В последнее время на производственных площадках нефтепереработки и нефтехимии все чаще стало звучать словосочетание «Виртуальный анализатор». Что же это такое? Давайте разберемся.

Виртуальный анализатор – это косвенное измерение параметров качества (концентрации/ содержания) компонентов в выпускаемой продукции, в основе которой математическая модель, рассчитанная на статистических исторических данных. Он позволяет в режиме реального времени видеть качество продукта на технологическом объекте. В качестве входных параметров модели используются датчики с приборов КИП технологических объектов: температуры, давления, расходы и т.д.

Классическая математическая формула виртуального анализатора выглядит как:

ВА = k1*X1 + k2*X2 + kn*Xn + bias,

Где ВА – значение виртуального анализатора, X1…Xn технологические параметры (температура, давление, расход и т.д.), k1…kn коэффициенты этих параметров, полученные при построении модели в специализированном ПО, bias – свободный коэффициент для корректировки показаний виртуального датчика. В конце статьи это формула станет гораздо понятней :)

Зачем нужен виртуальный анализатор?

В нефтехимической промышленности необходим постоянный контроль за технологическим процессом, в том числе за качеством выпускаемой продукции. Традиционно, для этого есть два способа:

Отбор пробы для лабораторного анализа
Поточный анализатор (хроматограф).

Частота отбора проб для проведения лабораторного контроля довольно большая, от 1 раза в смену до 1 раза месяца, что не может обеспечить достаточную информативность и оперативность в компенсации отклонений от требуемого значения показателя качества продукта. Поточные анализаторы имеют высокую стоимость, требуют калибровки и техобслуживания, при этом частота показаний варьируется от 10 до 45 минут. На помощь приходит виртуальный анализатор, который показывает значение непрерывно.

Процесс создания виртуального анализатора

Проблема: Существует колонна, в которой происходит разделение дивинила (выходит верхом колонны) и бутана (уходит низом колонны). Разделение не идеальное, поэтому часть дивинила тоже уходит низком колонны. По регламенту, содержание дивинила в нижней части колонны не должно превышать 0,5%, на часто наблюдаются нарушения по данному показателю. При этом, контроль дивинила производится только 2 раза в сутки лабораторным анализом, поточного анализатора нет.

Рассмотрим создание виртуального анализатора содержания дивинила в кубе колонны.

Как было указано выше, виртуальный анализатор разрабатывается на основе статистики. Для этого необходимо выгрузить исторические данные технологических параметров профиля колонны, реактора или узла.

Для того, чтобы построить виртуальный анализатор и понять, что он рассчитывает правильно – необходим эталон. В качестве эталона является лабораторный анализ или данные поточного анализатора. В нашем случае имеется только лабораторный анализ.

После выгрузки исторических данных в специализированном программном обеспечении проводим корреляционный анализ (показывает, как сильно один параметр зависит от другого). Как я уже говорил ранее, эталоном у нас является лабораторный анализ. Поэтому будем смотреть зависимость содержания дивинила в кубе по лабораторному анализу от технологических параметров.

На картинке видно, что самыми зависимыми являются температуры T-003-1, T-003-2 и давление по позиции P402.

Далее, в этом же программном обеспечении строится модель. Как правило, выбирается 2-3 наиболее коррелирующих параметра. Тут работает правило - чем меньше тем, лучше. При необходимости увеличивается или уменьшается это количество. В нашем случае, выберем T-003-1, T-003-2 и P402

График построенной модели виртуального анализатора

На картинке графики полученной модели.

Синяя линия – это лабораторный анализ по дивинилу в кубе колонны

Красная линия - это виртуальный анализ по дивинилу в кубе колонны

Качество модели определяется:

1) Визуально

2) По различным статистическим критериям, таким как коэффициент детерминации, Index, MAPE другими мудрёными параметрами :)

В нашем случае показатель Index = 41. Мы считаем виртуальный анализатор приемлемым, при Index < 100.

Выше я указывал, как выглядит классическая формула ВА. Давайте посмотрим, как выглядит математически полученная формула для нашего виртуального анализатора:

Математическое описание модели виртуального анализатора

Итак, наш виртуальный анализатор готов. Теперь можно измерять содержание дивинила в кубе колонны, по показаниям двух датчиков температур и датчику давления колонны.

На практике, это делается гораздо сложнее. В этой статье я постарался простыми словами и простым примером показать, как это выглядит и что из себя представляет виртуальный анализатор.

Важно отметить, что виртуальные анализаторы являются альтернативой поточным анализатором (ПА), могут использоваться совместно или в качестве их резерва, и ни в коем случае не заменяют ПА и заводской лабораторный контроль. Результаты лабораторного контроля или ПА необходимы для обновления модели ВА в процессе эксплуатации в случае расхождения расчетных значений с фактическими анализам

Комплекс виртуальных анализаторов может быть реализован в виде автономной системы виртуального мониторинга в виде подсказчика. Но более эффективным является использование ВА в контурах управления СУУТП совместно с прогнозирующей динамической моделью контроллера (MPC). Это позволяет управлять виртуальным анализатором непрерывно для получения большей эффективности и прибыли.

Теперь Вы знаете, что такое виртуальный анализатор и всегда сможете рассказать про него, если у Вас спросят.