Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Разработка эффективных методов и алгоритмов оптимального управления сложными химико-технологическими системами: На прим. 
процесса каталит. 
крекинга

Диссертация: Разработка эффективных методов и алгоритмов оптимального управления сложными химико-технологическими системами: На прим. процесса каталит. крекинга
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В третьей главе приведен анализ возможных путей решения задачи управления процессом каталитического крекинга как многокритериальной задачи оптимизации. С целью выбора наиболее эффективного метода решения проведено сравнение различных способов свертки критериев. Также рассмотрены вопросы, относящиеся к проблеме определения наиболее эффективного метода решения задачи оптимального управления… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Анализ технологического процесса каталитического крекинга и постановка задачи исследований
    • 1. 1. Описание технологического процесса каталитического крекинга
    • 1. 2. Анализ современного уровня и тенденций развития отрасли
    • 1. 3. Анализ процесса как объекта управления
    • 1. 4. Декомпозиционное управление сложными химико-технологическими системами
    • 1. 5. Постановка задачи оптимального управления
  • Глава 2. Математическое моделирование процесса каталитического крекинга
    • 2. 1. Математическая модель кинетики процесса каталитического крекинга
    • 2. 2. Математическая модель гидро- и термодинамики процесса каталитического крекинга
      • 2. 2. 1. Математическое описание стадии подогрева сырья
      • 2. 2. 2. Математическое описание стадии крекинга
      • 2. 2. 3. Математическая модель стадии регенерации
    • 2. 3. Решение задачи идентификации математической модели каталитического крекинга
  • Глава 3. Выбор метода решения задачи оптимального управления
    • 3. 1. Оптимизация многостадийных процессов
      • 3. 1. 1. Выбор критериев для постановки задачи оптимизации процесса каталитического крекинга
    • 3. 2. Многокритериальная оптимизация
    • 3. 3. Декомпозиционные методы оптимизации
    • 3. 4. Решение задачи оптимального управления процессом каталитического крекинга методом явной декомпозиции
    • 3. 5. Обоснование выбора алгоритма оптимального управления
      • 3. 5. 1. Метод комплексов Бокса
      • 3. 5. 2. Метод скользящего допуска
      • 3. 5. 3. Анализ эффективности алгоритмов оптимизации
    • 3. 6. Численное решение задачи оптимального управления процессом каталитического крекинга
  • Глава 4. Техническая реализация системы управления процессом каталитического крекинга
    • 4. 1. Структура автоматизированной системы управления процессом каталитического крекинга
      • 4. 1. 1. Основные параметры процесса
      • 4. 1. 2. Схема автоматизации процесса каталитического крекинга
    • 4. 2. Технические средства реализации многоуровневой иерархической системы управления
      • 4. 2. 1. Измерительные преобразователи АСУ каталитического крекинга
      • 4. 2. 2. Техническая реализация двухуровневой системы управления
    • 4. 3. Анализ эффективности системы 108 оптимального управления процессом каталитического крекинга
  • Основные результаты работы

Разработка эффективных методов и алгоритмов оптимального управления сложными химико-технологическими системами: На прим. процесса каталит. крекинга (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

В связи с переходом на интенсивные методы технологии и строительством укрупненных и комбинированных установок все большую роль играет повышение качества расчетов химических процессов, оптимизации действующих и проектируемых технологических схем.

Использование современных знаний, а также методов математического моделирования и оптимизации позволяют путем расчетов технологического режима обеспечить для заданных условий оптимальное протекание процесса.

В настоящее время при разработке автоматизированных систем управления сложными технологическими комплексами во всех отраслях промышленности широкое применение находит теория иерархических многоуровневых систем управления. Применение данного подхода позволяет снизить сложность и повысить качество решения подобных задач управления. Кроме того, при создании автоматизированных систем управления (АСУ) декомпозиция позволяет использовать ранее существующие системы управления как подсистемы для АСУ более высокого уровня.

Основная цель работы — разработка эффективных методов и алгоритмов решения задач декомпозиционного управления и оптимизации статических режимов сложных химико технологических систем (СХТС) на примере автоматизации технологического процесса каталитического крекинга.

Каталитический крекинг тяжелых дистиллятных фракций на цеолитсодержащих катализаторах — один из самых многотоннажных процессов в нефтеперерабатывающей промышленности. Ему принадлежит одно из ведущих мест среди вторичных процессов нефтепереработки. Целевым назначением процесса является получение высокооктанового бензина из вакуумных нефтей, выкипающих в пределах 300−500'С. Газы, богатые бутанбутиленовой и пропан-пропиленовой фракциями, находят широкое применение в качестве сырья для производства высокооктанового компонента бензина — алкилата, а также в производстве синтетического каучука и в нефтехимии []].

Основным сырьем крекинга являются вакуумные газойли широкого фракционного состава с температурой выкипания 300−500'С и утяжеленные вакуумные газойли с температурой конца кипения до 550'С и даже 590'С. Для расширения ресурсов сырья используют и сырье вторичного происхождения, в частности газойли коксования.

Анализ процесса как объекта управления показывает, что он относится к СХТС и характеризуется наличием сложной взаимосвязи между элементами системы. Управление данным процессом требует применения высокоэффективных методов теории автоматического управления и оптимизации. Одной из основных задач системы управления является расчет и поддержание оптимального статического режима работы оборудования, поэтому большое внимание уделено решению задачи статической оптимизации процесса каталитического крекинга. Также рассматриваются возможности применения декомпозиционных методов для решения задачи оптимального управления и разрабатываются эффективные алгоритмы решения поставленных задач.

Основной материал работы изложен в четырех главах. Первая глава посвящена описанию процесса каталитического крекинга. Проводится анализ процесса как объекта управления, выделены особенности процесса и сформулирована в общем виде задача оптимального управления. На основе проведенного анализа обоснована целесообразность применения для управления процессом многоуровневых иерархических систем и декомпозиционных методов. Определены цели и задачи дальнейших исследований.

Во второй главе осуществляется разработка математической модели каталитического крекинга. Рассматриваются возможные варианты описания кинетики и гидродинамики процесса, проведены идентификация параметров и оценка адекватности принятой модели.

В третьей главе приведен анализ возможных путей решения задачи управления процессом каталитического крекинга как многокритериальной задачи оптимизации. С целью выбора наиболее эффективного метода решения проведено сравнение различных способов свертки критериев. Также рассмотрены вопросы, относящиеся к проблеме определения наиболее эффективного метода решения задачи оптимального управления на основе децентрализованного подхода. Проведен анализ существующих методов декомпозиции и обоснован выбор рабочего метода при решении задачи управления процессом каталитического крекинга.

В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с технической реализацией разработанной системы управления.

В заключении сформулированы основные результаты работы. Научная новизна результатов работы, представляемых к защите, заключается в следующем: на основе анализа имеющихся работ сформулирована полная модель процесса в реакторе установки каталитического крекинга типа Г-43/107, отражающая специфику производства и учитывающая его основные технологические параметрыпредложены к рассмотрению и проанализированы различные виды критериев идентификации математической моделипоказано, что наибольшая точность и удобство решения достигается при использовании модульного критериявпервые задача оптимального управления технологическим процессом каталитического крекинга сформулирована как многокритериальная задачи оптимизации и предложены пути ее решения методом явной декомпозициипроведен анализ различных методов решения многокритериальных задач оптимизации с использованием свертки критериев и обоснован выбор модульного минимаксного критерия свертки как обеспечивающего высокую точность решения и позволяющего его нахождение и в случае невыпуклости множества допустимых решений.

Практическая ценность результатов работы: предложенные методы и алгоритмы оптимального управления сложными системами для многокритериальных оптимизационных задач реализованы на основе метода явной декомпозиции и позволяют достичь улучшенных результатов проведения процесса в зависимости от исходных характеристик сырья, заданных условий протекания процесса и требований рынкапредложен вариант технической реализации системы управления процессом каталитического крекинга на базе распределенной сети кольцевой архитектуры с использованием технических средств фирмы КОХВОЯОразработанные алгоритмы решения задачи оптимального управления процессом каталитического крекинга на установке типа Г-43/107 реализованы на алгоритмических языках, входящих в состав стандартного программного обеспечения АСУрезультаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании распределенных АСУ в качестве технического материала для внедрения на нефтеперерабатывающих заводах в виде типовых решений и пакета прикладных программ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Сформулирована задача оптимального управления технологическим процессом каталитического крекинга и предложены пути ее решения декомпозиционными методами;

2. Предложена математическая модель статического режима процесса каталитического крекинга, пригодная для расчета основных параметров процесса.

3. Проведено сравнение различных способов и выбор метода решения сформулированной задачи как многокритериальной задачи оптимизации.

4. Проведен анализ различных способов решения многокритериальных задач оптимизации на основе методов свертки критериев и обоснован выбор наиболее эффективного вида свертки.

5. Разработаны и исследованы эффективные алгоритмы реализации метода явной декомпозиции для решения поставленной многокритериальной задачи оптимального управления процессом каталитического крекинга.

6. Па основе вычислительных экспериментов решена задача оптимального управления процессом каталитического крекинга, позволяющая достичь наилучших результатов проведения процесса в зависимости от исходных характеристик сырья, заданных условий протекания процесса требований рынка.

7. Разработан пакет программ, позволяющий моделировать процесс каталитического крекинга и определять оптимальные режимы проведения процесса.

8. Предложен вариант технической реализации системы управления процессом каталитического крекинга на базе распределенной сети кольцевой архитектуры с использованием технических средств фирмы FOXBORO J/A Series.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Эрих ВЛ1., Расина М. Г., Рудин М. Г. Химия и технология нефти и газа., М.: Химия, 1972
  2. Е.В. Технология переработки нефти и газа, ч.2., М.: Химия, 1980
  3. ., Кетцир Дж., Шуйт Г. Химия каталитических процессов. М.: Химия, 1981
  4. Крекинг нефтяных фракций на цеолитсодержащих катализаторах / под ред. Хаджиева С. Н., М: Химия, 1982
  5. .И. Установки каталитического крекинга. М.: Гостоптехиздат, 1956
  6. Справочник нефтепереработчика / под ред. Ластовкина Г. А., Радченко Е. Д., Рудина М. Г., Ленинград: Химия, Ленинградское отделение, 1986
  7. А.Я., Шумский В. М. Установка каталитического крекинга как объект автоматического управления., Вопросы промышленной кибернетики (труды ЦНИИКА), вып. 26, М.: 1965
  8. В.В., Дорохов П.II., Марков Е. П. Системный анализ процессов химической технологии., М.: Наука, 1986
  9. Липатов Л. Н, Типовые процессы химической технологии как объекты управления., М.: Химия, 1986
  10. Л.С. Оптимизация больших систем. М.: Наука, 1975
  11. М., Мако Д., Такахара И., Теория иерархических многоуровневых систем., М.: Мир, 1973
  12. А.Г., Володин В. М., Авдеев В. Г. Математическое моделирование и оптимизация плазмохимических процессов., М.: Химия, 1989
  13. В.В., Мешалкин В. П., Перов В. Л. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств., М.: Химия, 1979
  14. Hassan М., Singh M.G. The optimization of Non-Linear systems using a new two level method. Automatica, 1976, vol.12, № 4, p.359−363.
  15. Модели и методы анализа больших систем. Вопросы кибернетики, М.: 1991
  16. Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения., М.: Радио и связь, 1992
  17. Ю.О., Калинева Л. С., Письмен Л. М., Молдавский Б. Л., Иоффе И. И. Сб. статей: Моделирование и оптимизация каталитических процессов., М.: Наука, 1965
  18. IO.M. Расчеты и исследования химических процессов нефтепереработки., М.: Химия, 1973
  19. Ю.М. Моделирование физико-химических процессов нефтепереработки и нефтехимии., М.: Химия, 1978
  20. В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии., М.: Химия, 1968
  21. Г. М., Лазь Ю. И., Жоров Ю. М., Пивоваров А/Г. Нефть и газ, 1966, N6,49
  22. Ю.Ш. В кн.: Катализаторы и каталитические процессы., Новосибирск: Наука, 1977
  23. Jakob S.M., Gross В., Voltz S., Weekman V.W., A lumping and reaction scheme for catalitic cracking., AlChe J., V. 22, № 4, 1976
  24. B.M. Определение статической модели каталитического крекинга., Химия и технология тогшив и масел, № 12, 1969
  25. P.A. Моделирование и оптимизация процесса двухступенчатого каталитического крекинга., Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. к. т. н., Баку, 1984
  26. Т.И., Математические вопросы моделирования каталитических процессов. В кн.: Математическое моделирование химических реакторов., Новосибирск: Наука, 1984
  27. М.А. и др. Технологические расчеты установок переработки нефти., М.: Химия, 1987
  28. B.C., Мещеров В. Д. Математическое моделирование реакторов с кипящим слоем катализатора. В кн.: Математическое моделирование химических реакторов., Новосибирск: Наука, 1984
  29. Ю.Ш., Чумакова H.A. Моделирование реакторов с неподвижным слоем катализатора при постоянном гидравлическом сопротивлении. В кн.: Математическое моделирование каталитических реакторов., Новосибирск: Наука, 1989
  30. М. Псевдоожижение., М.: Гостоптехиздат, 1962
  31. В.М. Методические указания по применению статистических методов при моделировании и оптимизации технологических процессов в нефтепереработке и нефтехимии., Надежность и контроль качества., № 12, 1988
  32. А. Новый комплекс численных методов идентификации и анализа кинетических моделей. В кн.: Математическое моделирование каталитических реакторов., Новосибирск: Наука, 1989
  33. Р.Х. Идентификация параметров математических моделей химической кинетики, полученных в условиях ассимптологического приближения. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, к.физ.-мат.н./ БГУ, Уфа, 1990
  34. B.C., Володин В. М., Цирлин A.M. Оптимальное управление процессами химической технологии. (Экстремальные задачи в АСУ), М.: Химия, 1978
  35. C.JI., Еганян Г. К., Хиршудян А. К. Экономико-математическое моделирование химико-технологических систем., Л.: Химия, Ленинградское отд., 1987
  36. JI.C. Вычислительные методы в химической кинетике., М.: Наука, 1984
  37. М., Математическое программирование. Теория и алгоритмы. Пер. с фр., М.: Наука, 1990
  38. Д. Прикладное нелинейное программирование., М.: Мир, 1975
  39. B.II. Справочник по алгоритмам и программам на языке BASIC для персональных ЭВМ., М.: Наука, 1987
  40. Зельднер Г. А. MICROSOFT BASIC PROFESSIONAL DEVELOPMENT SYSTEM 7.1 Руководство программиста., M. ABF, 1994
  41. Р. Динамическое программирование. Пер. с англ., М.: Наука, 1980
  42. С. Динамическое программирование в процессах химической технологии и методы управления. Пер. с англ., М.: Мир, 1965
  43. В.А. Разработка алгоритмов оптимального управления технологическим процессом производства искусственных волокон. Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н./МИХМ, М., 1984
  44. Н.В. Моделирование и оптимальное управление многостадийными процессами. Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н./ МГАХМ, М., 1995
  45. А. Оптимизация многостадийных процессов со сложной структурой потоков. Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н./ МГАХМ, М., 1998
  46. A.C. Экономическая оптимизация химических производств., М.: Химия, 1986
  47. Г. М., Бережинский Т. А., Оптимизация химико-технологический процессов теория и практика, М.: Химия, 1994
  48. З.А. Состав и химическая стабильность моторных топлив., М.: Химия, 1972
  49. Ю.Г., Потапов М. А. Глобальный поиск. В сб.: Методы решения задач оперативного управления., М.: ВНИИПОУ, 1984
  50. А.С., Юдин Д. Б. Сложность задач и эффективность методов оптимизации., М.: Наука, 1979
  51. Chong С.Y., Atlians М. On the periodic coordination of linear stoliastic systems. Automatica, 1976, vol.12, № 4, p.321−335.
  52. Г. М., Волин Ю. М., Методы оптимизации химических реакторов., М.: Химия, 1967
  53. И.Б., Кузьмин С. Т., Шумский В. С. Анализ и моделирование алгоритмов управления технологическими процессами., М.: НПО НХА, 1981
  54. В.А. Алгоритмы декомпозиционной оптимизации при управлении сложными химико-технологическими системами (на примере процесса ректификации нефти). Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н./МИХМ, М., 1990
  55. Ху Вен Цен Разработка и исследование алгоритмов оптимального управления процесса производства карбамидных смол. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н./ МИХМ, М., 1981
  56. Т.Н., Бахманов М. Ф., Келбалиев Г. И. Методы оптимизации процессов химической технологии с программами для ЭВМ., АН АзССР, Баку: Элм, 1985
  57. А.В. Оптимальное проектирование алгоритмического обеспечения локальных систем управления. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н./ МИХМ, М., 1990
  58. Техническая документация фирмы FOXBORO.
  59. И.В. Микропроцессорные и локальные сети микро-ЭВМ в распределенных системах управления., М.: Энергоатомиздат, 1985
  60. И.Т., Па за реп ко Ю.П., Некряч Е. Ф. Справочник химика., Киев: Наукова думка, 1987
  61. Методические указания по проведению патентных исследований на различных стадиях разработки объектов промышленной собственности., М.: ВИПСИ, 1993
  62. РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ"
  63. Расход сырья на установку=####.###"-Gs 'input Gs
  64. Решение локальных задач' 'методом покоординатного спуска' Z=1 mkrd: число переменных' input N1(Z)начальный шаг поиска' input hточность расчета"-epslok for i = 1 to N1(Z)
  65. Введите начальные x («-i-»)" input A (i) next i lh=hmt2: for i=l to N1(Z) Epr=.9E98 mtl: A (i)=A (i)+hselect case zпараметр z определяет выбор стадии’case 1 gosub teploobm case 2 gosub liftrktr case 3 gosub regener end select
  66. Решение глобальной задачи оптимального управления' KMB: ' Комплексный метод Бокса'
  67. Размерность задачи" — input п
  68. Ha основании расчета получены следующие значения"критериев оптимальности и параметров координации:"1. I стадия -#####.####"-1. II стадия -#####.####"-1.I стадия -#####.####" —
  69. Себестоимость-#####.####"-1. Выход бензина -###.###" —
  70. Содержание оксида углерода"в дымовых газах регенерации -###.###"-end
  71. Расчет локальных подзадач' '1 стадия, подогрев сырья' teploobm: 1: info=1 Ttn (0)=TtnO Ts (0)=TsOgosub difur TsL=Ts (int (Lto*10)) Tsto=al*(TsL-Ts (0))+Ts (0) ?"Tsto=####.##"-Tsto c$ = input $(1)return teploobm2 стадия, лифт-реактор' liftrktr: 21: info=2
  72. Tl=Gk3*Cpk*Pok*Tk3+Gs*Cps*Ptos*Tsto+Grc*Cprc*Porc*Trc T2=Gk3*Cpk*Pok+Gs*Cps*Ptos+Grc*Cprc*Porc
  73. TrO=Tl/T2 Tr (0)=TrO Xs (0)=XsO Xlf (0)=0.0 Xkc (0)=Xkc3omega=Gs*4/pir*Dr*Dr*Lr R=Gk3/Gsgosub difur Tlr=Tr (int (Lr*10)) XsL=Xs (int (Lr*10)) XlfL=Xlf (int (Lr*10)) XkcL=Xkc (int (Lr*10)) c$=input$(1)кипящий слой'22:
  74. Tbl=(Gk3*Cpk*Pok*Tlr+Gs*Cps*Ptos*Tlr+Gw22*Cpw*Pow*Tw)-(Qs+Qlf)
  75. Tb2=Gk3*Cpk*Pok+Gs*Cps*Ptos+Gw22*Cpw*Pow1. Tbl=Tbl/Tb2for i=l to 2
  76. Kbl (i)=a (i)*exp (-Eact (i)/(Rb*Tbl)) next i Vbl=Ld*Dd*pi
  77. Xsex=XsL-Kbl (1)*XsL*Xs1*Vbl/Gs
  78. Xlf ex=XlfL+(Kbl (1)*XsL*Xs1-Kbl (2)*XlfL)*Vbl/Gs Xkcex=XkcL+(Kbl (1)*XsL*Xsl-Kbl (2)*XlfL)*Vbl/Gk
  79. Ys-выход сырьевой фракции' Xkonv=V0/Kef-1 Ys2=l-Xkonv
  80. Ys3=(Kbl (1)/Kbl (2))Л1/(1-Kbl (1)/Kbl (2)) ?"степень конверсии сырья: Ysl=##.###"-Xsex ?" Ys2=##.###"-Ys2-" Ys3=##.###"-Ys3c$=input$(1)десорбция'23:
  81. Tdl=Tlr*(Gk3*Cpk*Pok+Ktp2*pi*Dr*Llrd)+Tw*Gw23*Cpw*Pow
  82. Td2=Gk3*Cpk*Pok+Gw23*Cpw*Pow+Ktp2*pi*Dr*Llrd1. Td=Tdl/Td2отстойная зона'
  83. Texl=Cpw*Pow*(Gw23*Td+Gw22*Tbl)+Gs*Tbl*Cps*Ptos Tex2=Cpw*Pow*(Gw23+Gw22)+Gs*Cps*Ptos
  84. Klr (l, j)=a (j)*exp (-Eact (j)/(Rb*Tr (l))) next j1. Wrs=Klr (l, l)*Xs (l)*Xs (l)
  85. Wrlf=Klr (l, l)*Xs (l)*Xs (l)-Klr (l, 2)*Xlf (1) Wrkc=0.5*(Kir (1,1)*Xs (1)*Xs (1)+K1r (1,2)*Xlf (1))
  86. F2(1,1)=-Wrs/omega: f (1)=F2(1,1) F2(l, 2)=WrIf/omega: f (2)=F2(l, 2) F2(1, 3)=Wrkc/omega: f (3)=F2(l, 3) Qs=Wrs*dHs*pi*Dr*Dr*0.25*dl Qlf=Wrlf*dHlf*pi*Dr*Dr*0.25*dlif 1≤250 then Qlrd=0 else Qlrd=Ktp2*pi*Dr*Llrd*(Tr (1)-Td) end i f
  87. F2(1,4)=-(Qs+Qlf+Qlrd)*Gs/(Cps*Pos+Cpk*Pok*R) f (4)=F2(l, 4) return lift regen:
  88. WrC=-Krg*Xkc (l)*Xo (l): Wr0=-0.5*WrC WrCO=0.25*Wrc: WrC02=WrC Qkc=WrC*dHC*pi *Drg*Drg*0.25*dl Arg=0.001*F3(1,1)
Заполнить форму текущей работой

На отлично!