Как обеспечить точность производственного учёта на НПЗ — подход NAUKA

Производственный учёт — один из ключевых бизнес-процессов на нефтеперерабатывающем заводе (НПЗ). Результаты учёта используются для расчёта себестоимости продукции и других показателей работы технологических объектов и всего производства, формирования отчётности, а также для осуществления планирования производственных программ.

Тема автоматизации и модернизации производственного учёта рассматривается отечественными IT-вендорами и представителями нефтеперерабатывающей отрасли на протяжении долгих лет.

NAUKA разрабатывает программные продукты для организации производственного учёта, которые имеют потенциал для постоянного развития в соответствии с часто меняющимися условиями производственной среды и рынка. Только так крупное предприятие непрерывного цикла производства сможет получать полные, актуальные и непротиворечивые данные.

Интересно на примере собственной разработки компании системы «Производственный учёт» посмотреть, как этот подход применяется на практике. Исследуем развитие системы в контексте её функционирования в ООО «КИНЕФ» (Киришский НПЗ), принимающем непосредственное участие
в работах по улучшению продукта, в отрезке с 2009 года до настоящего времени.

С 2009 года в основе производственного учёта на Киришском НПЗ работает цифровая модель движения материальных потоков завода (потоковая модель), в которую поступают следующие данные:

• количество поступившего на завод сырья;

• количество отгруженной продукции;

• наличие сырья и нефтепродуктов в резервуарах технологических установок;

• движение нефтепродуктов между технологическими установками, в парках смешения и товарных резервуарных парках;

• технологические параметры материальных потоков;

• качество сырья и получаемой продукции.

Источниками данных служат информация контрольно-измерительных приборов и результаты лабораторных анализов (Рис. 1).

Сама потоковая модель представляет собой граф, вершинами которого являются технологические установки и резервуарные парки, а рёбрами — материальные потоки, к которым привязаны работающие в текущем времени алгоритмы расчёта массовых расходов.

Диспетчеризацию модели осуществляет диспетчер завода, тем самым формируя актуальную схему движения потоков предприятия (Рис. 2). Технологические параметры и лабораторные анализы включённых в модели жидкостей и газов позволяют рассчитать массовые расходы, т. е. сформировать несогласованный баланс объектов завода.

Несогласованный баланс удобен для оперативного контроля работы технологических объектов, но в силу погрешностей, недостаточной точности средств измерений и ошибок ввода данных не может использоваться для формирования экономической и бухгалтерской отчётности. Для этой цели на основе несогласованного баланса рассчитывается согласованный баланс.

Согласованный баланс является непротиворечивым набором данных о массах материальных потоков, т. е. таким набором данных, когда по каждому объекту масса входов равна массе выходов с учётом запланированных потерь, и отсутствует небаланс между смежными объектами. Согласованный баланс является результатом оптимизации значений массовых расходов методом наименьших квадратов.

Минимизируемой функцией является сумма квадратов отклонений результирующих значений массовых расходов от соответствующих измерений при определённых условиях, а именно:

при заданных значениях поступления сырья, отгрузки продукции, накоплений в резервуарах и аппаратуре;

при выполнении продиктованных топологией схемы равенств масс на выходах объектов-источников и входах объектов-получателей;

при соблюдении допустимых относительных потерь на установках.

Ниже представлено математическое описание постановки задачи оптимизации. Пусть Х1изм ….Хnизм, Х1корр , …Хn1корр , Х1фикс …xpфикс — векторы значений измеренных, скорректированных и фиксированных массовых расходов материальных потоков (фиксированными значениями являются данные коммерческих узлов учёта и количества продуктов в резервуарах), соответственно.

Требуется найти скорректированные значения массовых расходов x1корр….xn1корр. материальных потоков, удовлетворяющие балансовым соотношениям и при этом отличающиеся от измеренных значений на минимальную величину.

Данная постановка задачи может быть формализована в виде задачи минимизации квадратичной функции при наличии линейных ограничений типа равенств:

где k = (kj) — вектор составленных из чисел 1 (измерение существует) и 0 (измерение отсутствует); Е = (Еj) — вектор относительных погрешностей измерений; xкорр — вектор рассчитываемых значений массовых расходов материальных потоков (варьируемых значений) из элементов; хфикс — вектор фиксированных значений массовых расходов материальных потоков (потоки сырья, товарной продукции и потоки, измеряемые по изменению уровня жидкости в резервуаре) из p элементов;

А = [A1 A2] = (aij) — матрица размера m × n, m < n, n = n + p системы балансовых уравнений (a = 1 – ui, если материальный поток c номером j входит в объект с номером i, aij = –1, если поток c номером j выходит из объекта с номером i, aij = 0, если поток c номером j не участвует в материальном балансе установки с номером i); u = (ui) — вектор коэффициентов потерь (ui — доля потерь объекта с номером i от суммы массовых расходов входных материальных потоков указанного объекта); xj — элемент объединённого вектора размера n.

Помимо системы балансовых уравнений (2), задача согласования материального баланса может содержать дополнительные соотношения, которые уточняют структуру материальных потоков (например, в межцеховых коммуникациях), описывают дополнительные балансовые соотношения (например, между входными и выходными потоками сырьевых парков), учитывают обусловленные особенностями технологического процесса пропорции между массовыми расходами сырьевых и продуктовых потоков.

Во всех этих случаях, несмотря на их разную природу, указанные дополнительные соотношения могут быть записаны в виде некоторой дополнительной системы линейных алгебраических уравнений вида B1хкорр +B2xфикс =0.

Объединённая система линейных алгебраических уравнений, составленная из систем (2) и (13), формально опять может быть записана в виде (2), если переобозначить матрицы А1 и А2:

Решение поставленной задачи позволяет рассчитывать согласованные значения измеренных массовых расходов материальных потоков, гарантирующие выполнение основных балансовых уравнений и учитывающие изменения балансовых соотношений и качественных характеристик сырьевых и продуктовых потоков, обусловленные особенностями технологического процесса.

Несмотря на то, что система работает на базе цифровой потоковой модели уже 14 лет, она имеет большой потенциал к повышению качества учёта и количества учитываемых и генерируемых данных.

Точность учёта

Это основная область развития системы. В рамках совершенствования её функционирования на Киришском НПЗ с 2009 года был проведён ряд работ.

• Монтаж современных приборов учёта на основных технологических потоках.

• Автоматизация расчёта материального баланса по смешению. Расчёт компонентного состава товаров на основе расходов в линиях приготовления.

• Учёт многокомпонентности резервуаров. Расчёт компонентного содержания смесей нефтепродуктов
в резервуарах.

• Автоматизация учёта в потоковой модели предварительно введённого
в систему количества нефтепродуктов в аппаратуре установок и в трубопроводах. Учёт в потоковой модели изменений массы нефтепродуктов не только в резервуарах, но и в аппаратуре установок.

• Повышение точности расчёта масс бензинов и дизельных топлив в товарных резервуарах. Расчёт масс в резервуарах с учётом плотности остатка нефтепродукта в резервуаре к началу поступления и плотности поступающего нефтепродукта.

• Разработка методики расчёта погрешностей измерений расходов материальных потоков с учётом всех факторов, влияющих на точность измерения. Ключевую роль в ней играет точность расчёта плотности при заданной температуре и давления измеряемой среды, исходя из известной плотности при температуре лабораторного определения плотности. Для каждого продукта установлена зависимость плотности от технологических параметров.

Качество исходных данных

Не так давно на предприятии был успешно внедрён интерактивный помощник диспетчера завода. Инструмент получил название «Ассистент переключений». Он предназначен для контроля согласованности включённых и отключённых потоков по всем объектам схемы.

Инструмент предоставляет диспетчеру возможность выбора варианта включения установок из допустимых вариантов, которые настроены определённым образом. Так, должно выполняться правило: в любой момент времени каждый объект имеет такие включённые потоки с обеих сторон, совокупность которых допустима для производственного учёта.

Инструмент позволяет сократить количество ошибок диспетчеризации, а следовательно, и время на валидацию сделанных переключений.

Масштабируемость

Третье направление совершенствования системы — удобство её масштабирования.

Производственный учёт на базе потоковой модели был внедрён на Киришском НПЗ в 2009 году. Количество производственных объектов и обрабатываемых данных увеличилось за эти годы примерно на треть. А именно, были введены комплекс глубокой переработки нефти, комплекс по производству высокооктановых бензинов ЛК-2Б, установка гидродепарафинизации Л-24/10-2000 и блок экстрактивной дистилляции установки производства суммарных ксилолов. Все объекты были интегрированы в существующую модель.

При этом скорость расчёта баланса по заводу с включением в модель новых объектов практически не уменьшается при условии поступления на вход расчёта качественных исходных данных. В число задач расчёта материального баланса входит:

• сопровождение потоковой модели, а именно введение новых объектов схемы, модификация связей, настройка алгоритмов, обрабатывающих данные АСУТП и аналитического центра;

• консультационная поддержка пользователей (технологических и товарных операторов, диспетчеров завода и товарно-сырьевого производства, специалистов группы производственного учёта);

• верификация входных данных.

Несмотря на расширение производства новыми технологическими объектами, задачи по сопровождению системы в части расчёта материального баланса выполняются специалистами NAUKA совместно со службами Киришского НПЗ без привлечения дополнительных человеческих ресурсов. Это является лучшим свидетельством отличной масштабируемости автоматизированной системы производственного учёта, функционирующей на заводе.

Использование результатов в смежных системах

Полученные результаты производственного учёта активно применяются в смежных информационных, аналитических и моделирующих системах. Так, например, практика использования данных учёта в решении задач планирования производства является правилом хорошего тона в контексте современного управления предприятием. Полученные результаты выступают отправной точкой для построения модели планирования — как с точки зрения создания самой схемы производства, так и для формирования векторов планирования.

Если схема производства близка к статичной, то для описания режимов работы объектов выполняется динамическое формирование векторов. Векторы планирования могут уточняться по данным системы учёта один-два раза в месяц или при необходимости ежедневно. Такой подход позволяет формировать актуальную производственную программу на основе актуальных и достоверных данных.

Задел на будущее

С момента внедрения на протяжении всей эксплуатации система непрерывно совершенствовалась в области точности учёта. Как результат, сегодня производственные службы Киришского НПЗ на постоянной основе обеспечены полной информацией о работе производства. Поэтому компания может уделить внимание новым направлениям развития — сейчас активным ходом идёт разработка двух соответствующих решений.

Данная система предназначена для повышения эффективности ряда процессов:

• учёта движения газов, сырья, нефтепродуктов при перекачке между технологическими объектами производства;

• мониторинга и диспетчеризации состояния межцеховых коммуникаций (МЦК), включая визуализацию схем МЦК в части отображения движения потоков нефтепродуктов, состояния объектов схемы (установок, парков, резервуаров, насосов, запорной и регулирующей арматуры), данных приборов учёта, движения энергоресурсов;

• управления состоянием запорной и регулирующей арматуры;

• ведения электронного журнала выполняемых действий. Внедрение системы позволит решить следующие задачи:

• Повысить эффективность процесса диспетчеризации потоков МЦК. Это будет обеспечено за счёт визуализации актуального движения потоков нефтепродуктов и энергоресурсов, актуального состояния объектов на электронной интерактивной технологической схеме. Повысить качество диспетчеризации позволит и автоматизация типовых переключений и отглушений.

• Повысить эффективность процесса мониторинга производственной деятельности за счёт отображения необходимой технологической информации по всем объектам интерактивной технологической схемы.

• Принимать оперативные управленческие решения по переключению МЦК при возникновении нештатных ситуаций.

• Снизить трудозатраты в процессе мониторинга и диспетчеризации благодаря автоматизации вышеперечисленных задач.

• Обеспечить возможность обучения персонала. Интерактивная схема МЦК может служить тренажёром для отработки действий диспетчера в различных ситуациях.

• Осуществлять прогнозную аналитику, т. е. спрогнозировать развитие событий на основе исторических данных.

• Повысить эффективность разбора причин нештатных ситуаций. Ведение журнала выполняемых действий позволяет проанализировать действия персонала, производящего переключения МЦК, и диспетчерских служб предприятия с выяснением причин возникновения проблем на производстве.

Это современный способ 24/7 видеть общую картину по заводу и за несколько минут оценивать текущее состояние всех его подразделений, что позволяет руководству и главным специалистам оперативно принимать решения в процессе управления предприятием.
САЦ предназначен для:

• своевременного выявления и оперативного реагирования на нештатные ситуации на производстве;

• анализа основных показателей производства;

• обеспечения быстрого доступа к актуальным данным производственных показателей.

На информационных панелях САЦ визуализируются ключевые показатели производства с отображением плановых и фактических показателей, визуализацией состояния процессов предприятия и технологических объектов, оценкой эффективности их работы, сигнализацией о приближении к критическим границам. Обработка и анализ данных позволяют выявлять и оценивать отклонения параметров, предупреждать отклонения от норм.

Компания NAUKA разрабатывает и внедряет на предприятиях решения, которые не только полностью выполняют текущие задачи бизнеса, но и открывают новые возможности к совершенствованию самого автоматизируемого процесса, — как в точности, так и в функциональности. Описанная в статье система легко обрабатывает и генерирует растущий объём данных, содержащих ценную информацию.

Это повышает качество управленческих решений на Киришском НПЗ, а также способствует развитию производственного учёта, обеспечивая исходными данными новые процессы. Такая взаимосвязь запускает механизм бесконечного развития различных сегментов функционирования предприятия, включая планирование производственных программ.

Текст: Николай Коронатов, заместитель генерального директора по производству и сбыту продукции OOO «КИНЕФ»;
Анна Лапина, руководитель направления автоматизации производства ООО «Наука»;
Максим Капшуков, ведущий аналитик ООО «Наука».

Список источников:

1. Сомов, В. Е., Лисицын, Н. В.,
Кузичкин, Н. В. Совершенствование системы производственного учёта
на НПЗ. Нефтепереработка
и нефтехимия. — 2009. — № 2..
2. Ерохин, В. И., Лаптев, А. Ю.,
Лисицын, Н. В. Согласование
материального баланса крупного нефтеперерабатывающего завода
в условиях неполных данных.
Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. — 2010. — № 2.
3. Система сведения материального баланса.

02.08.22

Интервью с экспертом

Умные решения для производства: методики регулирования работы предприятий

Разработка и внедрение прогрессивных методик регулирования работы предприятий на основе российских элементов управления: опыт NAUKA

18.04.23

14 мин

Интервью с экспертом

Эффективное управление НПЗ возможно, невзирая на уход мировых вендоров.

Трудности, с которыми столкнулись нефте — и газоперерабатывающие предприятия в новых рыночных условиях и пути их преодоления

17 мин

Эмиль Гасанов

Александр Кривоспицкий

генеральный директор
кандидат технических наук

менеджер продукта
кандидат технических наук