Лекция 9 Применение систем автоматизации инженерных расчетов и моделирования в нефтегазовой отрасли

Применение моделирующих систем Общие направления применения моделирования в нефтегазовой отрасли: геолого-геофизические процессы поиска и разведки; добыча и подъем нефти и газа; транспортировка трубопроводным транспортом; технологические процессы переработки. С применением современных симуляторов технологических процессов в нефтегазовой отрасли решаются следующие задачи: анализ, оптимизация и синтез технологических систем нефтегазовой отрасли для проектируемых и действующих производств; исследование динамического поведения технологических систем для синтеза систем управления; разработка компьютерных систем обучения операторов нефтегазовых производств, в частности тренажерных комплексов.

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

Общие принципы моделирования в нефтегазовой промышленности «Изображение процесса» - графическое представление технологической схемы Видимая часть схемы представляет собой определенного вида принципиальную схему химического производства и содержит две категории объектов: единицы оборудования (аппараты), для расчета которых используют специаль­ные вычислительные алгоритмы; материальные и энергетические потоки, связывающие линиями единицы оборудования технологической схемы.

Общие принципы моделирования в нефтегазовой промышленности «Расчеты» - выполнение вычислений с применением реализованных в виде расчетных модулей алгоритмов решения задач компьютерного моделирования Невидимая часть технологической схемы позволяет при выделении каждого аппарата и каждого входного потока всего производства задать параметры для расчета свойств потоков, режимные и конструкционные параметры для расчетов аппаратов, а также параметры сходимости расчетов в используемых вычислительных алгоритмах.

Общие принципы моделирования в нефтегазовой промышленности «Расчеты» - выполнение вычислений с применением реализованных в виде расчетных модулей алгоритмов решения задач компьютерного моделирования Невидимая часть технологической схемы позволяет при выделении каждого аппарата и каждого входного потока всего производства задать параметры для расчета свойств потоков, режимные и конструкционные параметры для расчетов аппаратов, а также параметры сходимости расчетов в используемых вычислительных алгоритмах.

Общие принципы моделирования в нефтегазовой промышленности «Диаграмма процесса» - представление результатов выполненных расчетов в виде таблиц, графиков и диаграмм Результаты расчётов могут быть представлены в виде отдельных таблиц или гра­фиков для каждого аппарата или свойств любого потока, либо в виде комплексного отчёта, генерируемого пользователем, или диаграммы процесса.

Общие принципы моделирования в нефтегазовой промышленности Одним из наиболее важных результатов расчета технологической схемы всего производства является определение для него материального и теплового баланса. Требованиями, предъявляемыми к современным программам моделирования (симуляторам) являются: возможность создания пользователем собственного изображения единиц обо­ рудования (аппаратов) технологической схемы; наличие возможности включения в программный пакет собственных разрабо­ток, в частности, алгоритмов расчёта физико-химических свойств многокомпонент­ных смесей и алгоритмов расчёта единиц оборудования; интегрируемость программы с другими программными продуктами, прежде всего, с ис­пользуемыми для монтажно-технологического проектирования, например, с AutoCAD.

Состав моделирующих программ Состав моделирующих программ подчиняется требованию модульности (стандарт CAPE-OPEN (Open Computer Aided Process Engineering) – предназначен для согласования между собой компонентов универсальных моделирующих программ различных разработчиков. Он основывается на технологиях COM и CORBA. Непосредственно сам стандарт CAPE-OPEN является открытым, мультиплатформенным, унифицированным и бесплатно распространяемым. Схема типичной универсальной моделирующей программы (по стандарту CAPE-OPEN)

Состав моделирующих программ Большинство систем моделирования включает набор следующих основных подсистем: набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей; средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом – нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа; различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпия, энтропия, плотность, растворимость газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивность паров; набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем процессов; средства для формирования технологических схем из отдельных элементов; средства для расчета технологических схем, состоящих из большого числа элементов, определенным образом соединенных между собой.

Состав моделирующих программ: термодинамические данные по чистым компонентам Термодинамические данные по чистым компонентам включают: критические параметры и фактор ацентричности; молекулярная масса; плотность в точке кипения или при стандартных условиях; температура кипения при атмосферном давлении; константы для расчета идеально-газовой теплоемкости или идеально-газовой энтальпии, энергии Гиббса, теплоты образования и сгорания, вязкости, поверхностного натяжения и т.п. Данные необходимы для расчета термодинамических свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпия, энтропия, плотность, растворимость газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивность паров. 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.

Состав моделирующих программ: средства представления и анализа свойств нефтей и газовых конденсатов 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. Обычно данные разгонки состоят из: собственно данных разгонки (ИТК, ASTM D86, ASTM D1160 или ASTM D2887); данных по удельному весу (средний удельный вес и, возможно, кривая удельного веса) данных по молекулярному весу (если возможно), содержанию легких компонентов (если возможно) данных по специальным товарным свойствам (температура застывания и содержание серы) Эта информация используется для генерации набора дискретных псевдокомпонентов, которые потом применяются для представления состава каждого потока, характеризуемого кривой разгонки.

Состав моделирующих программ: средства представления и анализа свойств нефтей и газовых конденсатов Кривая разгонки Данные по компонентам

Состав моделирующих программ: методы расчета термодинамических свойств От состава средств моделирования отдельных процессов зависят функциональные возможности всей моделирующей системы. 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. Методы расчета термодинамических свойств методы включают в себя: обобщенные корреляции (метод расчета коэффициентов фазового равновесия Чао-Сидера, метод расчета плотности жидкости API); уравнения состояния (метод расчета Соава-Редлиха-Квонга для коэффициента фазового равновесия, энтальпий, энтропий и плотностей); методы коэффициентов активности жидкости (метод NRTL (Non-Random Two-Liquid неслучайное двужидкостное) для расчета коэффициента фазового равновесия; методы фугитивности паров (метод Хайдена-ОКоннела для димеризующихся веществ); специальные методы расчета свойств специфических систем компонентов (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.

Состав моделирующих программ: средства моделирования процессов От состава средств моделирования отдельных процессов зависят функциональные возможности всей моделирующей системы. Моделирующие системы включают средства для моделирования следующего набора процессов: сепарация газа и жидкости (двух несмешивающихся жидкостей); однократное испарение и конденсация; дросселирование; адиабатическое сжатие и расширение в компрессорах и детандерах; теплообмен двух потоков; нагрев или охлаждение потока; ветвление и смешение потоков; 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 колонн

Состав моделирующих программ: средства построения технологических схем из отдельных элементов По способу построения технологических схем из отдельных элементов моделирующие программы можно разделить на

Состав моделирующих программ: средства построения технологических схем из отдельных элементов Интерфейс пользователя во всех пакетах (графическое, табличное представление) позволяет работать с графом потоков и агрегатов посредством обращения и редактирования специальной таблицы, содержащей заданные пользователем алфавитно-цифровые идентификаторы потоков и их характеристики.

Состав моделирующих программ: 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 моделирующих системах обычно используется такой 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).

Состав моделирующих программ: динамическое моделирование По изменению параметров модели по времени моделирующие программы можно разделить на: 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.

Состав моделирующих программ: динамическое моделирование

Состав моделирующих программ: конструкция аппаратов Многие моделирующие программы позволяют, после выполнения стадии расчета технологической схемы или отдельного аппарата, выполнять расчеты гидравлических и основных конструктивных характеристик сепарационного оборудования, емкостей, теплообменной аппаратуры, тарельчатых и насадочных ректификационных колонн, а также выполнять оценку стоимости изготовления каждого аппарата. Это очень важно для выполнения стадии, как для проектных работ, так и предпроектных исследований, так как позволяет оптимизировать капиталоемкость разрабатываемой технологии.

Состав моделирующих программ: конструкция аппаратов Расчет теплообменного оборудования и его результат

Этапы работы моделирующей программы Моделирование химико-технологического процесса с использованием моделиру­ ющей программы включает в себя девять основных этапов:

Режимы работы моделирующей программы

Режим «Изображение процесса». Соответствует этапу «Построение технологической схемы» Каждой пиктограмме единицы обо­рудования соответствует алгоритм поверочно- оценочного и/или проектного расчета аппарата.

Режимы работы моделирующей программы Фрагменты палитр реж. «Изображение процесса» (слева-направо): ChemCAD, PRO II, HYSYS Соответствует этапу «Построение технологической схемы»

Режимы работы моделирующей программы Режим «Свойства веществ». Этап «выбор компонентов» Включение вещества в спи­сок компонентов 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, либо в базу данных могут быть введены пользовательские данные о свойствах вещества.

Режимы работы моделирующей программы Режим «Свойства смеси». Состав смеси

Режимы работы моделирующей программы Режим «Свойства смеси». Выбор методики термодинамического расчета для смеси Соответствует этапу «выбор термодинамических моделей». На этом этапе рассчитываются следую­щие свойства многокомпонентной смеси: равновесие пар (газ)-жидкость-твердое вещество и пар (газ)-жидкость-жид­кость- твердое вещество; энтальпия системы, желательно с учетом теплоты смешения жидкости; плотность и поверхностное натяжение жидкости; вязкость и жидкости и пара; теплопроводности жидкости и пара.

Режимы работы моделирующей программы

Режим «Задание данных». Задание состава потока Соответствует этапу «Задание параметров потоков питания» При задании параметров потоков питания необходимо задать их общий расход и состав. Одновременно в соответствии с правилом Гиббса должны быть заданы значения двух из трех параметров давления, температуры и доли пара в потоке. По указанным данным в программе автоматически определяется значение незаданного параметра потока питания и энтальпия потока.

Режимы работы моделирующей программы Режим «Задание данных». Задание параметров теплообменника

Режимы работы моделирующей программы Режим «Задание данных». Задание параметров колонны. Соответствует этапу «Задание параметров единиц оборудования» Необходимо задать исходные данные для расчета каждого аппарата: обязательные технологические и конструкционные параметры, количество ко­торых равно числу степеней свободы решаемой при расчете системы уравнений; технологические параметры, являющиеся начальными приближениями итера­ ционных алгоритмов расчета (задание их необязательно); параметры сходимости расчетов, которые заданы «по умолчанию».

Режимы работы моделирующей программы: режим «Расчеты» При расчете в моделирующей программе может быть решен следующий комплекс задач компьютерного моделирования: расчет отдельных единиц оборудования (аппаратов); расчет технологической схемы процесса, в том числе с рециклическими пото­ками; расчет технологической схемы процесса со статическими контроллерами об­ ратного/прямого действия позволяет обеспечить выполнение требований к производству в целом (например, получения продукта определенного состава) за счет изменения выбран­ного управляющего параметра до тех пор (например, расхода одного из потоков тех­нологической схемы или его температуры), пока условие, заданное для определен­ного технологического параметра требование к производству в целом, не будет выполнено); анализ параметрической чувствительности производства представ­ляет собой многократный расчет технологической схемы с оценкой влияния измене­ния входных переменных и параметров, определяющих состояние процесса, на вы­ ходные результирующие переменные, характеризующие состояние процесса; оптимизация химико-технологического процесса предусматривает выявление параметров и подбор их значений, позволяющих оптимизировать процесс в соответствии с выбранным критерием оптимальности (целевой функцией); расчет динамических режимов процессов предусматривает определение характера протекания процесса во времени, разработка системы управления и расчет параметров регуляторов и исполнительных устройств).

Режимы работы моделирующей программы Режим «Расчеты». Расчет потока. Соответствует этапу «Запуск программы моделирования»

Режимы работы моделирующей программы Режим «Расчеты». Расчет колонны Соответствует этапу «Запуск программы моделирования»

Режимы работы моделирующей программы Режим «Конструкционные расчеты». Расчет параметров кожухотрубного теплообменника

Режимы работы моделирующей программы

Режим «Таблица результатов». Результат расчета колонны

Режимы работы моделирующей программы Режим «Графики результатов»

Режимы работы моделирующей программы Режим «Диаграмма процесса»

Спасибо за внимание