти по системе трубопроводов. При этом во многих случаях необходимо оперативно синтезировать управления с четкой ориентацией на целевое назначение операций [13].

Выбор объекта исследования, которым является нефтеналивной специализированный порт, обусловлен необходимостью решения задач автоматизации и оптимизации технологических операций, разработки энергосберегающих технологий, с целью уменьшения потребления ресурсов на выполнение перегрузочного процесса. Фундаментом общей методологии принятия оптимальных решений в различных направлениях эксплуатационной деятельности порта транспорте послужили вариационные принципы и методологические основы численной реализации оптимизационных процедур. В них используются результаты исследования в области математического программирования, численных методов практической оптимизации и исследования операций.

Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы автоматизации и оптимизации технологических процессов в нефтеналивных портах. С целью создания моделей и алгоритмов, предназначенных для решения научно — технической задачи автоматизации и оптимизации технологических процессов в порту, обеспечения экономии топлива и энергии, снижения потерь нефти и нефтепродуктов в процессе транспортирования, совершенствования способов оценки состава нефти с помощью новых датчиков информации, в диссертации сформулированы следующие задачи исследований:

Заключение

.

В результате выполненных диссертационных исследований получены решения научно-технической задачи повышения эффективности автоматизации и контроля технологических процессов погрузки нефти и нефтепродуктов в нефтеналивных портах Северо — Западного региона (па объектах Распределительно-перевалочного комплекса в г. Высоцк Ленинградской области ОАО «РГЖ Высоцк «ЛУКОЙЛ-Н»). Показано, что нефтеналивные терминалы в Финском заливе являются крупными потребителями энергии, используемой для обеспечения надежного и безаварийного транспортирования нефти в танкеры при различных погодных условиях. Например, только одна автоматизированная комбинированная «термомасляная» котельная, используемая для. нагрева нефти в' г. Высоцк, потребляет до 28 000 кВт. Большие энергетические затраты требуются для обеспечения работы перекачивающих насосов1 и другого оборудования порта. Поэтому экономия топлива и энергии на объектах комплекса является исключительно важной, актуальной научно — технической проблемой. Высокий уровень производительности и безопасности работы терминалов может быть обеспечен только при наличии технологий и перегрузочных средств, позволяющих постоянно улучшать технологические характеристики перегрузочных комплексов путем использования последних достижений науки и техники, положительного опыта, накопленного в мировой практике. В работе показано, что современный нефтеналивной порт в условиях конкуренции должен быть обеспечен модельными, алгоритмическими и программными средствами для непрерывной оценки эффективности работы в составе транспортной инфраструктуры, прогнозирования собственной деятельности и бизнеса, с учетом внутренних и внешних составляющих финансового рынка, экономических показателей развития предприятия.

В условиях рыночной конкуренции важными методологическими предпосылками повышения эффективности автоматизации и управления технологическими процессами нефтеналивного порта являются последовательное проведение системного анализа объекта методами планирования эксперимента и повышения степени адекватности моделей.

Объединение современных методов эффективного управления, алгоритмизации и соответствующего программного обеспечения позволяет создать высокоэффективную систему мониторинга и оценки параметров анализируемого процесса и принятия решений в реальном масштабе времени. Последнее чрезвычайно важно в условиях контроля состояния сложных технологических процессов, реализуемых в порту и сопряженных с необходимостью оперативного принятия управленческих решений.

Проведенные по данной проблеме диссертационные исследования позволяют сформулировать следующие результаты и выводы:

1.В диссертации проведен анализ технологических процессов специализированного нефтеналивного терминала, выделена его структура, определены особенности технологических операций налива вакуумного газойля в танкеры и перевалки различных типов нефтепродуктов.

2.В терминах логико-вероятностных методов оценки риска, с учетом вероятности перехода системы (элементов перегрузочного комплекса) в нестандартное (опасное) состояние, предложены модели надежности, основанные на анализе наиболее вероятных событий инициаторов. Учтены условия выбора вариантов перехода системы в различные состояния, определяемые технологическими схемами перегрузочного комплекса, что позволило учесть наиболее вероятные технические неисправности и ошибки операторов. На моделях реализована схема обеспечения питания грузовых насосов, насосной станции, комплекса по перевалке нефти и нефтепродуктов, а также исследован процесс переполнения буферных емкостей.

3.Определены превентивные меры и разработан перечень эффективных действий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов. Рассмотрены ситуации, связанные с отклонениями технологических процессов от установленных норм, а также возможные разливы, происходящие вследствие нарушений герметичности соединений перекачивающих насосов, арматуры стендеров, узлов измерения количества нефтепродуктов, отгруженных в нефтеналивные суда. Определен состав мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций, обусловленных разливами нефти и нефтепродуктов, на объектах комплекса. Предусмотрены конкретные меры по поддержанию в постоянной готовности сил и средств для обеспечения безопасности населения и территорий, а также по максимально возможному снижению ущерба и потерь в случае возникновения опасных ситуаций. Приведены количественные оценки последствий наиболее вероятных разливов нефтепродуктов и выполнена оценка их вероятности.

4.Исследован способ измерения состава нефти и нефтепродуктов путем оценки их проводимости зг0 и диэлектрической проницаемости 8 в определенном рабочем диапазоне частот, позволяющий использовать идентификационные положения теории управления для оперативного решения задач диагностики жидкостей. Способ основан на сопоставлении электрических сигналов с базовыми значениями, полученными для различных наборов составов светлых фракций и других продуктов. Оценка параметров и состояния нефти исследованным способом базируется на основе определения электрофизических параметров путем обработки экспериментальных данных, полученных для большого числа растворов, с помощью которых интерполированы конкретные значения ей аг0 для нефти, поступающей в порт из различных месторождений.,.

5.На основе составленных схем замещения, на границе раздела фаз и объемной части датчика информации (ячейки с раствором) проведен анализ с оценкой оптимальных значений электрических параметров, требуемых для определения диэлектрической проницаемости электролитов. Разработаны алгоритмы и модели оценки удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости различных растворов. Предложен способ определения удельной электропроводности растворов различного класса базирующийся на параметрической оценки диэлектрической проницаемости s данного раствора, который используется в качестве меры сравнения.

6.В терминах прямой задачи моделирования разветвленной технологической схемы трубопроводов, используемых для заполнения танкера вакуумным газойлем за счет перепада высот между резервуарным парком и танкером, разработан алгоритм и предложена программа для решения системы нелинейных уравнений с целью оценки переменных состояния — отметок уровней в буферных емкостях, в узлах трубопроводной системы и расходов в трубопроводах. Алгоритм базируется на вычислительной процедуре Ньютона — Рафсона — Канторовича.

7.Разработан алгоритм распределения потоков нефти и нефтепродуктов в разветвленных рукавах трубопроводов нефтеналивного комплекса, основанный на принципе наименьшего действия. Применительно к открытым гидравлическим системам, принцип наименьшего действия состоит в таком распределении расходов перекачиваемого нефтепродукта, при котором в установившемся режиме энергия, расходуемая системой на транспортирование нефтепродуктов по выбранной трубопроводной схеме, является минимальной.

8.Разработан алгоритм оценки вектора переменных состояния в нелинейной модели разветвленной системы технологических трубопроводов, базирующийся на методе наименьших квадратов. Для реализации процедуры поиска зависимости расходов в ветвях разветвления от полного расхода в системе предложена программа, обеспечивающая итерационный сходящийся вычислительный процесс с оценкой коэффициентов матрицы Якоби на каждом шаге.

9.Разработана многошаговая модель распределения ресурса (объема топлива для нагрева теплоносителя до заданной температуры в течение заданного времени) по процессам (потребителям теплоносителя) и алгоритм её функционирования в условиях ограничений. Для реализации модели приведен файл, составленный в кодах MatLAB, в основу которого положено использование функции PATTERNSEARCH, принадлежащей к классу функций генетического алгоритма.

Ю.Предложен алгоритм решения задачи распределения ресурсов, использованный для определения минимальных потерь электроэнергии в порту. Алгоритм реализован на основе функции linprog, содержащейся в инструментарии Optimization Toolbox среды MatLAB. Предложенный алгоритм обеспечивает высокое быстродействие и устойчивость процесса вычислений при решении задач большой размерности, описываемых вектором состояния с числом элементов, превышающим несколько сотен.

11 .Разработана математическая модель, позволяющая в условиях ограничений объемов ресурсов в каждой конкретной ситуации использовать их с наименьшими потерями, что достигается за счет алгоритмизации и использования численных методов оптимизации и эффективных вычислительных средств. Разработан сплайн-алгоритм оптимизации, базирующийся на стандартных функциях вычислительной среды MatLAB и позволяющий решать задачи эффективного распределения ресурсов по процессам.

Предложенный алгоритм предусматривает использование для получения оптимума функции fmincon, в составе которой содержится файл — функция специальной структуры. Сплайн — алгоритм позволяет представить целевую функцию, содержащуюся в этом файле, в виде аддитивных сплайнов отдельных процессов, построенных на сетке исходных данных, используемых в качестве интерполяционных узлов. Практическое применение предложенного алгоритма подтвердило его высокую эффективность. Алгоритм выгодно отличается от известных численных процедур оптимизации, применяемых для решения задач распределения ресурсов. Во — первых, в процессе его использования исключается необходимость выбора шага дискретностиво — вторых, аппроксимация характеристик с помощью сплайнов, обладающих целым рядом внутренних оптимальных свойств, позволяет получать наилучшие распределения ресурсов по процессам практически для непрерывных режимов и, наконец, сплайн — алгоритм не связан с соблюдением жесткой последовательности обработки данных по процессам. Алгоритм допускает получение оптимальных решений при вариации основного ресурса (бюджета) с любым шагом дискретности.

Для демонстрации эффективности работы сплайн — алгоритма приведено решение задачи об оптимальном распределении инвестиций в развитие инфраструктуры нефтеналивного порта. Основные научные положения и выводы диссертационных исследований внедрены на объектах Распределительно-перевалочного комплекса в г. Высоцк Ленинградской области ОАО «РПК Высоцк «ЛУКОЙЛ-П», а также в учебный процесс на факультете Портовой техники и электромеханики СПГУВК.