МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 681.3

Ыбрай Д.С.

магистрант, кафедры Автоматизации телекоммуникаций и управления, Южно-Казахстанский университет им. М. Ауезова (г. Шымкент, Казахстан)

Каюмов К.Г.

к.т.н., доцент, Южно-Казахстанский университет им. М. Ауезова (г. Шымкент, Казахстан)

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА

Аннотация: в статье исследуется применение теоретических принципов к установке разделения нефтеводогазовой смеси на компоненты с целью управления расходом газа в установке. Для этого проводится линеаризация дифференциального уравнения, описывающего процесс, и определяются аналитические выражения для его коэффициентов и постоянных времени. На основе полученных типовых динамических звеньев составляется структурная схема установки разделения нефтеводогазовой смеси как объекта управления по расходу газа, учитывая изменение уровня жидкости в установке.

Ключевые слова: технологический процесс, моделирование, компонентный состав, попутный газ, пропан, бутан, система управления.

Переход от аналоговых к цифровым системам управления в установках разделения нефтеводогазовой смеси на компоненты в первичной переработке нефти является естественным шагом в современной автоматизации производства. Цифровые системы управления обладают рядом преимуществ, таких как большая точность, гибкость, возможность диагностики и мониторинга в реальном времени.

1716

Однако разработка цифровых систем управления требует более полного математического описания объектов управления. Это включает в себя более детальное моделирование процессов разделения нефтеводогазовой смеси на компоненты, чтобы обеспечить точное и эффективное управление ими. Математическое моделирование позволяет лучше понять динамику системы, предсказывать её поведение и оптимизировать параметры управления.

Использование микропроцессорных устройств для цифровых систем управления обеспечивает более высокую вычислительную мощность и возможность быстрого реагирования на изменения в процессе. Это позволяет улучшить эффективность и надежность работы установок разделения нефтеводогазовой смеси на компоненты, что является ключевым фактором в современной нефтегазовой промышленности.

Из описания ясно, что в работах рассматриваются математические основы описания устройств и технологических процессов испытаний изделий на герметичность. Эти изделия рассматриваются как объекты систем управления. Установка, описанная в тексте, содержит трубопровод подвода нефтево-догазовой смеси, а также компоненты, такие как нефтяной углеводородный газ, нефть и вода. Регулирующий клапан контролирует подачу смеси в установку. Емкость установки разделена на три части: нижняя часть заполнена водой, средняя часть заполнена нефтью, а верхняя часть содержит газ.

Этот вид установки может использоваться для тестирования герметичности изделий, позволяя контролировать присутствие и утечку газа внутри изделия под давлением. Математическое моделирование таких процессов помогает понять и оптимизировать параметры управления, такие как давление, расход и состав смеси, а также обеспечивает возможность проведения анализа производственных процессов [1].

Рассмотрим постановку задачи оптимального автоматического управления технологическими процессами в промышленности с использованием кибернетических методов. В работе рассматривается процесс

1717

исследования общего процесса промышленности с использованием кибернетических методов, а также определение критерия эффективности регулирования.

Применение кибернетических методов включает в себя математическое моделирование объектов управления, использование статистических методов и математического планирования экспериментов для оптимизации процессов. Этот подход позволяет рассматривать объект управления как систему с высокой степенью сложности и вероятностным характером, что требует применения современных методов исследования и анализа.

В исследовании учитывается значимость оптимизации условий процесса и управления для получения оптимального результата. Это может включать в себя использование различных методов оптимизации, таких как методы экстремального управления или планирование экспериментов.

В целом, работа звучит как серьезное исследование в области оптимального управления технологическими процессами с использованием кибернетических методов и математического моделирования. В литературных источниках часто подчеркивается, что выбор критерия оптимизации влияет на результаты статистических и термодинамических исследований. Поскольку эти результаты являются ключевыми в промышленности, представляется, что ваши исследования начинаются с энергетических вопросов и компонентов установки будущего.

Разработка оптимального регулятора для управления этими компонентами представляется сложной задачей из-за множества факторов, включая нестабильность процессов, техническую сложность и психологические аспекты, влияющие на исследователя.

Подход также включает в себя использование симуляций и моделирования для понимания процессов и разработки оптимальных стратегий управления. В работы предпринята попытка построить общий подход к выбору оптими-зационных критериев для задач разделения газов в процессе,

1718

основываясь на уравнениях и инструментах, таких как последовательный сепаратор.

Подход, основанный на использовании теплообменника в качестве модели, позволяет рассматривать различные технологические, термодинамические, статистические и динамические критерии для перспективной оптимизации управления. При этом кубический термодинамический подход позволяет определить оптимальные параметры процесса разделения с помощью инструментов теории хранения разделения при условии постоянных размеров разделительного куба. Этот подход также развивается в направлении применения принципа технологической минимальности для энергоустановок широкого класса, включая различные разделительные схемы процессов управления.

Такой подход к управлению газами позволяет выбирать критерии оптимизации, например, верхнее давление разделения с использованием схем разделения типа У100 при условиях, характерных для Казахстана. Это определение критериев оптимизации важно для управления циркуляцией и распределением газа, а также промежуточных продуктов разделения. Расчет эффективности процесса также включает в себя определение числа ключевых ступеней и их моделирование в начале операций в разделительном каскаде изобутана.

Такой подход представляет собой инновационный способ управления процессами разделения газов с использованием теплообменника в качестве модели и определения оптимальных параметров с учетом различных критериев оптимизации.разделить

Похоже, что рассмотрение динамики процесса сжигания и технологического разделения цифровых смесей нефтеводогаза в установке важно, где компоненты учитываются в регуляторе, который является объектом управления методом динамического экономического анализа (МДЭА). Обычно в таких случаях учитывается давление и присутствие газа, а также попутные притоки и отводы газа. Однако, при использовании установки для разделения

1719

нефтеводогазовых смесей важно учитывать загрязнения и высокое давление газа при нагревании.

Математическая модель имеет существенное влияние на процесс разделения, особенно при изменении уровня разделения изобутана, жидкости и других компонентов. При моделировании важно учитывать такие аспекты, как точки жесткости разделения, выход нефти и воды.

В работе рассматриваются теоретические аспекты процессов разделения нефтеводогазовых смесей с применением моделирования на установке разделения. Применительно к вашей установке, возможно, используется программное обеспечение типа UNISIM для моделирования процессов разделения и утилизации нефтеводогазовых смесей, включая попутные компоненты. Управление процессом обычно осуществляется путем регенерации верхней давления газа с учетом изменений в системе и уровнях разделения жидкости. [2].

Рациональная утилизация токсичного газа, добываемого в процессах нефтеводогазовой добычи, является одной из наиболее актуальных задач в области энерго- и ресурсосбережения. В этом процессе используется абсорбер, который считается наиболее эффективным средством управления расходом актуальных ресурсов.

Моделирование в этой области проводится с целью предотвращения выбросов вредных веществ и газов, таких как сульфиды и другие загрязнения, в атмосферу. Инженеры стремятся сократить эмиссию парниковых газов, поэтому моделирование включает в себя изучение процессов сжигания и образования углеводородных смесей при попутном газе.

Модели учитывают жесткие требования к снижению расходов на ресурсосбережение и разработку наиболее стабильных и перспективных технологий утилизации попутного газа. Одним из таких вариантов является использование абсорбера с моноэтаноламином для очистки газа от сернистых соединений.

1720

Для повышения эффективности утилизации газа может применяться моделирование для атмосферного выработки электрической и тепловой энергии на газопоршневых или турбинных станциях. Линеаризация используется для упрощения моделирования и анализа системы в окрестности некоторой рабочей точки. Однако, при моделировании установок с попутным газом, содержащим сероводород (H2S), такой метод может оказаться недостаточно эффективным. Присутствие сероводорода делает газ токсичным и требует специальных мер предосторожности.

Наличие H2S в составе попутного газа делает невозможным применение общих капле отбойников в установках в качестве регуляторов. Это может существенно ограничить применение этих устройств, особенно в литературе, где они рассматриваются как элементы системы топливного поступления.

Большинство энергоустановок и систем работают с продуктами, содержащими сероводород, что затрудняет использование печей и других устройств подогрева и управления нефтью и смесями паров. Для выполнения таких задач на промыслах часто применяются котлы, основанные на теории охлаждения.

Кроме того, технологический процесс нефтяного содержит различные компоненты, такие как CO2 и меркаптаны, которые также должны учитываться при моделировании состояния их колонн и других стационарных установок [1].

Сероводород является серьезным проблемным веществом в промышленности нефтегазовой отрасли. Не только он сам токсичен, но и его коррозионное воздействие на оборудование может быть разрушительным. Очистка газа от сероводорода играет ключевую роль в обеспечении безопасности процессов и продлении срока службы оборудования.

Хотя стандартные методы очистки газа от сероводорода широко распространены, непрерывно ведутся исследования для улучшения эффективности и экономичности этих процессов. Это может включать в себя разработку новых катализаторов или адсорбентов, оптимизацию условий процесса и внедрение новых технологий.

1721

Что касается систем управления, моделей и оптимизации процессов, здесь также проводятся исследования. Моделирование процессов очистки газа от сероводорода позволяет оптимизировать параметры процесса и предсказывать его эффективность при различных условиях. Это может быть особенно важно для промышленных предприятий, где даже небольшое улучшение процесса может привести к значительным экономическим выгодам и повышению безопасности.

Построение модели технологического процесса в среде UniSim Design для исследования системы управления является важным шагом для оптимизации процесса очистки нефтяного газа от кислых компонентов. Этот подход позволяет проводить виртуальные эксперименты с различными сценариями и параметрами, что может значительно сократить время и затраты на исследования в реальном масштабе.

Исследование системы управления включает в себя анализ различных аспектов, таких как реакция на изменения входных параметров, оптимизация процесса с точки зрения эффективности и экономичности, а также обеспечение стабильной и безопасной работы установки.

Использование циркулирующего раствора диэтаноламина (ДЭА) для очистки газа от кислых компонентов (H2S и CO2) является распространенным методом в промышленности. Однако, оптимизация этого процесса может значительно повысить его эффективность и экономичность.

Разработка и исследование модели в среде UniSim Design позволяет проводить детальный анализ различных аспектов процесса очистки газа и системы управления, что может привести к улучшению производственных показателей и снижению рисков возможных аварийных ситуаций [4].

Описывается сложный процесс очистки газа с использованием различных установок и оборудования. Он включает в себя этапы обработки газа, такие как удаление кислых компонентов с использованием диэтаноламина (ДЭА), а также процессы регенерации и рекуперации (моделированием рис.1).

1722

Вывод очищенного газа (4): Очищенный газ выводится из верхней части регенератора колонны разубоживания и направляется для дальнейшей обработки в установке сепаратора фракционирования.

Насыщенный газ кислыми компонентами (3): Газ, насыщенный кислотными компонентами, требует обработки ДЭА и выводится из давления куба сернистой колонны. После этого он проходит через емкость газа для понижения давления и охлаждается на станциях охлаждения.

Регенерированный ДЭА (2): Регенерированный ДЭА подвергается нагреванию в технологическом теплообменнике (IV) и возвращается обратно в верхнюю часть десорбера.

Нагревание кислых компонентов (5): Кислые компоненты, выводимые из верхней части установки, подвергаются нагреванию и разделяются на компоненты класса ДЭА и следы ауезова, прежде чем выводятся из верхней части данной колонны-очистки.

жно процесс очистки нефтяного газа с использованием ДЭА (диэтаноламина) для абсорбции кислых компонентов, таких как сероводород (H2S) и углекислый газ (CO2). Давайте разберем ваше описание на более понятные части:

Очищенный нефтяной газ (2): Очищенный нефтяной газ, содержащий ДЭА, выводится из ребойлера и проходит через теплообменник (IV), где происходит охлаждение и конденсация углеводородных компонентов. Эти углеводороды собираются в резервуаре (VI) для дальнейшего хранения воды.

Дополнительное добавление воды (6): В этот очищенный продукт ДЭА добавляется дополнительная вода, которая помогает поддерживать оптимальную концентрацию раствора ДЭА для абсорбции кислых компонентов.

Подготовленный раствор ДЭА: Подготовленный раствор ДЭА с оптимальной концентрацией подается в верхнюю часть абсорбера для контакта с нефтяным газом и абсорбции кислых компонентов.

1723

Регенератор: В зависимости от типовых процессов и концентрации метана, раствор ДЭА может различаться в регенераторе. Регенератор используется для удаления абсорбированных кислых компонентов из раствора ДЭА и восстановления его эффективности для повторного использования.

Описание процесса охватывает различные этапы процесса очистки газа и подчеркивает важность контроля концентрации раствора ДЭА и условий в регенераторе для эффективной работы системы [3].

Моделирование установившегося технологического состояния является ключевым аспектом проектирования, оценки и оптимизации процессов очистки газа в промышленности. Моделирование установившегося состояния позволяет инженерам концептуализировать процессы, представить их в математической форме и провести анализ в различных условиях.

Однако, необходимо помнить, что моделирование установившегося состояния является идеализированным представлением процесса. Реальные условия могут отличаться, и для полной оценки процесса могут потребоваться модели динамического поведения, учитывающие изменения параметров во времени.

Модели установившегося состояния могут быть полезны для решения различных задач, таких как оптимизация производственных параметров, оценка влияния изменений в составе сырья или продукции на производительность и качество, а также для проведения маркетинговых исследований.

Важно также отметить, что модели установившегося состояния могут быть дополнены моделями динамического поведения для более полного понимания процесса и его поведения в различных условиях. Комбинация различных типов моделей может обеспечить более точные и надежные результаты при анализе и оптимизации процессов очистки газа [5].

Существует существенное различие между стационарным и динамическим моделированием. Давайте более детально разберем эти концепции:

1724

Стационарное моделирование:

В стационарной модели предполагается, что система находится в устойчивом состоянии, и переменные в системе остаются постоянными со временем. Это означает, что скорость изменения переменных равна нулю, и нет накопления массы или энергии в системе.

Стационарные модели часто используются для анализа установившихся

Рисунок 1. Упрощенная технологическая схема процесса аминовой очистки:: I — сепаратор-каплеотбойник, II — абсорбер, III — емкость для понижения давления, IV — теплообменник, V — регенератор, VI — резервуар для хранения сорбента, VII — конденсатор, VIII — ребойлер; 1 — сырой газ, 2 -регенированный амин, 3 — насыщенный амин, 4 — обессеренный газ, 5 — кислый газ, 6 — вода, 7 — жидкие углеводороды, 8 — кислые компоненты.

процессов и определения их равновесного состояния. Динамическое моделирование:

В динамической модели учитывается скорость изменения переменных в системе с течением времени.

1725

Это позволяет учитывать накопление массы и энергии в системе и определять, как система изменяется с течением времени и при изменении внешних условий.

Динамические модели часто используются для анализа динамического поведения системы, предсказания ее реакции на изменения входных параметров и определения времени достижения установившегося состояния.

Таким образом, стационарное моделирование описывает систему в установившемся равновесном состоянии, а динамическое моделирование учитывает изменения переменных с течением времени и позволяет анализировать динамику процесса

Построены две модели в среде UniSim Design по данной технологической схеме: модель установившегося состояния и динамическая модель.

Создание модели состоит из трех основных этапов: 1 Setup; 2 Steady-state simulation (симулирование установившегося состояния); 2 Dynamic simulation (симулирование динамической модели)

Далее опишем требования к объектам и параметрам процесса очистки газа с использованием амина в качестве абсорбента для удаления различных компонентов из газового потока. Давайте разберем описание на более понятные части:

Одним из ключевых шагов в настройке процесса является выбор подходящего амина для очистки газа. Этот выбор зависит от состава газа, требуемой эффективности очистки и технологических характеристик самого амина.

Среди компонентов газа, которые необходимо удалить, могут быть такие вещества, как азот (N2), диоксид углерода (CO2), сероводород (H2S), метан (CH4), этан (C2H6), пропан (C3H8), изобутан (C4H10), н-диэтаноламин (C4H10), изопентан (C5H12), н-пентан (C5H12), гексан (C6H14) и гептан (C7H16).

1726

Для оптимальной работы установки важно учитывать производительность и энергетические требования процесса.

Диэтаноламин (ДЭА): ДЭА является одним из типов аминов, используемых для абсорбции кислых компонентов из газового потока.

Таким образом, требования определяют параметры процесса и выбор амина в зависимости от состава газа и желаемых характеристик очистки. Это важные шаги в проектировании и настройке установки для эффективной очистки газа от вредных компонентов.

Реализованная модель в установившемся состоянии полностью исполняет свои функции, а именно содержание H2S в обессеренном газе равна 0,00 моли. Результаты модели в установившемся состоянии представлены на рисунке 2.

Для проведения технологический динамического моделирования были внесены некоторые изменения в схему [7].

Добавление насосов, клапанов и регуляторов таких как V100-LC, Flash-TK-LC, LIC-100 и LIC-100@COL2 расширяет функциональность системы управления:

- Регулятор V100-LC управляет уровнем в сепараторе V-100 путем контроля расхода дренажа жидких углеводородов.

- Регулятор Flash-TK-LC управляет уровнем в сепараторе V-101 путем управления расходом выпуска газов при снижении давления.

- Регулятор LIC-100 управляет уровнем в резервуаре регенерированного амина V-101 путем управления расходом добавочной воды.

- Регулятор LIC-100@COL2 управляет уровнем регенерированного амина в ребойлере регенератора путем управления расходом выпуска регамина.

Эти регуляторы обеспечивают более точное и эффективное управление процессом разделения нефтеводогазовой смеси, а также учитывают изменения в различных частях установки, что способствует повышению общей эффективности системы.

1727

Опишем различные компоненты и системы управления для процесса очистки нефтеводогазовой смеси с использованием ДЭА (диэтаноламина).

Жесткие компоненты:

^^-ЬС: Клапан-регулятор уровня конденсата в конденсаторе, используемый для поддержания стабильного уровня конденсата в системе.

^£-100: Регулирование дифференциальной температуры в сепараторе регенерированного газа с использованием ДЭА.

TIC-103@регенерация СОЬ2: Регулирование температуры рецикла ДЭА в начале регенератора для обеспечения оптимального процесса регенерации.

Регулирование расхода:

PIC-100@COL1: Регулирование давления на выходе очищенного газа из абсорбера, используемого для удаления сероводорода.

PIC-100@COL2: Регулирование давления кислого газа на выходе из регенератора.

FIC-100: Регулирование расхода ДЭА на абсорбер для эффективной очистки газа от кислотных компонентов.

Эти системы управления предназначены для обеспечения оптимальной производительности и эффективности процесса очистки газа, а также для поддержания стабильного и безопасного функционирования установки. Каждый из них играет ключевую роль в контроле различных параметров и обеспечении требуемых условий для успешной очистки газа от вредных компонентов. Схема с учетом добавления систем контроля и управления представлена на рисунке 3.

1728

ми

tttfe I л t

пиан

¡flit« Ида. № №

Л. I C-ririKiO fi

J iwCaB fi 4»,it" I V-IW

Iff I ™

Ll)l«ljt0" вд

Рис. 2. Результаты нефтяного моделирования путем установившегося состояния в среде UniSim Design.

№« '.I

ньдаа ¡Г

м-т pj зд

Т1С.1» Ll

ft Wjhi.iDJ

DEA. DEMD

pu Г™ c'""

flam^,.-, . flMli

Wjs

vrtSIiM) ЛИ«

IJ* Г-hS

Е-нл 1Ж ■

и

Рис. 3. Технологическая схема для динамического моделирования.

Согласно проведенных исследований результатом динамического модели-рования являются переходные процессы — реакция объекта на возмущающее воздействие. Одним из возмущающих воздействий на установку является изменения расхода подаваемого газа. На рис. 4 и 5 показаны изменения в системе при изменении расхода газа.

1729

<2 336еЧЮ4 (ka.il:

■еоэ.ое ОЕЦЯ!)

Рисунок 4. Реакция характеристик абсорбера на изменение расхода сырого газа.

________

-—/ --- да* 1№ 1 'Л 1 • « 0

¿-.Гн. Ш^.^ИшМ п * 11 ♦

263 6 (кдЛ)

Рисунок 5. Реакция на изменение расхода газа.

Скачок содержания Н2S в составе кислого газа.

Из результатов проведенных экспериментов можно сделать вывод что подобранные контроллеры управляют технологическим процессом достаточно эффективно. Используя полученные типовые динамические звенья составлена структурная схема установки разделения нефтеводогазовой смеси на компоненты как объекта управления по расходу газа с учетом изменения уровня жидкости в установке.

Установленные дифференциальное уравнение и выражения для определения коэффициентов этого уравнения позволяют проектировать и

1730

эксплуатировать цифровые системы управления установками разделения нефтеводогазовой смеси на компоненты по расходу газа с учетом изменения уровня жидкости в установке

К тому же результаты исследования могут быть использованы для дальнейшего исследования более сложных регуляторов (APC, MPC).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Маринин Н С Разгазированис и предварительное обезвоживание нефти в системах сбора М.; Недра, 2014. 234с;

2. Протодьяконов И. О. Люблинская В.С. Гидродинамика и массообмен в системах газ жидкость СПб.; Наука, 2009, 257с;

3. Шумяцкий Ю.И. Промышленные адсорбционные процессы. М.: Колос С, 2009. 183 с;

4. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия,1994. 592 с;

5. Мазгаров, А. М. Технологии очистки попутного нефтяного газа от сероводорода / А. М. Мазгаров, О. М. Корнетова. — Казань: Казанский университет, 2015. — 70 с;

6. Кузнецов О.А. Автоматический контроль уровня раздела двух сред.- М.-Л.: Энергия, 2014. - 88 с;

7. Dynamic modelling and analysis of post-combustion CO2 chemical absorption process for coal-fired power plants / A. Lawal [и др.]. // Fuel. — 2010. — № 89. — С. 2791-2801.

1731

Ybray D.S.

South Kazakhstan University named after M. Auezov (Shymkent, Kazakhstan)

Kayumov K. G.

South Kazakhstan University named after M. Auezov (Shymkent, Kazakhstan)

MODELING OF AN AUTOMATED CONTROL SYSTEM FOR THE SEPARATION PROCESS

Abstract: article examines the application of theoretical principles to an installation for separating an oil-water-gas mixture into components in order to control gas flow in the installation. To do this, the differential equation describing the process is linearized, and analytical expressions are determined for its coefficients and time constants. Based on the obtained typical dynamic links, a block diagram of an installation for separating an oil-water-gas mixture is drawn up as an object for controlling gas flow, taking into account changes in the liquid level in the installation.

Keywords: technological process, modeling, component composition, associated gas, propane, butane, control system.

1732