Компьютерный имитационный тренажер “комплектная реакционная установка для получения (синтеза) линейных альфа-олефинов из этилена с блоком гидрирования фракции с5+” для ИНК ИЗП (Иркутский завод полимеров)

Иркутский завод полимеров — крупнейший инвестиционный проект ИНК. Это первое в Восточной Сибири предприятие по производству полимеров, обеспеченное собственным сырьем. (https://irkutskoil.ru/business/ipp/)

Местоположение: город Усть-Кут Иркутской области

Сырье: с месторождений ИНК

Продукция: линейный полиэтилен низкой плотности и полиэтилен высокой плотности

Тренажер комплектной реакционной установки для получения линейных альфа-олефинов моделирует работу двух секций, а также блока обезвреживания углеводородов и отработанного катализатора и блока технологического запаса катализатора. Имитируются технологические процессы секции производства бутена-1, которая предназначена для получения бутена-1 путем димеризации этилена. Тренажер также имитирует технологические процессы секции гидрирования фракции С5+, которая предназначена для увеличения стабильности фракции С5+, поступающей с установки по производству этилена путем гидрирования содержащихся в ней диеновых углеводородов. Также имитируется блок обезвреживания углеводородов и отработанного катализатора, который предназначен для сжигания отработанного катализатора, некондиционного продукта и масел с установок.

Реализованные сценарии для подготовки специалистов заказчика до постройки объекта:

• Прекращение подачи электроэнергии
• Прекращение подачи воздуха КИП
• Нарушение подачи пара
• прекращение подачи воды или отказ элементов системы водоподготовки
• Прекращение подачи сырья
• Разгерметизация трубопроводов
• Срабатывание предохранительных клапанов
• Пожар на установке или в отдельных помещениях
• Загазованность помещений и выброс в атмосферу взрывоопасных продуктов
• Отказы насосного оборудования
• Переход на резервный контур
• Процедура смешения ТЭАЛ
• Забивка полимером испарителя
• разгерметизация насоса
• падение мощности насоса
• отказ, связанный с длительной работой на закрытый выкид
• сброс насоса при ошибках в процессе пуска или опустошении питающих емкостей
• Отказы датчиков
• искажение показаний в сторону увеличения или уменьшения
• Смещение показаний прибора в сторону заранее заданной отметки с последующим «залипанием»
• дрейф показаний в заданных пределах
• Регулирование колонны бутена-1
• Отказы регулирующих клапанов, отсекателей
• Отказы задвижек
• Отказы технологического оборудования
• Низкая температура окружающего воздуха
• Высокая температура окружающего воздуха
• Пуск и останов отдельных систем
• Переключение реакторов
• Пуск и останов всей установки
• Запуск Бутена
• Останов
• Останов обезвреживания катализатора
• Пуск блока обезвреживания

Тренажер был разработан на Система автоматизированного проектирования компьютерных имитационных тренажеров – САПР КИТ – главном компоненте открытой распределенной тренажерной платформы ПОЛИГОН (https://lcontent.ru/portfolio/otkrytaya-platforma/)

Математическая модель технологической схемы – система математических соотношений, описывающих с требуемой точностью имитируемый объект или процесс (реакцию системы на действия пользователя или инструктора).

Высокая адекватность и универсальность модели тренажера определяет соответствие поведения реальной системы и поведения модели в штатном и аварийном режимах.

Под адекватностью понимается способность модели отражать заданные свойства объекта с приемлемой точностью. Универсальность модели определяется количеством параметров, учитываемых в процессе имитации. Наша компания имеет собственную запатентованную технологию синтеза высокоточных математических моделей, работающих в режиме реального времени.

Мы используем математические модели для моделирования системы в тренажерах для подготовки персонала. Для тренажеров особенное значение имеет идентичность моделируемой среды. Идентичная реальной система – это система, обеспечивающая генерацию модели реальной в соответствии с математической моделью этой реальной системы при помощи программных или аппаратных средств. Идентичность имитируемой системы … это идентичность подачи на основные каналы восприятия пользователя программно- или аппаратно- управляемых воздействий и реалистичной реакции моделируемой среды на производимые пользователями действия.

Итак, что мы сделали….

Разработана технология автоматического синтеза математической модели объекта. Технология повышает качество и технико-экономический уровень создаваемых математических моделей. Поддержка однофазных и многофазных режимов течения жидкости и газа. Точный контроль фазовых состояний веществ во всех элементах модели технологической схемы.

Были созданы следующие модули следующие модули – техническое обеспечение, математическое обеспечение, программное обеспечение, информационное обеспечение, лингвистическое обеспечение, методическое обеспечение, организационное обеспечение, интеграция с другими системами:

математическое обеспечение — совокупность математических методов, моделей и алгоритмов для выполнения проектирования ЦОР (цифровые образовательные ресурсы);

• Моделирование и симуляция АСУиТП;
• Мультифизическое моделирование технологических схем;
• Моделирование и симуляция физических процессов по направлениям
• Гидродинамика и теплопередача (модифицированная сетчатая модель Больцмана)
• Электродинамика и оптика
• Механика (Классическая, Релятивистская, Механика сплошных сред (Гидродинамика, Пневматика, Гидростатика)
• Химия
• Механика твёрдого тела
• Термодинамика жидкостей и газов. Доступные термодинамические модели: Идеального газа; Пенга-Робинсона; Пенга-Робинсона (с модификацией Тву); Соаве-Редлиха-Квонга; Соаве-Редлиха-Квонга (с модификацией Граборски-Дауберта). Для смесей жидкостей доступны следующие термодинамические модели: Чао-Сидера (с модификацией Грейсона-Стрида); Уилсона; NRTL; UNIFAC VLE; UNIQUAC; Регулярного раствора; Расширенная модель регулярного раствора; Идеального раствора.

программное обеспечение — компьютерные программы, реализующие проектирование и предоставление ЦОР;

• встраиваемый мультипарадигменный язык LUA, интеграция / имплементация
• стандартов и спецификаций OPC, IEEE1516, XAPI
• интеграция с OpenModelica

информационное обеспечение — базы данных, содержащие информацию, необходимую для проектирования ЦОР; 

• База данных фазовых состояний веществ
• База данных плотности, теплоемкости, молекулярной массы веществ и т.д.

Расчет и визуализация физической модели при помощи метода решетчатых уравнений Больцмана (LBM)

1. Создан графический редактор, позволяющий создавать точную модуль технологической схемы объекта.

. Создан модуль экспорта из технологической схемы в математическую модель с последующим выполнением пошаговых или непрерывных расчетов

• Полностью автоматический расчет всех вариантов потоков жидкости и газа.
• Разработаны универсальные математические модели оборудования, в т.ч.
• Запорнорегулирующая арматура, гидро-пневмо- трубопровод
• Пласты-Скважины
• Печи
• Обратные клапаны
• Динамические насосы и компрессоры
• Объемные насосы и компрессоры
• Теплообменники
• Подогреватели
• СППК
• Измерительные приборы (манометры, термометры, расходомеры)

3. Создан и тестируется экспериментальный модуль на основе модифицированного метода решетчатых уравнений Больцмана (LBM)

4. Создан и используется последовательная схема расчетов- на базе решения линейных уравнений для нахождения начальных условий с последующим решением с использованием прямых численных итерационных методов на основе найденного приближенного решения и величины шага.

5. Создана точная модель > 10 полномасштабных установок для различных заказчиков (УПППНГ, УПН, УПХГК и т.д.) с точным соответствием данных по хайсису и юнисиму (отклонения не более 5-7%)

Создано значительное количество математических моделей:

• Колонны
• Ребойлеры
• Турбодетандеры
• Двухфазные и трехфазные сепараторы и т.д.

6. Создана расширяемая библиотека для предоставления компонентного состава. Высокая точность предоставления компонентного состава нефти и попутного газа:

• Фракционный состав нефти от C1 до С40+
• Метан  CH4 
• Этан  C2H6 
• Пропан  C3H8 
• И-Бутан  iC4H10 
• Бутан  C4H10 
• И-Пентаны  iC5H12 
• Пентан  C5H12 
• И-Гексаны 
• Гексан  C6H14 
• И-Гептаны 
• Бензол  C6H6 
• Гептан  C7H16
• И-Октаны  iC8H18 
• Толуол  C7H8 
• Октан  C8H18 
• И-Нонаны  iC9H20 
• Нонан  C9H20 
• И-Деканы  iC10H22 
• Декан  C10H22 
• Углекислый газ  CO2 
• Азот  N2 
• Сероводород  H2S

7. Разработаны средства высокоточной имитации автоматики (АСУ ТП нижний и верхний уровень)

• Имитация управляющих устройств
• Имитация датчиков
• Имитация алгоритмов контроллеров (ПИД-регуляторы и т.д.)
• Имитация системы верхнего уровня (SCADA)

8. Разработан модуль создания сценариев событий

• Линейная и нелинейная структура
• Развитые механизмы ветвления сценария
• Развитые механизмы задания последствий действий или условий
• Простой графический редактор
• Связь с математическим описанием объекта

9. Выполнена поддержка стандартов IEEE1516e, OPC UA, xAPI для взаимодействия с другими системами.

Выполнена интеграция с алгоритмом моделирования процессов, протекающих в электронных схемах SPICE. SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Благодаря полной поддержке данного алгоритма наши тренажеры позволяют выполнять высокоточную симуляцию электрических схем, в том числе:

• AC анализ (анализ по переменному току)
• DC анализ (анализ по постоянному току) для слабых сигналов
• анализ DC transfer curve
• анализ шумов
• анализ передаточной функции (входное и выходное усиление малых сигналов и вычисление импеданса)
• анализ переходных процессов

10. Выполнена интеграция со свободным открытым программным обеспечением для моделирования, симуляции, оптимизации и анализа сложных динамических систем – OpenModelica, основанным на языке Modelica. Modelica — объектно-ориентированный, декларативный, мультидоменный язык моделирования для компонентно-ориентированного моделирования сложных систем, в частности, систем, содержащих механические, электрические, электронные, гидравлические, тепловые, энергетические компоненты, а также компоненты управления и компоненты, ориентированные на отдельные процессы. По своим возможностям приближается к таким вычислительным средам как Matlab Simulink, Scilab xCos, имея при этом значительно более удобное представление системы уравнений исследуемого блока. Включает блоки:

• механики
• электрики
• электроники
• электродвигатели
• гидравлики
• термодинамики
• элементы управления и т. д.