Моделирование технологических и природных систем. Учебное пособие

систем при расслаивании жидкости на две фазы. Подсистема моделирования, заложенная в программе, позволяет не только менять конструкцию аппаратов, но и добавлять различные конструкционные элементы к существующей конфигурации или удалять их из этой конфигурации. Например, при расчете можно изменять конструкцию колонны, добавляя боковой отбор, в сепараторе рассмотреть возможность использования разных отбойных элементов.

HYSYS может быть интегрирована с другими моделирующими программами. Полная версия HYSYS включает три самостоятельных расчетных блока, каждый из которых может использоваться по отдельности: расчетный блок HYSYS, HYSYS Upstream (нефтегазодобыча) и HYSYS Refsys (нефтепереработка) [25]. Такая структура программного комплекса позволяет моделировать процесс движения углеводородного сырья от скважины до ГПЗ и НПЗ. В программе заложен модуль PIPESYS, позволяющий рассчитывать продуктовые и внутрипромысловые трубопроводы (аналог PIPEPHASE и PIPESIM). Также в HYSYS Upstream подсоединен модуль Aspen Hydraulics для моделирования любых трубопроводных сетей, основанный на программе ProFes [25]. Возможность модификации математических моделей под любую существующую установку позволяет использовать HYSYS для модернизации и оптимизации уже существующих производств.

HYSYS Crude Module™ предоставляет возможность рассчитывать колонны АВТ по данным лабораторных исследований, задавая состав потока (рис. 22).

Рис. 22. Программа HYSYS Crude Module

61

HYSYS Amines™ – специальная программа для расчета и проектирования установок аминовой очистки газов и смесей углеводородов от углекислого газа и сероводорода. Моделирование систем очистки основано на использовании электролитических моделей Li-Mather, которые описывают процесс абсорбции кислых газов растворами алканоламинов. Представленные в аминовом пакете математические модели являются более точными по сравнению с эмпирическими моделями

PIPESYS™ – специализированная программа расчета трубопроводных систем, разработанная канадской фирмой Neotec совместно с Aspentech. Совместима с программой HYSYS и может быть интегрирована в ее среду как дополнительный модуль.

Программа PIPESYS позволяет проектировать трубопроводы различной конфигурации, включая наклонные и вертикальные участки, для транспортировки однофазных, двухфазных и трехфазных сред. Данная программа в основном предназначена для расчета магистральных трубопроводов, но может также использоваться для внутризаводских транспортных систем.

На основе математических моделей и алгоритмов, заложенных в программе PIPESYS, можно проводить расчет и проектирование гидравлического сопротивления и температуры для разных перекачиваемых сред (рис. 23).

Рис. 23. Моделирование трубопроводных систем в программе PIPESYS

62

Программа позволяет рассчитать дополнительные элементы и характеристики трубопроводов: компрессор, насос, нагреватель, холодильник, боковой поток, регулятор, фитинг, контроль прохождения скребка, контроль пульсаций, контроль эрозии, задаваемые пользователем элементы [26].

В транспортной системе рассчитываются следующие основные параметры перемещаемых сред:

−профили и градиенты давления и температур по длине трубопровода;

−профили плотности газа и жидкости по участкам;

−средняя скорость газа и жидкости по участкам;

−режим течения (Stratified, Wave, Elongated Bubble, Slug, Annu-

lar-Mist, Dispersed Bubble, Bubble, Froth) [26].

Aspen Plus и Speed UP – программы американской компании Aspen Technologies Inc., которые малоизвестны в России [25, 26].

Aspen Plus – программа для моделирования статических процессов химического и фазового превращения. В программу, помимо базовых модулей, интегрированы дополнительные расчетные модули, позволяющие расширить графический интерфейс, выполнять расчет и подбор различных конструкций оборудования, анализировать альтернативные варианты по технологическим и экономическим показателям.

Speed UP – программа предназначена для моделирования динамических технологических процессов, совместима с Aspen Plus. В настоящее время эти программы объединены в новом пакете Dyna Plus [2, 6].

Aspen FLARENET – моделирующая система для расчета факельных установок. Программа позволяет проектировать системы сброса давления с любым количеством источников. В программе заложены расчетные модули, позволяющие оптимизировать проектируемую факельную сеть и использовать модели для повторного перерасчета сети сброса по мере изменений на установке.

Технические возможности FLARENET:

− моделирование сужающихся, расширяющихся и замкнутых схем;

63

−расчет любой произвольной комбинации источников сброса;

−моделирование источников сброса, местных сопротивлений и выходных точек;

−обновление базы данных компонентов;

−обновление модуля расчета термодинамики;

−графическое представление разработанной технологической схемы;

−предоставление информации о критических нештатных ситуа-

циях.

Aspen PIMS – программа для проектирования и оптимизации нефтехимических, нефтеперерабатывающих и химических предприятий. Программа позволяет осуществлять экономическое планирование производства с учетом выбора сырья и технологии.

Aspen PIMS позволяет для заданной конфигурации предприятия создавать динамические схемы последовательности технологических операций, используя комплексную оптимизацию, обосновывать принятое экономическое решение.

Программы PRO/II, INPLANT, VISUAL FLOW позволяют проек-

тировать любые нефтеперерабатывающие, нефтехимические и химические технологические процессы, могут быть использованы для определения энергопотенциала химических и нефтеперерабатывающих взрывоопасных производств.

Pro II и ProVision – в основном используются в нефтепереработке, но в программах заложены возможности [2, 6]:

– моделирования почти всех химических и нефтехимических производств;

– моделирования процессов с растворами электролитов;

– проведения гидравлических расчетов сепарационного оборудования, реакторов, насадочных и тарельчатых ректификационных колонн.

В программы могут быть интегрированы дополнительные модули, существенно расширяющие возможности Pro II и ProVision:

– пакет динамического моделирования – Protiss [6];

64

–пакет моделирования гидравлики нефтегазовых месторождений, систем сбора и транспорта нефти и газа – Pipeface [2];

–ROM (Rigorous Online Modeling), системы анализа данных по месторождениям нефти и газа [6].

Для расчета гликолевой осушки используется программный комплекс Promax или Aspen+. Promax – программа, изначально ориентированная на работу с сернистым газом, сероводородом и меркаптанами. PRO/II рекомендуется использовать для проектирования установок переработки тяжелой нефти. Для расчета в основном используется метод

Peng-Robinson и его вариации.

PLANT-4D – комплексная система автоматизированного проектирования и эксплуатации промышленных объектов различного назначения, технологических установок и технологических производств [6]. Программа включает следующие подсистемы:

1. Управление проектом – основной модуль, предназначен для контроля доступа пользователей, управляет работой других модулей

ипотоками данных, производит поддержку «сквозных» технологий проектирования, контролирует выполнение проекта и увязывает изменения при коллективной работе [6].

2. Схемы – предназначен для составления схем: структурных, блочных, функциональных, операторных, технологических, принципиальных.

3. Трубопроводы – предназначен для трехмерного моделирования транспортных систем и создает графическое изображение (чертежи, планы, разрезы) на основе трехмерных моделей.

4. ИзоГен – предназначен для разработки монтажных изометрических чертежей с использованием соответствующей трехмерной модели, выполненной в PLANT-4D Трубопроводы.

5. Оборудование/Конструкции – ориентирован на расчет и проектирование любого технологического оборудования и представления его на площадке. Модуль содержит библиотеки обечаек, днищ, штуцеров опор и других элементов, позволяющих осуществить сборку оборудования и размещение его в пространстве.

65

6.Конструкции металлические – необходим для расчета и проектирования различных металлоконструкций на всех стадиях разработки производства.

7.Виртуальная реальность, PLANT-4D Контроль коллизий –

предназначен для сборки проектируемого объекта в пространстве для устранения нарушений допустимых расстояний между элементами и их пересечения.

8.КИПиА – проектирование контроля и автоматики, имеет специальные функции обмена данными с PLANT-4D.

CHEMCAD (CHEMCAD – торговая марка ChemStations, Inc.).

Представляет собой пакет программ, позволяющий проектировать новые производства и оптимизировать существующие. Программа включает следующий набор расчетных модулей для определения конструкционных параметров технологического оборудования [27].

−CHEMCAD: базовый управляющий и расчетный модуль;

−СС-THERM: подсистема для расчета любого теплообменного оборудования;

−CC-BATCH: модуль для расчета и проектирования процессов ректификации любой степени сложности;

−СС-REACTC: модуль для расчета химических реакторов;

−СС-DCOLUMN: модуль для расчета и проектирования колонного оборудования с различными контактными устройствами и с контурами управления.

Достоинством программы является наличие подсистемы для проведения расчетных исследований и оптимизации химико-технологи- ческих систем любой степени сложности. Программа позволяет рассчитывать динамические режимы работы химико-технологических объектов.

CHEMCAD может работать в режимах offline (проектирования ХТС) и online (регулирования химико-технологических процессов действующих производств в составе автоматизированного управления технологическими процессами).

66

PROSIM – программа моделирования процессов газопереработки и нефтепереработки. Включает модули статического моделирования технологических процессов. В программе имеются подсистемы расчета стандартного оборудования [28].

PIPENET позволяет рассчитывать и проектировать неустановившиеся гидродинамические потоки, используется в нефтегазовой промышленности [6]. В программе можно создавать базы данных по оборудованию и веществам.

Российская программа КОМФОРТ предназначена для модели-

рования и проектирования различных химических производств. Позволяет рассчитывать процессы газофракционирования.

GIBBS – российская программа, предназначенная для проектирования процессов промысловой подготовки природных газов, в том числе для установок низкотемпературной сепарации и низкотемпературных детандерных заводов с частичным или полным фракционированием жидких углеводородов, установки процессов обработки газа с впрыском, сбором и регенерацией ингибиторов гидратообразования, промысловой и заводской подготовки и переработки газоконденсата и нефти, включая деэтанизацию, стабилизацию и фракционирование по топливному варианту, газофракционирование [6].

Таким образом, краткий обзор современных моделирующих программ показывает широкие возможности для проектирования и оптимизации новых производств за счет автоматизации расчетных и графических операций.

Контрольные вопросы

1.В чем преимущества модельной структуры программ?

2.На каких принципах основана блочная структура моделирующих систем?

3.Перечислите основные подсистемы специализированных программ.

4.Возможности HYSYS.

5.Какие расчетные модули включает программа CHEMCAD?

67

9.МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

ИПРОЦЕССОВ

Экологическое моделирование позволяет исследовать природные системы и механизмы их функционирования на математических моделях.

В экологическом моделировании выделяют три основные части:

−эмпирическая часть представлена экспериментальными данными, результатами наблюдений за природными объектами;

−теоретическая часть представлена в виде концепций объясняющих эмпирические данные;

−математическая часть создает математическое описание природных объектов.

Экологическое моделирование представлено двумя направлениями: а) моделирование взаимодействия организмов друг с другом и с

окружающей средой; б) моделирование, связанное с воздействием на окружающую

среду.

Математически описать поведение организмов в живой природе помогают закономерности развития популяций и сообществ. Цель создания экологических математических моделей заключается в анализе изучаемого процесса и прогнозировании реальных процессов.

Классическая экология изучает [4, 29]:

−взаимодействие организма и окружающей среды;

−взаимодействие особей внутри популяции;

−взаимодействие между особями разных видов (между популяциями).

Экологические математические модели разрабатываются с учетом особенностей биологических систем и специфики протекающих в них процессов. Моделирование экосистем основано на принципах общесистемного анализа. Выделение структурных элементов системы позволяет изучить взаимодействие элементов между собой и окружающей средой. Построение математического описания трофических цепей, процессов роста популяций основано на классических моделях в экологии.

68

Классические экологические модели описывают следующие биологические процессы:

1)скорость изменения популяций при внутривидовой конкуренции;

2)скорость изменения популяций при межвидовой конкуренции;

3)скорость изменения популяций для соотношений «жертва – хищник»;

4)скорость изменения популяций при изменении условий их существования.

5)моделирование продукционного процесса растений;

6)моделирование лесных сообществ.

Моделирование состояния окружающей среды представлено несколькими направлениями:

−моделирование загрязнения атмосферы промышленными выбросами при аварийных и штатных режимах функционирования предприятий;

−моделирование загрязнения водных объектов промышленными сбросами при аварийных и штатных режимах функционирования предприятий;

−моделирование загрязнения почвы;

−моделирование фильтрационных процессов распространения загрязнений в грунте для мест накопления отходов;

−глобальные модели.

9.1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭКОСИСТЕМ

Математическое описание экосистем основано на исследовании их структуры, состава и механизмах функционирования. Количественные зависимости взаимодействия элементов системы описываются с помощью законов сохранения массы и энергии. Математические модели отражают гипотезы о биологических и экологических процессах (рождаемость, смертность, пищевые цепи).

Фундаментальными свойствами экосистем и основой их функционирования на всех уровнях организации от клеточного до биогеоцено-

69

тического является пространственно-временная упорядоченность [30]. Модель позволяет качественно и количественно исследовать про- странственно-временную структуру реальной или виртуальной экосистемы, установить причинно-следственные связи. Экосистемы многопараметричны и исследовать их традиционными биологическими методами не всегда представляется возможным. Математическое моделирование позволяет построить модели систем любой степени сложности и имитировать поведение системы в разных условиях.

Большое количество исследований посвящено изучению динамики роста фитопланктона. Кинетика его роста хорошо изучена и описана количественно, а причины пространственного распределения не выяснены. Однако моделирование процессов изменения массы фитопланктона от параметров окружающей среды позволили разработать методологию моделирования кинетики роста водных растений. Были заложены основы пространственного распределения биогенных веществ с учетом гидродинамических факторов и антропогенной нагрузки на экосистему [31].

Математическое моделирование основано на экспериментальных исследованиях и определяет направление проводимых экспериментов. Математическое описание необходимо для прогнозирования последствий различных воздействий на изучаемые объекты. Моделирование на лабораторных моделях может дать ответы на некоторые вопросы, но эксперименты с природными экосистемами не допустимы. Поэтому адекватное математическое описание природных объектов позволяет просчитать вероятность различных ситуаций и предупредить деградацию экосистем.

Первая математическая модель описывала динамику изменения численности популяций. Описание колебательных, циклических процессов в биосистемах началось с модели «жертва – хищник». Начало количественного прогноза с помощью нелинейных моделей было положено уравнением Мальтуса (неограниченный рост), затем уточненной логистической моделью Ферхюльста – Пирла. Простейшая математическая модель популяционной динамики В. Вольтерра выводится на основе плотности численности популяции.

70