МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ УСТАНОВКИ ПОДГОТОВКИ ГАЗА И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА В ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СЕПАРАЦИИ

​MODELING OF GAS AND GAS CONDENSATE TREATMENT PLANT MODES IN LOW-TEMPERATURE SEPARATION TECHNOLOGY

Assylzhan Polatuly

student, Department of Automation and Control, Gumarbek Daukeev Almaty University of Energy and Communications,

Republic of Kazakhstan, Almaty

Sarsenbek Zhussupbekov

Scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Professor, Gumarbek Daukeev Almaty University of Energy and Communications,

Republic of Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

На основе метода математического моделирования и физико-химической природы разделения газа из жидких углеводородов и воды при низких температурах за счет эффекта Джоуля-Томпсона создана математическая модель сепаратора. Эта модель позволяет отслеживать изменения технологических параметров процесса низкотемпературной сепарации в режиме реального времени. Он реализован в виде программного продукта, который позволяет изучать переходные процессы, происходящие в аппаратах химико-технологической системы, а также предоставляет возможность исследовать влияние управляющих параметров на технологические параметры системы. Было показано, что степень открытия газового клапана постепенно снижается (с 28% до 10% за 40 секунд), в то время как давление в системе увеличивается с 7,082 МПа до 7,633 МПа. На основе разработанной математической модели может быть создан тренажер для обучения технического персонала низкотемпературной сепарации.

ABSTRACT

Based on the method of mathematical modeling and the physicochemical nature of the separation of gas from liquid hydrocarbons and water at low temperatures due to the Joule-Thompson effect, a mathematical model of the separator was created. This model allows you to track changes in the technological parameters of the low-temperature separation process in real time. It is implemented in the form of a software product that allows you to study the transients occurring in the devices of a chemical-technological system, and also provides an opportunity to study the influence of control parameters on the technological parameters of the system. It was shown that the degree of opening of the gas valve gradually decreases (from 28% to 10% in 40 seconds), while the pressure in the system increases from 7,082 MPa to 7,633 MPa. Based on the developed mathematical model, a simulator can be created for training low-temperature separation technical personnel.

Ключевые слова: углеводородный газ; математическое моделирование; газовый конденсат; режим реального времени, промышленные объекты.

Keywords: hydrocarbon gas; mathematical modeling; gas condensate; real-time mode, industrial facilities.

В мире доля использования углеводородного газа в качестве топлива и сырья для нефтехимического синтеза постоянно растет. Это связано, в первую очередь, с его относительно низкой стоимостью, а также высокими экологическими показателями. Однако существует проблема в ежегодном сжигании огромного количества попутного нефтяного газа на нефтяных месторождениях, наносящего значительный ущерб экономике.

Технология низкотемпературной сепарации (LTS) является одним из наиболее эффективных способов подготовки газа для дальнейшего его использования в качестве топлива и сырья для химической промышленности. Обзор современной периодической и патентной литературы показал, что технология LTS остается на сегодняшний день одним из наиболее экономически целесообразных способов обработки газовых месторождений [1]. Технологическая схема проста. Однако для поддержания требуемой глубины осушки газа необходимо поддерживать требуемые условия давления и температуры, которые необходимо корректировать при снижении пластового давления.

Важной задачей при проектировании и управлении установкой является минимизация времени переходных процессов и сглаживание возможных отклонений устройств, когда режимы работы отличаются от идеальной линии.

Таким образом, целью исследований было создание нестационарных математических моделей устройств, включенных в блок-схему LTS, способных имитировать реальный промышленный объект и отображать переходные физико-химические процессы в зависимости от параметров управления процессом и времени.

Для достижения этой цели необходимо было решить ряд проблем:

1. определить структуру технологической схемы процесса LTS и определить количество объектов, требующих создания математической модели;

2. обосновать выбор методов расчета физических свойств (вязкости, плотности и т.д.) компонентов, входящих в состав смеси на входе в аппараты (сепараторы, теплообменники и т.д.);

3. обосновать выбор методов расчета термодинамических параметров процессов, происходящих в аппарате установки LTS (энтальпия, константа фазового равновесия, давление насыщенного пара и др.);

4. построить математические модели устройств, основанные на физико-химических закономерностях процессов, происходящих в аппаратах установки LTS; эти модели должны учитывать изменения в составе сырья, входном и выходном потоках топлива аппарата, температуре и давлении;

5. идентифицировать и учитывать факторы нестационарности процессов, вызванные изменениями условий температуры и давления, фазового состава сырья и углеводородного состава;

6. определить принцип автоматического регулирования технологических параметров устройств (расход, давление, уровень жидкости и т.д.);

7. выполнить программную реализацию разработанных математических моделей с использованием модульного принципа создания имитационной системы;

8. проверить адекватность программных математических моделей при отображении физико-химических процессов, происходящих в аппарате технологической схемы LTS.

Технологическая схема LTS включает в себя три стадии разделения (рис.1).

Рисунок 1. Технологическая схема подготовки газа низкотемпературной сепарацией: S-1, S2, S-3 - вертикальный газ

При моделировании разделения газа предполагается, что во время разделения достигается состояние фазового равновесия. Это такое состояние, при котором скорости перехода частиц из газовой фазы в жидкую фазу и наоборот равны.

Уравнение баланса материала сепаратора можно записать в виде:

F = L + G                                                                          (1)

F × ui = G × yi + L × xi                                                               (2)

При расчете процессов массообмена мы обычно используем законы, по которым можно рассчитать составы разделенных фаз. Моделирование процесса низкотемпературного разделения основано на описании системы с использованием законов Дальтона, Рауля и Коновалова [3]

Принципиальная схема первой ступени разделения газа с клапанами регулирования уровня и давления жидкости в аппарате показана на рис. 2.

•

Рисунок 2. Принципиальная схема первой ступени разделения газа с клапанами контроля уровня и давления жидкости в аппарате

С использованием разработанных математических моделей были рассчитаны изменения технологических параметров газоотделителя, а именно давления, расхода газа на входе и выходе, расхода жидкости на выходе, уровня жидкости.

Разработанный алгоритм математического описания системы позволяет моделировать реальный процесс изменения степени открытия регулирующих клапанов. В частности, любое изменение степени открытия не происходит мгновенно, и, например, при изменении степени отвода газового клапана в устройстве происходит изменение давления, и это вызвано изменением скорости истечения из газового сепаратора.

Показатели производительности сепаратора рассчитываются с течением времени, так что можно учитывать изменения параметров и анализировать нестационарные (переходные) режимы.

Таким образом, рис. 3 показаны результаты расчета степени открытия газового регулирующего клапана с течением времени (ручное управление). Видно, что степень открытия газового клапана постепенно снижается (с 28% до 10% за 40 секунд). Давление в системе увеличивается с 7,082 МПа до 7,633 МПа (рис. 4)

Рисунок 3. Изменение степени открытия газового регулирующего клапана в зависимости от времени (ручное управление)

Рисунок 4. Зависимость давления в сепараторе от времени

Рисунок 5. Расход газа из сепаратора в зависимости от времени

При закрытии газового клапана выход газа из аппарата уменьшается (рис. 5).

В дальнейшем мы планируем использовать разработанную математическую модель сложных процессов, происходящих в аппарате блока LTS, для организации автоматического управления, что потребует усложнения модели уравнениями, описывающими принципы ПИД-регулирования. В конечном итоге это позволит защитить технологическую систему от нестабильной работы устройств [7-8], связанной с изменением пластового давления при добыче газа.

Выводы: Разработана математическая модель сложных процессов, протекающих в аппарате установки подготовки газа. Эта модель основана на физических и химических законах процессов разделения жидкой и паровой фаз. Математическая модель может быть использована для определения оптимальных условий работы установки LTS при изменении состава сырья, а также пластового давления. Определено влияние управляющих параметров на технологические характеристики установки LTS в режиме реального времени. Это позволяет прогнозировать переходные процессы в устройствах и минимизировать риски возникновения аварийных ситуаций. Выявлена количественная зависимость рабочих параметров процесса LTS (температура, давление, выход газа и жидкости и т.д.) от параметров управления (степень открытия клапана, уровень жидкости в аппарате и т.д.). На основе разработанной математической модели может быть создан тренажер для обучения технического персонала подразделения LTS.

Список литературы:

1. Слюсарев Н.И. Основы разработки нефтяных месторождений. – СПб.: СПГГИ, 2004.
2. Kravtsov A.V., Usheva N.V., Moises O.E., Kuz'menko E.A., Anufrieva O.V. Analysis of the influence of process parameters and process optimization of low temperature separation / Bulletin of Tomsk Polytechnic University, 2009, 315( 3), P. 57 – 60.
3. Теория автоматического управления. Синтез систем автоматического объектами горного и нефтегазового производства. Методические указания к курсовой работе. – СПб.: СПГГИ, 2010, 58с.
4. Ротач В.Я., Шавров А.В., Бутырев В.Н. Синтез алгоритмов машинного расчета оптимальных параметров систем регулирования // Теплоэнергетика. 1987. № 12 С. 76-79.
5. Ротач В.Я., Шавров А.В., Бутырев В.Н. Синтез алгоритмов машинного расчета оптимальных параметров систем регулирования // Теплоэнергетика. 1987. № 12 С. 76-79.
6. Kafarov V.V. Separation of multicomponent systems of chemical technology. Methods of calculation, Moscow: Moscow Institute of Chemical Technology, 1987.
7. Dolganova I.O., Dolganov I.M., Ivashkina E.N., Ivanchina E.D., Romanovsky R.V. Development of Approach to modelling and optimization of non-stationary catalytic processes in oil refining and petrochemistry / Polish Journal of Chemical Technology, 2012,Vol. 14(4), 22-29.
8. Прокопов А.В. и др. Современное состояние технологий промысловой подготовки газа газоконденсатных месторождений. УДК 622.279.8. // Научно-технический сборник Вести газовой науки. № 3 (23), 2015.