CC BY
92КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УДК 66.011+004.9
О.Ю. Манихин, ООО «Газпром добыча Ноябрьск» (Ноябрьск, РФ),
manihin.oyu@noyabrsk-dobycha.gazprom.ru
Д.А. Ожерельев, ООО «Газпром добыча Ноябрьск»,
ojerelev.da@noyabrsk-dobycha.gazprom.ru
М.В. Медведев, ООО «Газпром добыча Ноябрьск»,
medvedev@noyabrsk-dobycha.gazprom.ru
Н.Р. Георгиевская, ООО «Газпром добыча Ноябрьск»
В современных экономических условиях для технологического моделирования процессов промысловой обработки углеводородного сырья становится актуальным использование отечественного программного обеспечения. Одной из причин выступает его относительно невысокая стоимость, в том числе стоимость владения.
В статье рассмотрены примеры, иллюстрирующие возможности применения отечественного программного обеспечения GIBBS, и приведены сравнения получаемых результатов с данными моделирования на импортном программном обеспечении Aspen HYSYS с экспериментальными или фактическими данными. При рассмотрении примеров акцент сделан не на технологических особенностях отдельных объектов производства, а на сравнении результатов моделирования. В ряде случаев использование аналогов Aspen HYSYS для моделирования технологических процессов, применяющихся в российской газовой промышленности, дает худшие результаты, чем использование отечественного программного обеспечения. Основной причиной являются технологические различия в отечественной и зарубежной практике подготовки и переработки природного газа и газового конденсата.
Учитывая, что программное обеспечение GIBBS успешно используется для технологического моделирования действующих и проектируемых установок стабилизации и переработки конденсата, низкотемпературного выделения из природного газа этана, фракций С3+, азота и гелия, сжижения природного газа, оно наряду с Aspen HYSYS может быть успешно использовано для моделирования установок комплексной промысловой подготовки газа и установок низкотемпературной сепарации.
Применение программного обеспечения GIBBS позволяет автоматизировать практически все стадии инженерного труда и свести к минимуму затраты рабочего времени, трудовых ресурсов и денежных средств.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, УГЛЕВОДОРОДНОЕ СЫРЬЕ, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, ПОДГОТОВКА УГЛЕВОДОРОДНОЙ ПРОДУКЦИИ.
В настоящее время в связи с удорожанием импортного программного обеспечения (ПО), а также глобальным курсом на импортозамещение и целым рядом других факторов остро встал вопрос о применении альтернативного ПО для моделирования процессов подготовки углево-
дородного сырья. В Российской Федерации наиболее широко распространено программное обеспечение Aspen HYSYS [1], а также его аналоги, такие как Petro-SIM [2]. Наиболее близким аналогом, пригодным для указанных выше целей моделирования,является российское ПО GIBBS [3].
GIBBS позволяет решать задачи стационарного моделирования основных технологических процессов подготовки и переработки природного газа и газового конденсата, включая ингибирование гидратообразования метанолом, осушку газа гликолями, регенерацию указанных ингибиторов
Manikhin O.Yu., Gazprom dobycha Noyabrsk LLC (Noyabrsk, Russian Federation),
manihin.oyu@noyabrsk-dobycha.gazprom.ru
Ozhereliev D.A., Gazprom dobycha Noyabrsk LLC, ojerelev.da@noyabrsk-dobycha.gazprom.ru Medvedev M.V., Gazprom dobycha Noyabrsk LLC, medvedev@noyabrsk-dobycha.gazprom.ru Georgievskaya N.R., Gazprom dobycha Noyabrsk LLC
Complex process simulation for field processing of raw hydrocarbons using domestic software
In the current economic conditions, the use of domestic software becomes relevant for the process simulation for hydrocarbon processing of raw hydrocarbons. One of the reasons for considering the possibility of using domestic software is its relatively low cost, including low cost of ownership.
The article considers examples illustrating the possibilities of using domestic GIBBS software and provides comparisons of the results obtained with modeling data on import HYSYS software with experimental or factual data. In considered examples, the emphasis is made on comparison of simulation results, not on the technological features of separate production facilities. In some cases, the use of the Aspen HYSYS analogues for modeling of field processing, used in the Russian gas industry, gives less good results than the use of domestic software. The main reason is technological differences in domestic and foreign practice of treatment and processing of natural gas and gas condensate.
Taking into account that GIBBS software is successfully used for process simulation of the existing and projected condensate stabilizer units and condensate processing plants, the natural gas liquefaction, the low temperature separation of ethane, C3+ fractions, nitrogen and helium from natural gas, it can be successfully used along with Aspen HYSYS for modeling plants of complex field gas treatment and low-temperature separation units.
The use of GIBBS software allows to automate virtually all stages of engineering work and minimize the work time and labor expenditures, as well as the explicit costs.
KEYWORDS: PROCESS SIMULATION, RAW HYDROCARBONS, SOFTWARE, HYDROCARBON PRODUCTS PROCESSING.
и осушителей, а также ряд задач транспорта газожидкостных смесей.
Аналоги Aspen HYSYS исторически, начиная с исходного программного обеспечения Hyprotech (Hysim), являются одними из лидеров на рынке моделирующих программ для нефтегазовой отрасли. В ряде случаев использование данного ПО для моделирования технологических процессов в отечественной газовой промышленности дает худшие результаты расчетов, чем полученные с помощью российского ПО. Это связано с технологическими различиями в отечественной и зарубежной практике подготовки и переработки природного газа и газового конденсата.
В зарубежной практике в последние десятилетия при переработке природного газа практически не применяются процессы низкотемпературной сепарации на температурном уровне около -30 °С, не обеспечивающие извлечение из природного газа этана или, по крайней мере, пропана (включая высококипящие угле-
водороды). Впрыск метанола как ингибитора гидратообразования используется очень ограниченно, уступая место адсорбционной осушке газа. Это же относится и к процессам с впрыском глико-лей [4].
В связи с вышеизложенным зарубежное ПО не настроено для максимально точного моделирования процессов низкотемпературной сепарации с прямым впрыском метанольных и глико-левых растворов. В то же время ПО российской разработки специально адаптируется для таких случаев.
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА
В ООО «Газпром добыча Ноябрьск» в 2015 г. на базе Инже -нерно-технического центра введен в эксплуатацию программный комплекс моделирования промысловой подготовки, переработки и транспорта природного и попутного газа, газового конденсата и нефти GIBBS.
Внедрение ПО GIBBS отечественной разработки позволило
производить расчеты процессов промысловой подготовки природных газов, включая установки низкотемпературной сепарации и конденсации в режиме реального времени, увеличить ресурс работы исполнительных устройств путем оптимизации процессов регулирования технологических параметров, реализовать процесс выполнения ряда штатных технологических операций в автоматическом режиме.
При использовании ПО GIBBS инженер-технолог не просто работает с изображением технологической схемы, как предлагается в большинстве аналогичных программ, но также может создавать сложные многоуровневые модели производств, объединяющие несколько промыслов и комплексов переработки сырья. Каждый уровень может соответствовать установке, группе установок, заводу, крупному промысловому или заводскому комплексу, и все уровни объединяются в единую блок-схему. Кроме этого, для каждого проекта в GIBBS возможно множество вариантов решений,
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема установки комплексной промысловой подготовки газа с подачей метанола Fig. 1. Principle process scheme of the unit for complex gas treatment with methanol feed
Таблица 1. Сравнение фактических и расчетных условий подачи метанола Table 1. Comparison of the actual and calculated conditions for the methanol supply
Параметр Parameter Значение Value
фактическое factual рассчитанное в GIBBS calculated with GIBBS
Температура в низкотемпературном сепараторе, °C Temperature in the low-temperature separator, °C -32,000 -31,300
Расход подготовленного газа, тыс. м3/ч Flow rate of the processed gas, thousand m3/h 314,266 313,240
Расход нестабильного конденсата, т/ч Flow rate of unstable condensate, t/h 76,4 76,2
Расход метанола, м3/ч Flow rate of methanol, m3/h 0,920 0,975
Расход метанола, т/ч Flow rate of methanol, t/h 0,732 0,797
Расход ВМР, т/ч Flow rate of methanol water, t/h 2254 2445
различающихся набором компонентов и технологическими параметрами.
Расчеты в ПО GIBBS выполняются индивидуально для каждого технологического объекта. Результаты работы не интегрируются в используемую в Обществе автоматизированную систему управления PI System [5], что значительно ограничивает возможности их применения на технологических объектах Общества.
В настоящее время разработчики программного обеспечения в соответствии с требованиями пользователей ведут доработку комплекса. Так, для реализации процесса интеграции и последующей эффективной эксплуатации на газовых промыслах моделей ПО GIBBS разрабатывается
ГАЗ ДЕЭТАНИЗАЦИИ
Deethanization gas -►
Таблица 2. Минимально необходимый расход метанола Table 2. Minimal necessary flow rate of methanol
НЕСТАБИЛЬНЫЙ КОНДЕНСАТ НА ОРОШЕНИЕ Unstable condensate to overflash
НЕСТАБИЛЬНЫЙ КОНДЕНСАТ НА ПИТАНИЕ ДЕЭТАНИЗАТОРА Unstable condensate to deethanizerfeed
ДЕЭТАНИЗИРОВАННЫЙ КОНДЕНСАТ Deethanized condensate
Расход метанола, кг/ч Methanol flow rate, kg/h
фактический factual минимально необходимый minimal necessary
HYSYS GIBBS
732 1250 797
Таблица 3. Сравнение результатов моделирования работы деэтанизатора в HYSYS и GIBBS
Table 3. Comparison of the results of deethanizer simulation with HYSYS and GIBBS
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема деэтанизатора Fig. 2. Principle process scheme of the deethanizer
«Модуль управления» расчетными моделями.
Необходимо отметить, что ООО «Газпром добыча Ноябрьск» высоко оценило представленный программный комплекс, что инициировало внедрение пилотной расчетной модели в интерфейс автоматизированной системы управления технологическими процессами на газовом промысле в целях получения оперативной информации, необходимой для оптимизации технологического процесса.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Рассмотрим некоторые примеры, иллюстрирующие возможности применения ПО GIBBS, а также сравним получаемые результаты с данными по моделированию на ПО HYSYS и экспериментальными
Газ деэтанизации Деэтанизированный конденсат
Deethanization gas Deethanized condensate
Компонент Compound эксперимент experiment эксперимент experiment расчет calculation
GIBBS HYSYS GIBBS HYSYS
Метан Methane 30,32 31,96 31,734 - 7,410-5 0,000
Этан Ethane 46,54 45,51 45,819 0,75 0,88 0,809
Пропан Propane 15,11 13,58 13,757 15,90 12,05 12,027
Изобутан Isobutane 3,33 3,27 3,133 8,64 7,51 7,528
Н-бутан N-butane 3,08 3,27 3,247 11,65 11,04 11,053
Изопентан Isopentane 0,76 0,84 0,826 6,22 6,54 6,548
Н-пентан N-pentane 0,47 0,67 0,645 5,73 6,69 6,696
0,39 0,89 0,840 51,11 55,29 55,338
Расход, т/ч Flow rate, t/h 16,80 16,80 16,80 138,10 140,40 140,200
или фактическими величинами, полученными в процессе эксплуатации производственного объекта. При рассмотрении примеров акцент сделан не на технологических особенностях отдельных объектов, а на сравнении результатов моделирования.
Пример 1. Рассмотрим объект моделирования - установку комплексной промысловой подготовки газа, основанную на принципе низкотемпературной сепарации. Принципиальная схема установки приведена на рис. 1. С помощью GIBBS и HYSYS решалась задача подбора оптимального количества подаваемого метанола для ингибирования гидратообразова-
ния, а также моделирования материального баланса установки.
В табл. 1 представлены резуль -таты сравнения фактических и расчетных условий подачи метанола. Минимальное необходимое количество метанола определялось для безгидратных условий с запасом 5°. Необходимое количество метанола, определенное с использованием HYSYS и GIBBS, в сравнении с фактическими данными приведено в табл. 2.
Расчетные данные по расходу нестабильного конденсата различаются не более чем на 0,26 %, по газу - на 0,33 %, по водоме-танольному раствору (ВМР) - на 8,5 % (см. табл. 1). По факту рас-
Таблица 4. Сравнение результатов моделирования плотности деэтанизированного конденсата (ДК) в HYSYS и GIBBS
Table 4. Comparison of results of the deethanized condensate density simulation with HYSYS and GIBBS
Параметр Parameter Эксперимент Experiment GIBBS HYSYS
Плотность ДК, кг/м3
Density of deethanized 62B 642 599
condensate, kg/m3
Относительная ошибка, % Relative error, % - 2,23 -4,62
ход метанола составляет 732 кг/ч, т. е. ошибка по расходу метанола в GIBBS несколько меньше (см. табл. 2).
Пример 2. Рассмотрим колонну деэтанизации газового конденсата, работающую на различных режимах (рис. 2). Мы намеренно не детализируем параметры режимов работы деэтанизатора, так как в контексте данной статьи имеют значение только результаты сравнения.
В процессе моделирования колонны объемы загрузки сырья и орошения, температуры подачи сырья и орошения задавались по фактическому режиму. Де-этанизатор не имеет дефлегматора, орошение осуществляется более холодным нестабильным конденсатом. Питание колонны осуществляется также нестабильным конденсатом,предварительно нагретым в рекуперативных теплообменниках.
Результаты сравнения моделирования работы колонны-деэта-низатора в системах GIBBS и HYSYS на одном режиме представлены в табл. 3. Результаты сравнения моделирования плотности деэтанизированного конденсата в системах GIBBS и HYSYS - в табл. 4.
Расчетная плотность деэтанизированного конденсата в ПО GIBBS составляет 642 кг/м3, что отличается от эксперимента на 2,23 %, в то время как в ПО HYSYS расчетная плотность деэтанизированного конденсата составляет 599 кг/м3 и отличается от экспе-
римента на 4,62 %, т. е. ошибка по плотности в GIBBS меньше, чем в HYSYS.
ВЫВОДЫ
Возможность проводить расчеты в динамическом режиме позволяет лучше понять сущность моделируемых процессов. Можно собрать и испытать схемы регулирования, исследовать пусковые режимы, получить представление о реально работающем процессе и поведении объекта в нештатных ситуациях, о влиянии изменения рабочих параметров на качество продуктов.
В проведенных расчетах ПО GIBBS показало точность моделирования материальных балансов и технологических параметров установок комплексной промысловой подготовки газа и установок низкотемпературной сепарации. При этом для компонентов С5+ ПО GIBBS показало лучшую сходимость результатов, за счет чего для ряда задач лучше моделируется выход конденсата.
Также в ряде случаев ПО GIBBS показывает лучшую точность по моделированию плотности конденсата.
В части моделирования систем с метанолом и распределением ВМР в установках низкотемпературной сепарации ПО GIBBS показывает лучшую по сравнению с HYSYS точность расчетов.
Программное обеспечение GIBBS успешно используется для технологического моделирования на действующих и проектируемых установках стабилизации и переработки конденсата, низкотемпературного выделения из природного газа этана, фракций С3+, азота и гелия, сжижения природного газа. В связи с чем можно сделать вывод о том, что наряду с Aspen HYSYS данный программный продукт может быть дополнительно успешно использован для моделирования установок комплексной промысловой подготовки газа и установок низкотемпературной сепарации.■
ЛИТЕРАТУРА
1. Aspen HYSYS [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.aspentech.com/products/engineering/aspen-hysys (дата обращения: 15.05.2018).
2. Petro-SIM. Advanced Purpose-Built Process Simulation [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.kbc.global/en/industry-solutions/ industries/oil-and-gas-downstream (дата обращения: 15.05.2018).
3. GIBBS - функции [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gibbsim.ru/node/16 (дата обращения: 15.05.2018).
4. Арнольд К., Стюарт М. Справочник по оборудованию для комплексной подготовки газа. М.: ООО «Премиум Инжиниринг», 2009. 630 с.
5. PI System [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.indusoft.ru/products/osisoft/PI_SYSTEM/ (дата обращения: 15.05.2018).
REFERENCES
1. Aspen HYSYS [Electronic source]. Access mode: https://www.aspentech.com/products/engineering/aspen-hysys (access date: May 15, 2018).
2. Petro-SIM. Advanced Purpose-Built Process Simulation [Electronic source]. Access mode: https://www.kbc.global/en/industry-solutions/industries/ oil-and-gas-downstream (access date: May 15, 2018).
3. GIBBS - Functions [Electronic source]. Access mode: http://www.gibbsim.ru/node/16 (access date: May 15, 2018). (In Russian)
4. Arnold K., Stewart M. The Reference Manual on the Equipment for Complex Preparation of Gas. Moscow, Premium Engineering LLC, 2009, 630 p. (In Russian)
5. PI System [Electronic source]. Access mode: https://www.indusoft.ru/products/osisoft/PI_SYSTEM/ (access date: May 15, 2018). (In Russian)
