11186

Дослідження та розробка комп’ютерно- інтегрованої системи управління нафтопереробкою

Контрольная

Информатика, кибернетика и программирование

Традиційні процеси автоматизації нафтогазової промисловості діляться на три основні напрямки: автоматизація видобутку нафти (газу), автоматизація переробки нафти (газу), автоматизація транспортування нафти (газу). Варто виділити напрямок переробки нафти (газу), як один з найбільш складних і відповідальних процесів.

Украинкский

2014-11-16

1.25 MB

4 чел.

Дослідження та розробка компютерно- інтегрованої системи управління нафтопереробкою

Зміст

Вступ

1 Опис ТП

2 Розрахунок статики

3 Розрахунок параметрів динаміки

4 Регулятор

Висновок

Список літератури


ВСТУП

Відомо, що роль нафти в сучасному світі винятково важлива, оскільки в основі всіх галузей виробництва лежить енергетика. Нафта - це рідка речовина, що добувається з надр землі і використовується при виробництві палива. У його складі є не лише вуглеводні, але також азот, сірка і кисень. Після переробки такої сировини виходить те, що прийнято називати нафтопродуктами. Досягається це шляхом ділення нафти на фракції.

Традиційні процеси автоматизації нафтогазової промисловості діляться на три основні напрямки: автоматизація видобутку нафти (газу), автоматизація переробки нафти (газу), автоматизація транспортування нафти (газу). Варто виділити напрямок переробки нафти (газу), як один з найбільш складних і відповідальних процесів.

Бензин - це особливий тип вуглеводнів з числом атомів вуглецю від 5 до 11, який закипає при температурі від 40 до 180 градусів за Цельсієм. А ось для доведення лігроїну до такого ж стану його буде потрібно нагріти до 250 ° С, у випадку з керосином температура повинна бути не менше 300 ° С, газойль кипить лише при 350 ° С. В процесі нафтоперегонки утворюється залишковий продукт, наприклад, мазут. Він може використовуватися при створенні паливних фракцій і масел.

Продукти переробки нафти можуть бути твердими і газоподібними. Вони знайшли широке застосування в різних галузях.  Основна відмінність між ними полягає в тому, що кожна речовина має свій набір вуглеводнів.

Нафтова продукція досить різноманітна. До неї відносяться не тільки бензин і дизельне паливо, але також керосин, масла, бітум, мазут, поліетилен і ціла серія інших продуктів. Можна з повною впевненістю сказати про те, що пов'язані з нафтопереробкою матеріали зустрічаються всюди, і людство поки не може обійтись без такого цінного природного ресурсу.

Звичайно, автоматизація нафтопереробної промисловості дуже розвинена. Але технології розвиваються і, в умовах жорсткої конкуренції і швидко мінливої ​​ситуації на ринку підприємств нафтогазової галузі, виникає необхідність підвищення ефективності виробництв нафтогазової сфери за допомогою впровадження надійних систем автоматизації і управління технологічними процесами.

1 ОПИСАНИЕ ТП

1.1 Общие принципы перегонки нефти

Первичная переработка нефти является основным этапом производства нефтеперерабатывающей промышленности.

При разделении нефти перегонкой и ректификацией получают фракции или дистилляты, выкипающие в определенном интервале температур и представляющие собой также достаточно сложные смеси. В то же время отдельные фракции нефти могут состоять из сравнительно небольшого числа компонентов, заметно различающихся температурами кипения.

Перегонка — это процесс разделения жидких и газообразных (паровых) смесей на фракции, обогащенные высоко- и низколетучими компонентами. [1]

Наиболее ответственным и сложным технологическим объектом на установках первичной переработки нефти (АТ) является колонна К-2, с которой отбираются бензин, керосин, дизельное топливо (ДТ), мазут. Каждый продукт (фракция) отбирается с определенной тарелки в соответствии со своей температурой выкипания при определенном давлении в колонне.

Нарушение материального баланса при отборе фракции или теплового режима в колонне может привести к нежелательным изменениям фракционного состава продуктов – изменению температур начала или конца кипения фракции, не отвечающим требованиям на готовую продукцию.

Процесс, происходящий в ректификационной колонне, схематично показан на рисунке 1.1. Внутрь поступает сырая нефть, а наружу выходят углеводородные газы (бутан и более лёгкие газы), бензин, нафта (лигроин), керосин, лёгкий газойль, тяжелый газойль и кубовый остаток.

Чтобы понять, как все происходит внутри колонны, требуется рассмотреть некоторые тонкости. Первый элемент, который необходим для работы колонны — это сырьевой насос, перекачивающий сырую нефть из складского резервуара в систему. Сначала нефть проходит через печь, в которой нагревается до температуры порядка 385°С (750°F). При этой температуре, как правило, испаряется больше половины нефти.

Полученная таким образом смесь жидкости и паров подаётся снизу в ректификационную колонну.

Внутри ректификационной колонны находится набор тарелок, в которых проделаны отверстия. Благодаря этим отверстиям нефть может подниматься вверх. Когда смесь пара и жидкости поднимается по колонне, то более плотная и тяжёлая часть отделяется и опускается на дно, а лёгкие пары поднимаются вверх, проходя через тарелки .

Отверстия в тарелках снабжены приспособлениями, называемыми барботажными колпачками (рис. 1.2). Они нужны для того, чтобы пары, поднимающиеся через тарелки, барботировали через слой жидкости толщиной около 10 см, находящийся на тарелке. Это пробулькивание газа через слой жидкости и составляет суть ректификации: горячие пары (при температуре не ниже 400°С (750°F) проходят через жидкость. При этом тепло передается от паров к жидкости. Соответственно пузырьки пара несколько охлаждаются и часть углеводородов из них переходит в жидкое состояние. По мере переноса тепла от паров к жидкости, температура паров снижается. Так как температура жидкости ниже, некоторые соединения в парах конденсируются (сжижаются).

После того как пары прошли через слой жидкости и потеряли часть более тяжелых углеводородов, они поднимаются к следующей тарелке, где повторяется тот же процесс.

Тем временем количество жидкости на каждой тарелке растет за счет углеводородов, конденсирующихся из паров. Поэтому в колонне устанавливают приспособление, которое называется сливной стакан и позволяет избытку жидкости перетекать вниз на следующую тарелку. Число тарелок должно быть таким, чтобы общее количество продуктов, выходящих из ректификационной колонны, было равным количеству сырой нефти, поступающей внутрь. В действительности, некоторые молекулы несколько раз путешествуют туда и обратно — в виде пара поднимаются на несколько тарелок вверх, затем конденсируются и стекают уже как жидкость на несколько тарелок вниз через сливные стаканы Именно эта промывка пара жидкостью за счет противотока и обеспечивает четкое разделение фракций. За один проход это было бы невозможно.

На различных уровнях колонны имеются боковые отводы (рис. 1,3) для отбора фракций — более легкие продукты отбираются в верхней части колонны, а тяжелая жидкость выходит внизу.

Орошение и повторное испарение

Несколько дополнительных операций, происходящих вне ректификационной колонны, способствуют более успешному проведению процесса перегонки. Чтобы тяжелые продукты случайно не попали в верхнюю часть колонны вместе с легкими фракциями, пары периодически направляют в холодильник. Вещества, которые конденсируются в холодильнике, снова поступают на одну из расположенных ниже тарелок. Это своего рода орошение ректификационной колонны (рис. 1,4).  И наоборот, некоторое количество легких углеводородов может быть увлечено током жидкости в нижнюю часть колонны вместе с тяжелыми продуктами. Чтобы избежать этого, жидкость, выходящую через боковой отвод, снова пропускают через нагреватель. В результате остатки легких углеводородов отделяются и повторно поступают в ректификационную колонну в виде пара. Этот процесс называется повторным испарением. Преимущество такой схемы заключается в том, что только небольшая часть общего потока сырой нефти должна повторно перерабатываться для дополнительного возвращения продукта. Не нужно снова нагревать всю нефть, что позволяет сэкономить энергию и деньги.

Орошение и повторное испарение могут с тем же успехом использоваться и в средней части колонны, что также способствует эффективному разделению. Повторно испаренная фракция, которая поступает в колонну, вносит туда дополнительное тепло, что помогает легким молекулам отправиться в верхнюю часть колонны. Точно так же орошение предоставляет тяжелым молекулам, которые случайно оказались выше, чем им положено, последний шанс сконденсироваться в жидкость.

Состав некоторых сырых нефтей может быть таким, что на части тарелок в колонне не окажется достаточного количества парожидкостной смеси. В этих случаях орошение и повторное испарение позволяют регулировать потоки так, чтобы процесс ректификации (разделения) мог продолжаться.

Границы кипения фракций

При анализе процесса перегонки нефти принципиально важной характеристикой являются границы кипения фракций. Так называют температуры, при которых продукты перегонки отделяются друг от друга. В частности, температура, при которой продукт (фракция, погон) начинает кипеть, называется точкой начала кипения (ТНК). Температура, при которой 100% данной фракции испарилось, называется точкой выкипания (ТВ) этой фракции. Таким образом, каждая фракция имеет две границы ГНК и ТВ.

Если мы снова обратимся к диаграмме, изображенной на рисунке 3.3, то легко увидим, что температура выкипания нафты (лигроина) является точкой начала кипения для керосиновой фракции. То есть ТНК и ТВ двух соседних фракций совпадают, по крайней мере, номинально.

Однако ТНК и ТВ могут и не совпадать — это зависит от того, насколько хорошее разделение обеспечивает процесс ректификации. Возможно, рассматривая всю эту систему тарелок и барботажных колпачков, Вы задавали себе вопрос, насколько же хорош результат. Естественно, процесс перегонки неидеален и приводит к появлению, извините за выражение, так называемых хвостов.

Установление границ фракций

Когда мы рассматривали границы фракций в предыдущей главе, а также обсуждали их выше, могло сложиться впечатление, что эти величины для каждой фракции точно установлены. На самом же деле в применении к конкретной ректификационной колонне эти границы можно несколько смещать. Например, смещение границы между нафтой (лигроином) и керосином может иметь следующие последствия. Предположим, что температурная граница сместилась со 157 (315) до 162°С (325°F). Во-первых, при этом изменятся объемы продуктов ректификации, выходящих из колонны — получится больше нафты и меньше керосина. Дело в том, что фракция, кипящая между 157 и 162°С, теперь будет выходить через отверстие для нафты, а не для керосина.

Легкие фракции, выходящие в верхней части колонны (верхний погон), поступают на установку газофракционирования. Прямогонный бензин отправляется на компаундирование для получения автомобильного бензина. Нафта (лигроин) подается на установку риформинга, керосин поступает на установку гидроочистки, легкий газойль направляется на смешение для получения дистиллятного (дизельного) топлива, тяжелый газойль служит сырьем для каталитического крекинга, и, наконец, прямогонный остаток подается на вакуумную перегонку.[4]

1 Конструкция агрегата и технологический процесс

1.1 Конструкция агрегата

Для четкого разделения нефти на фракции применяют перегонку с ректификацией. Ректификация - это тепло- и -массообменный процесс разделения жидкостей, различающихся по температуре кипения, за счет противоточного, многократного контактирования паров и жидкости. Процесс ректификации проводится в ректификационных колоннах на специальных устройствах - ректификационных тарелках или насадках.

Колонна оборудована прямоугольно-клапанными тарелками в концентрационной части и каскадными тарелками в отгонной части.

Рабочие условия в колонне (в зависимости от перегоняемого сырья):

- давление верха – 0,5 - 1,5 кгс/см2;

- температура верха – 100  200С;

- температура низа – 220  280С.

В работающей ректификационной колонне через каждую тарелку или заменяющее ее устройство проходят два потока:

- жидкость - флегма, стекающая с вышележащей  на нижележащую тарелку;

- пары, поступающие с нижележащей на вышележащую тарелку.

Пары и жидкость, поступающие на тарелку, не находятся в состоянии равновесия, однако, вступая в соприкосновение, стремятся к этому. Жидкий поток с вышележащей тарелки поступает в зону более высокой температуры, и поэтому из него испаряется некоторое количество низкокипящего компонента, в результате чего концентрация последнего в жидкости уменьшается. С другой стороны, паровой поток, поступающий с нижележащей тарелки, попадая в зону более низкой температуры, конденсируется, и часть высококипящего продукта из этого потока переходит в жидкость.

Концентрация высококипящего компонента в парах таким образом понижается, а низкокипящего - повышается. Фракционный состав паров и жидкости по высоте колонны непрерывно изменяется.

Часть ректификационной колонны, которая расположена выше ввода сырья, называется концентрационной, а расположенная ниже ввода - отгонной. В обеих частях колонны происходит один и тот же процесс ректификации.

С верха концентрационной части в паровой фазе выводится целевой продукт необходимой чистоты - ректификат, а с нижней тарелки - жидкость, все еще в достаточной степени обогащенная низкокипящим компонентом. В отгонной части происходит отпарка из этой жидкости легкокипящих фракций, а из нижней части колонны выводится второй  продукт - кубовый остаток.

В колонну на определенном уровне по высоте колонны подается предварительно нагретое до заданной температуры сырье в виде парожидкостной смеси. Эта зона называется эвапорационной и разделяет колонну на две зоны - концентрационную и отгонную. В эвапорационной зоне происходит эвапорация - однократное испарение сырья и  разделение его на паровую и жидкостную фазы.

Для нормальной работы ректификационной колонны необходимо, чтобы с тарелки на тарелку непрерывно стекала орошающая жидкость - флегма. Поэтому часть готового продукта (ректификата) после конденсации возвращается на верхнюю тарелку в виде так называемого острого орошения-рефлюкса. При этом холодным рефлюксом регулируется температура верха колонны. Тем самым определяется качество ректификата по температуре конца кипения, по содержанию в нем высококипящих компонентов. С другой стороны, для нормальной работы колонны необходимо, чтобы с низа колонны вверх непрерывно поднимались пары.

Для создания восходящего потока паров, а также максимального извлечения из жидкого остатка более легкокипящих фракций, в отгонную часть колонны подводится тепло - при помощи технологической печи с огневым обогревом, ввода острого перегретого водяного пара .

В зависимости от числа получаемых продуктов при разделении многокомпонентных смесей различают простые и сложные ректификационные колонны. В первых при ректификации получают два продукта: ректификат и кубовый остаток.

Вторые предназначены для получения трех и более продуктов. Они представляют собой последовательно соединенные простые колонны, каждая из которых разделяет поступающую в нее смесь на два компонента.

Отгонные части сложных колонн выделяют в самостоятельные аппараты, называющиеся отпарными колоннами (стриппингами).

Одним из методов повышения концентрации высококипящих компонентов в остатке от перегонки нефти является ввод в нижнюю часть ректификационной колонны испаряющего агента.

Наиболее широко в качестве испаряющего агента при перегонке нефти применяют водяной пар. Влияние последнего заключается в следующем:

- интенсивно перемешивается кипящая жидкость, что способствует испарению низкокипящих углеводородов;

- создается большая поверхность испарения тем, что испарение углеводородов происходит внутри множества пузырьков водяного пара;

- в присутствии водяного пара снижается парциальное давление углеводородов, а соответственно и температура кипения углеводородов.

Водяной пар проходит всю ректификационную колонну и уходит с верхним продуктом, понижая температуру отбора фракций в пределах от 10 С до 20 С. Необходимо применять перегретый в печи водяной пар и вводить его в колонну с температурой, равной температуре подаваемого сырья или несколько выше. Расход водяного пара зависит от количества отпариваемых компонентов, их природы и условий внизу колонны. Для хорошей ректификации жидкой фазы внизу колонны необходимо, чтобы примерно 25 % ее переходило в парообразное состояние. Оптимальное количество перегретого водяного пара лежит в пределах 0,5  3,0  % масс. на исходное сырьё. Увеличение количества пара ведёт к повышению нагрузки колонны по парам, повышению перепада давления на колонне, избыточному обводнению нефтепродуктов, усиления коррозионных явлений.

1.2 Ход технологического процесса

Сырая нефть поступает на установку из сырьевых на прием сырьевого центробежного насоса. Для разрушения водо-нефтяных эмульсий на прием сырьевого насоса подается деэмульгатор из блока химреагентов. Сюда же поступает промывная вода а также некондиционные продукты. Расход промывной воды не менее 1,5 т/ч контролируется расходомером.

От насоса нефть с давлением 7- 8 кгс/см2, направляется в трубное пространство теплообменников, где подогревается до температуры 100-105С. Температура нефти после теплообменника контролируется  по прибору.

После теплообменников поток нефти направляется в электродегидратор. Расход нефти контролируется по прибору.

Далее сырая нефть с промывной водой проходит через клапан-смеситель, где за счёт дросселирования нефть перемешивается с промывной водой. После клапана-смесителя водо-нефтяная смесь поступает в нижнюю часть электродегидратора.

Нефтеводяная смесь снизу аппарата поступает в маточник, равномерно распределяется по всему горизонтальному сечению электродегидратора, проходит слой отстоявшейся воды и затем поступает в зону слабого электрического поля, создаваемого между нижним электродом и зеркалом воды. В этой зоне выпадают крупные частицы воды. Освобождённая от части воды нефть далее поступает в межэлектродное пространство с сильным электрическим полем, где обезвоживается до регламентных параметров. Далее нефть вытесняется в зону над электродами и выше к выкидному коллектору обезвоженной и обессоленной нефти, а затем поступает на вторичный подогрев в теплообменник.

Уровень раздела фаз «нефть - засоленная вода» в электродегидраторе автоматически поддерживается регулятором путём вывода засоленной воды со следами нефти через клапан в блок очистных сооружений. Предварительно засоленная вода охлаждается в теплообменниках, нагревая промывную воду, что способствует более эффективному отделению воды в электродегидраторе.

На выходе из электродегидратора установлен датчик давления.

После электродегидратора обезвоженная и обессоленная нефть с содержанием воды не более 0,1 % масс., и хлоридов не более 3 мг/л вторично подогревается в трубном пространстве теплообменника до температуры 220-280С и поступает в эвапорационное пространство простой атмосферной колонны.

В колонне происходит разделение нефти на ректификат и кубовый остаток:

- легкий бензин;

- нефть.

Для снижения парциального давления нефтяных паров с целью улучшения отпарки легких фракций из кубового остатка колонны в низ подается перегретый в пароперегревателе печи водяной пар.

Расход водяного пара 300  600 кг/ч контролируется датчиком перепада давления.

С верха колонны по шлемовой трубе выводятся пары бензиновой фракции, углеводородный газ и водяные пары, которые поступают в водяной холодильник-конденсатор, где конденсируются и охлаждаются до температуры 45 – 50С. Эта температура  автоматически поддерживается регулятором путем увеличения или уменьшения расхода воды.

Газоконденсатная смесь собирается в рефлюксной емкости, где происходит разделение углеводородных газов, нестабильного прямогонного бензина и воды.

Бензин из емкости насосом с целью регулирования температуры верха колонны подается в качестве острого орошения на верх колонны. Температура верха колонны автоматически поддерживается регулятором путём подачи управляющего сигнала регулятору расхода острого орошения.

Балансовое количество прямогонного бензина из по уровню в рефлюксной емкости направляется в товарно-сырьевой парк. Расход бензина в парк замеряется прибором расходомером.

Давление в рефлюксной емкости (и во всей системе) 0,51,5 кгс/см2 автоматически поддерживается регулятором путём сброса избытка углеводородных газов из емкости через клапан на факел.

Отстоявшийся водяной конденсат из отстойника рефлюксной емкости по уровню раздела фаз поступает на подогрев в теплообменник и далее в блок ЭЛОУ в качестве промывной воды.

Нефть с куба колонны забирается по уровню в кубе насосом и поступает двумя параллельными потокамив печь для дальнейшего нагрева и переработки.

Сигнализация минимального (30%) и максимального (80%)  уровней в кубе колонны осуществляется прибором сигнализатором уровня.

Расход нефти по потокам на входе в печь – от 6 до 18 т/ч автоматически поддерживается регуляторами.

Нефть двумя потоками проходит через горизонтальные змеевики конвекционной камеры печи, где нагревается за счет тепла дымовых газов. Далее нефть через перевал печи поступает в радиантную зону, где дальнейший нагрев происходит в вертикальных змеевиках за счет лучистой радиации сжигаемого топлива и радиации разогретых стен печи. Пройдя через змеевики радиантной камеры, оба потока после печи объединяются в один общий поток. Далее нефть по трубопроводу идет в атмосферную колонну.

Температура обоих потоков нефти на выходе из печи измеряется  приборами ТХА, соответственно и должна быть примерно одинаковой.

Температура общего потока нефти на выходе из печи автоматически поддерживается регулятором в диапазоне 250-350 0С (в зависимости от состава нефти) путём подачи управляющего сигнала регуляторам расхода  газообразного и жидкого топлива на горелки печи.

ПАКЕТЫ МОДЕЛИРУЮЩИХ ПРОГРАММ

Применение систем автоматизации инженерных расчетов и моделирования в нефтегазовой отрасли

Системный подход к исследованию химико-технологических процессов  предусматривает не только изучение закономерностей протекания процессов в отдельных аппаратах, но анализ производства в целом, с учётом их взаимодействия. Аппараты (единицы оборудования), соединённые между собой материальными и тепловыми потоками, образуют технологическую схему химического производства. В действительности, задача компьютерного моделирования химико-технологического процесса (ХТП) состоит в решении задач построения математической модели (ММ), идентификации (ИДЕНТ) и оптимизации (ОПТ) химического производства, т.е. решения указанного комплекса задач для технологической схемы всего процесса.

Перечисленный комплекс задач решается на третьем уровне иерархии процессов химического предприятия — на уровне химического производства, при этом предусматривается успешное решение аналогичных задач на микро- и макроуровне ХТП, т.е. на первом и втором уровнях иерархии предприятия. Решение последних детально рассмотрено в предыдущих главах этой книги. Таким образом, для компьютерного моделирования ХТП (технологических схем химических производств) необходим мощный инструмент — пакет моделирующих программ (ПМП), который позволял бы реализовать на компьютерах целый набор приёмов и методов решения перечисленных задач моделирования на первом, втором и третьем уровне иерархии химического предприятия.

ПМП представляют собой универсальную программную оболочку, в которой реализуются три основных режима её работы:

• «изображение процесса» — для графического представления технологической схемы производства;

• «расчёты» — для выполнения вычислений с применением реализованных в виде расчётных модулей алгоритмов решения задач компьютерного моделирования;

• «диаграмма процесса» — для представления результатов выполненных расчётов в виде таблиц, графиков и диаграмм.

Каждый из трёх основных режимов требует реализации специальных модулей, с использованием которых можно построить технологическую схему любого ХТП и решать комплекс задач его моделирования на компьютерах. При этом данные, необходимые для проведения расчётов, как, например, физико-химические свойства веществ, алгоритмы для вычисления свойств многокомпонентных смесей, различные алгоритмы для поверочно-оценочных и проектных расчётов аппаратов, включены в состав ПМП. Это означает, что расчётные модули ПМП используют для вычислений данные из фактографической базы данных (БД) по физико-химическим свойствам индивидуальных веществ. Для выбора алгоритмов расчёта свойств многокомпонентных смесей и алгоритмов расчёта аппаратов (единиц оборудования) технологической схемы в состав ПМП включаются экспертные системы (ЭС), которые с учётом покомпонентного состава систем, по конкретным данным о диапазонах изменения температур и давлений производства «предлагают» сделать оптимальный выбор термодинамического метода или вычислительного алгоритма.

В информатике такие ПМП принято относить к классу программных продуктов, называемых симуляторами, в данном случае — симуляторами химических производств. Они, как правило, реализуются в виде единого программного комплекса, функционирующего в операционной среде Windows, и не требуют для работы каких-либо дополнительных программных продуктов. Симуляторы химических производств являются мощным инструментом для химиков-технологов и инженеров-химиков, занимающихся расчётно-технологическим проектированием ХТП и управлением химическими производствами на действующих предприятиях.

В общем случае с применением современных ПМП — симуляторов химических производств — решаются следующие задачи:

• анализа, оптимизации и синтеза химико-технологических систем (ХТС) для проектируемых и действующих производств (см. главу 1);

• исследования динамического поведения ХТС для синтеза систем управления;

• разработки компьютерных систем обучения операторов химических производств, в частности тренажёрных комплексов.

Поэтому в настоящее время симуляторы химических производств (ПМП) широко используются в автоматизированных системах прикладной информатики, таких как САПР, АСУТП, АСНИ и АОС .

Для современных специалистов в области химической технологии умение пользоваться ПМП является необходимым условием подтверждения своей квалификации как химика-технолога и инженера-химика.[3]

Применение моделирующих систем

В нефтегазовой отрасли можно выделить несколько общих направлений применения моделирования:

  1.  геолого-геофизические процессы поиска и разведки;
  2.  добыча и подъем нефти и газа;
  3.  транспортировка трубопроводным транспортом;
  4.  технологические процессы переработки.

Каждое из направлений включает в себя несколько десятков подвидов, зачастую повторяющихся у разных направлений, например, моделирование тепловых, гидродинамических процессов, процессов фазового перехода, расчет технологических схем и т.д.

Математические модели технологических процессов нефтегазовой отрасли обычно достаточно сложны для вычислений. Для компьютерного моделирования простой технологической схемы, например, из пяти аппаратов и нескольких потоков нужно последовательно рассчитывать все единицы оборудования (аппараты) производства. Одновременно для каждого потока нужно рассчитывать его свойства - температуру, давление, расход, состав, долю пара и его энтальпию. При наличии в технологической схеме рециклических потоков необходимо реализовывать итерационные процедуры их расчетов путем последовательных приближений к решению. Это очень трудоемкий процесс, выполнение которого невозможно без применения моделирующих программ.

При разработке новых технологических процессов необходимо проанализировать множество альтернативных вариантов, и только компьютерное моделирование позволяет отбросить неподходящие варианты и за короткое время найти наилучшее решение.

Выбор более эффективных систем управления при решении задач АСУТП требует реализации динамических моделей аппаратов с простым регулированием и, возможно, более сложным, например, каскадным регулированием. Моделирующие программы позволяют реализовать динамические модели процессов совместно с регуляторами и исполнительными устройствами и выбирать оптимальные условия для управления производствами.

В условиях действующих производств постоянно приходится искать более эффективные решения текущих производственных задач. Моделирующая программа поможет проанализировать реальную ситуацию, определить сущность проблемы и пути ее наиболее эффективного и недорогого решения.

К наиболее важным преимуществам моделирования технологических процессов относятся:

  1.  организация расчетных исследований и причинно-следственного анализа для выбора оптимального варианта технологического процесса, соответствующего поставленным целям;
  2.  нахождение оптимальных режимов работы оборудования для получения желаемой производительности установок и желаемого качества продуктов;
  3.  оценка влияния изменения характеристик сырья, сбоев в работе и остановки оборудования на безопасность, надежность и рентабельность установки;
  4.  возможность расчета и проверки параметров системы управления в режиме динамического моделирования;
  5.  наблюдение за состоянием оборудования;
  6.  оценка таких дефектов оборудования, как загрязнение теплообменников и захлебывание тарелок ректификационных колонн путем моделирования и мониторинга оборудования реальной установки.

Таким образом, разработка современных технологических процессов переработки природного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ, имеющих высокую точность описания параметров технологических процессов и позволяющих без значительных материальных и временных затрат производить исследования этих процессов. Такие модельные исследования имеют огромное значение не только для проектирования с помощью САПР, но и для функционирования существующих производств, так как позволяет учесть влияние внешних факторов (изменение состава сырья, изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и т.д.) на показатели действующих производств и разработать адекватную систему управления на основе динамического моделирования процесса.

Общие принципы моделирования в нефтяной и газовой промышленности

В данной и последующей части лекции рассматриваются основные принципы моделирования, заложенные в эти системы, их состав и их основные характеристики, позволяющие оценить пригодность различных инструментов для решения широкого круга задач, встающих перед инженерным персоналом газовой и нефтяной промышленности.

Моделирующие программы химико-технологических процессов представляют собой универсальную программную оболочку, в которой реализуются три основных режима работы моделирующей программы:

  1.  «изображение процесса» - для графического представления технологической схемы производства;
  2.  «расчеты» - для выполнения вычислений с применением реализованных в виде расчетных модулей алгоритмов решения задач компьютерного моделирования;
  3.  «диаграмма процесса» - для представления результатов выполненных расчетов в виде таблиц, графиков и диаграмм.

Видимая часть этой схемы является набором обозначений аппаратов (единиц оборудования), связанных между собой потоками, и представляет собой определенного вида принципиальную схему химического производства, которая реализуется в основном режиме «Изображение процесса» и содержит две категории объектов (рисунок 1):

  1.  единицы оборудования (аппараты), для расчета которых используют специальные вычислительные алгоритмы (иногда для расчета одного и того же физического аппарата предлагаются несколько возможных алгоритмов, среди которых нужно выбрать наиболее подходящий для конкретного случая);
  2.  материальные и энергетические потоки, связывающие линиями единицы оборудования технологической схемы (информация о параметрах входных потоков в аппараты включается в число исходных данных для расчета аппаратов, а в выходных потоках из аппаратов фиксируются некоторые результаты расчетов единиц оборудования).

После задания всех параметров для вычислений выполняется расчет технологической схемы всего производства (основной режим «Расчеты»), Одним из наиболее важных результатов расчета технологической схемы всего производства является определение для него материального и теплового баланса (т.е. в целом моделирование и расчет технологической схемы основаны на применении общих принципов термодинамики и массообмена к отдельным элементам схемы и к системе в целом).

Для определения конструкционных параметров и размеров единиц оборудования могут быть реализованы алгоритмы расчетов размеров и конструкционных характеристик различных типов теплообменников, ректификационных колонн, труб и т.д.

Результаты расчетов могут быть представлены в виде отдельных таблиц или графиков (рисунок 3) для каждого аппарата или свойств любого потока, либо в виде комплексного отчета, генерируемого пользователем, или диаграммы процесса в соответствующем третьем основном режиме работы пакета моделирующей программы.

В основном режиме «Диаграмма процесса» на изображении принципиальной технологической схемы производства также можно представить некоторые рассчитанные результаты свойств всех потоков и всех аппаратов.

Отметим также, что важными требованиями, предъявляемыми к современным программам моделирования (симуляторам) являются:

  1.  возможность создания пользователем собственного изображения единиц оборудования (аппаратов) технологической схемы;
  2.  наличие возможности включения в программный пакет собственных разработок, в частности, алгоритмов расчета физико-химических свойств многокомпонентных смесей и алгоритмов расчета единиц оборудования;
  3.  интегрируемость программы с другими программными продуктами, прежде всего, с используемыми для монтажно-технологического проектирования, например, с AutoCAD.

Состав моделирующих программ

В настоящий момент состав моделирующих программ подчиняется требованию модульности. Во многом это связано с существованием стандарта CAPE-OPEN (Open Computer Aided Process Engineering) - специально разработанного стандарта в системе компьютеризированного моделирования технологического производства, предназначенного для согласования между собой компонентов универсальных моделирующих программ различных разработчиков. Он основывается на общепризнанных в программировании технологиях СОМ и CORBA. Непосредственно сам стандарт CAPE-OPEN является открытым, мультиплатформенным, унифицированным и бесплатно распространяемым.

Проект CAPE-OPEN начал свое развитие в 1997 году, а в 1999 году вышла первая версия стандарта. Основная цель, преследуемая его разработчиками, заключалась в обеспечении взаимодействия моделирующих программ разных производителей и, возможно в дальнейшем, распределенных на различных ЭВМ. Упрощенная, типичная схема универсальной моделирующей программы, компоненты которой созданы в соответствии со стандартом CAPE-OPEN, приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема типичной универсальной моделирующей программы (с позиций стандарта CAPE-OPEN)

Следует отметить, что в настоящее время к проекту CAPE-OPEN присоединились и в той либо иной мере его поддерживают следующие производители программного обеспечения: ANSYS, Aspen Technology (Aspen Plus, HYSYS), Heat Transfer Research Inc. (HTRI), SimSci-Esscor (PRO/II), Virtual Materials Group (VMGSim. VMGThermo) и многие другие.

Большинство систем моделирования включает набор следующих основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химико-технологических процессов:

  1.  набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей;
  2.  средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом - нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа;
  3.  различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпия, энтропия, плотность, растворимость газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивность паров;
  4.  набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем процессов;
  5.  средства для формирования технологических схем из отдельных элементов;
  6.  средства для расчета технологических схем, состоящих из большого числа элементов, определенным образом соединенных между собой.

Термодинамические данные по чистым компонентам

Эти данные необходимы для расчета термодинамических свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпия, энтропия, плотность, растворимость газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивность паров. Они включают:

  1.  критические параметры и фактор ацентричности;
  2.  молекулярная масса;
  3.  плотность в точке кипения или при стандартных условиях;
  4.  температура кипения при атмосферном давлении;
  5.  константы для расчета идеально-газовой теплоемкости или идеально-газовой энтальпии, энергии Гиббса, теплоты образования и сгорания, вязкости, поверхностного натяжения и т.п.

Обычно, моделирующие системы имеют встроенные базы данных свойств чистых компонентов. Число чистых компонентов обычно превышает 1000, что дает возможность использовать программу практически для любых случаев. На практике, при решении задач, характерных для газовой и нефтяной промышленности, используются не более 50 компонентов.

Средства представления и анализа свойств нефтей и газовых конденсатов

Эти средства необходимы, чтобы на основе данных лабораторных исследований свойств нефтей, газоконденсатов и нефтепродуктов получить необходимые данные для адекватного представления этих смесей в моделирующей системе. Потоки углеводородов могут быть определены (заданы) с помощью лабораторных данных разгонки (рисунок 6). Обычно эти данные состоят из собственно данных разгонки (НТК, ASTM D86, ASTM D1160 или ASTM D2887), данных по удельному весу (средний удельный вес и, возможно, кривая удельного веса) и, если возможно, данных по молекулярному весу, содержанию легких компонентов, а также данных по специальным товарным свойствам, таким как температура застывания и содержание серы. Эта информация используется для генерации набора дискретных псевдокомпонентов, которые потом применяются для представления состава каждого потока, характеризуемого кривой разгонки.

Методы расчета термодинамических свойств

Обычно моделирующая система включает различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпия, энтропия, плотность, растворимость газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивность паров. Данные методы включают в себя:

  1.  обобщенные корреляции, такие как метод расчета коэффициентов фазового равновесия Чао-Сидера и метод расчета плотности жидкости API;
  2.  уравнения состояния, такие как метод расчета Соава-Редлиха-Квонга для коэффициента фазового равновесия, энтальпий, энтропий и плотностей;
  3.  методы коэффициентов активности жидкости, такие как метод NRTL (Non-Random Two-Liquid - неслучайное двужидкостное) для расчета коэффициента фазового равновесия;
  4.  методы фугитивности паров, такие как метод Хайдена-О'Коннела для димеризую- щихся веществ;
  5.  специальные методы расчета свойств специфических систем компонентов, таких как спирты, амины, гликоли и системы кислой воды.

Наиболее часто для моделирования процессов обработки природного газа и нефти используются уравнения состояния Пенга-Робинсона и Соава-Редлиха-Квонга и их модификации. Эти методы позволяют решить большую часть технологических проблем, возникающих при моделировании задач нефтегазопереработки.

Средства моделирования процессов

От состава средств моделирования отдельных процессов зависят функциональные возможности всей моделирующей системы. Как правило, все моделирующие системы включают средства для моделирования следующего набора процессов:

  1.  сепарация газа и жидкости (двух несмешивающихся жидкостей);
  2.  однократное испарение и конденсация;
  3.  дросселирование;
  4.  адиабатическое сжатие и расширение в компрессорах и детандерах;
  5.  теплообмен двух потоков;
  6.  нагрев или охлаждение потока;
  7.  ветвление и смешение потоков;
  8.  процессы в дистилляционных колоннах с возможностью подачи и отбора боковых материальных и тепловых потоков:

а) абсорберы;

б) конденсационные (укрепляющие) колонны;

в) отпарные (исчерпывающие) колонны;

г) дистилляционные колонны.

Все программы позволяют моделировать сложные дистилляционные системы со стрип- пингами, боковыми орошениями, подогревателями и т.д., т.е. решать наиболее сложные задачи первичной переработки нефти. Большинство задач дистилляции применительно к процессам переработки природного газа и конденсата, имеющимся на действующих производствах, с помощью рассматриваемых пакетов решаются успешно и с высокой скоростью.

Такого набора процессов достаточно для моделирования основного круга задач газопереработки. Системы моделирования могут содержать также средства для моделирования процессов, расширяющих сферу их использования на химическую и нефтехимическую промышленность:

  1.  теплообмен в многопоточных теплообменниках;
  2.  химические процессы в реакторах (в т.ч. стехиометрический, с минимизацией энергии Гиббса, равновесный, полного вытеснения и смешения);
  3.  процессы в экстракторах жидкость-жидкость;
  4.  процессы с твердой фазой (кристаллизаторы, центрифуги, фильтры, сушилки и Т.д.).

Средства построения технологических схем из отдельных элементов

По способу построения технологических схем из отдельных элементов моделирующие программы можно разделить на системы с графическим интерфейсом и системы с табличным кодированием. Первые позволяют формировать схемы непосредственно на экране компьютера, выбирая элементы из списка и соединяя их в определенном порядке (рисунок 7). Табличное кодирование предусматривает последовательный выбор элементов и назначение входным и выходным потокам адресов из общего списка потоков моделируемой схемы. Естественно, первый способ наиболее удобен.

Средства расчета технологических схем

Любая задача моделирования эквивалентна большой системе нелинейных одновременно решаемых уравнений. Эта система включает расчет всех необходимых термодинамических свойств для всех потоков, расходов и составов с применением выбранных моделей расчета свойств и процессов. В принципе, возможно решение всех этих уравнений одновременно, но в моделирующих системах обычно используется другой подход: каждый элемент схемы решается с применением наиболее эффективных алгоритмов, разработанных для каждого случая.

При расчете системы взаимосвязанных аппаратов последовательность расчета элементов определяется автоматически (или может быть задана пользователем). При наличии рециклов создается итерационная схема, в которой рецикловые потоки разрываются и создается последовательность сходящихся оценочных значений. Эти значения получаются замещением величин, рассчитанных при предыдущем просчете схемы (Метод Простого Замещения) или путем применения специальных методов ускорения расчета рециклов - Вегштейна (Wegstein) и Бройдена (Broyden).

Динамическое моделирование

По изменению параметров модели по времени моделирующие программы можно разделить на системы, поддерживающие статическое и динамическое моделирование (рисунок 8). При статическом моделировании соотношение параметров происходит до определенного момента времени. В случае динамического моделирования параметры модели претерпевают непрерывные изменения во времени. Возможность проводить расчеты в динамическом режиме позволяет гораздо лучше понять сущность моделируемых процессов. Можно собрать и испытать схему регулирования, исследовать пусковые режимы, получить представление о реально работающем процессе и поведении объекта в нештатных ситуациях, о влиянии изменения рабочих параметров на качество продуктов.

Этапы работы моделирующей программы

Моделирование химико-технологического процесса с использованием моделирующей программы включает в себя девять основных этапов, для выполнения которых используются различные программные модули:

  1.  создание нового задания;
  2.  выбор единиц измерения;
  3.  построение технологической схемы (рисунки 1, 7, 8);
  4.  выбор компонентов (рисунок 11);
  5.  выбор термодинамических моделей (рисунок 13);
  6.  задание параметров потоков питания (рисунок 14);
  7.  задание параметров единиц оборудования (рисунок 15);
  8.  запуск программы компьютерного моделирования (рисунки 16, 18);
  9.  просмотр и печать результатов (рисунки 19-21). Создание нового задания

Задается имя папки задания, куда будут помещены все файлы, относящиеся к данному заданию.

Выбор единиц измерения


Обычно может быть выбран один из четырех стандартных вариантов системы измерения физических величин:

  1.  СИ;
  2.  модифицированная СИ;
  3.  метрическая система;
  4.  британская система.

Возможно реализовать любую комбинацию этих систем измерений. Для российских пользователей наиболее удобной является модифицированная система СИ. Выбранная система измерения физических величин распространяется на все задание. При этом в процессе работы для отдельных единиц оборудования (аппаратов) и потоков она может быть изменена, а затем восстановлена в первоначальном виде.

Построение технологической схемы

Технологическая схема химического производства обычно изображается с использованием стандартных пиктограмм единиц оборудования (аппаратов) и соединяющих их линий - потоков (рисунки 1, 7, 8). В моделирующую программу обычно включены около пятидесяти пиктограмм аппаратов, и каждой пиктограмме единицы оборудования соответствует алгоритм пове- рочно-оценочного и/или проектного расчета аппарата. Все пиктограммы аппаратов имеют имя, соответствующее реализованному алгоритму расчета, и несколько вариантов изображений, из которых пользователь может сделать подходящий выбор. Если предлагаемые пиктограммы аппаратов не устраивают пользователя, он с помощью специального графического драйвера, встроенного в программу, может создать собственное изображение аппарата или аппаратов.

Модуль, позволяющий создавать изображения технологических схем химических производств, является одним из трех основных модулей моделирующей программы.

Выбор компонентов

В моделирующую программу встроена фактографическая база данных (БД) по свойствам индивидуальных веществ, необходимых для расчета технологических схем нефтехимических производств. В БД компонентов представлены до 80 свойств-констант и свойств-зависимостей более чем для 2500 индивидуальных веществ. Для свойств-зависимостей приводятся вид и коэффициенты уравнений, описывающих эти зависимости, как, например, для уравнения Антуана, описывающего зависимость давления насыщенного пара индивидуального вещества от температуры.

Выбор компонентов выполняется либо по номеру в БД, либо по брутто-формуле химического соединения, либо по названию вещества (рисунок 11). Включение вещества в список компонентов технологической схемы производства означает, что все его свойства могут быть использованы моделирующей программой в процессе выполнения расчетов. При отсутствии вещества в БД его свойства в программе либо могут быть рассчитаны по структурным составляющим молекулы (в основном, для органических веществ), либо в базу данных могут быть введены пользовательские данные о свойствах вещества.

Следует отметить, что для расчетов свойств электролитов и неорганических молекул в БД включены и свойства ионов - анионов и катионов. Компонентами многокомпонентной смеси в случае таких расчетов в соответствии с теорией электролитов могут быть не только молекулы, но и анионы и катионы слабых и сильных электролитов.

В программу также обычно включен модуль определения свойств «псевдокомпонентов» для непрерывных нефтяных смесей, позволяющий решать задачу моделирования нефтяных ректификационных колонн по экспериментальным данным о кривой разгонки.

Выбор термодинамических моделей

На этом этапе с использованием специальных модулей рассчитываются следующие свойства многокомпонентной смеси:

  1.  равновесие пар (газ)-жидкость-твердое вещество и пар (газ)-жидкость-жидкость- твердое вещество;
  2.  энтальпия системы, желательно с учетом теплоты смешения жидкости;
  3.  плотность и поверхностное натяжение жидкости;
  4.  вязкость и жидкости и пара;

AspenONE

Пакет программ AspenONE V7 (текущая версия - 7.3) предназначен для повышения эффективности производства и управления цепочками поставок, а также проектирования и моделирования технологических процессов. Отметим в составе пакета и более подробно рассмотрим два продукта для моделирования стационарных процессов: Aspen HYSYS и Aspen Plus.

Aspen HYSYS

Aspen HYSYS представляет собой программный пакет, предназначенный для моделирования в стационарном режиме, проектирования химико-технологических производств, контроля производительности оборудования, оптимизации и бизнес-планирования в области добычи и переработки углеводородов и нефтехимии. Программа с одинаковым успехом работает в проектных и инжиниринговых фирмах, в ПКО заводов, в научно-исследовательских институтах и на заводских установках. На сегодняшний день инженеры и технологи используют HYSYS как средство построения стационарных моделей при проектировании технологических процессов, для мониторинга состояния оборудования и выявления неисправностей, для оптимизации технологических режимов, бизнес - планирования и управления активами.

Ключевыми особенностями HYSYS являются:

  1.  Удобный графический интерфейс (PFD - Process Flowsheet Diagram). В окне программы в удобном для пользователя виде изображается схема технологического процесса. В программу включены возможности копирования, вырезания, вставки объектов, а также соединения объектов с помощью мыши. При построении больших схем несколько объектов можно объединить в отдельную подсхему.
  2.  Точные термодинамические модели. Использование термодинамических моделей HYSYS позволяет рассчитать физические свойства, транспортные свойства, фазовое равновесие с гарантированно высокой точностью. Программа содержит обширную базу данных с возможностью добавления пользовательских компонентов (наличие более 20 различных методов расчета термодинамических и физических свойств; более 2000 библиотечных компонентов, более 16000 пар бинарных коэффициентов).
  3.  Открытая архитектура. HYSYS позволяет создавать пользовательские термодинамические и кинетические модели, а также модели единиц оборудования с помощью встроенного языка программирования (аналога Visual Basic). Возможно подключать и использовать совместно с программой HYSYS собственные программы (созданные в среде Visual Basic, С++, Excel), расширяя ее стандартные возможности и создавая интегрированные системы технологических расчетов.

Обширная библиотека модульных операций. HYSYS включает в себя статические и динамические модели ректификационных колонн, реакторов, теплообменников, циклонов и фильтров и, кроме того, в HYSYS можно использовать логические операции. Применение этих моделей дает очень реалистичные результаты и позволяет выявлять такие ситуации, как опустошение или переполнение резервуара, обратное течения потока.

Детальный проектный и поверочный расчет теплообменников (рисунок 8). При поверочном расчете пользователь может импортировать в HYSYS подробную модель теплообменника из таких специализированных программ, как TASC+ (программа для детального конструкционного расчета кожухотрубчатых теплообменников), ACOL+ (детальный расчет воздушных холодильников), MUSE (расчет пластинчато-ребристых теплообменников). Это позволяет провести в среде HYSYS более точный расчет теплообменного оборудования.

Экономическая оценка проекта. Модели, построенные в HYSYS, могут быть экспортированы в программу Aspen Icarus Process Evaluator или Aspen Icarus Project Manager с целью экономической оценки проекта. Aspen Icarus предназначен для оценки стоимости основного и дополнительного оборудования отдельных элементов схемы и всей установки в целом.

Передача данных в конструкторскую программу. Модели могут быть экспортированы из HYSYS в Aspen Zyqad для дальнейшего использования в конструкторских программах (например, в AutoCAD). Применение Aspen Zyqad позволяет повысить качество и эффективность инженерных расчетов и сократить время на реализацию проекта.

HYSYS имеет следующие встроенные модули:

  1.  Модуль HYSYS Data Rec позволяет согласовывать данные модели и реальной установки для контроля рабочих характеристик оборудования и on-line оптимизации.
  2.  HYSYS OLI Interface - интерфейс к программе расчета растворов электролитов, разработанной компанией OLI Systems Inc. Добавление данного модуля позволяет расширить базу данных по термодинамическим свойствам, включив в нее свойства более 3000 органических и неорганических электролитов.

Модуль HYSYS Optimizer работает на основе метода последовательного квадратичного программирования (SQP). SQP метод является одним из самых современных и эффективных методов оптимизации. Он применяется как для оптимизации в стационарном режиме при проектировании (offline оптимизация), так и для оптимизации работы реальной установки (online оптимизация).

Дополнительные модули расширяют стандартные возможности HYSYS. Благодаря открытой архитектуре HYSYS в качестве дополнительных модулей выступают как собственные программы AspenTech, так и программы компаний-партнеров AspenTech. Дополнительные модули позволяют настроить HYSYS с учетом специфики конкретного производства. HYSYS может быть оснащен следующими дополнительными модулями (подробнее рассмотрены далее):

  1.  Aspen HYSYS Dynamics - моделирование в динамическом режиме;
  2.  Aspen HYSYS Crude - расчет потоков нефти, колонн АВТ;
  3.  Aspen HYSYS Amines -расчет процессов аминовой очистки;
  4.  Aspen HYSYS Pipeline Hydraulics - OLGAS 2-Phase - расчет магистральных трубопроводов;
  5.  Aspen HYSYS Pipeline Hydraulics - PIPESYS - расчет магистральных трубопроводов;
  6.  Aspen HYSYS Upstream - расчет процессов добычи нефти;
  7.  Aspen HYSYS Petroleum Refining - расчет основных установок, применяемых в нефтепереработке.

С использованием HYSYS можно проводить расчеты:

  1.  ректификационных колонн произвольной конфигурации, включая колонны с расслаивающимися на тарелках жидкостями и с химическими реакциями на тарелках; нефтяных колонн, гидравлики ректификационных колонн с ситчатыми, клапанными и колпачковыми тарелками, и насадочных колонн;
  2.  теплообменных аппаратов различных типов: нагревателей, холодильников, ребой- леров с паровым пространством, конденсаторов, воздушных холодильников;
  3.  трубопроводов различных конфигураций (горизонтальных, вертикальных) с использованием методов расчета гидравлических сопротивлений двухфазных потоков;
  4.  реакторов идеального вытеснения и идеального смешения, равновесных, стехио- метрических, причем реакции могут протекать в трубе, в произвольной емкости, на тарелке ректификационной колонны.

С помощью набора встроенных утилит возможен расчет:

  1.  условий гидратообразования и его ингибирования, образования твердой углекислоты;
  2.  точки росы по воде и углеводородам;
  3.  кривых разгонок (НТК, ГОСТ, вакуумная разгонка и т.д.);
  4.  товарных свойств нефтепродуктов;
  5.  размеров емкостей;
  6.  нестационарного процесса сброса давления из емкости или системы емкостей в аварийном режиме.

Таким образом, использование программы HYSYS дает значительный экономический эффект: повышается производительность и прибыльность установок. Экономический эффект от использования программы HYSYS достигается за счет следующего:

  1.  Оптимизация проектирования - возможность в сжатые сроки оценить рентабельность, безопасность и надежность установки;
  2.  Мониторинг состояния оборудования - уверенность в том, что оборудование работает в оптимальном режиме;
  3.  Уменьшение затрат на реализацию проекта - возможность свести к минимуму количество ошибок и сделать проект менее трудоемким.

Aspen HYSYS Dynamics

Aspen HYSYS Dynamics представляет собой динамическую моделирующую систему для создания нестационарных моделей и моделирования переходных процессов (рисунок 9). Это средство для динамических расчетов позволяет также эффективно управлять жизненным циклом технологического процесса. Aspen HYSYS Dynamics позволяет создавать полную модель завода для оценки проекта на предмет рентабельности, управляемости, безопасности, а также для улучшения работы завода в течение всего его жизненного цикла.

При использовании динамического моделирования в HYSYS Dynamics достигаются такие цели, как:

  1.  сокращение цикла пусконаладки и выхода на рабочий режим;
  2.  определение оптимальных стратегий смены сырья;
  3.  настройка регуляторов и определение оптимальных эксплуатационных режимов;
  4.  проверка безопасности работы производства в динамике.

Возможно проведение динамического расчета трубопроводов в модуле HYSYS Upstream Dynamics.

Ключевые особенности HYSYS Dynamics (часть из них пояснены выше при рассмотрении HYSYS):

- Использование строгих термодинамических моделей.

- Единая среда для моделирования в стационарном и динамическом режимах. При использовании преимуществ интегрированных систем стационарного и динамического моделирования становится достижимым оптимальный баланс между проектными показателями в стационарном режиме и управляемостью установки в динамике.

- Удобный графический интерфейс (PFD - Process Flowsheet Diagram).

- Обширная библиотека модульных операций.

- Расчет свойств потока в динамическом режиме обеспечивает быстрое и точное моделирование поведения системы во времени. С HYSYS Dynamics можно получать результаты в реальном времени для больших моделей. Возможности HYSYS Dynamics значительно расширяются благодаря использованию таких продуктов, как:

о HYSYS Upstream Dynamics: позволяет оценивать поведение трубопроводов с

двух и трехфазными потоками на стадии проектирования процесса, когда решения сильно влияют на стоимость проекта. Это может привести к значительной экономии средств и изоляции трубопроводов, увеличить достоверность системного проектирования через уточнение процедур запуска/останова и улучшить безопасность путем моделирования разрыва трубопровода, а также сброса давления, о HYSYS OLGA Transient: Позволяет использовать программный продукт OLGAS2000 от ScandPower с HYSYS Dynamics, включая динамическое моделирование многофазных потоков нефти, воды и газа в резервуарах и тру-бопроводах. Это дает возможность инженерам связывать потоки для моделирования сетей трубопроводов, совмещенных с моделированием технологического процесса.

- Открытая архитектура.

- Расчет пользовательских моделей: для улучшения функциональности модели можно использовать пользовательские модели, созданные с помощью стандартных языков программирования (Microsoft Visual Basic, С++ или FORTRAN). А также использовать программный пакет Aspen Custom Modeler, предназначенный для создания и усовершенствования пользовательских моделей технологических процессов, который можно использовать внутри HYSYS Dynamics.

- Расчет динамики работы как отдельных аппаратов, так и установки в целом: необходимо для высокопроизводительного функционирования систем обучения операторов, расчета опасных или неприбыльных режимов работы в динамике, осуществления подробных исследований по надежности и эффективности отдельных производственных единиц.

- Большой набор возможностей задания автоматической системы регулирования: различные регуляторы и логические операции, а также интеграция с системой усовершенствованного регулирования DMCplus.

- Дополнительные возможности: матрица «причина-следствие» и планировщик событий хорошо подходят для моделирования процедур запуска/останова, а также для автоматизации технологической схемы.

Основные экономические выгоды использования HYSYS Dynamics:

- улучшенное проектирование установки: инженеры могут быстро определить наиболее выгодный, надежный и удобный для регулирования проект;

- улучшенный контроль установки позволяет исключить проблемы при запуске, возможные отклонения характеристик продукта от заданных спецификаций и незапланированные простои;

- повышение рентабельности установки благодаря улучшению эксплуатационных качеств.

Aspen HYSYS Crude

HYSYS Crude Module позволяет задавать в программе образцы нефти и моделировать колонны АВТ. В HYSYS Crude Module вводятся данные разгонок (НТК, ASTM, вакуумная разгонка и т.д.), затем образец нефти разбивается на псевдокомпоненты для предсказания транспортных и термофизических свойств потоков.

Исходными данными для расчета образца нефти является кривая разгонки (рисунок 10). Желательно (но не обязательно) наличие также зависимой кривой молекулярного веса, независимой кривой плотности и двух независимых кривых вязкости при разных температурах. Точность расчета повышается, если известен молекулярный вес и плотность всего образца. Желательно наличие экспериментальных данных по содержанию легких фракций.

Программа рассчитает состав нефти, другие (не заданные пользователем) свойства и построит композитную кривую разгонки с учетом всех введенных данных. Кривая разгонки (без легких фракций) будет разбита на заданное пользователем количество псевдокомпонентов (рисунок 10). Полностью определенные псевдокомпоненты можно инсталлировать в поток и использовать в любой схеме.

Aspen HYSYS Amines

Аминовый пакет (рисунок 11) представляет собой специализированную программу расчетов очистки газовых и жидких углеводородных сред от СОг и H2S растворами алканоламинов с помощью точных моделей, описывающих абсорбцию кислых газов в промышленных растворителях и реакции между кислыми газами и аминами. Электролитические модели Li-Mather, используемые в аминовом пакете, дают более надежные результаты по сравнению с эмпирическими моделями, особенно для смесей аминов. Методика расчета аминовой очистки разработана подразделением Oilphase-DBR компании Schlumberger.

Aspen HYSYS Upstream

Программа HYSYS Upstream предназначена для построения моделей процессов добычи и подготовки нефти и газа и построена на платформе технологического моделирования HYSYS. HYSYS Upstream используется для технологического проектирования установок, улучшения их показателей, мониторинга производительности, оптимизации и бизнес-планирования. На основе HYSYS Upstream стало возможным разрабатывать интегрированные модели месторождений и добывающих активов.

Программа HYSYS Upstream приносит пользу за счет:

- автоматизации и ускорения процесса инжиниринга и интеграции систем - новые возможности программы позволяют использовать HYSYS для решения задач обустройства месторождения и транспортных систем;

- устранения необходимости ручного ввода, переформатирования и переноса данных между программами;

- детального расчета поведения многофазных сред, как с точки зрения физико- химических процессов, так и с точки зрения гидродинамики газовых и жидких сред;

- получения большей отдачи от инвестиций за счет комплексной (весь добывающий актив) оптимизации и путем создания интегрированной модели актива и использования ее при проектировании, управлении, мониторинге, оптимизации и расшивке узких мест.

Система HYSYS Upstream дает много новых возможностей для инженеров как отдела разработки месторождений, так и отдела обустройства (технологического отдела). HYSYS Upstream имеет в своем арсенале промышленно подтвержденные методы и алгоритмы для расчета нефтяных смесей, что позволяет связать воедино технологические и инженерные работы над проектом.

Данные со скважины могут быть легко введены в модель через простой в использовании дружественный интерфейс, что позволяет создать комплексную модель «резервуар-скважина- установка-трубопровод» .

Для расчета термодинамики сред смесей углеводородов неидентифицируемого состава используются методы «Черная нефть» - методологии, широко используемой в добывающей отрасли нефтегазового сектора. Обычно на устье скважины точный состав потока неизвестен, но имеются данные по соотношению и плотности фаз. В таких случаях для полного термодинамического расчета свойств нефти достаточно ввести лишь данные по давлению, температуре, удельной плотности жидкости и газа, их соотношению и обводненности потока. При этом в рамках HYSYS Upstream реализованы термодинамические методы расчета свойств флюида по сокра-щенным лабораторным данным от компании Neotechnology Consultants. Расчеты базируются на широко используемых в промышленности методах и корреляциях (рисунок 12). Также Hysys Upstream позволяет рассчитать в режиме «Черная нефть» различное оборудование (задвижки, сепараторы, смесители, ветвители, детандеры, теплообменники и т.д.).

Aspen HYSYS Petroleum Refining

Традиционно строгое моделирование осуществляется для отдельных технологических установок, что ограничивает их практичность при принятии оптимальных решений всего производства. В отличие от них Aspen HYSYS Petroleum Refining позволяет предприятиям оптимизировать производительность в масштабе всего предприятия, за счет использования комплексного моделирования всех технологических объектов (всего завода).

Aspen HYSYS Petroleum Refining обеспечивает целостный взгляд на перспективы развития НПЗ через последовательное использование и широкое применение моделей внутри предприятия. Программа тщательно обрабатывает взаимозависимости установок (рисунок 13) и тем самым обеспечивает специалистов данными для принятия решений, поддерживая их совместную работу и обмен данными.

Ключевыми особенностями Aspen HYSYS Petroleum Refining являются:

- знакомый и дружественный интерфейс программы HYSYS;

- интерфейсы к моделям реакторов от сторонних производителей;

- моделирование в стационарном режиме;

- управление базой данных анализа компонентного состава сырой нефти;

- расчет смешивания потоков углеводородов;

- поддержка и развитие базы данных нефтяных свойств;

- методы расчета недостающих нефтяных свойств;

- наличие специфических моделей НПЗ:

о модели реакторов; о каталитический крекинг; о каталитический риформинг; о гидрокрекинг; о гидроочистка;

о быстрые в расчете модели ректификационных колонн; о оптимизация смешивания (рисунок 14);

о специализированные средства для анализа работы технологических объектов.

Можно выделить следующие преимущества Aspen HYSYS Petroleum Refining:

  1.  Анализ взаимовлияния установок в рамках всего предприятия:

о понимание возможных последствий при изменении режимов работы установок;

о нахождение оптимальных параметров процесса; о отслеживание влияния изменений на качество конечного продукта.

  1.  Создание точных ЛП-мод елей (моделей линейного программирования):

о быстрая проверка точности ЛП-моделей; о регулярное обновление ЛП-векторов;

о обеспечение точными данными, которые полностью характеризуют потоки углеводородов;

о обеспечение точными данными для оптимального ежедневного/еженедельного планирования.

  1.  Быстрый отклик на нештатные ситуации:

о быстрый отклик на изменения режимов работы; о быстрая реакция на аварийные проявления.

  1.  Проектирование новых технических условий и технологических операций:

о быстрая оценка возможностей существующего оборудования; о определение «узких мест» в работе технологических установок; о определение и анализ различных конфигураций технологической схемы НПЗ;

о максимизация эффективности существующего оборудования. Aspen Plus

Aspen Plus представляет собой программный пакет, предназначенный для моделирования в стационарном режиме, проектирования технологических процессов, контроля производительности, оптимизации и бизнес-планирования в области химии, тонкого органического синтеза, нефтехимии и металлургии. Моделирование в стационарном режиме является важнейшим средством оптимизации работы установок с целью повышения прибыльности предприятия, поскольку позволяет инженерам-технологам в короткие сроки проверить различные варианты организации технологического процесса.

Программный пакет Aspen Plus помогает решать критические инженерные и производственные проблемы, возникающие в ходе жизненного цикла процесса, такие как проектирование новых процессов, диагностика неисправностей оборудования или оптимизация всего технологического процесса. Средства моделирования, заложенные в Aspen Plus, позволяют инженерам предсказывать поведение установки. К таким средствам относятся: расчет материальных и энергетических балансов, фазового и химического равновесия, а также расчет реакторов с учетом кинетики протекающих в них реакций. Используя строгие термодинамические модели вместе со строгими моделями аппаратов, можно с большой точностью смоделировать поведение реальной установки.

Aspen Plus содержит в себе обширную базу данных по физико-химическим свойствам веществ, модели единиц оборудования (рисунок 15), а также возможности создания отчетов, разработки пользовательских моделей и специализированные модели, например, описывающие процессы с участием электролитов.

Как отмечалось, система Aspen Plus дает возможность термодинамического моделирования работы разнообразных установок (рисунок 16), от нефтеперерабатывающих установок до неидеальных химических систем и процессов с участием электролитов и твердой фазы.

Aspen Plus позволяет рассчитать следующие рабочие элементы и процессы: смеситель, разделитель потока, разделитель частей потока и разделители компонентов; сепараторы и емкости - две, три и четыре фазы; нагреватель, простой теплообменник, теплообменник труба-в- трубе и кожухотрубчатый, а также многопоточный теплообменник; жидкостно-жидкостный од- нофазовый отстойник; реакторы конверсии, стехиометрические и реакторы равновесия; проточный реактор с мешалкой, реактор идеального вытеснения, реактор периодического действия и реакторы с вентиляцией содержимого для стандартных химически веществ; одно- и многоступенчатые компрессоры и турбины; умножитель потока, дубликатор, селектор и блоки передачи; расчеты сброса давления; модели ректификации (ускоренная дистилляция, многофазное разделение, многоколонная модель, модель атмосферной колонны).

Для систем с твердой фазой решения Aspen Plus включают следующее: скруббер Вентури, электростатический осадитель, цедилка с тканевым фильтром, экран, циклон, гидроциклон, фильтрующая центрифуга и барабанный вращающийся фильтр, противотоковый фильтр, кристаллизатор непрерывного действия и др.

Система имеет развитый графический интерфейс (рисунок 15), развитые методы расчета парожидкостного равновесия, большую базу соединений, специализированные пакеты расчета термодинамики (амины, электролиты). Предусмотрено создание графиков и таблиц физических свойств, оценка физических свойств по структуре. Имеется возможность выполнять расчеты основных конструктивных характеристик и оценку стоимости оборудования.

В состав Aspen Plus могут входить:

- Aspen Dynamics - система динамических технологических расчетов, применяемая для создания тренажеров, систем расширенного управления в области сложных химических производств и тонкой химии;

- Aspen FCC - расчет реакторов каталитического крекинга;

- Aspen CatRef- расчет реакторов каталитического риформинга;

- Aspen Hydrocracker&Hydrotreater - расчет гидрокрекинга и гидроочистки;

- Aspen Plus Optimizer - система оптимизации.

Ниже приведены ключевые особенности Aspen Plus:

- Интерфейс. Удобный интерфейс включает в себя графическое отображение схемы технологического процесса, обозреватель данных для ввода-вывода информации по потокам и аппаратам.

- Мастер отображения графиков (рисунок 17).

- Создание подсхем и образцов. Aspen Plus позволяет создавать отдельные подсхемы (блоки иерархии), которые включаются в основную схему. Подсхемы можно сохранять как отдельный образец расчета.

- Моделирование, ориентированное на уравнения. Комбинация последовательного модульного расчета (SM) и моделирования, ориентированного на уравнения (ЕО), позволяет пользователю моделировать сложные процессы с несколькими рециклами.


- Открытая архитектура. Открытая архитектура Aspen Plus позволяет легко обмениваться данными с Visual Basic и такими программами, как Microsoft Excel. Поддерживаются возможности OLE: копирование, вставка или связь объектов.

- Обширная библиотека модульных операций. В Aspen Plus включены модели для расчета систем пар-жидкость, пар-жидкость-жидкость, а также модели для работы с твердыми веществами и пользовательские модели.

- Расчет термодинамических свойств. Модели и данные физических свойств играют ключевую роль в получении точных результатов моделирования. В Aspen Plus используются точные проверенные методы расчета физических свойств, которые позволяют моделировать широкий ряд процессов, начиная от простых идеальных систем и до сложнейших неидеальных смесей и электролитов. Встроенная база данных содержит параметры более чем 8500 компонентов из области органической и неорганической химии, а также более чем 37000 наборов бинарных коэффициентов для около 4000 двухкомпонентных смесей.

- Анализ сходимости. Aspen Plus автоматически анализирует и предлагает оптимальный вариант разрыва потока для расчета технологической схемы со множеством потоков и рециклов.

- Калькулятор. Включает возможность использования при расчете моделей языка FORTRAN и электронных таблиц Microsoft Excel.

- Расчетный анализ. Применяется для создания таблиц и графиков изменения показателей технологических процессов с целью выбора технических характеристик оборудования и условий ведения процесса. Специфика расчетных задач позволяет производить множественные вычисления с различными входными данными для сравнения и анализа результатов.

- Спецификации единиц оборудования. В Aspen Plus возможен автоматический расчет технологических условий ведения процесса или технических характеристик оборудования, при которых достигаются указанные пользователем значения спецификаций.

- Согласование данных модели с фактическими производственными данными.

- Определение технологических условий процесса, при которых достигается максимум любой заданной пользователем целевой функции, например, функции производительности установки, энергосбережения, чистоты продуктов или прибыли.

- Детальный проектный и поверочный расчет теплообменников. Aspen Plus имеет интерфейс к программам EDR, предназначенным для детального конструкционного расчета теплообменного оборудования.

Использование Aspen Plus дает значительный экономический эффект, подтвержденный результатами внедрения на предприятиях нефтегазовой промышленности. Программный пакет Aspen Plus позволяет проектировать установки, выявлять неисправности оборудования и повышать рентабельность предприятия.

Вышеупомянутые Aspen HYSYS и Aspen Plus входят в состав так называемого модуля проектирования AspenONE Engineering (также продаваемого как пакет программ Aspen Engineering Suite (AES) - интегрированного набора программных продуктов, разработанного специально для внедрения передового инженерного опыта, а также в целях оптимизации и автоматизации решения инженерных задач на уровне отдельной установки и всего предприятия). Вместе с ними в состав AES входят следующие программные продукты:

  1.  Aspen Plus Reformer - система моделирования, предназначенная для мониторинга, планирования и оптимизации установок каталитического риформинга. Она точно прогнозирует выход и свойства, получаемые из различного сырья при различных рабочих условиях. Система достоверно моделирует реакторы   и контур рециркуляции водорода процесса каталитического риформинга.
  2.  Aspen Plus CatCracker - полностью конфигурируемая модель установки каталитического крекинга, учитывающая кинетику более 40 одновременно протекающих реакций. Данная модель использует при расчетах 21 группу компонентов, а набор реакций включает крекинг парафинов, открытие нафтенового кольца, цепной крекинг алкиловых групп, конденсацию ароматических соединений, коксование при реакциях конденсации и коксование вследствие протекания реакции дегидрирования на «металлических центрах». Используются все основные компоненты установки каталитического крекинга: лифт - реактор, реактор и регенератор. Кроме того, можно задать различные конфигурации, отличающиеся количеством реакторов, регенераторов, сырьевых потоков, типов фракционирования и потоков рецикулирования.
  3.  Aspen HYSYS Hydrocracker - система мониторинга, планирования и оптимизации гидрокрекинга и установки гидроочистки. Она точно прогнозирует выход и свойства продукта для широкого спектра сырья и рабочих условий. Состав сырья определяется по легкодоступным свойствам, таким как плотность и ректификация, содержание серы и азота. Моделируются все основные реакции: гидроде- сульфирование, гидрогенизация, удаление металлов, насыщение олефинов и ароматических соединений, образование циклических соединений; размыкание, деалки- лирование циклических соединений, крекинг парафинов (всего 116 компонентов сырья и продукции) и изомеризация парафинов.
  4.  Aspen Flare System Analyzer позволяет инженеру проектировать новые факельные системы (рисунок 21), моделировать работу существующих и проверять их, устранять узкие места систем аварийного сброса и вентиляции любой сложности с произвольным количеством источников сброса. Программа может решить задачу определения минимально необходимых размеров факельных линий или отыскать участки действующей системы, на которых при аварийном сбросе возникнут проблемы. Рассматриваются и просчитываются различные сценарии сброса, что позволяет выработать оптимальную тактику и план действий в экстренных ситуациях.
  5.  Aspen Air Cooled Exchanger предназначена для расчета теплообменников различных типов с поперечным обтеканием пучка труб. Программа также производит расчеты коэффициентов теплопередачи и гидравлических сопротивлений для однофазных и двухфазных потоков, которые находятся в условиях нагрева или охлаждения, кипения или конденсации. Возможен расчет переохлажденных кипящих потоков и понижения температуры перегретого пара на влажной стенке. Нагреваемые/охлаждаемые потоки могут состоять из одного или из многих компонентов.
  6.  Aspen Fired Heater - универсальное средство для моделирования процессов теплопередачи, гидравлики и аэродинамики печных агрегатов, использующих газовое или жидкое топливо. Программа проводит поверочный расчет печи. В качестве исходных данных должны быть заданы геометрия печи, конструкция и размеры змеевиков, топливо, характеристики нагреваемых потоков. Если задается расход топлива, то температура выхода продукта пз радиантнои секции рассчитывается программой. Если же температура подогрева задается, то программа рассчитывает расход топлива. В обоих случаях рассчитываются теплообмен и гидравлические сопротивления для всех змеевиков конвективной и радиантной секции и аэродинамика дымового тракта.

- Aspen Shell & Tube Exchanger предназначена для проведения проектных и поверочных расчетов кожухотрубчатых теплообменников (рисунок 22), работающих с самыми разнообразными теплоносителями и хладагентами (см. также Aspen Air Cooled Exchanger). Дополнительно программа производит расчет вибрации труб.

  1.  Aspen Simulation Workbook - средство представления моделей, выполненных в среде Aspen HYSYS и Aspen Plus, в виде электронной таблицы Excel.
  2.  Aspen Online Deployment - для развертывания онлайн имитационных моделей;
  3.  Aspen Process Economic Analyzer - инструмент экономического расчета проектов и инвестиционного анализа.

Существует также модуль Manufacturing & Supply Chain (Управление производством и выполнение технологических операций).

Программные продукты aspenONE в совокупности используются для построения моделей и принятия бизнес - решений по результатам моделирования, а также обеспечивают:

  1.  Согласованность данных. Программные продукты aspenONE для инженерных расчетов и моделирования способствуют сокращению времени на реализацию проекта и делают процесс проектирования более удобным за счет взаимной интеграции и возможности обмена данными и знаниями между специалистами и менеджерами. Надежные средства моделирования дают большую уверенность в правильности принимаемых решений.
  2.  Связь проектирования, управления и бизнес - процессов. За счет открытой архитектуры программных продуктов aspenONE значительно расширяется сфера применения моделей, созданных в целях проведения инженерных расчетов. Эти модели могут быть использованы также для управления заводскими установками, оптимизации в реальном времени, планирования и принятия бизнес - решений.
  3.  Повышение производительности и улучшение качества инженерных расчетов. Обладая полными, мощными и современными средствами моделирования и оптимизации, обширными базами данных, библиотеками модульных операций, возможностями экономического анализа, программные продукты aspenONE для инженерных расчетов и моделирования позволяют значительно сократить время на решение инженерных задач.
  4.  Повышение рентабельности установок и сокращение периода окупаемости проекта. Точные термодинамические модели позволяют спроектировать оптимальные материальные, тепловые и вспомогательные потоки, подобрать подходящее для данного процесса оборудование, что помогает более эффективно использовать капиталовложения и повысить прибыль с минимальными дополнительными инвестициями.
  5.  Бизнес - прогнозирование. Программные продукты aspenONE для инженерных расчетов и моделирования позволяют точно оценивать различные варианты вложения инвестиций уже на ранних этапах разработки проекта. Все модели в программных продуктах aspenONE созданы на основе знаний технологических процессов и объединяют в себе все предыдущие инженерные инновации и достижения информационных технологий, и дают надежные результаты, проверенные на реальных промышленных установках.

Отметим несколько особенностей модуля проектирования AspenONE Engineering по следующим направлениям нефтегазовой отрасли:

Нефтедобыча

  1.  В составе комплекса Aspen HYSYS Upstream предложен новый патентованный модуль концептуального проектирования, который способен оперативно создавать модели технологических объектов нефтедобычи, уменьшая возможные риски при оценке различных проектных вариантов технологического оборудования на этапе проектирования технологического процесса.
  2.  Обладающие высокой точностью модели пластинчатых и спиралевидных теплообменников, имеющиеся в составе комплекса Aspen HYSYS, позволяют нефтедобывающим компаниям оптимизировать свои установки по производству сжиженного природного газа, анализировать актуальные проблемы их эксплуатации и предлагать на этой основе различные варианты технических решений.

Нефтепереработка

  1.  Новая библиотека, насчитывающая 180 образцов сырой нефти, позволяет специалистам по нефтепереработке получать точные и всесторонние характеристики многочисленных видов сырой нефти посредством преобразования данных HYSYS Oil Manager в данные HYSYS Petroleum Refining простым нажатием кнопки.
  2.  Точные модели печей компании Aspen, входящие в состав комплекса HYSYS, дают возможность специалистам по нефтепереработке анализировать существующие эксплуатационные ограничения, прогнозировать возможные выгоды от модернизации оборудования и повышать энергоэффективность за счет быстрого оптимального выбора сырой нефти, обеспечивающей максимизацию доходов.

Подбор реагентов

  1.  Модуль Aspen Plus обеспечивает экономию нескольких рабочих недель за счет быстрого сбора данных о свойствах смесей и параметрах фазового равновесия, необходимых для проверки адекватности и точной настройки моделей технологических процессов. В настоящее время Aspen Plus обеспечивает прямой доступ к данным более чем по 24 тысячам отдельных смешиваемых компонентов и 30 тысячам парных смесей.

Быстрая окупаемость затрат

  1.  Модули Aspen HYSYS и Aspen Plus ускоряют и упрощают обеспечение соответствия производства требованиям, регламентирующим выбросы СОг и других парниковых газов. Клиенты, использующие эти средства, могут регистрировать эти выбросы и оценивать их влияние на окружающую среду и экономику производства в СОг-эквиваленте. Система Aspen HYSYS содержит примеры новых методов переработки кислых газов, нацеленные на исключение СОг и сероводорода путем использования определенных способов дистилляции и соответствующих аминов.
  2.  С помощью аналитического модуля Aspen Energy Analyzer компании имеют возможность буквально за несколько минут рассчитывать показатели энергоэффективности своих технологических процессов, используя средства Aspen HYSYS и Aspen Plus. Модуль Aspen Energy Analyzer использует методы пинч-анализа для определения и сравнения различных способов достижения целевых показателей энергоэффективности.
  3.  В Aspen Integrated Economics вместе с Aspen HYSYS и Aspen Plus, клиенты могут теперь встраивать свои правила расчета затрат и подбора размеров с использованием соответствующих шаблонов. Это позволяет им легко и просто осуществлять экономическую оценку проектов в масштабе всей организации и стандартизировать собственные процессы на основе использования лучших достижений мировой практики.

Расширенные средства пользовательского интерфейса, реализованные в рамках модуля Aspen Flare System Analyzer, делают его более удобным в эксплуатации и более эффективным в разработке экономичных проектов при сохранении достигнутого уровня обеспечения безопасности и требуемых экологических характеристик.

Пакет динамического моделирования SimSci-Esscor

Пакет включает:

- комплексную программу динамического моделирования технологического процесса DYNSIM 

- FSIM Plus, применяемый в сочетании с DYNSIM для создания физической модели процесса (обучение операторов, предоставление среды для модификации/модернизации) и отладки РСУ на основе управляющего процессора I/A Series Foxboro;

- TRISIM Plus, который является средством виртуального моделирования контроллеров Triconex Trident и Tricon и в сочетании с DYNSIM применяется для создания физической модели процесса, обучения операторов и проверки безопасности и отладки турбокомпрессорного оборудования.

Подробнее опишем функционал DYNSIM как модельной основы остальных приложений пакета.

DYNSIM способствуют оптимизации инжиниринговых работ, включая проектирование, операционный анализ, динамическое моделирование, обучение операторов, повышение эффективности технологического процесса и поддержку процесса принятия административных решений на основе использования действующих в рамках предприятия технологий.

DYNSIM позволяет осуществлять высокоточное моделирование технологических процессов следующих промышленных установок:

  1.  нефтехимические установки;
  2.  нефтехимические процессы и этиленовые установки;
  3.  установки для сжижения газа и регазификации;
  4.  установки для сепарации нефти и газа, газогенераторные установки.

Сферы практического применения пакета динамического моделирования DYNSIM включают:

снижение нагрузок ректификационной колонны;

ввод в эксплуатацию компрессоров и анализ помпажных колебаний;

анализ разгерметизации;

системы подачи пара на нефтеперерабатывающих предприятиях;

анализ факельной системы;

- динамическое моделирование для обеспечения средств поддержки принятия решений.

Ключевые возможности DYNSIM следующие:

  1.  высокоточное моделирование технологического процесса;
  2.  точное и детальное применение законов термодинамики для обеспечения соответствия расчетным условиям и условиям эксплуатации;
  3.  легкость подключения к интерфейсам систем управления сторонних производителей;
  4.  построение интегрированных моделей / пользовательский интерфейс инструкторской станции;
  5.  широкие возможности практического применения: от инженерного анализа до обучения операторов.

Dynsim полностью использует современные стандарты программного обеспечения открытых систем для обеспечения интерфейсов с другими важными прикладными программами технологических установок, такими как тренажеры установившихся состояний и эмуляторы систем управления. Dynsim также легко соединяется с эмуляторами систем управления, такими как FSIM, чтобы обеспечить полноценную базу моделирования для систем обучения операторов. Уровень CORBA (англ. Common Object Request Broker Architecture - общая архитектура брокера объектных запросов, технологический стандарт написания распределенных приложений) ПО Dynsim упрощает обмен данными с любым CORBA-совместимым приложением.

Dynsim является продвинутым в своей возможности бесшовного масштабирования: от инжиниринга приложений, таких как разработка стратегий управления, до проверки РСУ и обучения операторов - все выполняется в одной и той же графической среде. Модульная архитектура ПО Dynsim и открытые стандарты позволяют Dynsim соответствовать требованиям, предъявляемым к моделированию.

- динамическое моделирование для обеспечения средств поддержки принятия решений.

Основанные на фундаментальных законах модели Dynsim, включающие в себя точные термодинамические расчеты и уравнения потоков жидкости, обеспечивают высокий уровень надежности и точности для динамического моделирования технологических процессов производ

ственных мощностей. Dynsim точно работает даже в случае наиболее сложных технологических компоновок и систем, используя надежный алгоритм принятия решений с возможностью высокоскоростной инициализации.

Преимуществами использования DYNSIM являются:

- снижение затрат на технологическое оборудование в условиях постоянного изменения требований современного производства;

- повышение безопасности работы предприятия благодаря анализу работоспособности факельной системы и системы сброса;

- обоснование стратегии управления технологическими процессами для снижения рисков в случае возникновения аварийных ситуаций;

- анализ процесса пуска, остановки и эксплуатации для уменьшения риска задержки запуска;

- планирование операций для предотвращения простоев производства и повышения эффективности;

- пакетная обработка при пробном прогоне системы;

- высокоточное моделирование технологического процесса для обеспечения подготовки операторов.

Существует также приложение DYNSIM Checkout. При структурной схожести с пакетом высокоточного моделирования DYNSIM, решение DYNSIM Checkout не требует подробных технических данных. Проведение высокоточного моделирования нередко оказывается невозможным из-за сжатых сроков пусковых работ. Упрощенное, приблизительное моделирование подходит при базовом тестировании, но оно позволяет провести эффективную единовременную проверку только одноконтурных устройств.

В отличие от жестких требований высокоточного моделирования, DYNSIM Checkout предлагает простой в использовании инструментарий для проверки и подтверждения надежности сложно взаимодействующих между собой контуров управления, а также комплексного управления на этапе приемочных испытаний. Кроме того, DYNSIM Checkout может использоваться для обучения оператора запуску и управлению оборудованием, применению блокировочных устройств, управлению процессом и определению рабочего состояния процесса, а также умению понимать показания различных сенсоров и устройств.

Ключевые возможности DYNSIM Checkout:

- робастные модели, не требующие жесткого применения законов термодинамики;

- удобный способ ввода данных, требующий лишь информации, которую можно найти в схемах трубной обвязки и КИП или в схемах технологического процесса;

- надежная работа моделей, допускающих использование недостаточно точной или неполной информации;

- преобразователь с функцией калибровки для регулирования параметров модели в соответствии с необходимыми техническими единицами;

- возможность автоматического создания моделей на базе технологии Intergraph Smart Р&ID.

Преимуществами использования DYNSIM Checkout являются:

  1.  проверка n подтверждение надежности системы управления до ее внедрения на предприятии;
  2.  многократное снижение затрат благодаря обеспечению безаварийного пуска;
  3.  моделирование средней точности, позволяющее уложиться в жесткий график работ по проекту, после чего оно может использоваться для эффективного производственного обучения без лишних затрат.

ChemCAD

Пакет моделирующих программ ChemCAD представляет собой инструмент для компьютерного моделирования химико-технологических процессов при разработке, модернизации и оптимизации химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Позволяет решать задачи расчетно-технологического проектирования для моделирования и расчета технологических схем с рециклическими потоками органических и неорганических веществ и непрерывных смесей (в случае нефтяных фракций), а также энергетических потоков и разработки технологического регламента для произвольного химико-технологического процесса.

ChemCAD включает в себя:

  1.  Базы данных по свойствам индивидуальных веществ (свыше 1900 компонентов) и различные методы их прогнозирования.
  2.  Программные модули для вычисления отсутствующих в базе данных свойств индивидуальных веществ и их смесей (а также параметров уравнений для их расчета) по минимальному объему экспериментальных данных и структурным формулам их молекул.
  3.  Базы данных по расчетным модулям типовых процессов химической технологии, протекающих в реакторах, абсорбционных, ректификационных и экстракционных колоннах (с тарелками и насадками различных типов, а также для случая совмещенных процессов хемосорбции и хеморектификации), дистилляционных аппаратах, теплообменниках различных типов (кожухотрубных и пластинчатых, аппаратах воздушного охлаждения и теплообменниках типа «труба в трубе»), компрессорах, насосах, фильтрах, центрифугах, дробилках, кристаллизаторах, циклонах, сушилках и др.
  4.  Расчетные модули для определения конструкционных параметров типового оборудования химических производств - колонных аппаратов, теплообменников, резервуаров, трубопроводов, диафрагм, аппаратов высокого давления и др.
  5.  Программные модули для проведения расчетных исследований и оптимизации технологических схем химических производств, в том числе и периодической ректификации.
  6.  Программные модули для расчета параметров динамических режимов химических реакторов и колонных аппаратов абсорбции и ректификации совместно с регуляторами и исполнительными устройствами.
  7.  Программные модули для расчета стоимости единиц оборудования химических производств.

ChemCAD позволяет создавать, анализировать и оптимизировать различные варианты технологического оформления производственных процессов, оценивать их эффективность и выбирать наилучший из них. Комплекс исследований с использованием ChemCAD дает возможность добиться удовлетворительного совпадения результатов расчетов с данными промышленных экспериментов, что позволяет решать задачи автоматического управления процессами и повышения эффективности действующих производств, определения оптимальных режимных и конструкционных параметров процессов в отдельных аппаратах с позиции всего производства в целом.

ChemCAD предназначен для:

  1.  подготовки оптимальных исходных данных по единицам оборудования и трубопроводным системам для рабочего инженерно-технического проектирования при создании новых, а также реконструкции и диверсификации действующих химических и нефтехимических производств;
  2.  исследования и оптимизации работы систем автоматического регулирования химико-технологических процессов, в том числе и в составе систем автоматизированного управления технологическими процессами (АСУТП);
  3.  разработки динамических моделей действующих технологических процессов, так называемых «виртуальных производств» при создании тренажеров для операторов и инженеров химических производств.
  4.  ChemCAD состоит из непосредственно базовой универсальной программы-ядра (СС- STEADY STATE), предназначенной для статического моделирования основных процессов, основанных на фазовых и химических превращениях (имеются средства расчета геометрических размеров и конструктивных характеристик основных аппаратов и оценки стоимости оборудования) и дополнительных модулей: CC-THERM, СС-ВАТСН, С С-DYNAMICS, CC-SAFETY.NET, СС- FLASH.
  5.  CC-STEADY STATE (рисунок 26) служит для моделирования, оптимизации, синтеза и расчетно-технологического проектирования действующих, реконструируемых и новых технологических схем производств органических и неорганических веществ, продуктов газо- и нефтепереработки с определением конструкционных параметров оборудования и капитальных затрат, а также для расчета материальных и тепловых балансов единиц оборудования и всего производства в целом с возможностью включения собственных расчетных модулей в программу вычислений.

CC-DYNAMICS (рисунок 29) служит для поверочно-оценочного расчета и моделирования динамических режимов абсорбционных и ректификационных колонн с учетом реальных условий массопереноса, а также периодических, полупериодических и непрерывных реакторов с мешалками, с различными вариантами теплообмена с рубашкой и другими конструкциями для организации теплообмена в реакторе. Предусмотрена возможность определения физико-химических констант для расчета микрокинетики процесса на основании экспериментальных данных и возможность расчета ректификационной колонны и реактора с мешалкой совместно с различными контурами управления (П, ПИ- и ПИД-регуляторы и исполнительные органы), включая каскадное регулирование.

Пакет оптимизации внутрипромысловой инфраструктуры Upstream Optimization Suite

(UOS)

UOS - это пакет для оптимизации внутри промысловой инфраструктуры от компании SIMSCI. Представляет собой набор интегрированного высококачественного инструментария, обеспечивающего процесс принятия решений на участке «пласт-сеть сбора» и включает в себя три приложения: PIPEPHASE, TACITE, NETOPT.

PIPEPHASE

PIPEPHASE - это программа моделирования стационарных режимов течения многофазных потоков в магистральных трубопроводах и системах транспортировки нефти и газа, использующая строгую модель первого порядка. Она представляет собой эффективный инструмент проектирования и разработки месторождений, сочетающий в себе современные аналитические методы и известные технологии разработки месторождений.

Программа позволяет проектировать новые системы и осуществлять мониторинг действующих систем, решать и предотвращать проблемы при транспортировании одно- и многофазных потоков. PIPEPHASE соединяет в себе испытанную технологию моделирования трубопроводных сетей с крупными и авторитетными банками данных физических свойств потоков. Программа строго моделирует трубопроводные системы сложной топологии.

PIPEPHASE используется проектными институтами, технологами на промыслах и инженерами по планированию освоения месторождений. Комбинация строгого описания и анализа потоков жидкостей с механизмом расчета и предсказания термодинамических характеристик позволяет использовать PIPEPHASE при разработке и эксплуатации нефтяных месторождений, а также при перекачке нефти и газа.


4 Регулятор

MPC (модель интеллектуального управления)

MPC - форма управления, в котором текущее управляющее воздействие получено путем решения он-лайн,  в каждый момент выборки, конечную проблему оптимального управления разомкнутого цикла, используя текущее состояние завода как начальное состояние; оптимизация дает оптимальную логику управления и первое управление в этой последовательности применено к заводу.

Виды MPC

■ Robust MPC- гарантирует выполнимость и устойчивость

■ Feedback MPC - смягчают уменьшение выполнимой области

■ Pre-computed MPC- кусочно-линейное решение хранится в базе данных или Решение офф-лайн с использованием параметрического (линейного или квадратичного) программирования

■ Decentralised MPC, как используется в автономном воздушном механизме -

Ускоряет вычисления.

Базовая структура MPC

Компоненты MPC

■ Прогнозирующая модель

■ Целевая функция

■ Получение закона управления

Что делает MPC успешным в промышленности

1 Он обрабатывает многомерные задачи управления

2 Он может принять во внимание ограничения исполнительных механизмов

3 обеспечивает работу ближе к ограничениям, следовательно, увеличивается

прибыль

4 Он имеет достаточно времени для он-лайн вычислений

5 Он может обрабатывать не-минимальные фазовые и неустойчивые процессы

Types of MPC

■ Linear MPC

1. Uses linear model:

x= Ax + Bu

2. Quadratic cost function:

F = xTQx + uTRu

3. Linear constraints:

Hx + Gu < 0

4. Quadratic program

■ Nonlinear MPC

1. Uses nonlinear model:

x= f(x, u)

2. Cost function can be

nonquadratic:F(x,u)

3. Nonlinear constraints:h(x,u) < 0

4. Nonlinear program [2]


Вывод

Сложность этого процесса включает аспект распределенности, нелинейность динамики и периодическое резервирование циркуляции газа. До этого момента, очень мало работ посвящено работе с такими процессами, особенно их многомерному оптимальному управлению. В данной работе, мы сравнили регуляторы LQR и MPC с наблюдателем высокого порядка. Основная проблема управления заключается в поддержании температуры в заданном диапазоне для того, чтобы реакция происходила полностью и не происходил перегрев. В случае больших входных возмущений, связанных со стохастическом изменении концентрации входного продукта, оба регулятора с наблюдателям оказываются робастными, поскольку поддержание температуры в заданных пределах теоретически возможно. Применение данных регуляторов актуально для промышленного применения. Поскольку LQR проводит оценку состояния (в то время как MPC напрямую оценивает входное возмущение) большое возмущение на входе приводит к тому, что качество переходных процессов с LQR регулятором выше. Использование LQR приводит к лучшему ведению процесса в сравнении с MPC: требуется меньше энергетических затрат, соответственно затрат газа. В тоже время алгоритм управления LQR регулятора проводит две несвязанные оптимизации, а алгоритм MPC - обобщенную оптимизацию по целевой функции, которая позволяет включать регламентные ограничения. Это делает MPC более удобным для применения его для задач многомерного управления в общем случае. (Это предложение для Вашего вывода не нужно).Было также показано, что что настройка MPC регулятора является непростой задачей для сложных процессов с большими возмущениями."


Література

  1.  Александров И.А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. - М.: Химия, 1981. - 352 с. ил.
  2.  Гартман Т.Н., Клушин Д.В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов / Учебное пособие для вузов. — М. : Академкнига, 2006. — 416 с.
  3.  Леффлер Уильям Л. Переработка нефти. — 2-е изд., пересмотренное / Пер с англ. — М.: ЗАО «Олимп—Бизнес», 2004. — 224 с: ил


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38513. Особливості маловідхідної технології вторинної переробки рудних пісків у балці «Крута» ВГМК 427 KB
  Значення вторинної переробки досить значне. По-перше ресурси багатьох матеріалів на Землі обмежені та не можуть бути заповнені в терміни, порівнянні з часом існування людської цивілізації. По-друге, потрапивши в навколишнє середовище, матеріали зазвичай стають забруднювачами.
38514. Описание технологического процесса изготовления детали «Муфта» 1019 KB
  Целью данной работы является: краткое описание характеристики цеха; описание оборудования приспособлений инструментов применяемых при изготовлении детали Муфта описание последовательности обработки детали Муфта назначение режимов резания при обработке детали составление технологической карты обработки; произвести обзор функций станков с ЧПУ описание программного обеспечения станков с ЧПУ тестирования и ввод коррекции станков с ЧПУ эксплуатации основных компонентов станков с ЧПУ методов наладки и контроля станка с ЧПУ...
38515. Цифрова обробка відеосигналу. Способи підключення відеопристроїв. mini-HDMI 5.02 MB
  Жорсткі диски того часу не перевершували обсягу одного CD а потужність процесора не дозволяла робити досить складних обчислень по розпакуванню звуку в реальному часі. Системи й методи цифрової обробки також розроблялися в оборонних галузях у першу чергу для рішення завдань радіолокації обробки гідроакустичних і телевізійних сигналів. Тому бажано щоб РКТ мав роз'єми DVI і HDMI 1. Види роз'ємів HDMI і кабелів Його досить часто можна зустріти на нових моделях комп'ютерів ноутбуків і телевізорів.
38516. Створення культурно розважального сайту міста Хмельницького 3.73 MB
  Виходячи з даних проблем у роботі даного вебсайту має бути розроблений сайт про культурно розважальне життя міста Хмельницького з усіма його подіями розважальними закладами та коротким описом. В ході дипломногопроетування було створено вебсай за допомогою якого користувачі можуть переглядати різні заклади для відпочинку а також різноманітні розважальні заходи що відбудуться у цих закладах чи інші події у місті Хмельницькому 1 Характеристика предметної області. Розглянемо похожі вебсайти на наявність переваг та недоліків.
38517. Раскрытие юридического механизма действия уголовно-правовой нормы об убийстве, совершенном при превышении пределов необходимой обороны 467 KB
  Равно как и тесно связанный с ним являющийся как бы его частью институт превышения пределов необходимой обороны.37 УК РФ не является преступлением причинение вреда посягающему лицу при защите личности и прав обороняющегося или других лиц интересов общества или государства от общественно опасного посягательства если при этом не допущено превышения пределов необходимой обороны. Стало быть превышение пределов необходимой обороны – действие преступное.
38518. Общие сведения работы на предприятии, санитарно-технические требования и пошаговое приготовление блюд (Борщ и куриные котлеты на косточке) 845 KB
  Исторически борщ — это национальное блюдо Древнего Рима, где специально для него выращивали много капусты и свеклы. Из Рима этот прекрасный суп постепенно проник в кулинарии многих народов мира, в каждой из них приобретая свои особенные национальные черты.
38519. Разработка базы данных «Кредитование клиентов» 430 KB
  Одной из постоянных проблем персональных компьютеров является нехватка памяти. Как правило, персональный компьютер мы используем в ежедневной работе, учебе, отдыхе, играх. Поэтому очень важно, чтобы ваш ПК имел достаточное количество памяти для хранения различного рода информации
38520. Разработка дизайн-проекта актового зала ГБОУ СПО (ССУЗ) «Златоустовский Металлургический колледж» а с учетом эргономических требований 20.98 MB
  Сначала роль электрической лампочки выполняли обычные свечи рисунок 1 позже им на смену пришел керосин рисунок 2 потом появились газовые фонари рисунок 3. Рисунок 1 – Свеча Рисунок 2 – Керосиновая лампа Рисунок 3 – Газовый фонарь Кованые фонари издавна использовались не только как средство освещения улицы или помещения но и как красивое украшение. Рисунок 4 Кованый фонарь Рисунок 5 Кованые фонари Рисунок 6 ...