CC BY
168
УДК 665.6/.7;004.942
ИНФОРМАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ПРОЦЕССОВ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ ГАЗА И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА
А.В. Кравцов, Н.В. Ушева, О.Е. Мойзес, Е.А. Кузьменко, В.И. Рейзлин, А.А. Гавриков
Томский политехнический университет E-mail: vir@tpu.ru
Разработана информационно-моделирующая система комплексной подготовки газа и газового конденсата для расчётов материальных балансов установок, исследования влияния технологических параметров на выход и качество товарного газа, оптимизации технологических режимов работы промышленных установок. На примере Мыльджинского газоконденсатного месторождения Томской области показана возможность ее практического применения для выбора наиболее эффективных режимов работы установки.
Ключевые слова:
Газовый конденсат, низкотемпературная сепарация, каплеобразование, отстаивание, материальный баланс, математическая модель, информационно-моделирующая система.
Key words:
Gas condensate, low-temperature séparation, drop formation, assertion, material balance, mathematical model, informational-simu-lating system.
Природный газ, газовый конденсат, направляемые промышленным и бытовым потребителям, должны отвечать стандартам или техническим условиям их транспортировки, хранения, поставки и использования (ОСТ 51.40-93).
С этой целью осуществляется промысловая подготовка газового конденсата, которая предусматривает проведение процессов низкотемпературной сепарации и стабилизации конденсата.
Математическое моделирование процессов первичной подготовки углеводородного сырья является необходимым этапом при решении задач анализа, оптимизации, повышения эффективности действующих установок промысловой подготовки газа и газового конденсата. В настоящее время разработаны и широко применяются различные моделирующие системы, такие как, HYSYS, HYSIM, PRO-2, PROSYM, GIBBS, «ГазКондНеф-ть» и другие [1], которые являются универсальными и используются, в основном, при проведении проектных расчетов. Информационно-модели-рующие системы (ИМС) отличаются от традиционных методов математического моделирования комплексным подходом к проблеме, удобным пользовательским интерфейсом и использованием современных операционных сред, в рамках которых функционируют все блоки ИМС. Кроме того, большинство подобных систем включают экспертные оценки специалистов, накопленные базы данных, базы знаний.
Однако для повышения эффективности действующих промышленных установок целесообразно применять специализированные моделирующие системы, адаптированные к технологическим условиям данного промышленного объекта.
Целью данной работы являлось создание ИМС промысловой подготовки газа и газового конденсата месторождений Томской области.
Разработанная ИМС предназначена для исследования технологических режимов, прогнозирова-
ния протекания процессов первичной подготовки газа и газового конденсата в динамике разработки месторождения и оптимизации процесса.
ИМС включает три основных модуля расчета:
• состава пластовой смеси;
• материальных балансов;
• процессов промысловой подготовки газового конденсата.
Для расчета состава и расхода пластового газа, поступающего на установку комплексной подготовки газа, в качестве исходной информации используются данные по параметрам выходных потоков: товарного газа, нестабильного конденсата, воды из разделителя жидкости РЖ1, водометаноль-ного раствора из разделителя РЖ2 и циркулирующего потока метан-этановой фракции установки деэтанизации и стабилизации конденсата (УДСК), рис. 1.
Расчёт проводится на основе уравнений материального баланса:
Сс=С1Г+Снк-СГд+Срж1 +Срж2,
+°РЖ2-6м,
где ОI - расход /-го потока, т/сут; Опг - пластового газа; Ос - сырья на установку; Отг - товарного газа; Онк - нестабильного конденсата; Огд - циркулирующего газа деэтанизации; ОрЖ1 - воды из разделителя жидкости РЖ1; ОРЖ2 - водометанольного раствора из разделителя РЖ2; Ом - метанола на установку.
Расчёт состава входного потока выполняется по формуле:
X т
С = ,
X ^
}=1
где С,, С/ - концентрация /-го компонента во входящем на УКПГ потоке и ву-м уходящем или циркулирующем, мас. %; Оу - расход у-го уходящего или циркулирующего потоков, т/сут.
Метанол
Товарный газ
Пластовый
т-н
-► Ст
Г аз деэтанизации
-с УДСК
УКПГ
Вода
-►Срж!
из РЖ1
Нестабильный
конденсат
Вода+метанол
-► СРЖ2
из РЖ2
Рис. 1. Схема потоков установки комплексной подготовки газа (УКПГ)
Данные о расходах уходящих потоков и их составах берутся из режимных листов и журнала аналитического контроля промышленной установки. В качестве дополнительной информации вводятся дата отбора проб и соответствующий технологический режим работы УКПГ
По данным о расходах и составах уходящих с УКПГ потоков выполнен расчёт состава пластового газа (табл. 1). Расчеты были проведены на основании данных, полученных с промышленной установки комплексной подготовки газа Мыльд-жинского газоконденсатного месторождения Томской области.
В модуле расчёта материального баланса установки комплексной подготовки газового конденсата приведена технологическая схема, которая включает несколько модулей подготовки газа (МПГ).
Алгоритм расчета материального баланса базируется на схеме распределения технологических потоков установки, нумерация которых приведена на рис. 2:
Таблица 1. Результаты расчета состава пластового газа
Состав потока Концентрация, моль %
Составы потоков (исходные данные) Результаты расчета
Товар- ный газ Неста- бильный конденсат Газ деэтанизации Вода из РЖ1 Вода+ме-танол из РЖ2 Пластовый газ
С02 0,41 0,14 6,59 0 0 0,35
N2 3,34 3,96 0,02 0 0 3,36
СН4 90,08 21,73 47,57 0 0 87,78
С2Н6 3,52 5,46 28,23 0 0 3,38
Сз Н 8 1,96 12,26 12,33 0 0 2,18
и-С^ю 0,29 8,20 2,31 0 0 0,51
н-С4Ню 0,28 8,20 2,27 0 0 0,50
и-С51 112 0,07 5,60 0,40 0 0 0,23
Н-С5Н12 0,05 5,60 0,28 0 0 0,21
Сб + 0 28,85 0 0 0 0,87
Н2О 0 0 0 100 54,00 0,63
СН3ОН 0 0 0 0 46,00 0
Рис. 2. Схема модуля подготовки газового конденсата
G = G + g16, g2 = G3 - g24, G3 = G4,
G4 = G5 + Gi9, G5 = G12 -G11 -G9, G6 = G5 -G7,
g8 = G6, g9 = G21 - G22 - G23,
G11 = G16 - G17 - G18 , G12 = G13 + G20 >
G14 = G13 , G15 G13 , G21 = G18 + G19 + G20'
Для потока 1 МПГ задаются термобарические условия, для потоков 7, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 23 -расход и термобарические данные (рис. 2), для потоков товарного газа (13) и водометанольного раствора (24) - полная информация, которая включает кроме расхода и термобарических данных компонентный состав потока.
Данный модуль ИМС позволяет рассчитать материальные потоки промышленной установки, для которых не предусмотрено их экспериментальное измерение и в целом материальный баланс УКПГ.
Основным модулем ИМС является модуль расчета процессов промысловой подготовки газового конденсата, структура которого приведена на рис. 3.
Математическое описание моделей процессов разработано на основе теоретических закономерностей первичной подготовки газов и газовых конденсатов, что обеспечивает высокую точность расчетов и их прогнозирующую способность.
Проверка адекватности математического описания проводилась по экспериментальным данным, полученным с УКПГ Мыльджинского и Се-веро-Васюганского газоконденсатного месторождений [2, 3].
Основные уравнения для расчета процесса сепарации многокомпонентной системы:
с, с,К,
X =-----------, У, =— —,
г 1 + е(К, -1) г 1 + е(Кг -1)
где е - молярная доля пара (доля отгона) в конце процесса однократного испарения; с¡, х, у - мольные доли /-го компонента в исходном сырье и полученных жидкой и паровой фазах соответственно; К - константа фазового равновесия /-го компонента.
Модель технологии УКПГ
---------------ч-
Формирование технологической схемы
Банк моделей процессов
Сепарация
Исходные данные
- производительность установки;
- состав пластовой смеси;
- молекулярная масса компонентов;
- плотности компонентов;
- вязкости компонентов;
- критические параметры:
температура и давление.
Результаты
- мольный и массовый состав газовой и жидкой фазы;
- покомпонентный материальный баланс;
- физико-химические свойства потоков;
- общий материальный баланс по потокам;
- влагосодержание в газе;
- содержание в газе
С3+, С5+.
Каплеобразователь
Исходные Результаты
данные - линейная
- расход смеси; скорость потока;
- плотность - критерии
потока; Рейнольдса;
- обводненность. - диаметр капли.
Смеситель
Исходные данные Результаты
- составы входных - состав потока
потоков; смешения;
- расходы - расход
входных потоков. потока
смешения.
Разделитель жидкости
Исходные
данные
- составы входных потоков;
- температура:
- давление;
- диаметр капли.
Результаты
- мольный и массовый состав газовой и жидкой фазы;
- покомпонентный материальный баланс;
- физико-химические свойства потоков;
- общий материальный баланс по потокам;
- обводненность конденсата на выходе из аппарата.
Рис. 3. Структура модуля расчета процессов промысловой подготовки газового конденсата
Контролем правильности решения является выполнение условий ?х=?,у=1.
Для расчета констант фазового равновесия нами была принята методика [4], в основе которой лежит уравнение Гофмана-Крампа.
При первичной подготовке газового конденсата в состав потоков входят такие компоненты, как вода и метанол - ингибитор гидратообразования. Для расчетов констант фазового равновесия метанола и воды выбрано уравнение Тека-Стила [5], которое позволяет с большей точностью определить давление насыщенных паров полярных веществ и веществ с водородными связями при низких температурах.
Основное уравнение для расчета диаметра капель [6] в модуле процесса каплеобразования:
(
' = 0,18 Б
Л1'1
Ргк
V РЖ )
а
РжБ/2
где й- диаметр капель, м; а- поверхностное натяжение, Н/м; ргк - плотность газоконденсатной смеси, кг/м3; рж - плотность водометанольного раствора, кг/м3; и - линейная скорость, м/с; Б - диаметр трубопровода, м.
Математическое описание процесса отстаивания основывается на известных законах осаждения капель воды под действием сил тяжести, а также различного ряда эмпирических и полуэмпириче-ских уравнениях, описывающих физико-химические свойства материальных потоков как функции технологических параметров процесса обезвоживания газового конденсата.
Относительная обводненность газового конденсата после процесса отстаивания определялась по уравнению [7]:
®ст18Як(1 - В)2
(1 - В)2 -
1 -
В
В„
= (1 - В)4
В табл. 2 приведен пример расчета состава продуктовых потоков УКПГ при заданном составе пластовой смеси с применением ИМС.
Таблица
2. Составы сырьевого и расчетных продуктовых потоков УКПГ
Содержание, моль %
Компо- нент Пласто-вый газ Технологический режим:
Температура, °С Т1=24,7 Т2=11,0 Т3=-29,0 Давление, МПа Р1=7,8 Р2=7,7 Р3=4,1
Товарный газ Нестабильный конденсат
СО2 0,500 0,518 0,240
N2 3,930 4,061 0,089
СН4 85,180 88,186 9,950
С2Н6 3,923 3,988 5,574
СзН8 2,459 2,226 10,859
1-С,Ню 0,733 0,450 8,771
П-С4Н10 0,851 0,446 12,181
¡-С5Н12 0,381 0,063 9,034
П-С5Н12 0,400 0,039 10,162
Сб+ 1,190 0,004 32,994
Н20 0,479 0,003 0,107
СН30Н 0,025 0,016 0,039
где ¡лтк - вязкость газового конденсата, мПа.с; етст -скорость стеснённого осаждения капли размером й, м/с; Во - обводнённость жидкой фазы в разделителе жидкости; В - обводнённость конденсата на выходе из разделителя жидкости; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Особенностью расчета процесса обезвоживания нестабильного конденсата является использование модели, в основе которой лежит разделение водометанольного раствора в процессе отстаивания с учетом каплеобразования, а не в результате расчета фазовых равновесий в системе углеводоро-ды-метанол-вода, что более точно отражает физическую сущность протекающих в разделителях жидкости процессов.
Выполненные ранее исследования [8] по анализу параметрической чувствительности процесса при варьировании технологических параметров, таких как давление и температура, показали, что наибольшее влияние на выход товарного газа и его качество оказывает изменение технологических параметров на третьей ступени сепарации.
Исследования по влиянию термобарических условий на процессы промысловой подготовки газового конденсата (табл. 3) показали, что увеличение давления на первой ступени сепарации приводит к незначительному повышению выхода товарного газа при сохранении качества его подготовки. В исследованных интервалах варьирования давления на различных ступенях сепарации можно достичь увеличения выхода товарного газа. Так, например, при снижении давления в третьем сепараторе можно повысить выход товарного газа, однако уменьшать давление следует только до значения 4 МПа, т. к. при дальнейшем понижении давления точка росы по воде не соответствует требованиям ОСТ 51.40-93. Для расчёта точки росы влаги аппроксимированы данные таблиц 1, 2 приложения ГОСТ 20060-83 по вла-госодержанию и точке росы при различных давлениях. Расчёт точки росы по углеводородам и воде проведён для давления в трубопроводе 4,1 МПа.
ИМС рассчитывает следующие показатели качества подготовки товарного газа: влагосодержание, содержание С3+ - С5+, точку росы по углеводородам и воде. Как показали исследования, повысить качество подготовки товарного газа возможно в результате повышения давления или снижения температуры (табл. 4) на третьей ступени сепарации. Наиболее сильное влияние на выход товарного газа оказывает изменение температуры на третьей ступени сепарации. Повышение температуры до -26 °С увеличивает выход товарного газа на 654 кг/ч. При этом наблюдается некоторое снижение качества подготовки газа, однако точка росы по углеводородам и воде соответствует ОСТ в летний период времени.
Таблица 3. Исследование влияния давления и температуры на показатели работы в первом сепараторе
Параметры Технологические режимы
Давление в сепараторе С1, МПа Температура в сепараторе С1, °С
Р1 Т1
8,8 7,8 (исходный) 8,2 20,0 24,7 (исходный) 30
Расход газа, кг/ч 132405,7 132394,2 132396,3 132409,2 132394,2 132365,5
Расход конденсата, кг/ч 18963,4 18975,5 18973,1 18961,3 18975,5 19003,7
Количество отделившегося водометанольного раствора, кг/ч 757,2 756,6 757,0 755,6 756,6 757,2
Влагосодержание товарного газа, г/м3 0,0299 0,0343 0,0325 0,0294 0,0343 0,0398
Содержание, г/м3:
Сз+ 65,83 65,74 65,78 65,81 65,74 65,64
С5 + 3,28 3,25 3,26 3,26 3,25 3,22
Точка росы по углеводородам, °С -23,9 -23,9 -23,9 -23,9 -23,9 -24,0
Точка росы по воде, °С -22,3 -20,5 -21,2 -22,5 -20,5 -18,6
Таблица 4. Исследование влияния давления и температуры на показатели работы в третьем сепараторе
Параметры Технологические режимы
Давление в сепараторе С3, МПа Температура в сепараторе С3, °С
Р3 Т3
3,6 4,6 5,1 5,6 -26 -32 -35 -38
Расход газа, кг/ч 132768,3 132067,7 131783,3 131524,4 133048,3 131727,9 131063,2 130395,9
Расход конденсата, кг/ч 18608,1 19296,7 19576,9 19832,5 18331,4 19634,0 20293,2 20957,0
Количество отделившегося водометанольного раствора, кг/ч 749,9 762,0 766,1 772,6 746,6 764,5 770,0 773,5
Влагосодержание товарного газа, г/м3 0,0433 0,0277 0,0228 0,0189 0,0492 0,0238 0,0164 0,0113
Содержание, г/м3:
С3+ 67,55 64,18 62,81 61,55 69,02 62,40 59,05 55,07
С5 + 3,05 3,05 2,89 2,75 3,93 2,67 2,18 1,78
Точка росы по углеводородам, °С -22,4 -25,3 -26,5 -27,7 -21,3 -26,8 -29,8 -33,2
Точка росы по воде, °С -17,5 -23,3 -25,8 -28,2 -15,9 -25,3 -30,0 -34,9
В целом, ИМС предназначена для прогнозирования влияния термобарических условий, состава пластовой смеси, расходов и конструктивных особенностей аппаратов, применяемых в данной технологической схеме на процессы промысловой подготовки газового конденсата, в том числе, и процессы отделения водометанольных растворов. Исследование влияния технологических параметров позволяет выбрать оптимальные режимы эксплуатации установок комплексной подготовки газового конденсата.
Разработанная ИМС имеет открытую архитектуру, предоставляющую возможность накапливать базы данных, пополнять и обновлять методики и модели, а также добавлять новые, не изменяя внутренней архитектуры комплекса. В моделирующем комплексе заложена объектно-ориентированная архитектура, которая дает возможность новым модулям программы наследовать свойства суще-
ствующих объектов, что обеспечивает более гибкий подход к их проектированию. Разработанный моделирующий комплекс может работать с базами исходных параметров и получаемых результатов, хранить большой объем информации, структурировать ее и пополнять новыми данными с целью включения их в качестве исходного набора.
Информационно-моделирующая система достаточно просто адаптируется к условиям и особенностям работы конкретной промышленной установки, позволяет проводить расчеты, на основе которых в режиме эксплуатации объекта могут быть выбраны оптимальные технологические режимы, которые повысят выход товарной продукции и помогут оценить показатели её качества. Подобные расчеты целесообразно проводить в технологических отделах предприятий, а полученную информацию в виде рекомендаций передавать на конкретные установки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технология переработки природного газа и конденсата. Справочник / под ред. В.И. Мурина. - М.: ООО «Недра Бизнесцентр», 2002. - Ч. 1. - 517 с.
2. Иванов В.Г, Маслов А.С., Кравцов А.В., Ушева Н.В., Гавриков А.А. Повышение эффективности технологии промысловой подготовки газового конденсата // Газовая промышленность. - 2003. - № 7. - С. 54-57.
3. Сергеев О.А., Князев А.С., Кравцов А.В., Ушева Н.В., Мой-зес О.Е., Кузьменко Е.А., Рыжакина А.Н. Моделирование процессов отделения водометанольных растворов при промысловой подготовке газового конденсата // Газовая промышленность. - 2008. - № 4. - С. 24-27.
4. Шилов В.И., Крикунов В.В. Прогнозирование фазового состояния природных нефтегазовых систем // Нефтяное хозяйство. - 2002. - № 8. - С. 100-103.
5. Рид Р.С., Праусниц Д.М., Шервуд Т.К. Свойства газов и жидкостей. - Л.: Химия, 1982. - 592 с.
6. Пергушев Л.П., Деникаев Р.Т. Расчет скорости транспортирования высокообводненной эмульсии по трубопроводу без её расслоения // Нефтепромысловое дело. - 2001. - № 12. -С. 23-31.
7. Лутошкин Г.С., Дунюшкин И.И. Сборник задач по сбору, подготовке нефти, газа и воды на промыслах. - М.: ООО ИД «АЛЬЯНС», 2007. - 132 с.
8. Кравцов А.В., Ушева Н.В., Мойзес О.Е., Кузьменко Е.А., Ануфриева О.В. Анализ влияния технологических параметров и оптимизация процессов низкотемпературной сепарации // Известия Томского политехнического университета. - 2009. -Т. 315 - № 3. - С. 57-60.
Поступила 14.02.2011 г.
УДК 669.162.28
РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТЫ ДОМЕННОГО ЦЕХА
В.В. Лавров*, Н.А. Спирин*, А.А. Бурыкин*, А.В. Краснобаев**, Н.В. Новикова*
*ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург **ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», г. Магнитогорск E-mail: lv@tim.ustu.ru
Отражены технологические особенности применения методологии функционального моделирования IDEF0, использованные авторами в ходе создания автоматизированной информационной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Ключевые слова:
Функциональное моделирование, стандарт IDEF0, методология SADT, компьютерные системы поддержки принятия решений, доменное производство.
Key words:
Functional modeling, Integrated computer aided manufacturing DEFinition, Structural Analysis and Design Technique, Software engineering decision support systems, blast furnace.
Одними из основных показателей качества программного обеспечения автоматизированных информационных систем, как известно, являются его функциональность и надежность [1]. Важнейшим этапом разработки, во многом определяющим требуемый уровень этих показателей, является этап анализа и проектирования функций, процессов взаимодействия в информационных системах.
В основу метода, использованного при проектировании функций автоматизированной информационной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», положены идеи и нотации стандарта IDEF0 (Integrated computer aided manufacturing DEFinition), который является развитием методики SADT (Structural Analysis and Design Technique) [2]. Использование методики IDEF0 позволило создать функциональную структуру программного комплекса, выявить производимые им действия и связи между этими действиями, управляющие воздействия и механизмы выполнения каждой функции, что, в конечном
итоге, позволило на ранней стадии проектирования предотвратить возможные ошибки. Внешний вид контекстной диаграммы функциональной модели автоматизированной информационной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха (АИС АППС ДЦ) представлен на рис. 1.
На первом уровне функциональной модели выделены два основных потока входной информации в систему (Input): данные из систем АСУ ТП и корпоративной информационной системы (КИС), а также отчетные документы по производству. Конкретизация входных данных представлена на последующих этапах декомпозиции системы. Интерфейс управления (Control) разбит на четыре логических блока: совокупность документов (технологических инструкций, руководств пользователей); нормативно-справочной информации (НСИ); требований пользователей; описание математических моделей и алгоритмов анализа и прогнозирования работы доменных печей и цеха. Заметим, что под документами понимаются инструкции ведения
