Средние составы потоков установки стабилизации конденсата одно­го из гпз приведены в табл. 6.2.

К недостаткам рассмотренной схемы относятся:

• низкая степень извлечения пропана (~75 %) из нестабильного кон­денсата;

• унос углеводородов С₃ и выше с газами дегазации и деэтанизации составляет до 100 г/м³;

• жесткая зависимость работы УСК от показателей УКПГ особенно при повышении температуры потока нестабильного конденсата;

• при большой газонасыщенности конденсата, используемого в каче­стве орошения, возможны ценообразование и унос тяжелых углеводо­родов газом деэтанизации в виде тумана и капельной жидкости.

Одной из основных особенностей работы установки и в целом ГПЗ является изменение состава и количества сырья во времени со сниже­нием пластового давления месторождения. Это необходимо учитывать при организации работы на длительный период, т.е. предусмотреть возможность изменения проектной схемы. Например, в период снижения количества сырья весь поток нестабильного конденсата в деэтанизатор подавать одним потоком (через теплообменник), а в качестве орошения использовать часть стабильного конденсата, предварительно охлажден­ного сырьевым потоком.

Стабилизацию сернистых конденсатов осуществляют по схемам, аналогичным схемам УСК бессернистых конденсатов. Отличие заклю­чается в их аппаратурном оформлении и параметрах режима, а также в необходимости ингибирования процесса коррозии в отдельных узлах установки. Основные отличия УСК сернистых конденсатов относятся к переработке выделенных из нестабильного конденсата газовых пото­ков. Главное требование — это отсутствие сероводорода в стабильном конденсате. Реализация получаемых из сернистых конденсатов серы и меркаптанов зачастую окупает все расходы на очистку конденсата и позволяет с максимальной эффективностью эксплуатировать газоконденсатные месторождения.

Лекция №3. Ректификационная колонна.

Неотъемлемой частью современного нефтеперерабатывающего завода является так называемая ректификационная колонна.

Функциональное назначение этой колонны – разделение многокомпонентных жидких смесей на отдельные компоненты. Ректификационная колонна позволяет проводить эту операцию непрерывно, с минимальной затратой труда, оборудования и энергии в виде топлива и тепла.

Принцип действия у колонны такой. Сначала сырая нефть из складского резервуара с помощью сырьевого насоса поступает в печь, где нагревается до температуры порядка 385⁰С (при этой температуре испаряется больше половины нефти). Полученная таким образом смесь жидкости и паров подается снизу ректификационной колонны.

Внутри ректификационной колонны находится набор тарелок, нагретых до определенной температуры. В тарелках проделаны отверстия. Благодаря этим отверстиям нефть может подниматься вверх.

Отверстия в тарелках снабжены барботажными колпачками. Они необходимы для того, чтобы пары, поднимающиеся через тарелки, барботировали через слой жидкости толщиной около 10 см, находящейся на тарелке.

При этом тепло поднимающихся пузырьков пара частично передается жидкости, в связи с этим температура паров снижается и, соответственно, некоторые соединения в парах конденсируются (сжижаются). Тот же процесс повторяется при переходе паров к следующей тарелке ректификационной колонны.

Избыток жидкости, возникающий таким образом на тарелках, ликвидируется с помощью сливного стакана, который позволяет перетекать лишней жидкости вниз на предыдущую тарелку.

На различных уровнях ректификационной колонны имеются боковые отводы для отбора фракций – более легкие продукты отбираются в верхней части колонны, а тяжелая жидкость выходит внизу.

Конструкция и принцип действия ректификационной колонны изображены на рисунке 4.

Рис. 4

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. Этот процесс называют орошением ректификационной колонны.

В свою очередь, чтобы избежать попадания легких продуктов, увлеченных током тяжелых в нижнюю часть колонны, 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 называют повторным испарением.

Схема этих процессов изображена на рисунке 5.

Рис. 5

Орошение и повторное испарение способствует более эффективному разделению фракций.

При анализе процесса перегонки нефти принципиально важной характеристикой являются границы кипения фракций. Так называют температуры, при которых продукты перегонки отделяются друг от друга.

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, можно предположить, что каждая фракция имеет две границы – ТНК и ТВ, со строго определенными значениями.

На самом же деле в применении к конкретной ректификационной колонне эти границы можно несколько смещать. Например, смещение границы между нафтой (лигроином) и керосином имеет следующие последствия. Пусть температурная граница сместилась с 160 ⁰С до 162 ⁰С. При этом, во-первых, изменятся объемы продуктов ректификации, выходящих из колонны – получится больше нафты и меньше керосина. Это произойдет благодаря тому, что фракция, кипящая в пределах 160 ⁰С и 162 ⁰С, теперь будет выходить через отверстие для нафты, а не для керосина.

Во-вторых плотность и нафты, и керосина увеличится. Это произойдет из-за того, что погон, который теперь переместился во фракцию нафты, тяжелее, чем нафта в среднем и одновременно легче, чем в среднем керосин.

После ректификации погоны, в качестве сырья, используются в других технологических процессах нефтепереработки. Возможные варианты использования фракций изображены на рисунке 6.

Рис. 6

Иными словами, если известно дальнейшее использование погона, то необходимо соответственно задать значения границ фракций, а значит и температуру тарелок ректификационной колонны.

ВЫВОД: Внутрь поступает сырая нефть, а наружу выходят углеводородные газы (бутан и более легкие газы), бензин, нафта (лигроин), керосин, легкий газойль, тяжелый газойль и кубовый остаток.

Как уже отмечалось ранее, важным и определяющим параметром работы ректификационной колонны является температура ее тарелок. Совокупность температур всех тарелок ректификационной колонны называется температурным режимом.

Рис. 7 Пример работы ректификационной колонны с орошением

Температурные режимы в ректификационной колонне регулируются, так называемыми, циркуляционными орошениями, (подачей охлаждающей жидкости орошающей жидкости).

Изменение расхода орошающей жидкости может производиться двумя способами:

1. Клапанный способ. При этом способе давление в трубопроводах нагнетается центробежными насосами с приводными нерегулируемыми двигателями, работающими в номинальном режиме. Расход регулируется за счет введения дополнительного гидравлического сопротивления (управляемый клапан);

2. Управление расходом орошающей жидкости осуществляется с помощью регулирования скорости вращения вала приводного двигателя насоса.

На рисунке 8 дана принципиальная схема объекта при регулировании расхода первым способом. Обычно таким объектом является участок трубопровода между точкой измерения расхода (например, местом установки сужающего устройства 1) и регулирующим органом 2. Длина этого участка определяется правилами установки сужающих устройств и регулирующих органов и составляет обычно несколько метров. Динамика канала «расход вещества через клапан — расход вещества через расходомер» приближенно описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием ( ). Время чистого запаздывания обычно составляет доли секунд для газа и несколько секунд — для жидкости; значение постоянной времени — несколько секунд.

Рис. 8

На рисунке 9 показана структурная схема системы регулирования расхода.

Рис. 9

Ввиду малой инерционности объекта регулирования особые требования предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчета АСР (автоматизированной системы регулирования). В частности, в промышленных установках инерционность цепей контроля и регулирования расхода становится соизмеримой с инерционностью объекта, и ее следует учитывать при расчете систем регулирования.

Приближенная оценка чистого запаздывания и постоянных времени отдельных элементов цепи показывает, что современные первичные преобразователи расхода, построенные на принципе динамической компенсации, можно рассматривать как усилительные звенья. Исполнительное устройство аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка, постоянная времени которого составляет несколько секунд, причем быстродействие исполнительного устройства существенно повышается при использовании позиционеров. Импульсные линии, связывающие средства контроля и регулирования, аппроксимируются апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием, параметры которого определяются длиной линии и лежат в пределах нескольких секунд. При больших расстояниях между элементами цепи необходимо по длине импульсной линии устанавливать дополнительные усилители мощности (так как можно растерять сигнал).

Вследствие малой инерционности объекта рабочая частота может оказаться выше максимальной, ограничивающей область нормальной работы промышленного регулятора, в пределах которой реализуются стандартные законы регулирования. За пределами этой области динамические характеристики регуляторов отличаются от стандартных, вследствие чего требуется введение поправок на рабочие настройки с учетом фактических законов регулирования.

Выбор законов регулирования диктуется обычно требуемым качеством переходных процессов. Для регулирования расхода без статической погрешности в одноконтурных АСР применяют ПИ — регуляторы. Если АСР расхода является внутренним контуром в каскадной системе регулирования, регулятор расхода может осуществлять П-закон регулирования.

Рис. 10 Схема регулирования расхода после центробежного насоса.

При наличии высокочастотных помех в сигнале расхода применение регуляторов с дифференциальными составляющими в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала может привести к неустойчивой работе системы. Поэтому в промышленных АСР расхода применение ПД – или ПИД – регуляторов не рекомендуется. Так как дифференциальная составляющая регулирования увеличивает погрешность как измерения, так и регулирования. Рассмотренный принцип регулирования расхода жидкости положен в основу регулирования температуры тарелок ректификационной колонны.

Рассмотрим систему регулирования расхода орошающей жидкости по второму способу. Это, в подавляющем большинстве случаев, система с подчиненным регулированием координат, где внешним контуром регулирования является контур расхода.

В состав объекта управления контура регулирования расхода входят замкнутый контур регулирования скорости вращения двигателя (обычно в таких расчетах это пропорциональное звено), интегростатическое звено с передаточной функцией , преобразующее скорость вращения электродвигателя в расход орошающей жидкости. Структурная схема контура регулирования расхода с передаточной функцией регулятора расхода R(s) приведена на рисунке 11.

Рис. 11

Температура в ректификационной колонне напрямую зависит от количества поступающей в нее орошающей жидкости.

Насосы работают во взаимосвязи, то есть температура на вышестоящей тарелке ректификационной колонны зависит от температур на нижестоящих тарелках, которые, в свою очередь, зависят от расхода отдельных орошающих потоков. Введем в рассмотрение понятие «оптимальной» средней температуры в колонне, которая будет лучшим образом отражать взаимосвязь расходов орошающих потоков, а, следовательно, и взаимосвязь работы насосов. Эта взаимосвязь может быть, в простейшем случае, описана уравнениями:

, (*)

где t1 и t2 – температуры на двух разных тарелках ректификационной колонны, соответственно; F1 и F2 – расходы орошающей жидкости, подаваемые на эти тарелки ректификационной колонны, соответственно;

Таким образом, взаимосвязь расходов орошающих потоков, а, следовательно, и взаимосвязь работы насосов, исходя из уравнений (*), можно изобразить структурной схемой изображенной на рисунке 12.

Рис. 12

На рисунке К1 и К2 – коэффициенты приводящие температуру на тарелках колонны в соответствие с расходами орошающей жидкости. В общем случае уравнение (*) – нелинейное, а реализация систем управления нелинейными объектами затруднена. Этим вопросом в настоящее время занимаются специалисты в области управления взаимосвязанными объектами.

В общем виде передаточную функцию ректификационной колонны для создания математической модели АСУТП можно записать в виде: .