Российская Технологическая Конференция 2018

Моделирование жизненного цикла технологических процессов

Виктор Дозорцев

19.09.2018

• Голос Пользователя – вместо введения

• UniSim – комплексное решение «Хоневелл» для проектирования, управления и оптимизации

• UniSim Design• UniSim Operations• UniSim Optimization

• Прогноз Пользователя – вместо заключения

Honeywell Confidential - © 2018 by Honeywell International Inc. All rights reserved.

О чем эта презентация2

• Глобальный опрос Siemens, 2015:• 221 Пользователь (198 предприятий, 23 университета)• Down-stream – 56%, up-stream – 27%, энергетика – 18%• Инжиниринг – 53%, менеджмент – 15%, разработчики – 16%,

исследователи – 8%• 51 страна (Германия – 34%, США – 24%)

Насколько Ваше использование моделирования определяется следующими факторами?

3

Голос Пользователя (вместо введения)1

Затраты

Время выхода на рынок

Качество

Произво-дительность

Устойчивость

Безопасность

Следование стандартам

Критически важно Не имеет значения

Решения принимаются на разных стадиях жизненного цикла. На чем основываются эти решения сегодня?

Голос Пользователя (вместо введения)2

Эскизный проект

Проектирование

Детальное проектирование

Установка и строительство

Пуск

Эксплуатация

Сопровождение и модернизация

Опыт Анализ Факторы безопасности Нормы Моделирование Не знаю

4

Моделирование может поддерживать разные задачи. Используете ли Вы моделирование для решения следующих задач?

5

Выработка ноу-хау и понимания

Распознавание проблем

Повышение качества

Сокращение времени

Поддержка решений

Минимизация рисков

Поддержка взаимодействий

Приемка и наладка

Визуализация и презентация

Другие

Голос Пользователя (вместо введения)3

Насколько часто Вы используете моделирование на разных стадиях жизненного цикла установки?

6

Голос Пользователя (вместо введения)4

Планирование и эскизное проектирование

Разработка и пуск

Тренинг персонала

Поддержка оперативных решений и оптимизация

Всегда Регулярно Время от времени Никогда

UniSim - решение на весь срок службы установки

• UniSim™ - это программное обеспечение и сервисы, повышающие качество работы установки и улучшающие общие показатели работы предприятия за счет:

• лучшего проектирования установки

• лучшего управления установкой, в том числе, за счет более эффективной и безопасной работы оборудования и лучшей подготовки оперативного персонала

• оптимизации работы установки

• Программное обеспечение UniSim интегрировано с технологиями, приобретенными у компании Aspen (2005), и усилено решениями разработчиков Honeywell, в том числе, российских

7

Комплексное решение по моделированию технологических процессов - UniSim

Экономия затрат за счет повторного использования моделей, стандартизации

средств моделирования, более эффективного использования знаний

8

UniSim – универсальный инструмент моделирования динамических объектов

Пакет UniSim для проектированияТехнологические процессыДинамические характеристикиНефтегазовая промышленностьХимия, НефтехимияПроектирование оборудованияФизические свойства

Пакет UniSim для управления- Модель процесса- Среда управления- Синхронизация процесса и модели- Управление процессом

- Повышение рентабельности- Глубокие знания и высокая квалификация персонала- Сокращение пуска, повышение надежности, снижение затрат на

инжиниринг (> $1 миллиона на каждый процесс)

- Повышение производительности и надежности установки- Снижение расходов на строительство на 0,5% и повышение производительностина 0,2%

- Повышение производительности и снижение затрат (на 1-3%)

- 1-4% экономии на качестве продукции

Пакет UniSim для оптимизации

Интеграция моделей UniSim с многоуровневой оптимизацией Обновление моделей и оптимизация реального времениСоставление расписанийПланирование

9

UniSim – решение для всего жизненного цикла производства

Преимущества для заказчика:

• Повышение надежности и производительности установки (на 0,2%)

• Снижение расходов на строительство (на 0,5%)

Пакет UniSim для проектирования:• Разнообразные технологические процессы нефтегазовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности• Динамические характеристики процессов• Физические свойства веществ и материалов• Эскизное проектирование• Проектирование оборудования

10

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов1

Трубопроводы

Нефть и газ

Теплообменное оборудование

Пинч-анализ

Амины

Электролиты

UniSim Design

(Статика, Динамика)

(Нефти, Термодинамика)

Проектирование установки

Сырая нефть

Многофазное равновесие

Разделение

Реакторы (новое)

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов2

11

• Многие поставщики разрабатывают модели уникального оборудования, например, реакторов:

• UOP: крекинг, риформинг, гидроочистка

• Synetix (сейчас Johnson Matthey): производство аммиака

• Schlumburger VMG: производство карбамида

• Идеальное решение для моделирования статических и динамических процессов в технологических производствах

12

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов3

Пример имитационной модели блока риформинга

13

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов4

Преимущества UniSim Design

• Удобная в использовании многооконная Windows-среда: технологические схемы обеспечивают удобные графические представления ТП, включая опции «вырезать», «копировать», «вставить», «автоматически связать», «создать подсхему» и др.

• Мощный термодинамический пакет: обеспечивается точный расчет физических свойств, свойств переноса, фазового поведения для нефтегазовых, нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессов. Поддерживается широкая БД по компонентам, имеется возможность добавлять пользовательские компоненты

• Поддержка OLE Automation: возможна интеграция с технологическими модулями и описаниями кинетики реакций, созданными пользователями, а также со специализированными пакетами физико-химических свойств. Обеспечивается легкая связь с программами MS Office через Visual Basic for Applications

14

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов5

Модели технологических аппаратов

• Дистилляционные колонны

• Реакторы

• Теплообменники, холодильники, печи

• Ротационное оборудование (насосы, компрессоры)

• Оборудование для работы с твердыми веществами и всмешанных средах (вибрационное сито, рукавныйфильтр-пылеуловитель, центрифуга, конвейер, дробилка и ротационный измельчитель) и др.

• Абсорберы, адсорберы, десорберы

• Библиотека логических элементов и элементов конфигурирования системы управления и ПАЗ

15

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов6

UniSim Design постоянно развивается и улучшается, чтобы соответствовать актуальным запросам пользователей

Некоторые новшества в версии продукта R450/451:

● Усовершенствование моделей трубопроводов и клапанов

● Новые типы оборудования: многофазный насос, жидкостная турбина

● Реакторы (гидроочистка, риформинг, изомеризация, алкилирование, гидрокрекинг)

● Интеграция кожухо-трубного теплообменника HTRI

● Добавление утилиты регрессии PVT

● Реализация алгоритма оптимизации NOVA

● Импорт свойств нефтей из Crude Suite и Haverly H/CAMS

● Генерация LP-векторов

● UniSim DMS Tool – интерфейс в Excel для доступа к параметрам модели

● др.

16

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов7

Специализированные модели технологических установок нефтепереработки, нефтехимии и химии в библиотеке Honeywell

• Первичная переработка нефти

• Гидроочистка

• Каталитический риформинг

• Каталитический крекинг

• Изомеризация

• Производство серной кислоты

• Производство аммиака

• Висбрекинг

• Алкилирование

• и многие др.

• Этиленовое производство (этилен, этилен-бензол, этиленгликоль, окись этилена)

• Конверсия олефинов

• Винилхлорид-мономер

• Производство пропилена

• Окись пропилена

• Производство полимеров (полиэтилен, полипропилен, полиолефины, полистирол, полихлорвинил)

• и многие др.

17

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов8

Модели технологических процессов UOP

• Fluidized Catalytic Cracking

• Naphtha Unionfining Reactor

• Platforming Unit Reactor

• CCR CycleMAX Sequence

• Tatoray Reactor

• Isomar Reactor

• Sulfolane Properties

• Parex Reactor & Sequence

• Distillate Unionfining

• Unioncracking

• Penex, Butamer Isomerization

• Alkylation

18

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов9

Семейство продуктов для сокращения коррозионных рисков

• Predict®5.0 - прогнозирование коррозии углеродистых сталей в многофазных технологических средах- доступ к базе данных коррозионной активности многофазных сред с СО2 и H2S

- прогноз скорости коррозии углеродистых сталей

- оценка влияния тангенциальных напряжений стенок трубопроводов

- прогноз уровня рН на основе ионного анализа

• Predict®-SourWater 2.0 - оценка коррозии в средах, содержащих кислые стоки, и выбор антикоррозионных материалов

• Socrates®9.0 - выбор коррозийно-стойких сплавов под конкретные технологические условия (данные по 160 сплавам)

• Predict®-Amine, Corrosion Analyzer, StrategyTM - 4.0 и др.

Автоматический перенос параметров в/из UniSim Design;

On-line управление границами тревожных сообщений

19

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов10

Имитационное моделирование до начала строительства

• Оптимизация капитальных затрат - определение требуемой производительности оборудования, расшивка «узких» мест, оценка производственных сценариев, анализ по методике «Что произойдет, если?»

• Проектирование системы управления – конфигурация пользовательских станций, проверка базового регулирования, сигнализации и аварийных сообщений, ПАЗ

• Проверка инженерных решений – потенциальные ошибки в работе оборудования, исследование пропускной способности

• Разработка и обоснование операционных процедур и стратегий –моделирование поведения ТП после пуска; шлифовка и фиксирование процедур пуска и эксплуатации

• Когда сквозная модель жизненного цикла становится цифровым двойником?

Снижение проектных рисков, уменьшение задержек и

дополнительных затрат непосредственно на объекте

20UniSim Design – средство проектирования технологических процессов11

Опыт использования UniSim DesignНекоторые компании, использующие UniSim Design

Eni Optimus Bluewater Energy KJO

Tebodin Optimus Srvs Jacobs Engng PDO

Praxair Impac Engng TGE Gas Engng Shell

WorleyParsons ADMA-OPCO BG Int. Ltd Linde AG

Casale Group TAKREER BG OKLNG DPS

Sabic EQUATE Balboa Refinery UOP

Petrofac Engng SOFCON Performance Improvements ACEC

GDF Suez Saipem S.p.A. Addax Petroleum Srvs Total S.A.

• Casale Group (Швейцария) – технологический лицензиар, технологический подрядчик, производитель и поставщик оборудования и материалов

• Saipem S.p.A. (Италия) – нефтегазовый контрактор, проектировщик и разработчик трубопроводов (дочка Eni)

• Shell (Великобритания, Нидерланды) – крупнейшая оперирующая нефтяная компания (второй в мире бизнес)

• UOP – ведущий технологический лицензиар (дочка Honeywell)

21

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов12

Опыт использования UniSim Design (2)

• Linde AG (Германия) – производитель газов промышленного назначения, осуществляющий масштабные инжиниринговые разработки. Перешел на UniSim Design, сохранив собственные наработки

• КИНЕФ (Сургутнефтегаз, 2009) – крупнейший российский нефтепереработчик

• ЯМАЛ СПГ (п-в Ямал, 2018) – 1 трлн. м3 запасов газа

• Газпромнефть Шельф (2018) – единственная в мире арктическая морская стационарная ледостойкая платформа

• Газпромнефть НТЦ – научно-техническому сопровождение добычи нефти и газа• Криогенмаш - оборудование для производства, транспортирования и хранения технических газов

• РУСПЕТРО – независимая нефтегазодобывающая компания

• Нафта-Эксперт – консалтинг по интегрированному моделированию процессов нефтегазовой отрасли

• Академическая лицензия UniSim Design – для профильных вузов России и стран СНГ (50+ пользователей)

22

UniSim Design – средство проектирования технологических процессов13

Преимущества для заказчика:

• Повышение рентабельности благодаря оперативному персоналу, обладающему более глубокими знаниями и более высокой квалификацией

• Ускоренный пуск, повышение надежности, меньшая стоимость инженерных работ; наши заказчики сэкономили свыше $1 миллиона на каждый процесс

Пакет UniSim для управления:

• Тренажерные модели (библиотека динамических моделей ТП, система обучения, инструментальные и системные интерфейсы)

• Среда управления (библиотека интерфейсов РСУ, средства обучения и тестирования, высокоточные алгоритмы управления)

• Поддерживаемые РСУ и системы ПАЗ (Experion PKS, TPS, Delta V, I\A Series, Centum CS, InTouch, RSView, WinCC, Industrial IT, Mod300, GE Fanuc и др.; FSC/SM, Triconex, HIMA и др.)

23

UniSim Operations – средство обучения персонала и инжиниринга технологических процессов1

Заводская РСУ

Динамические модели установок

Станции операторов

Инструкторскаястанция В

ир

туа

льн

ый

ми

р

Завод

24

UniSim Operations – средство обучения персонала и инжиниринга технологических процессов2

Особенности тренажёрных моделей ТП

• Строятся на базе фундаментальных физико-химических принципов функционирования ТП

• Полны по управляющим воздействиям (многие десятки) и измеряемым переменным (многие сотни)

• Функционируют в широком диапазоне изменения переменных

• Работают в имитационном режиме, допуская произвольные по времени и по составу вмешательства участников тренинга в ход ТП

• Поддерживают широкий набор типовых и специальных тренировочных ситуаций

• Выдерживают работу не только в нормальном и близких к нормальному состояниях, но и в нештатных и даже аварийных ситуациях

25

UniSim Operations – средство обучения персонала и инжиниринга технологических процессов3

Адекватность тренажёрных моделей

• Адекватность моделей (реалистичность поведения в статике и динамике) должна быть гарантирована в широком диапазоне режимов. Часто «недорогие» тренажеры не выдерживают процедуры пуска/останова. Это четкий признак недостаточного качества моделей.

• Точность моделей должна позволять проверку технологии, систем регулирования и стратегий управления

• Пример 1. Российский НПЗ, секция изомеризация комплексной установки переработки нефти. При проверке модели на стадии приемки тренажера выявлены недоработки в технологическом проекте, которые были устранены до пуска. Тренажер помог сэкономить время на пуске и избежать потерь из-за проектных ошибок.

• Пример 2. На том же объекте с помощью КТ исследованы различные стратегии управления осушителями сырья, компрессорным оборудованием, регулятором соотношения. Это даст возможность оператором сразу после пуска уверенно управлять установкой, опираясь на заранее выработанные и проверенные стратегии.

26

UniSim Operations – средство обучения персонала и инжиниринга технологических процессов4

Адекватность тренажёрных моделей2

• Пример 3. Установка переработки нефти на российской нефтяной платформе. Тренажер разработан для уже функционирующего объекта. На реальной установке произошел отказ компрессора. После разбора аварийной ситуации было высказано предположение об ее нескольких возможных причинах. Все они были воспроизведены на КТ были, что в конечном итоге позволило определить истинную причину остановка компрессора.

• Пример 4. Российский НПЗ. Установка каталитического крекинга. Система блокировок и защит (более 200 таких схем). Множество ошибок выявлены в динамическом режиме на тренажерной модели. Тестирование заняло 2 недели, также как и на реальном пуске, но без риска для производства и потери времени.

27

UniSim Operations – средство обучения персонала и инжиниринга технологических процессов5

Тренажерные модели в библиотеке АО «Хоневелл»• Основные узлы и аппараты химической технологии• ЭЛОУ-АВТ• Каталитический риформинг• Каталитический крекинг• Фтористо-водородное алкилирование• Производство ароматики• ВХМ и ПВХ• Висбрекинг• Гидрокрекинг• Производство серы, очистка хвостовых газов• Производство водорода• Гидроочистка дистиллятов• Производство серы (Клаус)• Замедленное коксование• Изомеризация C5/C6

• Пропановая деасфальтизация, дуосол-очистка масел, депарафинизация масел• Производство серной кислоты• Производство аммиака, метанола и карбамида• Производство полиэтилена высокого и низкого давления• Пиролиз ... и многие другие

28

UniSim Operations – средство обучения персонала и инжиниринга технологических процессов6

• Компьютерный тренажер позволяет:• Подготовить новых операторов• Поддержать «боеготовность» опытных операторов• Проводить обучение и тренинг персонала без угрозы для людей и

оборудования• Объективно оценивать прогресс операторов в рамках задачи управления

компетенциями на базе профессиональных стандартов

• Преимущества тренажеров для новых и модернизируемых установок • Лучшее понимание операторами новой технологии и системы управления• Проверка новой системы управления• Проверка систем автоматизации и исправление ошибок, в частности в логике

ПАЗ. Это до 100 раз дешевле, чем проверять на реальном оборудовании• Подготовка и сертификация операторов до пуска ТП

Требования российского законодательства:- Обязательный начальный тренинг вновь принятых операторов

- Периодический тренинг всех операторов не реже 1 раза в 3 месяца

Тренинг в нештатных и аварийных ситуациях, с которыми операторы не сталкивались в повседневной работе

29

Резюме: Что дает компьютерный тренинг

• Инжиниринг производственных процессов• Анализ работы технологического оборудования • Прогнозирование скорости коррозии• Проверка реализуемости оперативных сценариев• Проверка возможности системы управления поддерживать работу процесса

при высокой производительности без угрозы отказов

• Поиск и устранение неисправностей • Мониторинг и диагностика процесса путем «проигрывания» модели и

сравнения с реальными наблюдениями• Анализ и интерпретация полученных рассогласований• Проверка процедур компенсации неисправностей• Мониторинг и анализ рисков• Прогнозная аналитика работы оборудования (не только искусственный

интеллект)• Балансировка и верификация данных

• Определение материальных и тепловых балансов • Обнаружение и отсечение несостоятельной информации• Сглаживание данных для целей мониторинга, долгосрочного планирования и

статической оптимизации

После пуска технологический процесс нуждается в постоянном совершенствовании. Имитационная модель позволяет эффективно решать эту задачу

30За пределами компьютерного тренинга…

• Отдел систем моделирования и компьютерного тренинга операторов технологических процессов создан в феврале 2005 г. на базе Совместного предприятия «Петроком», основанного в 1991 г.

• Отдел укомплектован 20-ю специалистами

• Поддерживаются разработки на платформе UniSim Operations и на платформе КТК-М (разработки «Петроком»)

• Созданы и поддерживаются уникальные патентованные системы обучения операторов эффективному и безопасному ведению процессов ПЛАС+, АФОН и ДИАГНОСТ

• Реализовано более 100 крупных тренажерных проектов в России и за рубежом

• Тренажеры и автоматизированные системы обучения разработки АО «Хоневелл» используются на 70 предприятиях

• Реализовано более 150 специализированных тренажерных моделей

• Поставлено более 200 лицензий на автоматизированные системы обучения ПЛАС+, АФОН и ДИАГНОСТ

31

Опыт АО «Хоневелл»1

Technology Which Spans the Globe

100+ специализированных тренажерных проектов70+ технологических площадок

25+ лет опыта динамического моделированияИнтерфейсы различных РСУ и SCADA (Honeywell, Yokogawa,

Emerson, Foxboro, Simatic, GE Fanuc, др.)Различные установки (ЭЛОУ-АВТ, риформинг, крекинг,

изомеризация, гидрокрекинг, аммиак, др.)Различные производства (НПЗ, нефтехимия, удобрения,

транспортировка нефти)

32

Опыт АО «Хоневелл»2

Кириши

Пермь

Кстово

Москва

Нижнекамск

Новокуйбышевск

СызраньСаратов

Волгоград

Омск

Бухара Ангарск

Комсомольск-на-Амуре

Хабаровск

Одесса

Черкассы

Бургас

Томск

Тобольск

Мажейкяй

Ачинск

Салават

Череповец

Ярославль

Самара

Кирово-Чепецк

Невинномысск

Новомосковск

Тольятти

Гродно

33

Тренажеры АО «Хоневелл» – география применений

Уфа

Стерлитамак

• Более высокий выход продукции и более низкие эксплуатационные расходы• Потенциальная экономия 1-4% на улучшении выходной продукции• Потенциальное снижение эксплуатационных расходов на 1-3%

• Интеграция моделей UniSim с многоуровневым оптимизационным решением Honeywell• Обновление моделей и оптимизация реального времени• Составление расписаний• Оптимальное планирование

Преимущества для заказчика:

Пакет UniSim для оптимизации:

34

UniSim Optimization – средство оптимизации технологических процессов1

Установка каткрекинга: APC + «Строгая» модель + UOP

ProfitOptimizerProfit

Bridge

Модель реактораПроизводственное

планирование

ProfitController - РРБ

ProfitController - ГФК

ProfitController - ГФЧ

UOP (on-line)

Модели ГФК и ГФЧUniSim (off-line)

35

UniSim Optimization – средство оптимизации технологических процессов2

• Повысить качество виртуальных анализаторов

• Перейти от упрощенной линейной модели к более сложной и точной нелинейной там, где в этом есть необходимость

• Более эффективно определить направления оптимизации и точнее оценить потенциальный эффект от внедрения APC

• Упростить и удешевить процедуру идентификации параметров прогнозирующих моделей

• Сократить сроки реализации проекта и, соответственно, затраты на его выполнение

Использование строгой имитационной модели в АРС-проекте позволяет:

36

UniSim Optimization – средство оптимизации технологических процессов3

Пример: АРС-система деметанизатора

• Использовалась модель в UniSim Design с 2% максимальным отклонением от проектных теплового и материального балансов

• Выбор структуры АРС-системы (управляющих и контролируемых переменных, наблюдаемых возмущений)

• Предварительная настройка контуров регулирования и пошаговое тестирование

• Выбор параметров оптимизации• Имитация работы АРС-контроллера и оценка новых оптимальных

состояний процесса (повышение выхода этана на 1-1.5%)• Отладка логики АРС-контроллера, обучение операторов• Перенос конфигурации в реальный контроллер; доводка по реальным

данным

Удалось добиться ввода АРС-приложения в течение 6 недель с момента завершения ввода установки в эксплуатацию

37

UniSim Optimization – средство оптимизации технологических процессов4

«Строгие» модели в оптимальном планировании

• Нелинейная задача оптимизации решается методом Последовательного Линейного Программирования (ЛП)

• На основе исходных данных строится начальная матрица задачи ЛП• На каждом шаге решается задача ЛП• Полученное решение (свойства сырья, режим работы установки и др.) передается в

UniSim• Там моделируются значения выходных переменных (отборы, качество

полупродуктов и т.п.) • Эти данные используются для коррекции матрицы задачи ЛП • Решение повторяется, пока не выполняются критерии сходимости

USD

38

UniSim Optimization – средство оптимизации технологических процессов5

Насколько для использования моделирования будут важны следующие факторы в ближайшие 6-8 лет?

39

Квалификация персонала

Затраты

Время

Качество

Защита окружающей среды

Безопасность активов

Ограниченность ресурсов

Критически важно Не имеет значения

Прогноз Пользователя (вместо заключения)1

Насколько изменится использование моделирования в ближайшие 6-8 лет?

40

Прогноз Пользователя (вместо заключения)2

Планирование и эскизное проектирование

Разработка и пуск

Тренинг персонала

Поддержка оперативных решений и оптимизация

Много больше, чем сегодня

Больше, чем сегодня

Так же, как сегодня

Меньше, чем сегодня

Много меньше, чем сегодня

Спасибо за внимание!

USD: Моделирование жизненного цикла технологических процессов