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 й 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 й 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 й 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 й 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 й 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 лідируючі позиції на ринку займають продукти двох компаній – Simulation Sciences (SimSci) і Aspen Technologies.

Pro II й ProVision. Ці відомі програмні продукти розроблені американською фірмою Simulation Sciences Inc. Практично, в Pro II / ProVision закладені можливості моделювання майже всіх хімічних і нафтохімічних виробництв. Також є широкі можливості для роботи з розчинами електролітів. Є можливість проведення гідравлічних розрахунків сепараційного устаткування, реакторів, насадних і тарільчастих ректифікаційних колон. Фірма має у своєму арсеналі також пакет динамічного моделювання - Protiss, що зараз також доступний через інтерфейс ProVision. Крім цього, фірма пропонує пакет моделювання гідравліки нафтогазових родовищ, систем збору й транспорту нафти й газу - Pipeface. Фірма має ще ряд продуктів, у тому числі ROM (Rigorous Online Modeling), системи аналізу даних по родовищах нафти й газу.

Aspen Plus і Speed UP. Продукти американської компанії Aspen Technologies Inc. Ці системи широко відомі в США, у тому числі серед студентів хіміко-технологічних спеціальностей. Ці пакети розроблені для Unix-платформ DEC-alpha і Solaris (это всё устарело, сейчас у Вас он установлен наверняка вместе с Хайсисом и под Windows, по сути Aspen приближает два продукта по возможностям, но в целях совместимости оставляет их разными). Aspen Plus - система для статичного (и динамического тоже) моделювання процесів, заснованих на хімічному і фазовому перетворенні. Має широкий набір алгоритмів, що постійно розширюється, завдяки тому, що Aspen Plus є системою з відкритими стандартами. Система має розвитий графічний інтерфейс. Є можливість виконувати розрахунки основних конструктивних характеристик й оцінку вартості устаткування. Speed UP- система динамічного моделювання технологічних процесів, сумісна на рівні даних із платформою Aspen Plus. Обидві програми пакета зараз об'єднані в новітньому інтегрованому пакеті Dyna Plus.

Hysys й Hysim. У минулому продукти канадської компанії Hyprotech Ltd, а зараз Aspen Technologies Inc. Hysim є продуктом для платформи PC/DOS. Дозволяє виконувати статичне моделювання практично всіх основних процесів газо-, нафтопереробки й нафтохімії. Особливий акцент зроблений на роботу з рівнянням стану Пенга-Робінсона. Програма має розширений набір модифікацій рівняння стану Пенга-Робінсона, що включають роботу з несиметричними коефіцієнтами бінарної взаємодії й різних правил зсуву, модифікації для роботи з водою, гліколями й амінами. Пакет має оригінальний, досить досконалий алгоритм розрахунку ректифікаційних колон, практично не має обмежень відносно набору специфікацій, що задають, і складності колони. Програма має табличне введення даних, по якому потім будується зображення схеми у форматі AUTOCAD. Додатковий пакет Hyprop дозволяє ефективно обробляти експериментальні дані по властивостях чистих компонентів і потім використати отримані кореляції в розрахунках. В 1996 році фірма представила нову розробку – Hysys, розроблену спеціально для 32 розрядних платформ PC/Windows. Зараз вийшла 8 версія програми. Програма, поряд з можливістю статичного моделювання технологічних схем, дозволяє в тому ж середовищі робити динамічне моделювання окремих процесів і всього технологічного ланцюга, а також розробляти й налагоджувати схеми регулювання процесів. Є можливість виконувати розрахунки основних конструктивних характеристик сепараційного устаткування, ємностей, теплообмінних апаратур, тарільчастих і насадних ректифікаційних колон й оцінку вартості устаткування. Програма має розвинутий графічний інтерфейс, підтримує технологію OLE-2 і добре інтегрована з офісними додатками Microsoft.

Крім цих продуктів, на ринку програмних засобів для інженерного моделювання присутні продукти, що надають користувачеві значно менше можливостей, але досить, щоб вирішувати основне коло завдань інженера - технолога. Серед них: CHEMCAD, PROSIM, DESIGN II для Windows. Серед Російських програм слід зазначити дві розробки: КОМФОРТ й GIBBS. [23]

Сучасні засоби моделювання, які можуть бути використані для розробки, аналізу й проектування нових виробництв, і для аналізу роботи існуючих, досить різноманітні. Вони дозволяють автоматизувати практично всі стадії інженерної праці й звести до мінімуму витрати робочого часу, трудових ресурсів і коштів. При цьому поставлене завдання вирішується оптимально, з урахуванням накопиченого досвіду й даних. Зовсім очевидно, що конкурентний розвиток техніки і технології неможливо без широкомасштабного використання таких засобів моделювання як у проектних і дослідницьких організаціях, так і на виробництві.

Мне не очень нравится вторая часть р 2.3 в связи с отсутствием логики и системности изложения. Лучше было бы как-то динамику развития таких систем описать и сделать сравнительную таблицу. Но, как минимум, устраните фактические несответствия информации сегодняшней действительности про Aspen Plus. HySym есть вроде-бы для линукса, а не только под DOS.