Функционирование технических систем (ТС)

Введение

Современный уровень развития проектирования и управления техническими системами предполагает использование информационных технологий на всех этапах жизненного цикла. Основными этапами жизненного цикла технических систем (ТС) являются проектирование, монтаж и эксплуатация, последующая реконструкция или утилизация системы.

В процессе проектирования осуществляется поиск функциональных решений, представляемых и документируемых в виде функциональной структуры, которая затем может быть материализована с помощью определённых предписаний. Эти предписания служат для изготовления компонентов системы и составляются таким образом, чтобы все функциональные требования были выполнены. В этом смысле процесс проектирования предполагает получение не только всех необходимых чертежей изделия, но и разработку технологических процессов его изготовления.
Целью проектирования является разработка и формирование функций технической системы путём переработки технологической и организационной информации. Во всех отраслях промышленности установлены следующие стадии разработки конструкторской документации: техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочая документация. Часто стадии разработки технического проекта и рабочей документации объединяют в одну. Все перечисленные стадии подготовки технической документации являются результатом выполнения определённых этапов проектирования.
Функционирование ТС требует наличия автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) и системы оперативного управления производством (СОУ). Данные системы ориентированы на применение современной вычислительной техники и разрабатываются, как правило, на базе известных SCADA и ERP систем. Они предназначены для решения задач оперативного контроля состояний технологического процесса и оборудования ТС; управления производственным процессом; формирования плана выпуска продукции и проведения планово-предупредительных ремонтов; решения организационных вопросов и др.
Современный уровень развития информационных и коммуникационных технологий на производстве позволяет активно использовать передовые системы автоматизации технологического процесса и управления выпуском продукции и предприятием в целом. Создание единой информационной системы промышленного предприятия позволяет осуществить комплексное решение задач управления выпуском продукции, опираясь на взаимодействие интегрированных автоматизированных информационных систем.

1 Структура топливно-энергетического комплекса. Виды и специфика информационных технологий ТЭКЕсли до конца 19-го века основными видами топлива были каменный уголь и дрова, то в начале 20-го столетия благодаря как успехам фундаментальных наук, так и бурному развитию инженерных дисциплин, в индустриально развитых странах стал формироваться топливно- энергетический комплекс, как отдельная область промышленности.
Современная структура ТЭК, как в мире, так и в РФ, начала активно формироваться, начиная с 30-х годов прошлого столетия и в основном сформировалась к концу 70-х, когда были построены и введены в эксплуатацию как основные производственные предприятия (электростанции, нефте- и газоперерабатывающие заводы), так и соответствующая инфраструктура (нефте- и газопроводы, АЗС, электрические распределительные сети).
В сложившемся виде она сохранялась до начала-середины 90-х, после чего в структуре ТЭК РФ происходили многочисленные организационные и управленческие изменения, связанные с приватизацией и образованием частных нефтяных компаний, реорганизацией РАО ЕЭС, а также изменением доли участия государства в управлении как отдельными секторами и компаниями ТЭК, так энергетическим комплексом в целом.
В настоящее время структура ТЭК РФ представлена следующими подразделениями:
• генерирующие компании, объединенные по региональному принципу, которые включают в себя электростанции, распределительные сети и сбытовые компании;
• вертикально-интегрированные нефтяные и газовые компании (ЛУКОЙЛ, РОСНЕФТЬ, ГАЗПРОМ, ТНК-ВР, ГАЗПРОМНЕФТЬ, Татнефть, Башнефть, Сургутнефтегаз и др.);
• горнодобывающие (угольные) компании;
• предприятия, входящие в структуру Росатома (АЭС, предприятия по наработке и переработке ядерного топлива);
• компании по транспортировке нефти и нефтепродуктов (Транснефть, Транснефтепродукт).
Следует отметить, что в ближайшей перспективе в мире ожидается рост количества предприятий, представляющих альтернативные и возобновляемые источники энергии, которые в настоящий момент в РФ практически не представлены. В этой связи, а также по причине природной органической близости и общности углеводородного сырья к предприятиям ТЭК, можно условно отнести часть агропромышленного комплекса, поскольку современные технологии выращивания и переработки сельскохозяйственных культур позволяют не только получать пищу (которую можно рассматривать, в частности, как топливо для живых организмов), но и производить, например, моторные топлива, по стоимости сопоставимые с топливами из нефтепродуктов.
Что касается современного технического состояния предприятий ТЭК РФ и СНГ и тесно связанных с ним нефтехимическим предприятиями, то к началу 21 века большинство из них выработало свой ресурс, как с точки зрения технической и экономической эффективности технологических процессов, так и по причине физического и морального износа оборудования.
В последнее десятилетие рядом компаний при активном участии правительства РФ был принят ряд программ по модернизации, а в ряде случаев и по восстановлению предприятий ТЭК, реализация которых ведется в настоящее время активными темпами, с привлечением передовых технологий и накопленного мирового опыта.
Одним из ключевых подходов при модернизации, реконструкции и строительстве новых предприятий ТЭК является требование максимальной, а иногда и полной автоматизации технологических процессов, что обусловлено не только стремлением к повышению производительности труда и повышению качества продукции, но и спецификой производственных процессов, большинство из которых являются взрывопожароопасными.
С появлением в конце прошлого века надежных доступных по цене промышленных и персональных компьютеров, автоматизированных систем управления на их основе, а также автоматизированных и автоматических лабораторных и промышленных приборов и анализаторов, и их активным внедрением на предприятия ТЭК, стало возможным развитие и специфических информационных технологий, присущих данному типу предприятий.
Основными видами ИТТЭК являются:
• технологии контроля качества продукции при производстве и реализации, (в том числе коммерческий учет сырья и энергоносителей);
• технологии контроля взрывопожаро-, радиационной и экологической безопасности производства;
• технологии энергосбережения при добыче, транспортировке, производстве и потреблении энергоносителей.
Отличительной особенностью данных технологий является то, что все они базируются на сложных высокоточных приборах, сигнализаторах и других устройствах, сочетающих в себе практически все известные физические сенсоры, физические и физико-химические методы анализа, автоматические устройства и модули, а также средства обработки, хранения и передачи информации. Специфика ИТТЭК обусловлена необходимостью реализации в условиях взрывопожаро- или радиационно- опасных производств, с учетом климатических и сейсмических условий в регионе местонахождения конкретных предприятий.

2 Контроль качества нефтехимической продукции. В нефтехимической промышленности качество выпускаемых присадок и реагентов является основой для стабильного и устойчивого процветания как бизнеса в частности, так и отрасли в целом. Этот сегмент рынка имеет свою определенную специфику, поэтому гарантом высокого качества здесь служит сбалансированная и продуманная система контроля качества, используемая на всех этапах жизненного цикла продукции (от поиска компонентов до транспортировки грузов заказчику и дальнейшего сервисного обслуживания клиентов).
Как следствие, сегодня система менеджмента (контроля) качества является неотъемлемой частью предприятия. Потребитель ожидает от производителя определенной гарантии качества всех производственных процессов, подразумевающих целую систему связанных между собой организационных, технических и экономических мероприятий для установления, обеспечения и поддержания необходимого уровня качества продукции при ее разработке, производстве и использовании. И это не только своевременная идентификация и незамедлительное устранение различных дефектов продукции перед поставкой клиенту, но и индивидуальная проверка каждой партии на соответствие требованиям технических условий, российских и международных стандартов качества.
Как добиться всех этих поставленных целей одновременно? На производстве Топливного Региона постоянный технический контроль качества осуществляется на всех стадиях изготовления продукции – от получения компонентов для присадок и реагентов до их отгрузки заказчику. При этом входной контроль качества сырья и всех компонентов (на соответствие заявленным характеристикам от производителя) обеспечивается на имеющейся при производстве лаборатории, а выходной контроль проходит в независимом испытательном центре ОАО «НИИК». В данном аспекте следует отметить, что специалистами Компании разработаны индивидуальные испытательные программы и методики контроля качества продукции. Также особое внимание отводится мероприятиям, направленным на подтверждение соответствия качественных характеристик наших присадок и реагентов требуемым государственным стандартам. Кроме того, продукция Топливного Региона регулярно подвергается процедуре добровольной сертификации ГОСТ Р.
Как следствие, только используя и совершенствуя необходимые инструменты контроля качества можно достичь высоких характеристик продукции, а, следовательно, и максимально повысить и укрепить позицию своего предприятия в отдельном сегменте рынка.
Очень часто традиционные аналитические методы, требующие больших затрат труда, времени, дорогих реактивов, могут быть заменены на косвенные методы, которые происходят гораздо быстрее и дешевле. Наиболее ярко эта тенденция проявилась при использовании инфракрасной (ИК) спектроскопии, особенно в ближней области (БИК).
Использование математических методов в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности началось значительно раньше, чем во многих других отраслях. Применение хемометрических методов обработки информации позволяет прогнозировать химический состав и физические свойства измеряемого потока с высокой точностью и в соответствии с установленными стандартами измерений.
БИК спектроскопия обычно используется на прозрачных и чистых потоках, таких как товарные бензины и дизельное топливо, некоторые компоненты первичной переработки, а также продукты вторичной переработки. БИК анализатор соединяется с полевыми измерительными модулями посредством оптоволоконного кабеля. Полевое устройство может монтироваться непосредственно на трубопроводе в любой точке нефтеперерабатывающего завода, при этом расстояние от полевого устройства до анализатора может достигать 3 км. Важно отметить, что длина оптоволоконного кабеля не влияет на оптический сигнал.
При использовании проточной измерительной ячейки измеряемый поток протекает через полевой измерительный модуль, что позволяет проводить измерения в непрерывном режиме. Анализатор БИК, использующий оптический метод измерения, не содержит механических частей. Оптический мультиплексор обеспечивает быстрое переключение каналов,  позволяя одновременно анализировать несколько различных по составу технологических потоков [2].
Световой сигнал от источника света передается на полевое устройство посредством оптоволокна. Луч проходит через измеряемый поток, непрерывно протекающий через полевой пробоотборник, и возвращается по оптическому волокну обратно на детектор анализатора. Спектральные данные обрабатываются хемометрическим методом и преобразуются в качественные параметры.
БИК спектроскопия основана на оптическом методе, поэтому область ее применения ограничивается прозрачными потоками. Другим недостатком технологии БИК является отсутствие линейного отклика. В некоторых ИК диапазонах поглощение света не находится в прямой зависимости с концентрациями химических соединений согласно закону Беера-Ламберта. Более того, на линейный отклик также влияет частичное наложение спектральных пиков и невысокое разрешение между пиками, относящимися к различным молекулярным связям. Это в основном вызвано различными значениями энергии возбуждения для каждой химической связи.
Узким местом для данной технологии является не время поставки оборудования или сбора лабораторных данных для построения калибровочных моделей, а тот факт, что модели должны быть достаточно гибкими. При построении требуется учесть все возможные вариации состава продукта, который постоянно меняется, поэтому введение в эксплуатацию даже очень мощных и современных систем анализа БИК занимает длительное время.
Традиционный подход к построению калибровочных моделей подразумевает учет всех возможных вариантов состава анализируемого продукта на основе сотен собранных образцов. Специалист, использующий хемометрический метод моделирования, выбирает репрезентативные образцы, охватывающие все возможные вариации в процессе. Модели строятся с использованием методов регрессии (например, частичных наименьших квадратов или регрессии основного компонента) или нерегрессионных методов (например, топологии). Модель, построенная традиционными методами, требует постоянного обслуживания. В связи с изменениями в ТП или составе сырья часто требуется периодическая корректировка моделей. Такой подход далек от принципа желаемого принципа работы «подключи и работай».
Для решения этой проблемы существует ПО, которое позволяет значительно ускорить построение калибровочных моделей. Используя результаты лабораторных анализов из информационной системы завода, программа обеспечивает автоматическую настройку и корректировку модели. Данный подход обладает  следующими преимуществами:
анализатор достигает гарантированной производительности, соответствующей установленным стандартам измерений (ASTM или ГОСТ), в течение нескольких дней с момента запуска;
не требует специальных человеческих ресурсов, таких как инженеров или математиков, для постоянного обновления моделей и поддержания нормативной работы анализатора;
ускоряет ввод анализатора в работу и улучшает производительность анализатора по сравнению со стандартными методами калибровок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мониторинг компонентов и продуктов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности служит важным инструментом для оптимизации работы предприятий.
Контроль качества производства на предприятиях традиционно основывается на результатах лабораторных анализов,  однако такой метод является неэффективным, прежде всего, из-за длительного времени, затрачиваемого на выполнение анализа. Оптимизация работы предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности может быть достигнута только в режиме непрерывных измерений параметров и качеств поточными анализаторами. Для достижения этой цели требуется множество специализированных анализаторов, работающих на базе стандартных методов ГОСТ или ASTM. Поскольку затраты на установку и обслуживание таких анализаторов крайне высоки, рекомендуется использование анализаторов, использующих коррелятивные методы измерений и способных проводить одновременный анализ множества химических параметров и физических свойств.
Коррелятивные поточные анализаторы полностью охватывают все поступающие и исходящие потоки и позволяют оператору проводить незамедлительную технологическую коррекцию. Опыт внедрения поточных БИК анализаторов на таких предприятиях, как Волгоградский НПЗ (Лукойл) и Ачинский НПЗ (Роснефть), показал увеличение эффективности производства.
Обязательства каждого нефтеперерабатывающего и нефтехимического предприятия в отношении повышения маржи напрямую связаны с его готовностью к установке многопоточных анализаторов. Перед принятием решения о том, какая анализаторная система является наиболее эффективной для предприятия, необходимо учесть различия в принципах работы анализаторов и оптимальной области их применения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Shahnovsky G., Cohen T. and  McMurray R. Integrated monitoring for optimizing crude distillation // PTQ. 2012. Q1 43-49.
Shahnovsky G., Cohen T. Innovation in petroleum process analyzers technology. ISA 53 // Analytical Division Symposium. 2008. p. 1, 1-7.
Edwards J., Giammatteo P. Gasoline Blending — NMR Application Overview // 37th Experimental NMR Conference, Pacific Grove. CA. 1996.
Zilberman I., Bigman J., Sela I. Spectroscopy with Communications Fiber Optics for Real Time Process Control // Hydrocarbon Processing. 1996.