Имитационное моделирование технологического процесса подготовки природного газа Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Мыльцев В.А. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Вода, присутствующая в газе в парообразном состоянии, образует с метаном, этаном и пропаном гидраты углеводородов, оседающие в газопроводе в виде твердой фазы. Чтобы избегнуть образования гидратов, нужно осушить газ. Содержание влаги в газе характеризуется величиной температуры точки росы. Точкой росы называют ту температуру, охлаждаясь до которой при постоянном влагосодержании газ достигнет полного насыщения водяными парами, и происходит конденсация водяных паров, содержащихся в газе. Подготовка газа в промысловых условиях заключается к удалению влаги конденсата.

Рассмотрим технологию абсорбционной осушки природного газа с применением в качестве абсорбента диэтиленгликоля для подготовки к транспортировке [1]. Газ, поступающий из скважин, проходит предварительную очистку в центробежных аппаратах. После дожимной компрессорной станции (ДКС) и прохождения аппаратов воздушного охлаждения газа осуществляется абсорбционный процесс осушки. После прохождения ДКС второй ступени сжатия газ идет на транспортировку. Показателем содержания влаги в является температура точки росы (ТТР). В соответствии с ОСТ 51.40-93 значение ТТР для умеренных климатических районов составляет: летом -3С, зимой -5С. Для холодных районов эти значения -10С и -20С,

соответственно.

Система подготовки природного газа может состоять из элементов нескольких типов. Прежде всего, это аппараты и технологическое оборудование. Система также содержит в себе обслуживающий персонал, добывающие скважины, внешние условия, в том числе и метеорологические. Целью системы является обеспечение заданных свойств природного газа при минимальных стоимостных затратах. Элементы системы

связаны между собой отношениями, характеризующимися некоторыми переменными и параметрами.

Аппаратные средства, осуществляющие технологический процесс, представляются в виде некоторых преобразователей, переводящих входные переменные в выходные. Пусть имеется узловой элемент р..

Вместе с элементами р,у = у,]т , р,у = к,кь элемент р образует некоторую подсистему. Входы в подсистему определяются связями V (],1), у = у, ут , а выходы связями V (¡, к), к = к, к^ . Узловой элемент р осуществляет преобразование вида

У = ф (X), X = [ху ], у = уЦ ^ = 1к ], к = , (1)

где У - выходные воздействия; X - входные сигналы.

Например, входной сепаратор осуществляет предварительное отделение конденсата от газа [2]. Схема сепаратора представлена на рис.1.

Неочищенный газ поступает в аппарат через радиально расположенный штуцер на отбойную пластину узла входа газа для предварительного отделения крупных капель жидкости и механических включений. За счёт центробежного эффекта, созданного узлом входа газа, на корпусе аппарата осаждаются капли жидкости и механические включения, которые стекают в сборник примесей через кольцевую щель между корпусом и защитным листом. После предварительной очистки газ равномерно распределяется между центробежными элементами, в которых происходит отделение от него мелкодисперсных частиц жидкости: очищен-

ный газ выходит из верхней части элементов, а жидкость попадает на решётку, откуда по сливной трубе стекает в сборник примесей. Решётка центробежных элементов отделяет неочищенный газ от очищенного. Жидкость, находящаяся в сборнике примесей, отводится из аппарата в дренажный трубопровод.

Выход газа

Рис.1. Схема входного сепаратора

В этом случае входными параметрами являются термодинамические (давление, температура, влажность) и теплофизические характеристики газа. К входным параметрам также относятся технологические характеристики процесса (расход газа, закрутка газа, дисперсный состав конденсированной влаги, конструктивные особенности аппарата и т.д.). Выходными параметрами являются давление, температура, расход газа, содержание влаги.

Преобразование (1) может представлять собой математическуя модель технологического процесса [3]. Модель может включать уравнения движения многофазной среды в многомерной постановке с учетом фазовых превращений. Преобразование может также выглядеть, как инженерная методика расчета техникоэкономических показателей данного технологического процесса. Более удобной для системного представления технологического процесса является математическая модель, описываемая нейронной сетью. Обученная на ограниченном множестве обучающих выборок, содержащих экспериментальные данные, сеть обобщает накопленную информацию и выдает реакцию на данные, не применявшиеся при обучении.

Для осушки газа используются абсорберы различных типов (рис.2). Наибольшее распространение получили установки, применяющие диэтиленгликоль (ДЭГ).

Для дегидрации газа применяется водный раствор диэтиленгликоля. Он хорошо поглощает влагу из газа . Насыщенный водой раствор легко регенерируется испарением лишней воды. Газ входит в нижнюю часть

абсорбционной колонны - колпачковую башню с нескольким числом тарелок. Нижняя часть колонны представляет скруббер, служащий для улавливания из сырого газа конденсированной фазы. Навстречу подымающемуся в колонне (в области тарелок) газу спускается водный раствор диэтиленгликоля, входящий в колонну выше верхней тарелки и выходящий из середины колонны. Перед выходом он скапливается в кольцевом пространстве ниже нижней тарелки. В область скруббера диэтиленгликоль не попадает. Выпуск гликоля регулируется автоматическим поплавковым регулятором уровня. Жидкость, оседающая в нижнем скруббере, выпускается через дренажное отверстие. В верхней части абсорбционной колонны выше верхней тарелки находится второй скруббер. Он предназначен для удержания капелек поглотительной жидкости, увлекаемых газом. Пройдя верхний скруббер, осушенный газ выходит из колонны.

Выход |

осушенного газа

Фильтр-патроны Г азораспределительная

Пакет регулярной пластинчатой насадки

Сетчатый отбойник

Вход сырого газа

■ і її

1 № 1 Выход

НДЭГа

Дренаж

Рис.2.Схема абсорбера

К входным переменным, рассмотренным выше, добавляются характеристики подаваемого ДЭГ. К выходным переменным, кроме характеристик осушенного газа, добавляются свойства насыщенного диэтиленгликоля, унос НДЭГ вместе с газом.

Раствор диэтиленгликоля, поглотивший из газа воду, идет на регенерацию. Сначала он проходит через теплообменный аппарат, где навстречу ему идет горячий диэтиленгликоль, вышедший из испарительной колонны. В теплообменном аппарате диэтиленгликоль, содержащий воду, нагревается и идет в испарительную колонну, в которой происходит испарение воды из этого диэтиленгликоля.

Оборудование установленное на установках подготовки газа, работает в условиях изменяющихся технологических параметров подготавливаемого газа. Добывающие предприятия сталкиваются с проблемой качества газа на поздних стадиях разработки месторождений. Технологическое оборудование установок подготовки газа должно обеспечивать требуемые показатели качества газа в нестабильных условиях эксплуатации. Кроме того, необходимо учитывать повышение требований к качеству подготовки газа и надёжности работы оборудования по обеспечению основных показателей (обеспечение точки росы, снижение потерь конденсата, абсорбента, ингибиторов гидратообразования). Поэтому происходит постоянное усовершенствование массообменных аппаратов за счет применения различного вида комбинированных конструкций контактных устройств. Например, применяются центробежные элементы и установленные над ними пакеты регулярной насадки (рис.2). В этом случае при высоких нагрузках по газу центробежные кон-тактно-сепарационные элементы работают в режиме диспергирования жидкости (ДЭГ) закрученным газовым потоком с образованием развитой поверхности массообмена. Поверхность насадки за счёт большого свободного сечения , близкого к сечению межтарельчатого пространства , при данном режиме работает , в основном , в режиме сепарации, а процесс массообмена на насадке осуществляется между потоком газа и унесенной с элементов жидкостью. При низких нагрузках по газу работа комбинированной контактной ступени отличается тем, что при таком режиме центробежные контактно - сепарационные элементы работают уже не в режиме диспергирования жидкости, а со срывом плёнки со стенок центробежных патрубков и её стеканием вниз. В результате, установленная в межтарельчатом пространстве регулярная пластинчатая насадка работает в орошаемом режиме (поверхность становится массообменной, причём значительно превышающей поверхность массообмена в элементах). При этом сохраняется эффективность процесса осушки газа. Применение в секции доулавливания ДЭГ (под тарелкой с фильтр - патронами) пакетов насадки позволяет за счёт снижения скорости газового потока до скорости газа в сечении аппарата улучшить качество сепарации жидкости, уносимой с верхней массообменной тарелки. Уменьшение выноса жидкости на фильтр - патроны приводит к увеличению межремонтного периода их работы и снижению потерь ДЭГ с осушенным газом из абсорберов. Применение принципов равномерного распределения газа по сечению аппарата позволяют типовыми решениями модернизировать абсорберы различных конструкций.

Таким образом, при составлении структурной схемы технологического процесса подготовки природного газа в качестве элементов системы следует добавлять дополнительные конструкционные устройства, изменяющие характеристики процесса осушки. Например, эффективным способом улучшения термобарических параметров процесса является применение технологии двухступенчатой осушки на двух термобарических уровнях. В этом случае входные сепараторы модернизируются регулярной пластинчатой насадкой с подачей насыщенного ДЭГ. В результате, существенно улучшаются условия работы дожимных агрегатов первой ступени сжатия.

Введение дополнительных конструктивных элементов с одной стороны изменяет характеристики газа, как правило, в сторону улучшения, но одновременно изменяет стоимостные затраты на осуществление технологического процесса, как правило, в сторону увеличения. Поэтому необходимо учитывать в качестве переменных рассматриваемой системы и стоимостные характеристики.

Рассмотрим структурную схему технологического процесса процесса подготовки природного газа (рис.3).

Рис.3. Структура системы технологического процесса подготовки природного газа

Конструкционными элементами данной системы являются: ЦОГ - центробежная очистка газа; ДКС+АВО -дожимная компрессорная станция + аппараты воздушного охлаждения; А - абсорбер; ДА - десорбер: МО -модернизированное оборудование.

Система имеет свойства, описываемые следующими входными переменными: X - расход газа; Х2 -

входное давление; Х3 - температура газа; Х4 - содержание влаги; Х5 - затраты на модернизацию

осушки газа в ЦОГ; Х6 - затраты на модернизацию осушки газа в абсорбере; Х7 - затраты на дополнительную осушку газа в абсорбере; Х8 - температура воздуха; Х9 - квалификация обслуживающего пер-

сонала.

Выходными переменными системы являются: у - температура точки росы; У2 - затраты на осушку га-

за; У - давление газа на выходе.

Промежуточные переменные: щ - унос ДЭГ; и2 - давление; щ - температура газа; щ - содержание

влаги.

Отношения между рассматриваемыми элементами системы делятся на две группы. Первая группа представляет собой рассмотренные выше преобразования (1), изменяющие свойства газа, обрабатываемого в технологическом оборудовании. Такое преобразование осуществляется с помощью нейронной сети вида:

У = Р (W, X),

где W - матрица коэффициентов преобразования, определяемая в процессе обучения сети.

Многослойная нейронная сеть состоит из входного и выходного слоев, а также из нескольких внутренних

(скрытых) слоев. Входной слой имеет размерность входного вектора X = [^хп] . Обычно размерность вектора

увеличивают еще на единицу, добавляя х0 =1 . Это делается для включения величины смещения функции активации в множество весовых коэффициентов. Каждый нейрон первого скрытого слоя (к=1) осуществляет суммирование входящих сигналов

п ___

и1 = 2 Ч*з ,[1 ^1 •

3=0

Выходной сигнал нейрона преобразуется с помощью функции активации

гк = оЩ), I = 1Жк к = 1КС ,

число слоев.

где N - число нейронов в к -м слое; Кс В качестве функции активации используется сигмоида

оо) =-------1----•

1 + еХр(-Д5)

Выходные преобразованные сигналы суммируются на последующем слое и, так далее, до последнего вы-

ходного слоя.

N*-1 _____

пЧ = £1-1, = в(и*), і = 1,Мк, к = 1,Кс ,

І=0

так что

Построенная таким образом нейронная сеть содержит весовые коэффициенты

мк, і = 1, Ык, І = 0, Ык-1, к = 1, Кс, требующие определения в процессе обучения.

Для обучения используется система данных, представляющая собой набор наблюдаемых точек (X1 л1), І = 1,р , где Х,Г - входной вектор и вектор функции, соответственно. Система данных из р

точек делится на две выборки: обучающую (X3, Г3 ), ] = 1, Ь и проверочную 3 = Ь +1, р . Весовые коэффициенты нужно подобрать таким образом, чтобы они обеспечили минимальное отклонение рассчитываемых в сети значений У от имеющихся Г , т.е. давали бы минимум целевой функции

1 т

^) = -£(у -1?)2 ^

2 і=1

Ш1П

ъ0 = X, У = ъ

Здесь W - матрица коэффициентов wk, i = 1,Nk, j = 0,Nk_l5k = 1,Kc , q - номер предъявляемой для обуче-

ния пары из выборки (X*^*),* = 1,к .

Обучающая выборка содержит результаты испытаний аппаратов и измерений, полученных в ходе эксплуатации оборудования.

К первой группе отношений относятся связи: (1-2), (2-3), (3-4), (8-4), (4-5).

Вторая группа отношений строится на основе экспертных заключений и методах нечеткого логического вывода. Основой для проведения операции нечеткого логического вывода является вид связей между элементами нечеткой системы, содержащих правила, названия термов и функции принадлежности термов. В общем случае механизм логического вывода включает четыре этапа: введение нечеткости (фазификация), нечеткий вывод, композиция и приведение к четкости, или дефазификация. Алгоритмы нечеткого вывода различаются главным образом видом используемого нечеткого вывода, следующим после фазификации, и разновидностью метода дефазификации.

Рассмотрим способ задания отношения второго типа на примере связи (7-4). Для лингвистической входной

переменной Х6 (затраты на модернизацию осушки газа в абсорбере) вводится три терма: Ь

M

средние; Н - высокие затраты на модернизацию. Выходные переменные щ (унос диэтиленгликоля) и щ (содержание влаги) также имеют три терма. Для переменной щ : Ь - небольшое снижение уноса; М - среднее снижение уноса; Н - существенное снижение уноса. Для переменной щ : Ь - небольшое снижение содержания

влаги; М - среднее снижение содержания влаги; Н - существенное снижение содержания влаги.

Функции принадлежности для переменной Х6 приведены на рис.4.

Рис.4. Функция принадлежности для затрат на модернизацию

Затраты измеряются некоторой условной стоимостной единицей. Функции принадлежности для переменной щ приведены на рис.5.

Здесь снижение уноса ДЭГ происходит в щ раз.

Соответствующий набор правил для логического вывода имеет вид:

if X6 = = the= щ = L

if X6 = M then щ = M

if X6 = H then щ = H if X6 = L then u4 = L

if X6 = M then щ = M

if X= = H t=e= == = = .

Рис.5. Функция принадлежности для показателя снижения уноса ДЭГ

Нечеткий логический вывод по способу Мамдани описывается следующим образом. На этапе фазификации определяются степени истинности, т.е. значения функций принадлежности для левых частей каждого правила (предпосылок) ^Х,0 | Затем определяются уровни «отсечения» для левой части каждого из правил.

В качестве ¿-нормы выступает логический минимум. Далее находятся «усеченные» функции принадлежности и объединение полученных усеченных функций, для чего используется максимальная композиция. Приведение к четкости (дефазификация) осуществляется центроидным методом.

Рис.6. Зависимость ТТР от степени загрузки оборудования и затрат на модернизацию.

Результаты расчетов выходного значения температуры точки росы (ТТР) в зависимости от расхода газа при разных уровнях затрат на модернизацию процесса осушки приведены на рис.6.

В расчете для зимнего периода времени изменялся объем подаваемого на подготовку природного газа. Величина О соответствует оптимальному уровню загрузки технологического оборудования, О = Х^ . За счет дополнительных средств, направляемых на модернизацию на среднем уровне возможно снижение на 12 градусов при снижении расхода газа в 2 раза.

Построенная модель системы подготовки природного газа выдает отклик выходных переменных У на изменение входных переменных X вида

У = ^(Х,те) . (2)

В зависимости (2) представляет собой вектор коэффициентов, учитывающих отношения между элементами системы. При соответствующем выборе критерия оптимальности системы на основе преобразования (2) можно поставить задачу нахождения оптимальной структуры технологической схемы процесса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ланчаков Г.А., Ларюхин А.И., Дудов А.Н. и др. Опыт работы ООО Уренгойгазпром по повышению надежности и эффективности технологического оборудования установок осушки газа на Уренгойском АКМ. М. : ИРЦ Газпром, 2001.

2.Стрижов И. Н., Ходанович И. Е. Добыча газа. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2 0 03.

3. Ланчаков Г.А., Кульков А.Н., Зиберт Г.К. Технологические процессы подготовки природного газа и методы расчета оборудования. М.:Недра, 2000.