Имитационная модель технологического процесса подготовки природного газа

Лялин В.Е., Ларюхин А.И. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Вода, присутствующая в газе в парообразном состоянии, образует с метаном, этаном и пропаном гидраты углеводородов, оседающие в газопроводе в виде твердой фазы [ 1 ]. Чтобы избегнуть образования гидратов, нужно осушить газ. Содержание влаги в газе характеризуется величиной температуры точки росы. Точкой росы называют ту температуру, охлаждаясь до которой при постоянном влагосодержании газ достигнет полного насыщения водяными парами, и происходит конденсация водяных паров, содержащихся в газе. Подготовка газа в промысловых условиях заключается к удалению влаги конденсата [2].

Рассмотрим технологию абсорбционной осушки природного газа с применением в качестве абсорбента диэти-ленгликоля для подготовки к транспортировке [ 3 ]. Газ, поступающий из скважин, проходит предварительную очистку в центробежных аппаратах. После дожимной компрессорной станции (ДКС) и прохождения аппаратов воздушного охлаждения газа осуществляется абсорбционный процесс осушки. После прохождения ДКС второй ступени сжатия газ идет на транспортировку. Показателем содержания влаги является температура точки росы (ТТР). В соответствии с ОСТ 51.40-93 значение ТТР для умеренных климатических районов составляет: летом -3С, зимой -5С. Для холодных районов эти значения -10С и -20С, соответственно.

Система подготовки природного газа может состоять из элементов нескольких типов. Прежде всего, это аппараты и технологическое оборудование. Система также содержит в себе обслуживающий персонал, добывающие скважины, внешние условия, в том числе и метеорологические. Целью системы является обеспечение заданных свойств природного газа 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 значения входных переменные в выходные. Пусть имеется узловой элемент р . Вместе с

элементами Pj,] = у,]т , р,у =к,кь элемент р образует некоторую подсистему. Входы в подсистему определяются связями V(1),у = у\,ут , а выходы связями V (г, к), к = к, кь . Узловой элемент рг- осуществляет преобразование вида

у = Фг

где У - выходные воздействия; X - входные сигналы.

Например, входной сепаратор осуществляет предварительное отделение конденсата от газа [4]. Схема сепаратора представлена на рис. 1.

Выход газа

Неочищенный газ поступает в аппарат через радиально расположенный штуцер на отбойную пластину узла входа газа для предварительного отделения крупных капель жидкости и механических включений. За счёт центробежного эффекта, созданного узлом входа газа, на корпусе аппарата осаждаются капли жидкости и механические включения, которые стекают в сборник примесей через кольцевую щель между корпусом и защитным листом. После предварительной очистки газ равномерно распределяется между центробежными элементами, в которых происходит отделение от него мелкодисперсных частиц жидкости: очищенный газ выходит из верх-

ней части элементов, а жидкость попадает на решётку, откуда по сливной трубе стекает в сборник примесей. Решётка центробежных элементов отделяет неочищенный газ от очищенного. Жидкость, находящаяся в сборнике примесей, отводится из аппарата в дренажный трубопровод.

В этом случае входными параметрами являются термодинамические (давление, температура, влажность) и теплофизические характеристики газа. К входным параметрам также относятся технологические характеристики процесса (расход газа, закрутка газа, дисперсный состав конденсированной влаги, конструктивные особенности аппарата и т.д.). Выходными параметрами являются давление, температура, расход газа, содержание влаги.

Преобразование (1) может представлять собой математическуя 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 на ограниченном множестве обучающих выборок, содержащих экспериментальные данные, сеть обобщает накопленную информацию и выдает реакцию на данные, не применявшиеся при обучении.

Для осушки газа используются абсорберы различных типов (рис. 2). Наибольшее распространение получили установки, применяющие диэтиленгликоль (ДЭГ).

Выход осушенного газа

Фильтр-патроны

Г азораспределительная насадка 2 слоя к 150

Контактно-сепарационные элементы 68 ХХ мм

Пакет регулярной пластинчатой насадки

Рис. 2. Схема абсорбера

Для дегидрации газа применяется водный раствор диэтиленгликоля. Он хорошо поглощает влагу из газа. Насыщенный водой раствор легко регенерируется испарением лишней воды. Газ входит в нижнюю часть абсорбционной колонны - колпачковую башню с нескольким числом тарелок. Нижняя часть колонны представляет скруббер, служащий для улавливания из сырого газа конденсированной фазы. Навстречу подымающемуся в колонне (в области тарелок) газу спускается водный раствор диэтиленгликоля, входящий в колонну выше верхней тарелки и выходящий из середины колонны. Перед выходом он скапливается в кольцевом пространстве ниже нижней тарелки. В область скруббера диэтиленгликоль не попадает. Выпуск гликоля регулируется автоматическим поплавковым регулятором уровня. Жидкость, оседающая в нижнем скруббере, выпускается через дренажное отверстие. В верхней части абсорбционной колонны выше верхней тарелки находится второй скруббер. Он предназначен для удержания капелек поглотительной жидкости, увлекаемых газом. Пройдя верхний скруббер, осушенный газ выходит из колонны.

К входным переменным, рассмотренным выше, добавляются характеристики подаваемого ДЭГ. К выходным переменным, кроме характеристик осушенного газа, добавляются свойства насыщенного диэтиленгликоля, унос НДЭГ вместе с газом.

Раствор диэтиленгликоля, поглотивший из газа воду, идет на регенерацию. Сначала он проходит через теплообменный аппарат, где навстречу ему идет горячий диэтиленгликоль, вышедший из испарительной колонны . В теплообменном аппарате диэтиленгликоль, содержащий воду, нагревается и идет в испарительную колонну, в которой происходит испарение воды из этого диэтиленгликоля.

Оборудование установленное на установках подготовки газа, работает в условиях изменяющихся технологических параметров подготавливаемого газа. Добывающие предприятия сталкиваются с проблемой качества газа на поздних стадиях разработки месторождений. Технологическое оборудование установок подготовки газа должно обеспечивать требуемые показатели качества газа в нестабильных условиях эксплуатации. Кроме того, необходимо учитывать повышение требований к качеству подготовки газа и надёжности работы оборудования по обеспечению основных показателей (обеспечение точки росы, снижение потерь конденсата, абсорбента, ингибиторов гидратообразования). Поэтому происходит постоянное усовершенствование массообменных аппаратов за счет применения различного вида комбинированных конструкций контактных устройств. Например, применяются центробежные элементы и установленные над ними пакеты регулярной насадки (рис. 2). В этом случае при высоких нагрузках по газу центробежные контактно-сепарационные элементы работают в режиме диспергирования жидкости (ДЭГ) закрученным газовым потоком с образованием развитой поверхности массообмена. Поверхность насадки за счёт большого свободного сечения , близкого к сечению межтарельча-того пространства , при данном режиме работает , в основном , в режиме сепарации, а процесс массообмена на насадке осуществляется между потоком газа и унесенной с элементов жидкостью. При низких нагрузках по газу работа комбинированной контактной ступени отличается тем, что при таком режиме центробежные контактно - сепарационные элементы работают уже не в режиме диспергирования жидкости, а со срывом плёнки со стенок центробежных патрубков и её стеканием вниз. В результате, установленная в межтарельчатом пространстве регулярная пластинчатая насадка работает в орошаемом режиме (поверхность становится массообменной, причём значительно превышающей поверхность массообмена в элементах). При этом сохраняется эффективность процесса осушки газа. Применение в секции доулавливания ДЭГ (под тарелкой с фильтр - патронами) пакетов насадки позволяет за счёт снижения скорости газового потока до скорости газа в сечении аппарата улучшить качество сепарации жидкости, уносимой с верхней массообменной тарелки. Уменьшение выноса жидкости на фильтр - патроны приводит к увеличению межремонтного периода их работы и снижению потерь ДЭГ с осушенным газом из абсорберов. Применение принципов равномерного распределения газа по сечению аппарата позволяют типовыми решениями модернизировать абсорберы различных конструкций.

Таким образом, при составлении структурной схемы технологического процесса подготовки природного газа в качестве элементов системы следует добавлять дополнительные конструкционные устройства, изменяющие характеристики процесса осушки. Например, эффективным способом улучшения термобарических параметров процесса является применение технологии двухступенчатой осушки на двух термобарических уровнях. В этом случае входные сепараторы модернизируются регулярной пластинчатой насадкой с подачей насыщенного ДЭГ. В результате, существенно улучшаются условия работы дожимных агрегатов первой ступени сжатия.

Введение дополнительных конструктивных элементов с одной стороны изменяет характеристики газа, как правило, в сторону улучшения, но одновременно изменяет стоимостные затраты на осуществление технологического процесса,

как правило, в сторону увеличения. Поэтому необходимо учитывать в качестве переменных рассматриваемой системы и стоимостные характеристики.

Рассмотрим структурную схему технологического процесса процесса подготовки природного газа (рис. 3).

Рис. 3. Структура системы технологического процесса подготовки природного газа

Конструкционными элементами данной системы являются: ЦОГ - центробежная очистка газа; ДКС+АВО - до-жимная компрессорная станция + аппараты воздушного охлаждения; А - абсорбер; ДА - десорбер: МО - модернизированное оборудование.

Система имеет свойства, описываемые следующими входными переменными: Х1 - расход газа; Х2 - входное давление; Х3 - температура газа; Х4 - содержание влаги; Х5 - затраты на модернизацию осушки газа

в ЦОГ; Х6 - затраты на модернизацию осушки газа в абсорбере; Х1 - затраты на дополнительную осушку

газа в абсорбере; Х8 - температура воздуха; Х9 - квалификация обслуживающего персонала. Х10 - затра-

ты на модернизацию восстановления ДЭГ;

Выходными переменными системы являются: - температура точки росы; У2 - затраты на осушку газа;

У3 - суммарный унос ДЭГ.

Промежуточные переменные: щ - унос ДЭГ; р - давление; Т - температура газа; Ж - содержание влаги.

Рассматриваемой схеме технологического процесса ставится следственная модель, структура которой приведена на рис. 4.

соответствие нечеткая

причинно-

Рис. 4. Структура нечеткой модели

Отношения между рассматриваемыми элементами системы делятся на две группы. Первая группа представляет преобразования, изменяющие свойства газа, обрабатываемого в технологическом оборудовании. Такое преобразование осуществляется с помощью нейронной сети вида:

Y = F ( W, X) ,

где W - матрица коэффициентов преобразования, определяемая в процессе обучения сети.

Обучающая выборка содержит результаты испытаний аппаратов и измерений, полученных в ходе эксплуатации оборудования.

К первой группе отношений относятся связи, соответствующие аппаратам центробежной очистки газа, ДКС+АВО и абсорберам. Входами преобразования являются расходные и термодинамические характеристики газа. Расходно-термодинамические характеристики газа соответствуют и выходные переменные.

Вторая группа отношений строится на 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.

Рассмотрим способ задания отношения второго типа на примере связи (X 6 - Al). Для лингвистической входной переменной Х6 (затраты на модернизацию осушки газа в абсорбере) вводится три терма: L - низ-

кие; M - средние; H - высокие затраты на модернизацию. Выходные переменные щ (унос диэтиленгликоля) и и4 (содержание влаги) также имеют три терма. Для переменной щ : L - небольшое снижение уноса; M -

в

небольшое снижение

среднее снижение уноса; Н - существенное снижение уноса. Для переменной и4 : Ь

содержания влаги; М - среднее снижение содержания влаги; Н - существенное снижение содержания влаги. Функции принадлежности для переменной Х6 приведены на рис. 5.

Рис. 5. Функция принадлежности для затрат на модернизацию

Затраты измеряются некоторой условной стоимостной единицей. Функции принадлежности для переменной щ приведены на рис. 6.

Рис. 6. Функция принадлежности для показателя снижения уноса ДЭГ

Здесь снижение уноса ДЭГ происходит в щ раз.

Соответствующий набор правил для логического вывода имеет вид:

if X6 = L then щ = L if X6 = M then щ = M if X6 = H then щ = H if X6 = LthenW = L if X6 = MthenW = M if X6 = HthenW = H .

Значение переменной, соответствующей элементу с входящими связями, находится взвешенным суммированием по всем входящим связям:

z =7^ w v ,

j v v '

i

где w - весовые коэффициенты, определяющие вклад i -й связи в состояние j -го элемента. Коэффициен-

При структурной оптимизации малые коэффициенты ^0 приводят к отбрасыванию связи или ребра графа на рис. 7.

Обучающими данными являются характеристики эксплуатационного процесса [(Х],і =1 Л0),(7/), I = 1,2,3], і =1, к

. Обучение проводится с помощью генетического алгоритма.

Результаты расчетов выходного значения температуры точки росы (ТТР) в зависимости от расхода газа при разных уровнях затрат на модернизацию процесса осушки приведены на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость ТТР от степени загрузки оборудования и затрат на модернизацию.

В расчете для зимнего периода времени изменялся объем подаваемого на подготовку природного газа. Ве-

личина

G0 соответствует оптимальному уровню загрузки технологического оборудования, G = X^ . За

ты Wjj должны определяться в процессе обучения нечеткои сети.

дополнительных средств, направляемых на модернизацию на среднем уровне возможно снижение на 12 градусов при снижении расхода газа в 2 раза.

Построенная модель системы подготовки природного газа выдает отклик выходных переменных у на изменение входных переменных X вида

При соответствующем выборе критерия оптимальности системы на основе преобразования (2) можно поставить задачу нахождения оптимальной структуры технологической схемы процесса.

1. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях.-М.:Недра, 1992. - 235 с.

2. Стрижов И.Н., Ходанович И.Е. Добыча газа. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований,

2003. - 376 с.

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

4. Абасов М.Т., Джалилов К.Н. Вопросы подземной гидродинамики и разработки нефтяных и газовых месторождений. Баку, Азернефтнешр, 1960. - 255 с.

ЛИТЕРАТУРА