Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
Уфимский государственный нефтяной технический университет
Кафедра автоматизации технологических процессов и производств
Курсовая работа
на тему: «Разработка комплекса технических и программных средств автоматизации для ректификационного блока установки «Висбрекинг гудрона»»
по курсу «Комплексы технических и программных средств автоматизации»
Выполнил: ст.гр. БАТ-14-01 Юмагулова Д. А.
Проверил: к.н.т., доцент Денисов С.В.
Уфа 2017
СОДЕРЖАНИЕ
- Описание технологии процесса. 3
- Описание существующей системы автоматизации. 6
2.1 Структурная схема АСУТП, описание структурной схемы.. 6
2.2 Технические и программные средства автоматизации. 9
- Литературный обзор методов и средств автоматизации подобных производств 11
- Предложения по модернизации комплекса технических средств. 19
Графическая часть (приложения к ПЗ) 20
Приложение 1. Функциональная схема автоматизации. 20
Приложение 2. Экран оператора. 21
- Описание технологии процесса
Для отпарки легких углеводородов из продуктов реакции крекинга в куб колонны К-1н подается перегретый в пароперегревателях печей П-1/1,2 водяной пар.
Продукты с верха колонны К-1н по трубопроводу, поступают в аппараты воздушного охлаждения ХВ-1/1¸3, где охлаждаются и конденсируются. После этого продукты поступают в емкость орошения Е-21.
Фракция легкого бензина (НК-180 °С) из Е-21 поступает на прием насосов Н-18, Н-19. С выкида насосов Н-18, Н-19 легкий бензин подается:
- Через клапан-регулятор на острое орошение колонны К-1н;
- балансовое количество через клапан-регулятор поступает в холодильник Х-26. Далее через отсекатель откачивается с установки. Имеется возможность откачки легкого бензина на установку Л-24-5, Л-24-7 или в линию некондиции на АВТ-6. При распределении потока необходимо обязательно использовать переключатель в системе Delta V.
С 5-й тарелки колонны К-1н выводится фракция тяжелого бензина (120-240 °С) через электрозадвижку на прием Н-80. Далее установлен клапан-регулятор, которым регулируется количество выводимого с установки тяжелого бензина.
Тяжелый бензин направляется на установку Л-24-7 (имеется возможность вывода на установку Л-24-5 и в линию некондиции на АВТ-6), либо в линию остатка висбрекинга перед ХП-1/1¸3. При распределении потока необходимо обязательно использовать переключатель в системе Delta V.
Из аккумулятора колонны К-1н с температурой не выше 340 °С выводится легкий газойль и через электрозадвижку поступает на прием насосов Н-55/1,2, на выкиде которых установлена электрозадвижка, далее разделяется на два потока.
Первый поток поступает в качестве горячего орошения на 15-ю тарелку под аккумулятором. Второй поток последовательно прокачивается через сырьевые теплообменники Т-206/2, Т-206/1. Далее легкий газойль подается в аппарат воздушного охлаждения ХВ-4 и с температурой не выше 200 °С возвращается в колонну К-1н.
Предусмотрена сигнализация минимального значения уровня в аккумуляторе колонны К-1н и автоматическое отключение насоса Н-55/1,2 при достижении минимального допустимого уровня.
Так же из аккумулятора колонны К-1н фракция легкого газойля (фракция 180¸360 °С) выводится в стриппинг К-8. Регулирование расхода выводимого легкого газойля осуществляется по уровню в аккумуляторе К-1н. Предусмотрена сигнализация максимального и минимального уровня в К-8 и автоматическое отключение насосов Н-22,23 при достижении предельного допустимого минимального уровня в колонне К-8.
Для отпарки легких углеводородов из фракции 180¸360 °С в стриппинг К-8 подается перегретый водяной пар. Отпаренный легкий газойль с куба К-8 забирается насосами Н-22,23, охлаждается в теплообменнике Т-108. После этого легкий газойль поступает в аппарат воздушного охлаждения ХВ-5. Далее поток делится на два параллельных, один из которых поступает в Т-104/1, а второй в Т-104/2. После этого потоки объединяются в один. Имеется следующие возможности дальнейшего вывода легкого газойля: в качестве разбавителя в линию гудрона К-200 перед ХП-1/1¸3; с установки в качестве компонента дизельного топлива; в качестве рабочей жидкости в сепаратор С-201; в линию некондиции на АВТ-6, а так же в К-5, Е-9. При распределении потока необходимо обязательно использовать переключатель в системе Delta V.
Остаток висбрекинга с низа колонны К-1н проходит электрозадвижку и разделяется на два потока.
Первый поток поступает на прием насосов Н-53/3,4 в данный поток для того, чтобы температура на приеме Н-53/3,4 не превышала 380 °С. Далее поток прокачивается через сырьевые теплообменники Т-6¸8 (Т-9¸11, Т-15¸17), где отдает тепло сырью, поступающему на установку. После этого остаток прокачивается через теплоутилизирующие теплообменники Т-105/1,2 и подается в качестве квенчинга для прекращения реакций крекинга в поток на выходе из змеевиков печей П-1/1, П-1/2, а также на смешение с остатком в линию остатка К-1н на прием насоса Н-53/3,4. Имеется возможность вывода остатка К-1н после теплообменников Т-6¸8 (Т-9¸11, Т-15¸17) в теплообменники Т-107/1,2 через электрозадвижку, в остаток висбрекинга в К-1н, а так же на прогрев К-200.
В трубопровод остатка с К-1н для предотвращения коксообразования в трубопроводах и оборудовании, может подаваться ингибитор коксообразования.
Второй поток остатка К-1н с температурой не выше 410 °С по перетоку через отсекатель и клапан-регулятор поступает в узел ввода сырья вакуумной колонны К-200.
Для дополнительной отпарки легких углеводородов из остатка К-1н предусмотрена подача перегретого водяного пара в трубопровод перетока остатка из К-1н в К-200. Также предусмотрена подача пара в кубовую часть колонны К-200, через распределительное устройство выше уровня жидкости в кубе.
Функциональная схема автоматизации приведена в Приложении 1.
- Описание существующей системы автоматизации
2.1 Структурная схема АСУТП, описание структурной схемы
АСУТП предназначена для управления процессом, она обеспечивает оперативный персонал и другие службы предприятия оперативной и достоверной информацией, удерживает технологические процессы в заданных режимах работы посредством выработки и реализации управляющих воздействий на технологическое оборудование в соответствии с принятыми критериями управления.
Автоматизированная система управления технологическим процессом представляет собой трехуровневую систему управления. Первый уровень состоит из датчиков КИПиА и исполнительных механизмов; второй уровень включает в себя программируемые логические контроллеры (ПЛК); третий уровень включает устройства сбора данных, оперативного мониторинга и управления.
Рисунок 1 – Структурная схема АСУТП
Контроль и управление технологическими процессами осуществляется из Операторной. Система выполнена в виде шкафов управления.
Задачей подсистемы РСУ является непрерывный контроль и управление технологическими процессами.
Задачей подсистемы ПАЗ является предотвращение аварийных ситуаций на объекте, ввод резерва в случае отказа оборудования, своевременная сигнализация опасных состояний оборудования, неисправностей, безопасный останов и перевод в безопасное состояние технологического оборудования в случае аварийной ситуации.
Непосредственный контроль и управление технологическими процессами осуществляется из операторной. Структура комплекса технических средств определена, исходя из территориального расположения технологического оборудования. Для обеспечения гибкости в разработке и снижения эксплуатационных затрат, комплекс технических средств строиться на унифицированном оборудовании и ПО, выпускаемых большими партиями известных производителей. Это позволило создать гибкую систему диспетчеризации как основу для дальнейшего расширения функциональных возможностей.
АСУТП установки состоит из двух независимых подсистем: информационно управляющей системы (СУ) и системы противоаварийной защиты (ПАЗ). Для параметров ПАЗ предусмотрены отдельные датчики со своими отборами.
Рабочие места операторов-технологов установки размещены в существующей отдельностоящей операторной установки «Висбрекинг гудрона».
Кроссовые и системные шкафы АСУТП размещаются в существующем тех-помещении в здании существующей операторной установки «Висбрекинг гудрона».
Операторная соответствует ПБ 09-540-03 п.6.7.2, 6.7.3 и ВУПП-88 п.2.20. Здание одноэтажное. В помещении управления отсутствует оборудование, не относящееся к системе управления процессом. Операторная имеет воздушное отопление, полы теплые неэлектропроводные, два выхода.
Кабельные каналы и двойные полы соответствуют требованиям правил устройства электроустановок.
2.2 Технические и программные средства автоматизации
Функциональные схемы автоматизации для создания АСУТП выполнены на основании схем действующего регламента установки «Висбрекинг гудрона» № ТР2.202.007-2007.
Все аналоговое оборудование по виду взрывозащиты имеет искробезопасную электрическую цепь Exi, при отсутствии такого исполнения – Exd (взрывонепроницаемая оболочка). Искрозащита предусмотрена в проекте «верхнего уровня». Дискретное взрывозащищенное оборудование имеет вид взрывозащиты Exd.
Электропитание датчиков =24В (постоянный ток) и ~220В (переменный ток) обеспечивает разработчик «верхнего уровня».
Границей проектирования «полевого КИП» и «верхнего уровня» являются клеммники системных шкафов, установленных в техпомещении здания существующей операторной.
Типы приборов КиА, регулирующей и отсечной арматуры выбраны, исходя из специфики данного производства.
Датчики давления выбраны типа 2088, перепада давления - типа 1151 фирмы «Emerson Process Management». Датчики давления оснащены двухвентильными, а датчики перепада давления – пятивентильными блоками.
Для установки приборов применены обогреваемые шкафы фирмы ЗАО «Полипласт» с водяным обогревом импульсных линий.
Для измерения температуры применяются преобразователи температуры градуировки ХА (К) серии Метран концерна «Метран», г. Челябинск.
В качестве уровнемеров стоят цифровые датчики уровня фирмы «ДС-Контролз» по лицензии фирмы «DRESSER». В качестве сигнализатора уровня используется прибор OPTISWITCH 5100 фирмы «KROHNE» г. Самара.
Поставщиком отсечных (запорных) клапанов Заказчиком определено «Metso Automation Inc», регулирующих клапанов - фирма «SAMSON». Мест-ные кнопки для управления отсечными клапанами устанавливаются только для розжига печи по месту (для отсекателей на трубопроводах топливного газа к основным горелкам).
Для сигнализации загазованности выбраны инфракрасные датчики «Polytron IR» фирма Draeger Safety, региональный представитель - ООО "УРАЛ-ТЕСТ" г. Пермь.
Для прокладки трасс КиА используются существующие и, при необходимости, новые оцинкованные короба с перфорированным дном. Новые короба проложены рядом с существующими трассами КиА. Материал для крепления новых трасс КиА заложен в спецификации.
Для аналоговых и дискретных сигналов применяется универсальный экранированный кабель с многопроволочной медной жилой сечением 1мм2, для подключения датчиков загазованности – экранированный контрольный кабель с медными жилами, сечением 1,5мм2.
Приборы и трубопроводная арматура иностранных фирм имеют российские сертификаты и разрешения на применение в Российской Федерации.
В качестве программного средства автоматизации стоит система “Delta V”. Система управления DeltaV позволяет снизить степень сложности и риски проекта благодаря простоте и гибкости современной технологии автоматизации.
- Литературный обзор методов и средств автоматизации подобных производств
В развитие процессов, углубляющих переработку нефти, Россия отстает от среднемирового и европейского уровня в два раза, от уровня США — более чем в три раза, а в развитии важнейшего из этих процессов, каталитического крекинга и гидрокрекинга в 4—7 раз. Вследствие этого в России ограничена возможность выработки моторных топлив, в то время как выработка топочного мазута составляет около 30 % от объема перерабатываемой нефти, в то время как в США — 5 %.
Решение проблемы углубления переработки нефти в России до 85—90 % к 2020 г. будет предопределяться наличием сырья для загрузки мощностей углубляющих процессов и освоения новых технологий для вовлечения в глубокую переработку нефтяных остатков, т.е. процессов каталитического крекинга, висбрекинга, коксования, гидрогенизационных процессов.
Расчеты показывают, что для достижения заданных показателей необходимо построить на российских НПЗ семь установок каталитического крекинга с предварительной гидроочисткой исходного вакуумного газойля с общей мощностью около 13 млн т/год и 8 установок гидрокрекинга общей мощностью порядка 11 млн т/год, а также расширить мощности термических процессов (висбрекинг, коксование).
Из 27 российских НПЗ общей мощностью 248,8 млн т/год 9 заводов не имеют углубляющих процессов. На 18 НПЗ с глубокой переработкой нефти соотношение углубляющих процессов следующее:
4 НПЗ имеют 4 углубляющих процесса, 2 НПЗ — 3 углубляющих процесса, 10 НПЗ — 2 углубляющих процесса и 2 НПЗ — 1 углубляющий процесс.
Каталитический крекинг, как один из наиболее углубляющих переработку нефти процесс внедрен на 13 российских НПЗ. Всего установок каталитического крекинга в отрасли — 20. Доля КК от первичной переработки — 7 %.
Следующий по значимости углубления переработки нефти процесс — гидрокрекинг (ГК). На шести российских НПЗ функционируют шесть установок гидрокрекинга, работающие по технологии гидрокрекинга в мягких условиях и гидрокрекинга под давлением. В перспективе в России намечается строительство еще 9 установок гидрокрекинга.
Доля процесса замедленного коксования в отечественной нефтепереработке от первичной переработки составляет — 3,0 %. Семь установок расположены на 5 НПЗ. В перспективе намечается строительство установок коксования в Ачинске, Перми.
Процесс висбрекинга — это процесс, косвенно углубляющий переработку нефти. Доля висбрекинга от первичной переработки составляет 9,7 %, т. е. больше, чем доля других углубляющих процессов.
Всего на отечественных НПЗ эксплуатируется 13 установок висбрекинга. Из них: Лукойл — 2, ТНК — ВР — 2, Роснефть — 1, Башнефтехим -3, Газпромнефть — 1, МНТК-1, Славнефть -1, ТАИФ-НК -1, ОАО Салаватнефтеоргсинтез — 1. В перспективе намечается строительство установок висбрекинга — в Кириши, Перми.
Наибольшее количество построенных установок по углубляющим процессам за период 2003—2010 г. приходится на висбрекинг, хотя процесс висбрекинга дает самую низкую глубину переработки нефти.
При включении в схему переработки нефти процесса висбрекинга экономятся газойлевые фракции, так как висбрекинг гудрона позволяет получить тяжелый компонент товарного мазута (гудрон) более низкой вязкости и, как следствие, дополнительные объемы вакуумного газойля.
Таким образом, пуск установок висбрекинга косвенно способствует увеличению глубины переработки нефти на НПЗ, значительно сокращая выпуск мазута и увеличивая производство вакуумного газойля.
Основной экономический аспект применения процесса висбрекинга — высвобождение вакуумного газойля и средних дистиллятов, ранее вовлекаемых в производство товарного мазута как разбавителей для достижения необходимых параметров вязкости.
В результате висбрекинга гудрона снижается его вязкость, что уменьшает расход разбавителя для приготовления котельного топлива на 20—25 % масс. и, тем самым, увеличиваются ресурсы дистиллятного сырья для каталитических процессов. При этом уменьшается общее количество котельного топлива. Процесс висбрекинга — это один из недорогих и малозатратных процессов переработки нефтяных остатков, который как процесс претерпел в последние годы значительные изменения и получил новые потенциальные возможности.
На сегодняшний день получили распространение два варианта осуществления процесса:
- печной или висбрекинг в печи с сокинг-секцией, при котором высокая температура (480—5000С) сочетается с коротким временем пребывания сырья в реакционной зоне (1,5—2 мин);
- висбрекинг с выносной реакционной камерой. Требуемая степень конверсии достигается при более мягком температурном режиме (440—4500С) и длительном времени (10—15 мин).
Опыт работы с реализацией печных вариантов показывает, что они не обеспечивают снижение вязкости тяжелых нефтяных остатков до норм, предъявляемым к товарным котельным топливам, а получаемый крекинг-остаток требует вовлечения дополнительного количества разбавителей.
Вариант висбрекинга с реакционными камерами более экономичен, т. к. при одной и той же конверсии тепловая нагрузка на печь меньше, но при печном получается меньший выход газа и бензина и повышенный выход газойлевых фракций. Однако крекинг-остаток, который используется в качестве котельного топлива, содержит серы не меньше, чем исходное сырье, т. е. экологические проблемы использования сернистых топлив этом случае не решаются.
Для сокращения выхода крекинг-остатка разработаны схемы, где процесс висбрекинга комбинируются с вакуумной перегонкой и термическим крекингом.
Технологическая схема установок висбрекинга определяется назначением процесса: существуют схемы, позволяющие получать максимальное количество котельного топлива при минимальном выходе газа и бензина, или схемы, обеспечивающие максимальное количество легких дистиллятов типа дизельного топлива. Сейчас за рубежом работают несколько десятков установок висбрекинга различных вариантов. В их разработке принимали участие ведущие фирмы Луммус, Шелл, ФИН.
Наиболее простая типичная схема, предназначенная для получения котельного топлива, включает печь с сокинг-секцией (или печь и сокинг камеру). В отличие от процесса термического крекинга, где продукты реакции из печи проходят выносную реакционную камеру сверху вниз, на этих установках движение продуктов организовано снизу вверх. Это позволяет значительно увеличить время пребывания жидкой фазы в зоне реакции и приводит к увеличению степени превращения исходного сырья.
В связи с постоянным снижением спроса на котельное топливо, новые установки висбрекинга оборудуются секциями четкого фракционирования, позволяющими увеличить отбор дистиллятов.
Другая схема висбрекинга направлена на максимальное получение вакуумного газойля — сырья каталитического крекинга или гидрокрекинга и включает вышеописанную схему и вакуумную колонну.
Для снижения выхода крекинг-остатка применяется схема, сочетающая висбрекинг гудрона с термическим крекингом тяжелого газойля.
Более сложная схема может включать один или два глубоковакуумных блока: один для вакуумирования исходного сырья, другой — крекинг-остатка. При включении двух вакуумных блоков достигается высокая степень конверсии: выход фракции дизельного топлива достигает 30 %, а вязкость остатка снижается в 10 раз.
При работе по этой схеме вакуумные дистилляты из блоков глубоковакуумной перегонки сырья и блока вакуумной перегонки остатка в смеси с тяжелым газойлем, отбираемым в качестве бокового погона ректификационной колонны, подвергаются термическому крекингу в печи термического крекинга. При переработке гудрона по этой схеме увеличивается выход газа, бензина, среднего дистиллята, понижается температура застывания котельного топлива.
В настоящее время наиболее распространены варианты висбрекинга с получением максимального количества дистиллятов с концом кипения 3500С и ниже. Современные установки висбрекинга работают при максимально возможной глубине конверсии, которая лимитируется стабильностью получаемого котельного топлива.
Первые установки низкотемпературного висбрекинга с выносными реакционными камерами были построены в 1962 году.
Применение выносной реакционной камеры позволяет снизить глубину превращения сырья в реакционном змеевике печи и довести ее до нужного значения в реакционной камере. Температура печи при этом может быть снижена на 25—300С и увеличивается межремонтный пробег установки до 1 года против 3—6 месяцев при печном варианте висбрекинга. В процессе висбрекинга с выносной реакционной камерой получается более стабильное котельное топливо, что является очень важным преимуществом этого варианта осуществления процесса.
Разработчиком этого процесса является фирма Shell, лицензиар и проектировщик процесса по технологии Shell —фирма Lummus Crest Inc. Камеры начали широко использоваться с конца 70-х годов ХХ в.
Реакционные камеры (сокинг-камеры) фирмы Shell принципиально отличаются от применявшихся ранее камер на установках термического крекинга:
- рассчитаны на переработку более тяжелого сырья;
- сырье подается в нижнюю, а не верхнюю часть камеры;
- крекинг проходит в жидкой фазе.
Процессом висбрекинга занимаются многие зарубежные фирмы: Shell, Lummus,Kellog,UOP, Foster Wheeller.
Разработками технологии процесса висбрекинга раннее в СССР и в настоящее время в России занимаются такие ведущие научно-исследовательские институты, как ГУП Нефтехимпереработка РБ, ГрозНИИ, ВНИИ НП и ВНИПИНефть.
В последние годы процесс висбрекинга претерпел значительные изменения, исследователями предложены различные его технологические модификации.
Новую технологию процесса представляет каталитический висбрекинг в присутствии водяного пара. Технология разработана фирмой PDVSA-INTERVEP-UOP. Этот процесс, называемый Акваконверсия, отличается от традиционного, повышенным выходом дистиллятных фракций при сохранении низких капитальных затрат, присущих висбрекингу.
Остаточное сырье нагревают в печи до температуры термического крекинга. В отличие от традиционного термокрекинга, при котором реакции полимеризации снижают выход дистиллятов и увеличивают выход асфальтенов, в этом процессе реакции полимеризации и конденсации подавляются. Это достигается в результате мягкого гидрирования, образующихся в процессе радикалов. Гидрирование происходит в результате переноса водорода из небольшого количества воды (пара), добавляемой к сырью, в присутствии активного катализатора (добавки), состав которого является ноу-хау фирмы PDVSA-INTERVEP-UOP. При этом достигается значительно большая глубина превращения без осаждения асфальтенов. В схеме предусмотрено отделение активного катализатора в блоке рекуперации с последующим его возвратом в сырьевую линию.
Следующая интересная модификация процесса висбрекинга — это процесс японских компаний «Тойо инжиниринг» и «Мицуи Косян Кемиклз» — висбрекинг с выносной реакционной камерой с высокой степенью конверсии. Аналогичный вариант был предложен ранее в 1980-е годы грозненской школой.
От обычного висбрекинга процесс отличается более высокой степенью конверсии сырья, большой стабильностью остатка и меньшим содержанием непредельных в дистиллятах. Предназначен для переработки тяжелого сырья с высоким содержанием серы и металлов. Для повышения степени превращения сырья используется камера особой конструкции.
Совместное предприятие Французского института нефти и французских фирм Эльф и Тоталь разработало модификации процесса висбрекинга: висбрекинг без водорода; гидровисбрекинг; каталитический гидровисбрекинг.
Компанией Эксон разработан донорно-сольвентный висбрекинг — HDDV, компанией Лурги разработан донорно-сольвентный висбрекинг DSV.
Анализ становления и развития процесса висбрекинга в отечественной нефтепереработке показывает, что совершенствование этого процесса на отечественных НПЗ проходило несколько отлично от зарубежных. На отечественных нефтеперерабатывающих заводах внедрение процесса висбрекинга наиболее широко осуществлялось за счет реконструкции простаивающих установок термокрекинга, атмосферной перегонки, замедленного коксования.
Таким образом, процесс висбрекинга в настоящее время набирает вторую волну технологической востребованности. Если раньше висбрекинг использовался только для снижения вязкости гудронов, то теперь для углубления переработки нефти. Ведущими мировыми фирмами и отечественными институтами разработаны за последние годы оригинальные решения по процессу висбрекинга.
Основное достоинство новых процессов в том, что они предназначены для глубокой переработки тяжелых нефтяных остатков с целью увеличения выхода дистиллятных фракций на 40—60 %.
- Предложения по модернизации комплекса технических средств.
На ряде НПЗ (Омском и Ново-Уфимском) путем реконструкции установок термического крекинга разработана и освоена технология комбинированного процесса висбрекинга гудрона и вакуумной перегонки крекинг-остатка на легкий и тяжелый вакуумные газойли и тяжелый висбрекинг-остаток. Целевым продуктом процесса является тяжелый вакуумный газойль, характеризующийся высокой плотностью (940 - 990 кг/м ), содержащий 20-40 % полициклических углеводородов, который может использоваться как сырье для получения высокоиндексного термогазойля или электродного кокса, а также в качестве сырья процессов каталитического или гидрокрекинга и термокрекинга как без, так и с предварительной гидроочисткой. Легкий вакуумный газойль используется преимущественно как разбавитель тяжелого гудрона. В тяжелом висбрекинг-остатке концентрированы полициклические ароматические углеводороды, смолы и асфальтены. Поэтому этот продукт может быть связующим и вяжущим материалом, компонентом котельного и судового топлива и сырьем коксования. Для повышения степени ароматизации газойлевых фракций и сокращения выхода остатка процесс висбрекинга целесообразно проводить при максимально возможной высокой температуре и сокращенном времени пребывания. Комбинирование висбрекинга с вакуумной перегонкой позволяет повысить глубину переработки нефти без применения вторичных каталитических процессов, сократить выход остатка на 35 -40 %.
Графическая часть (приложения к ПЗ)
Приложение 1. Функциональная схема автоматизации
Приложение 2. Экран оператора
Скачать: