CC BY
37
УДК 622.692.12
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2018-10206
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ ПРОЦЕССА ДИНАМИЧЕСКОГО ОТСТОЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ НЕФТИ
А.Г. РЗАЕВ, д.т.н., проф., г.н.с.
Институт систем управления НАН Азербайджана (Азербайджан, AZ1141, г Баку, ул. Б. Вахабзаде, д. 9). E-mail: abbas_r@mail.ru
С.Р. РАСУЛОВ, д.т.н., проф., завкафедрой промышленной безопасности и охраны труда М.А. САЛИЙ, докторант
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (Азербайджанская республика, AZ 1010, г Баку, пр. Азадлыг, 34). E-mail: rasulovsakit@gmail.com
В статье показаны пути определения эффективности промежуточного слоя и количества воды в нефтяной эмульсии на входе и выходе отстойника. Выявлено, что с уменьшением высоты водяной подушки за счет увеличения уровня промежуточного слоя повышается коэффициент удержания капель в последнем. В связи с тем, что высокочастотные возмущения по расходу и качеству нефтяной эмульсии ухудшают технико-экономические показатели, в качестве целевой функции выбрана минимизация технологических затрат. Задача оптимизации решалась методом случайного поиска с применением декомпозиционного подхода.
Ключевые слова: нефтяная эмульсия, промежуточный слой, водная подушка, динамический отстой, отстойник.
При термохимическом обезвоживании нефтяной эмульсии в отстойниках на поверхности раздела нефти и воды возникает промежуточный эмульсионный слой, играющий важную роль в динамическом отстое нефтяной эмульсии [1, 2].
Толщина его зависит от характеристики нефтяной эмульсии, скорости потока, конструкции аппарата, способа подачи потока, уровня водяной подушки и др.
В настоящей статье сделана попытка дать оценку эффективности промежуточного слоя в процессе динамического отстоя.
Движение нефти над уровнем раздела фаз в аппарате с достаточной точностью подчиняется законам идеального вытеснения. При этом скорость потока нефти vн зависит от расхода нефти, площади поперечного сечения отстойника на данном уровне раздела фаз нефти и воды.
Направление движения капель воды в нефти зависит от разности скоростей движения потока нефти и отстоя капель:
Av = v -v
н к'
(1)
капли называются критическими, радиус их может быть определен по формуле:
к = 3
2 g( РВ -Рн )(1 -W
%9,5
(2)
где vк - скорость осаждения капель воды в нефти, определяемая по закону Стокса [3], с учетом условий стесненного осаждения большого числа капель воды, м/с.
Возможны три случая:
1. Av > 0. При этом направления движения нефти и капель воды совпадают, капли стремятся к выходу отстойного аппарата.
2. Av < 0. В этом случае направление движения капель воды противоположно направлению движения нефти, капли осаждаются.
3. Av = 0. Капли воды находятся в состоянии покоя, т. е. относительно стенки отстойника они неподвижны. Такие
где ц - вязкость нефтяной среды Па-с; рв, рн - плотности соответственно воды и нефти, г/см2; g - ускорение свободного падения, см/с2; Wn - концентрация воды в промежуточном слое, мг/л.
Промежуточный слой в основном образуется из капель с критическим радиусом.
Водяные капли с критическим радиусом постепенно накапливаются в промежуточном слое, молекулярная сила притяжения между каплями растет, достигая такой величины, при которой количество коалесцирующих капель становится равным количеству вновь поступающих критических капель. При прохождении нефтяной эмульсии через промежуточный слой удерживаются те капли, у которых сила молекулярного притяжения между каплями воды в нефти и каплями воды промежуточного слоя становится достаточной для их сливания. Кроме того, могут коалесцировать между собой капли в нефтяной эмульсии, поступающей в промежуточный слой [4, 5].
Эффективность промежуточного слоя р может быть определена по формуле:
(3)
ВХ
где ОдХ - теоретическое количество воды в нефтяной эмульсии на входе отстойника, способное переходить на его выход, мг/л; 0ВЫХ - фактическое количество воды в нефтяной эмульсии на выходе отстойника, мг/л.
Теоретическое количество воды в нефтяной эмульсии на входе отстойника определяем по формуле:
&вх = ¡¡QH>э(t)WнвmfвX(r, № df; (4)
00
г' = г
где Qнвхэ.(t) и WBхэ(t) соответственно расход нефтяной эмульсии на входе отстойника, м3/ч и концентрация воды в ней, мг/л; /вх(г, 0 - плотность распределения эмульгированных водяных капель в нефти на входе отстойника; е -малое положительное число, мкм; t- время, ч; t - продолжительность интегрирования, ч.
При наличии промежуточного слоя
(Г > С
^вх — е1вых■
Следовательно, разность Овх -Свых удерживается промежуточным слоем.
Величина Свых определяется подобно уравнению (4) с той разницей, что
$fBbiX (г, t) dr = 1
(5)
Тогда
GB
к
= J Q>
b (tWBb (t)dt;
(6)
ых
т = V / Q(н.э.),
где /вых(г, ^ - плотность распределения эмульгированных водяных капель в нефти на выходе отстойнике; QвьЭx (^ и WHв'ых^) - соответственно расход нефтяной эмульсии (т/ч) и концентрация воды в ней на выходе отстойника, мг/л; т -время пребывания нефтяной эмульсии в отстойнике, ч; V -объем нефтяного слоя в отстойнике, м3. С учетом выражений (3), (4) и (6) получим:
ß = 1 - х;
0 < х = GBblx / GBX
(7)
На процесс комплексной подготовки нефти влияет значительное количество возмущающих факторов со стороны изменения расхода и качества нефтяной эмульсии, что смещает оптимум выбранной целевой функции в пространстве параметров управления относительно точки оптимума и тем самым ухудшает качество выпускаемой продукции и технико-экономические показатели установки. При изменении возмущающих факторов, как известно, возникает необходимость перенастройки технологического режима установки. Существующие локальные системы регулирования отдельных параметров процессов такую перенастройку не обеспечивают. Это требует разработки и внедрения системы оптимального управления, перенастраивающей технологический режим установки при изменении возмущающих факторов. Синтез системы оптимального управления тесно связан с идентификацией и оптимизацией технологических процессов в целом.
Отличительной особенностью состава структуры существующих моделей является то, что в них учтен параметр, характеризующий время отстоя нефтяной эмульсии и степени контактирования эмульсионной воды с промывочной водой.
В качестве целевой функции выбрана минимизация технологических затрат. При этом задача оптимизации представляется в следующем виде:
3 = KQT + КрОсрСрКвОс'Ов ^ min (8) при ограничениях
У1 = 0,0136ТУ3 - 0,00149 Тт - 0,01998т + 0,3355 < А (9)
у _ у У3(0,691 + 3,43 ■ 10-4Qc') + Св(0,309 -3,43 -10~4Qc') < 2 4 У1 (0,691 + 3,43-10-4Qc') + Св ~ '
(10) 55 < T< 65; 15 < Ор < 35
< 1.
3 < Ов < 7 Qc' = (1 - 10-2z)Qc A < 0,5; В < 40
(11)
Как видно из выражения (7), эффективность промежуточного слоя максимальна, когда теоретическое количество воды в нефтяной эмульсии на входе отстойника полностью удерживается промежуточным слоем, т. е. х = 0, и минимальна, когда отсутствует промежуточный слой, т.е. х = 1.
Точность определения величины р зависит от выбора верхнего предела интегрирования t Чем больше t тем точнее определяется р. Задаваясь точностью определения экспериментально можно оценить и t
Расчеты на основе формул (4), (6) и (7) с использованием одной серии экспериментальных данных промышленной установки при заданном значении уровня водяной подушки в отстойнике ф =1 м) показывают, что около 40% теоретического количества воды, способной переходить на выход отстойника, удерживается промежуточным слоем на поверхности раздела фаз нефти и воды в отстойнике. С уменьшением высоты водяной подушки за счет увеличения уровня промежуточного слоя повышается коэффициент удержания капель в последнем.
Величины У3, У4 и т, входящие в уравнения (9) и (10), определяются из следующих уравнений:
У3 = 1,7089 +1,29 • 10-4 Qc -178,56 • 10-4Т -
-891,3 • 10-4 Ор +10,04-4 ОрТ - 0,052QcT + +0,2777QpC +15 • 10-4(z -10)2;
У4 = 9662,7 - 270,44Т - 21,6549Ор + 1,693812Т2 + +0,34099ТОр + 0,1241QcT -1,58763zT + +36,709z - 5,50353Qc + 1,3402z2 --0,000867Q? - 0,05348Qcz;
(V - V2)n .
Qc'
(12)
(13)
(14)
QT = (-0,399 + 0,01793Т + 0,02816z)Qc, (15)
e
0
0
50
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ И УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
где QT - расход топлива, тыс. м3/ч; KT, KD, K„ - соответственно стои-
реагента и
T ,ЧР' '-в мость единицы топлива
воды, руб/тыс. м3; У1, У2 - соответственно содержание соли и воды в товарной нефти, мг/л; Qс - расход нефтяной эмульсии на входе процесса обезвоживания, м3/ч; Т - температура процессов обезвоживания и обессоливания нефти, °С; р -плотность нефтяной эмульсии, кг/м3; т - время отстоя нефтяной эмульсии в процессе обессоливания, ч; и У2 - соответственно объем шарового отстойника и водяной подушки в отстойнике, м3; п - число работающих шаровых отстойников, шт.; У3 и У4 - соответственно концентрация воды и содержание соли в нефтяной эмульсии на выходе процесса обезвоживания, мг/л; г - концентрация воды в нефтяной эмульсии на входе установки, мг/л; Ср, Св - отношение расходов реагента и воды к расходу нефтяной эмульсии, г/ м3.
Как видно, задача оптимизации процесса установки комплексной подготовки нефти является задачей нелинейного программирования. Она решалась методом случайного поиска с применением декомпозиционного подхода. При этом на модели ставилось планирование эксперимента для возмущающих факторов типа 2п + 2п + 1. Затем для каждой строки решалась задача оптимизации и определялись оптимальные значения величин Т, Ср и Св. В результате между оптимальными значениями этих величин и возмущающими факторами Qc и г методом наименьших квадратов составлены уравнения в виде квадратичной формы,
Рис. 1. Принципиальная схема системы оптимального управления процессами обезвоживания и обессоливания нефти:
1 - технологический резервуар; 2 - теплообменник; 3,4 - отстойники процессов обезвоживания и обессоливания нефти; I - нефтяная жидкость; II - нефтяная эмульсия; III - химреагент; IV - пресная промывочная вода; V - товарная нефть; DА ■ дозировочный агрегат; Рр Р2, Р3 - регуляторы
которые являются алгоритмами оптимального ведения. Реализация указанных алгоритмов показана на рис. 1.
Информация об изменении концентрации воды в нефтяной эмульсии и расходе последней поступает в управляющий вычислительный комплекс (УВК). При изменении возмущений Qc' и г автоматически ведется расчет оптимальных значений соотношения величины расхода деэмульгатора и нефтяной эмульсии, температуры процессов обезвоживания и обессоливания и величины соотношения расхода промывочной пресной воды и нефтяной эмульсии.
После преобразования найденных величин в пропорциональные сигналы последние поступают в соответствующие регулирующие устройства в качестве задания.
V
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рзаев А.Г., Рагимова С.Н., Расулов С.Р., Абасова И.А. Разработка системы контроля и управления процессами термохимической подготовки нефти // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, 2013. № 12. С. 38-41.
2. Р аменский В.А., Степаненко А.Н. Экспериментальное исследование нефтяной эмульсии // Нефтепромысловое дело, 1973. № 9. С. 41-43.
3. Логиков В.И. Обезвоживание и обессоливание нефти. М.: Химия, 1979. 216 с.
4. Келбалиев Г.И., Расулов С.Р., Рзаев А.Г. Нефтяная гидродинамика. М.: Маска, 2015. 360 с.
5. Рзаев А.Г., Нуриева И.А., Расулов С.Р. и др. Интенсификация процесса динамического отстоя нефтяной эмульсии // Азербайджанское нефтяное хозяйство, 2016. № 11. С. 39-43.
ESTIMATION OFEFFICIENCY FOR THE INTERMEDIATE LAYER OF THE DYNAMIC SEDIMENT PROCESS IN OIL PREPARATION
RZAEV A.G., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Chief Researcher
Institute of control systems of NAS of Azerbaijan (9, B. Vahabzade, Baku, Azerbaijan Republic, AZ 1141). E-mail: abbas_r@mail.ru RASULOV S.R., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of Industrial Safety and Labour Protection SALIY M.A., Doctoral Student
Azerbaijan State University of Oil and Industry (34, Azadlyg Ave., Baku, Azerbaijan Republic, AZ 1010). E-mail: rasulovsakit@gmail.com ABSTRACT
The article described the ways for determination of intermediate layer effectiveness and water quantity of oil emulsion on the input and output of settler. Revealed that with decreasing of water pillow height in the view of intermediate layer increasing rise the drops deduction coefficient. In connection with high -frequency perturbation of expense and quantity of oil emulsion worsed technical-economical coefficients in the qoal function had choised the minimization of technological expenditures. The optimization task was executed by random search method with using decompositional approach. Keywords: oil emulsions, an intermediate layer, a water pillow, a settler, sedimentation.
