2.2 Дослідження можливостей застосування програмних засобів для розрахунку та моделювання технологічних процесів в нафтогазовій галузі

Розробка і проектування сучасних технологічних процесів переробки природньої вуглеводородної сировини і оптимальна експлуатація діючих виробництв неможлива без застосування моделюючих програм, що мають високу точність опису параметрів технологічних процесів і дозволяють без значних матеріальних і часових витрат проводити дослідження цих процесів. Такі модельні дослідження мають величезне значення не тільки для проектування, але і для функціонування існуючих виробництв, тому що дозволяють врахувати вплив зовнішніх факторів (зміна складу сировини, зміна вимог до кінцевих і проміжних продуктів і т.д.) на показники діючих виробництв. У наш час інженерам-технологам доступна велика кількість програмних засобів моделювання хіміко-технологічних процесів. Ці засоби в основному розроблені фірмами США і Канади.

В основу всіх засобів моделювання закладені загальні принципи розрахунків матеріально-теплових балансів хімічних виробництв. Як правило, будь-яке виробництво складається зі стадій, на кожній з яких виробляється певний вплив на матеріальні потоки і перетворення енергії. Послідовність стадій звичайно описується за допомогою технологічної схеми, кожен елемент якої відповідає певному технологічному процесу (або групі спільно протікаючих процесів). З'єднання між елементами технологічної схеми відповідають матеріальним і енергетичним потокам, що протікають у системі. У цілому моделювання технологічної схеми засновано на застосуванні загальних принципів термодинаміки до окремих елементів схеми та до системи в цілому.

Будь-яка система моделювання включає набір наступних основних підсистем, що забезпечують рішення завдання моделювання хіміко-технологічних процесів:

• база даних термодинамічних даних по чистих і засобів, що дозволяють обирати певні компоненти для опису якісного складу робочих сумішей;

• засоби подання властивостей природних вуглеводородних сумішей, головним чином - нафти і газоконденсатів, у вигляді, прийнятному для опису якісного складу робочих сумішей, за даними лабораторного аналізу;

• різні методи розрахунку термодинамічних властивостей, таких як коефіцієнт фазової рівноваги, ентальпія, ентропія, щільність, розчинність газів і твердих речовин у рідинах і фугітивність пари;

• набір моделей для розрахунку окремих елементів технологічних схем - процесів;

• засоби для формування технологічних схем з окремих елементів;

• засоби для розрахунку технологічних схем, що складаються з великої кількості елементів, певним чином з'єднаних між собою;

• термодинамічні дані по чистих компонентах.

Ці дані, які необхідні для розрахунку термодинамічних властивостей, включають:

• критичні параметри і фактор ацентричності;

• молекулярну масу;

• щільність у точці кипіння або при стандартних умовах;

• температура кипіння при атмосферному тиску;

• константи для розрахунку ідеально-газової теплоємності або ідеально-газової ентальпії, енергії Гіббса, теплоти утворення і згоряння, в'язкості, поверхневого натягу, і т.п.

Звичайно, моделюючі системи мають вбудовані бази даних властивостей чистих компонентів. Число чистих компонентів звичайно перевищує 1000, що дає можливість використати програму практично для будь-яких випадків. На практиці, при рішенні завдань, характерних для газової і нафтової промисловості, використовуються не більше 50 компонентів.

Засоби подання й аналізу властивостей нафти і газових конденсатів необхідні, щоб на основі даних лабораторних досліджень властивостей нафти, газоконденсатів і нафтопродуктів одержати необхідні дані для адекватного подання цих сумішей у моделюючій системі. Потоки вуглеводнів можуть бути визначені за допомогою лабораторних даних розгонки. Ця інформація використовується для генерації набору дискретних псевдокомпонентів, які потім застосовуються для подання складу кожного потоку, що характеризується кривою розгону.

Зазвичай, моделююча система включає різні методи розрахунку термодинамічних властивостей. Дані методи містять у собі [19]:

• узагальнені кореляції, такі як метод розрахунку коефіцієнтів фазової рівноваги Чао-Сідера і метод розрахунку щільності рідини API;

• рівняння стану, такі як метод розрахунку Соава-Редліха-Квонга для коефіцієнта фазової рівноваги, ентальпій, ентропій і щільностей;

• методи коефіцієнтів активності рідини, такі як метод NRTL (Non-Random Two-Liquid - Невипадковий дворідинний) для розрахунку коефіцієнта фазової рівноваги;

• методи фугітивності пари, такі як метод Хайдена-О'Коннела;

• спеціальні методи розрахунку властивостей специфічних систем компонентів, таких як спирти, аміни, гліколі і системи кислої води.

Найбільш часто для моделювання процесів обробки природного газу і нафти використовується рівняння стану Пенга-Робінсона [20] і Соава-Редліха-Квонга [21] та їх модифікації. Ці методи дозволяють вирішити більшу частину проблем, що виникають при моделюванні завдань газопереробки.[22]

Від складу засобів моделювання окремих процесів залежать функціональні можливості всієї моделюючої системи. Як правило, всі моделюючі системи включають засоби для моделювання наступного набору процесів:

• сепарація газу та рідини (2-х рідин, що не змішуються);

• однократний випар і конденсація;

• дроселювання;

• адіабатичний стиск і розширення в компресорах і детандерах;

• теплообмін двох потоків;

• нагрівання або охолодження потоку;

• розгалуження й змішання потоків;

• процеси в дистиляційних колонах з можливістю подачі й відбору бічних матеріальних і теплових потоків: абсорбери, конденсаційні (зміцнювальні) колони, відпарні (вичерпні) колони, дистиляційні колони.

Програми дозволяють моделювати складні дистиляційні системи зі стріпінгами, бічними зрошеннями, підігрівниками і т.д., тобто вирішувати найбільш складні завдання первинної переробки нафти. Такого набору систем досить для моделювання основного кола завдань газопереробки.

За способом побудови технологічних схем з окремих елементів моделюючі програми можна розділити на системи з візуальним інтерфейсом і системи з табличним кодуванням. Перші дозволяють формувати схеми безпосередньо на екрані комп'ютера, вибираючи елементи зі списку і з'єднуючи їх у певному порядку. Табличне кодування передбачає послідовний вибір елементів і призначення вхідним і вихідним потокам адреси із загального списку потоків моделюємої схеми.

Будь-яке завдання моделювання еквівалентне великій системі нелінійних одночасно розв'язуваних рівнянь. Ця система включає розрахунок всіх необхідних термодинамічних властивостей для всіх потоків, витрат і складів із застосуванням обраних моделей розрахунку властивостей і процесів. Впринципі, можливе рішення всіх цих рівнянь одночасно, але в моделюючих системах звичайно використовується інший підхід: кожен елемент схеми вирішується із застосуванням найбільш ефективних алгоритмів, розроблених для кожного випадку.

При розрахунку системи взаємозалежних апаратів послідовність розрахунку елементів визначається автоматично (або може бути задана користувачем). При наявності рециклів створюється ітераційна схема, у якій рециклові потоки розриваються і створюється послідовність збіжних оцінних значень. Ці значення отримуються заміщенням величин, розрахованих при попередньому прорахунку схеми (метод Простого Заміщення) або шляхом застосування спеціальних методів прискорення розрахунку рециклів - Вегштейна (Wegstein) і Бройдена (Broyden).

Можливість проводити розрахунки в динамічному режимі дозволяє набагато краще зрозуміти сутність процесів, які моделюються. Можна зібрати і випробувати схему регулювання, дослідити пускові режими, одержати уявлення про реально працюючий процес і поведінку об'єкта в позаштатних ситуаціях, про вплив зміни робочих параметрів на якість продуктів.

Багато моделюючих програм дозволяють, після виконання стадії розрахунку технологічної схеми або окремого апарата, виконувати розрахунки гідравлічних й основних конструктивних характеристик сепараційного устаткування, ємностей, теплообмінних апаратур, тарільчастих і насадних ректифікаційних колон, а також виконувати оцінку вартості виготовлення кожного апарата.

У наш час провідні позиції на ринку займають продукти двох компаній – Simulation Sciences (SimSci) і Aspen Technologies.

Пакет динамічного моделювання SimSci-Esscor фірми SimSci включає в себе:

• Комплексну програму динамічного моделювання технологічного процесу DYNSIM;

• FSIM Plus, застосовуваний у поєднанні з DYNSIM для створення фізичної моделі процесу (навчання операторів, надання середовища для модифікації/модернізації) і налагодження РСУ на основі керуючого процесора I/A Series Foxboro;

• TRISIM Plus, який є засобом віртуального моделювання контролерів Triconex Trident і Tricon і в поєднанні з DYNSIM застосовується для створення фізичної моделі процесу, навчання операторів і перевірки безпеки і налагодження устаткування.

DYNSIM дозволяє здійснювати високоточне моделювання технологічних процесів нафтохімічних установок і процесів.

Ключові можливості DYNSIM наступні:

• Високоточне моделювання технологічного процесу;

• Точне і детальне застосування законів термодинаміки для забезпечення відповідності розрахунковим умовам і умовам експлуатації;

• Легкість підключення до інтерфейсів систем управління сторонніх виробників;

• Побудова інтегрованих моделей / користувальницький інтерфейс інструкторської станції;

• Широкі можливості практичного застосування: від інженерного аналізу до навчання операторів.

Aspen Technologies випускає пакет програм AspenONE V8.7, призначений для підвищення ефективності виробництва, а також проектування і моделювання технологічних процесів. Для моделювання технологічних процесів виділено 2 продукта: Aspen Hysys і Aspen Plus.

Aspen Hysys являє собою програмний пакет, призначений для моделювання в стаціонарному режимі, проектування хіміко-технологічних виробництв, контролю продуктивності обладнання, оптимізації та бізнес-планування в галузі видобутку та переробки вуглеводнів та нафтохімії.

Особливості Hysys:

• Зручний графічний інтерфейс (PFD - Process Flowsheet Diagram). У вікні програми в зручному для користувача вигляді зображується схема технологічного процесу;

• Точні термодинамічні моделі. Використання термодинамічних моделей Hysys дозволяє розрахувати фізичні властивості, транспортні властивості, фазовий рівновагу з гарантовано високою точністю. Програма містить велику базу даних з можливістю додавання користувацьких компонентів (наявність більше 20 різних методів розрахунку термодинамічних і фізичних властивостей; більше 2000 бібліотечних компонентів, більше 16000 пар бінарних коефіцієнтів);

• Відкрита архітектура. Hysys дозволяє створювати користувальницькі термодинамічні і кінетичні моделі, а також моделі одиниць обладнання за допомогою вбудованої мови програмування (аналога Visual Basic). Можливо підключати і використовувати спільно з програмою HYSYS власні програми (створені в середовищі Visual Basic, С ++, Excel), розширюючи її стандартні можливості і створюючи інтегровані системи технологічних розрахунків;

• Велика бібліотека модульних операцій. Hysys включає в себе статичні та динамічні моделі ректифікаційних колон, реакторів, теплообмінників, циклонів і фільтрів і, крім того, в Hysys можна використовувати логічні операції.

Додаткові модулі розширюють стандартні можливості Hysys. Завдяки відкритій архітектурі Hysys в якості додаткових модулів виступають як власні програми AspenTech, так і програми компаній-партнерів. Додаткові модулі дозволяють налаштувати Hysys з урахуванням специфіки конкретного виробництва. Для розрахунку і моделювання нафтохімічних процесів, Hysys може бути оснащений додатковими модулями: для моделювання в динамічному режимі - Aspen Hysys Dynamics, для розрахунків потоків нафти і колон АВТ - Aspen Hysys Crude і для розрахунку основних установок, застосовуваних у нафтопереробці - Aspen Hysys Petroleum Refining.

Aspen Plus являє собою програмний пакет, призначений для моделювання в стаціонарному режимі, проектування технологічних процесів, контролю продуктивності, оптимізації та бізнес-планування в галузі хімії, тонкого органічного синтезу, нафтохімії та металургії.

Aspen Plus містить в собі велику базу даних за фізико-хімічними властивостями речовин, моделі одиниць обладнання, а також можливості створення звітів, розробки користувальницьких моделей і спеціалізовані моделі. Система Aspen Plus дає можливість термодинамічного моделювання роботи різноманітних установок.

Aspen Hysys і Aspen Plus входять до складу так званого модуля проектування AspenONE Engineering - інтегрованого набору програмних продуктів, розробленого спеціально для впровадження передового інженерного досвіду, а також з метою оптимізації та автоматизації вирішення інженерних завдань на рівні окремої установки і всього підприємства, і тому він найбільше підходить для розробки систем управління нафтопереробкою.