Имитационная модель технологического процесса охлаждения природного газа

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2009. Вып. 1. С. 187-192 = Науки о земле

У 1К 550.832+519.688

Имитационная модель технологического процесса охлаждения природного газа

Р.В. Абдуллаев

Аннотация. Построена имитационная модель технологического процесса охлаждения природного газа. Отношения между элементами системы описываются с помощью аналитических выражений, нейронных сетей и теории нечеткого логического вывода. Проанализированы результаты экспериментальных исследований аппаратов воздушного охлаждения в промышленных условиях.

Ключевые слова: имитационная модель, охлаждение природного газа, нечеткая логика.

Цель использования аппаратов воздушного охлаждения (ABO), охлаждающих «сырой» газ, состоит в получении минимальной температуры газа, подаваемого на осушку при подготовке его к транспорту. Для исследования фактического состояния вопроса эксплуатации был изучен опыт работы аппаратов воздушного охлаждения на ряде установок комплексной подготовки газа (УКПГ).

Основными параметрами, определяющими работу ABO, являются: расход газа; давление на входе; температура на входе; температура воздуха.

Мероприятия, управляющие процессами образования и ликвидации гидратов можно разделить на несколько групп.

1. Управление режимом охлаждения. Температура атмосферного воздуха может меняться в широких пределах. Конструкция и оснащение стандартных аппаратов не предусматривает возможность плавного регулирования расхода воздуха. Имеются следующие возможности ступенчатого регулирования с помощью вентиляторов [1]:

А. Вентиляторы отключены и ABO работает за счет свободной конвекции холодного воздуха.

Б. Работает один вентилятор из двух. С точки зрения уменьшения возможностей локального гидратообразования несколько предпочтительнее работа второго (по ходу газа) вентилятора. Влага и зародыши гидратов располагаются при этом ближе к выходу и быстрее эвакуируются из трубы, не успевая закрепиться на стенке.

В. Работают два вентилятора. Как один, так и два работающих вентилятора одного аппарата воздушного охлаждения могут обеспечить только определенный температурный режим охлаждения.

2. Внесение изменений в конструкцию. Возможность аппарата воздушного охлаждения иметь три определенные ступени температурного режима охлаждения можно расширить за счет использования пирамидального короба с круглым отверстием па верху и регулирующей заслонкой в этом отверстии.

3. Применение ингибитора образования гидратов. Принимая во внимание значительную неравномерность распределения потоков газа и теплопередачи в ABO, следует признать подачу метанола непосредственно в наиболее вероятную зону гидратообразовапия приемлемой и падежной мерой против зарождения кристаллогидратов и разрушения уже появившихся.

Представим технологический процесс охлаждения газа в виде некоторой системы [2J. Система охлаждения «сырого» природного газа может состоять из элементов нескольких типов. Это входные параметры газа и метеорологические условия (температура воздуха). Элементы, отвечающие за температуру газа и возможность образования гидратов, определяются тепловыми и массообмеппыми процессами. Выходным параметром являются суммарные затраты па процесс охлаждения, учитывающие и качество подготовленного к транспорту газа. Управляющими воздействиями являются мероприятия, регулирующие процессы образования и ликвидации гидратов.

Целью системы является обеспечение заданных свойств природного газа после охлаждения при минимальных стоимостных затратах. Элементы системы связаны между собой отношениями, характеризующимися некоторыми переменными и параметрами.

Аппаратные средства, осуществляющие технологический процесс, представляются в виде некоторых преобразователей, переводящих входные переменные В выходные. Пусть имеется узловой элемент Pi. Вместе с элементами Pji 3 = 3 Ь Зт, Plii k = k\, kf,, элемент Pi образует некоторую подсистему. Входы в подсистему определяются связями V (j, i); j = j 1 ; jm, а выходы связями

V (г, к), к = к\, k¡Узловой элемент р, осуществляет преобразование вида

Y = ф

где ^ ^ воздействия; X — входные сигналы.

Преобразование (1) может представлять собой математическую модель технологического процесса. Модель может включать уравнения движения многофазной среды в многомерной постановке с учетом фазовых превращений. Преобразование может также выглядеть, как инженерная методика расчета технико-экономических показателей данного технологического процесса. Более удобной для системного представления технологического процесса является математическая модель, описываемая нейронной сетью. Обученная па

ограниченном множестве обучающих выборок, содержащих экспериментальные данные, сеть обобщает накопленную информацию и выдает реакцию на данные, не применявшиеся при обучении.

Рассмотрим структурную схему технологического процесса охлаждения природного газа (рис. 1).

Рис. 1. Структура системы технологического процесса охлаждения природного газа

Система имеет свойства, описываемые следующими входными переменными: 1) Х\ — расход газа; 2) — входное давление; 3) температура

газа на входе; 4) Х4 — температура воздуха.

Промежуточные переменные: 5) Х$ температура газа на выходе; 6) Х§ — минимальная температура стенки.

Управление: 7) щ режим обдува; 8) подача метанола; 9)

конструктивные изменения.

Выходными переменными системы являются: 10) У\ степень гидра-тообразования; 11) >2 затраты на охлаждение газа. Пятый элемент температура газа на выходе, также может являться выходным.

Отношения между рассматриваемыми элементами системы делятся на две группы. Первая группа представляет собой рассмотренные выше преобразования (1), изменяющие свойства газа, обрабатываемого в технологическом оборудовании. Такое преобразование может осуществляться с помощью нейронной сети вида: ^ = Е (^,^^^де W матрица коэффициентов преобразования, определяемая в процессе обучения сети на экспериментальных данных.

Преобразование между технологическими параметрами может быть получено из условия теплообмена:

Хе= (х^——\-Х^ —

V «1 «2/

гдеа1(Х1,Х 2,2) — внутренний коэффициент теплоотдачи, определя-

емый расходом газа и геометрическими характеристиками аппарата; «1 («1, Х4, 2) — внешний коэффициент теплоотдачи, определяемый режимом обдува; « = Х5 = [Хл + (Х3 - Хл) е~А1'} ш2; А = ^, <1,1, -

диаметр и длина теплообмеппых труб, ср — теплоемкость газа; Ш], и2 — уточняющие эмпирические коэффициенты.

Вторая группа отношений строится па основе экспертных заключений и методах нечеткого логического вывода. Основой для проведения операции нечеткого логического вывода является вид связей между элементами нечеткой системы, содержащих правила, названия термов и функции принадлежности термов. В общем случае механизм логического вывода включает четыре этапа: введение нечеткости (фазификация), нечеткий вывод, композиция и приведение к четкости, или дефазификация. Алгоритмы нечеткого вывода различаются главным образом видом используемого нечеткого вывода, следующим после фазификации, и разновидностью метода дефазификации.

Рассмотрим способ задания отношения второго типа па примере связи (8-10). Для лингвистической переменной и2 (расход метанола) вводится три терма: — низкие, М — средние и Н — высокие затраты па модернизацию.

Выходные переменные У\ (образование гидратов) также имеют три терма: — небольшое гидратообразовапие, М — среднее и Н — существенное гидратообразовапие. Соответствующий набор правил для логического вывода ИМ66Т вид

if- U 2 = ¡j then У\ = H:

if и 2 = М then Y\ = M

if и2 = Н then Y] = L.

Аналогичным образом определяются другие связи. Параметры нечетких правил так же, как рассмотренные весовые и поправочные коэффициенты в связях первого типа, определяются по результатам экспериментальных исследований функционирования систем в промысловых условиях. По материалам проведенных исследований подобраны неизвестные коэффициенты нечеткой модели технологического процесса охлаждения и получены следующие результаты. При минусовых температурах следует работать с одним вентилятором па аппарате. Снижение температуры газа па выходе из аппарата до 10 °С может быть связано со снижением температуры атмосферного воздуха, появлением гидратов в трубах или снижением расхода газа. Количество работающих секций должно быть не менее 3-4, при этом массовый расход газа через секцию следует держать не более 300-450 топп/'ч. При более высоких массовых расходах значительно вырастают потери давления па ABO.

Для более быстрого прогрева вновь включенной секции необходимо, чтобы вентиляторы были отключены.

По материалам проведенных исследований подобраны неизвестные коэффициенты нечеткой модели технологического процесса охлаждения и получены следующие результаты:

1. Для контроля за возможностью гидратообразовапия в ABO «сырого» газа необходимо па выходе газа из каждого аппарата иметь термометр сопротивления, показания которого выведены па пульт для оперативного принятия решений.

2. При минусовых температурах следует работать с одним вентилятором па аппарате (вторым по ходу газа для ускоренной эвакуации конденсирующейся жидкости или зарождающихся гидратов).

3. Согласно опыту ДКС УКПГ-7, для уменьшения возможности гидратообразовапия при снижении температуры газа па выходе из аппарата до плюс 10 °С подавать сигнал па пульт ДКС о появлении условий для гидратообра-зовапий. Снижение температуры до 10 °С может быть связано со снижением температуры атмосферного воздуха, появлением гидратов в трубах или снижением расхода газа.

4. Если выявлено появление гидратов — аппарат прогревают, пропуская газ через секции с выключенными вентиляторами, или пропаривают. В других случаях этот аппарат (или другой по усмотрению операторов) отключают. В оставшихся секциях увеличивается расход газа (поступление тепла), в результате чего уменьшаются условия для образования гидратов (по увеличиваются потери давления).

5. Для снижения вероятности загидрачивания теплообмеппых труб предлагается организовать работу ABO в интервале температур, где нижний предел обеспечивает безгидратный режим эксплуатации работающих секций, а верхний предел интервала служит ориентиром для включения еще одной секции без увеличения вероятности загидрачивания. Верхний предел определяет также экономическую целесообразность работы ABO. Если температура выше этого предела, то неоправданно повышаются эксплуатационные затраты па осушку газа. При снижении температуры атмосферного воздуха и температуры газа после ABO отключение секций можно повторять неоднократно. Количество работающих секций должно быть не менее 3-4, при этом массовый расход газа через секцию следует держать не более 300-450 топп/'ч. При более высоких массовых расходах значительно вырастают потери давления па ABO. В случае повышения температуры атмосферного воздуха включение очередной секции для дополнительного охлаждения осуществляется при температуре газа па выходе ABO 15,8 °С и выше (при 5-и работающих секциях). Новый режим работы ABO па 6-и секциях будет обеспечивать безгидратный режим эксплуатации. Для более быстрого прогрева вновь включенной секции необходимо, чтобы вентиляторы были отключены.

Список литературы

1. Давлетпов K.M. Ступенчатое регулирование расхода газа в ABO на месторождениях Крайнего Севера /7 НТС. Сер. Газификация. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа. Энергосбережение / ИРЦ Газпром. 1998. №5-6. С. 15-17.

2. Мылъцев В.А., Тененев В.А. Системное представление ’технологического процесса подготовки природного газа // Интеллектуальные системы в производстве. 2006. №1. С. 186-194.

3. Вяхирев Р.И., Гриценко, А.И., Тер-Саркисов P.M. Разработка и эксплуатация газовых месторождений. М.: Недра, 2002. 890 с.

4. Стприэюов И.H., Ходанович И.Е. Добыча газа. М.-Ижевск: Инст. коми, исслед., 2003. 376 с.

5. Газопромысловая система Надымгазпрома. / В.И. Кононов [и др.] // Газовая промышленность. 1999. № 5. С. 38.

Поступило 21.12.2008

Абдуллаев Ровшан Вазир оглы (opt,10@mail.ru), зам. начальника Уренгойского газопромыслового управления ООО «Газпром добыча Уренгой» по

производству.

Simulation model of technological process of chilling of natural gas

R.V. Abdullaev

Abstract. The simulation model of technological process of cooling of natural gas is built. Relation between the elements of the system described by analytical expressions, neuron networks and theory of fuzzy of logical conclusion. The results of experimental researches of aerial cooler apparatus are analysed in commercial terms.

Keywords: cooling of natural gas, imitation model, fuzzy logic.

Abdullaev Rovshan Vazir (optl0@mail.ru), Gazprom dobycha Urengoi Ltd.