Помощь студентам в учебе
Динамическое моделирование установки подготовки нефти и газа
|
Введение 15
1 Теоретическая часть 18
1.1 Обзор литературы 18
1.2 Машины и оборудование для подготовки ПНГ 21
1.2.1 Стадия сепарации 22
1.2.2 Стадия компримирования 27
1.2.3 Стадия охлаждения 29
1.3 Технологическая схема взаимодействия УПН и ГКС 30
1.3.1 Проблемные участки схемы подготовки ПНГ 38
1.4 Моделирование технологических процессов 40
1.4.1 Отечественное программное обеспечение для
моделирования технологических процессов 41
1.4.2 Выбор платформы для проведения расчетно-аналитической
части 42
2 Разработка и анализ цифрового двойника в моделирующей
системе Aspen Hysys 45
2.1 Список компонентов и выбор термодинамического пакета 45
2.2 Задание потока и модульных операций 48
2.3 Задание характеристик для аппаратов и оборудования.
Оценка достоверности и запуск расчетов 52
2.4 Проверка гипотез и поиск оптимального технологического
режима 55
3 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение 64
3.1 Определение размера капитальных вложений 64
3.2 Расчет эксплуатационных затрат 67
3.3 Амортизация основных средств 67
3.4 Расчет налога на добычу полезных ископаемых 69
3.5 Налог на имущество организаций 70
3.6 Оценка экономической эффективности проекта 70
Вывод по разделу 72
4 Социальная ответственность 73
4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности . 74
4.1.1 Правовые нормы трудового законодательства 74
4.1.2 Эргономические требования к правильному расположению
и компоновке рабочей зоны 75
4.2 Производственная безопасность 77
4.2.1 Вредные факторы 78
4.2.2 Опасные факторы 83
4.3 Экологическая безопасность 85
4.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 88
Вывод по разделу 90
Заключение 91
Список публикаций обучающегося 94
Список использованных источников 95
Приложение А 100
Приложение Б 117
Приложение В 118
Приложение Г 119
1 Теоретическая часть 18
1.1 Обзор литературы 18
1.2 Машины и оборудование для подготовки ПНГ 21
1.2.1 Стадия сепарации 22
1.2.2 Стадия компримирования 27
1.2.3 Стадия охлаждения 29
1.3 Технологическая схема взаимодействия УПН и ГКС 30
1.3.1 Проблемные участки схемы подготовки ПНГ 38
1.4 Моделирование технологических процессов 40
1.4.1 Отечественное программное обеспечение для
моделирования технологических процессов 41
1.4.2 Выбор платформы для проведения расчетно-аналитической
части 42
2 Разработка и анализ цифрового двойника в моделирующей
системе Aspen Hysys 45
2.1 Список компонентов и выбор термодинамического пакета 45
2.2 Задание потока и модульных операций 48
2.3 Задание характеристик для аппаратов и оборудования.
Оценка достоверности и запуск расчетов 52
2.4 Проверка гипотез и поиск оптимального технологического
режима 55
3 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение 64
3.1 Определение размера капитальных вложений 64
3.2 Расчет эксплуатационных затрат 67
3.3 Амортизация основных средств 67
3.4 Расчет налога на добычу полезных ископаемых 69
3.5 Налог на имущество организаций 70
3.6 Оценка экономической эффективности проекта 70
Вывод по разделу 72
4 Социальная ответственность 73
4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности . 74
4.1.1 Правовые нормы трудового законодательства 74
4.1.2 Эргономические требования к правильному расположению
и компоновке рабочей зоны 75
4.2 Производственная безопасность 77
4.2.1 Вредные факторы 78
4.2.2 Опасные факторы 83
4.3 Экологическая безопасность 85
4.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 88
Вывод по разделу 90
Заключение 91
Список публикаций обучающегося 94
Список использованных источников 95
Приложение А 100
Приложение Б 117
Приложение В 118
Приложение Г 119
Актуальность темы. Развитие топливно-энергетического комплекса Российской Федерации, в том числе нефтегазового сектора дает импульс к применению всё более продвинутых инструментов и решений, предоставленных нам новой технологической эпохой промышленности, так называемой «Индустрией цифровизации 4.0». Этим термином принято обозначать технологии эпохи четвёртой промышленной революции.
Применение умных компьютерных систем, цифровых технологий и в какой-то степени искусственного интеллекта позволяет компаниям масштабно оптимизировать всё, начиная с бизнес-процессов, заканчивая жизнедеятельностью объектов промысла.
Для управления, контроля и оптимизации производительности объектов промышленного предприятия в настоящее время активно применяется система цифрового промысла: внедрение цифровых двойников, анализ математических моделей технологического процесса взаимодействия машин и оборудования позволяет оптимизировать процессы, повысить надежность и безотказность. В частности, это касается объектов добычи и подготовки нефти и газа, где правильно подобранный технологический режим и параметры работы оборудования выходят на первый план и играют ключевую роль в эффективности деятельности всего предприятия.
Целью выпускной квалификационной работы магистранта является разработка и анализ цифровой динамической модели установки подготовки нефти и газа.
Сформулирована гипотеза о том, что разработанный цифровой двойник поможет выявить «узкие» и уязвимые места процесса подготовки попутного нефтяного газа, а также подобрать наиболее оптимальный вариант модернизации технологической схемы и параметров технологического режима для повышения надежности и увеличения межремонтного интервала компрессорных установок, за счет сокращения внеплановых останов.
Объектом исследования является действующая установка подготовки нефти и газа.
Предметом исследования является динамическая модель установки.
В соответствии с указанной целью в работе были поставлены следующие задачи:
1. Литературный обзор по инновационным подходам к повышению качества подготовки попутного нефтяного газа на УПНГ;
2. Подробный разбор технологических машин и оборудования для подготовки газа;
3. Анализ взаимодействия технологических машин и оборудования УПН и ГКС;
4. Выбор программного обеспечения для моделирования процессов, краткое описание и функционал;
5. Выполнение расчетной-экспериментальной части с составлением рекомендаций по модернизации технологической схемы либо изменению режимных параметров;
6. Расчет ресурсной эффективности, оценка затрат на внедрение системы цифрового моделирования;
7. Анализ опасных и вредных факторов и вопросов обеспечения безопасности при работе на установке подготовки нефти и газа.
Научная новизна работы заключается в разработке функционально-ориентированной, цифровой математической модели процесса подготовки нефтяного газа по контролируемым косвенным параметрам технологического процесса и эпизодической уточняющей коррекцией по результатам лабораторных анализов.
Практическая значимость работы состоит в том, что улучшение качества подготовки попутного нефтяного газа перед его непосредственным поступлением в зону компримирования, повышает долговечность клапанной сборки цилиндров первых ступеней сжатия поршневого компрессора, путем сокращения содержания в компонентном составе жидких фракций.
Теоретической и методологической основой работы являются патентные документы, научные публикации, методы математического и компьютерного моделирования, технологический регламент установки подготовки нефти и газа, технические паспорта изделий и сосудов, работающих под давлением, карты технологического контроля газа из разных точек схемы, свод параметров с пультов автоматизированного рабочего места операторов УПН и ГКС.
Публикации. По теме диссертационного исследования автором опубликованы статьи в журналах, рекомендованных в действующем перечне РИНЦ, подтвержденные дипломами различных степеней.
Применение умных компьютерных систем, цифровых технологий и в какой-то степени искусственного интеллекта позволяет компаниям масштабно оптимизировать всё, начиная с бизнес-процессов, заканчивая жизнедеятельностью объектов промысла.
Для управления, контроля и оптимизации производительности объектов промышленного предприятия в настоящее время активно применяется система цифрового промысла: внедрение цифровых двойников, анализ математических моделей технологического процесса взаимодействия машин и оборудования позволяет оптимизировать процессы, повысить надежность и безотказность. В частности, это касается объектов добычи и подготовки нефти и газа, где правильно подобранный технологический режим и параметры работы оборудования выходят на первый план и играют ключевую роль в эффективности деятельности всего предприятия.
Целью выпускной квалификационной работы магистранта является разработка и анализ цифровой динамической модели установки подготовки нефти и газа.
Сформулирована гипотеза о том, что разработанный цифровой двойник поможет выявить «узкие» и уязвимые места процесса подготовки попутного нефтяного газа, а также подобрать наиболее оптимальный вариант модернизации технологической схемы и параметров технологического режима для повышения надежности и увеличения межремонтного интервала компрессорных установок, за счет сокращения внеплановых останов.
Объектом исследования является действующая установка подготовки нефти и газа.
Предметом исследования является динамическая модель установки.
В соответствии с указанной целью в работе были поставлены следующие задачи:
1. Литературный обзор по инновационным подходам к повышению качества подготовки попутного нефтяного газа на УПНГ;
2. Подробный разбор технологических машин и оборудования для подготовки газа;
3. Анализ взаимодействия технологических машин и оборудования УПН и ГКС;
4. Выбор программного обеспечения для моделирования процессов, краткое описание и функционал;
5. Выполнение расчетной-экспериментальной части с составлением рекомендаций по модернизации технологической схемы либо изменению режимных параметров;
6. Расчет ресурсной эффективности, оценка затрат на внедрение системы цифрового моделирования;
7. Анализ опасных и вредных факторов и вопросов обеспечения безопасности при работе на установке подготовки нефти и газа.
Научная новизна работы заключается в разработке функционально-ориентированной, цифровой математической модели процесса подготовки нефтяного газа по контролируемым косвенным параметрам технологического процесса и эпизодической уточняющей коррекцией по результатам лабораторных анализов.
Практическая значимость работы состоит в том, что улучшение качества подготовки попутного нефтяного газа перед его непосредственным поступлением в зону компримирования, повышает долговечность клапанной сборки цилиндров первых ступеней сжатия поршневого компрессора, путем сокращения содержания в компонентном составе жидких фракций.
Теоретической и методологической основой работы являются патентные документы, научные публикации, методы математического и компьютерного моделирования, технологический регламент установки подготовки нефти и газа, технические паспорта изделий и сосудов, работающих под давлением, карты технологического контроля газа из разных точек схемы, свод параметров с пультов автоматизированного рабочего места операторов УПН и ГКС.
Публикации. По теме диссертационного исследования автором опубликованы статьи в журналах, рекомендованных в действующем перечне РИНЦ, подтвержденные дипломами различных степеней.
Проведен анализ взаимодействия технологических машин и оборудования УПН и ГКС, рассмотрен технологический процесс подготовки попутного нефтяного газа. При подробном изучении эксплуатации и обслуживания объектов установки подготовки нефти и газа были сформулированы 3 гипотезы, о вероятных факторах, негативно влияющих на надежность и бесперебойность работы поршневых компрессоров газокомпрессорной станции. Данные гипотезы были вынесены на разбор в выпускной квалификационной работе магистранта. Для их подтверждения или опровержения была изучена теоретическая база и научные исследования о создании цифровых двойников промышленных процессов. В моделирующей системе Aspen Hysys разработана динамическая модель процесса подготовки ПНГ - инструмент для проведения исследований по влиянию управляющих параметров на работу всех звеньев цепочки подготовки с возможностью отслеживания технологических показателей переходных процессов в режиме реального времени. Для повышения адекватности расчетов для каждого сепарационного аппарата модели была решена обратная задача по нахождению коэффициентов уноса на основе ранее собранных экспериментально-лабораторных данных.
Разработанный цифровой двойник поспособствовал в выявлении и подробном анализе «узких» и уязвимых мест процесса подготовки попутного нефтяного газа: экспериментально-расчетным путем были подтверждены гипотезы о значительном негативном влиянии газа выветривания с площадки емкостей ГКС на характеристики газа, поступающего к поршневым компрессорам: плотность газа при стандартных условиях на входе в КУ меняется с 1,059 кг/м3 на 1,077 кг/м3, содержание углеводородов C3+ увеличивается с 412 г/м3 до 450 г/м3 и это при небольшом расходе - 300 м3/час.
Гипотеза о влиянии перемычки между линией скомпримированного газа и линией подачи газа от УПН, для обеспечения регулирования производительности компрессорных установок посредством дросселирования с 8,5 МПа до 0,28 МПа и перепуска газа не подтвердилась.
Наиболее наглядное подтверждение в ходе моделирования и анализа переходных процессов нашла гипотеза о проблемах рационального использования низконапорного жирного попутного нефтяного газа крайней очереди сепарации с УУЛФ. В процентном соотношении ПНГ с установки улавливания легких фракций составляет 15 % от всего объема газа, поступающего к компрессорным установкам ГКС. Было выявлено, что вследствие достаточно высоких температур на всех стадиях подготовки низконапорного газа разделение фаз происходит неэффективно, из-за чего в общий поток ПНГ поступает слабо подготовленный газ с УУЛФ, оказывающий разрушительное воздействие на многие компоненты клапанной сборки цилиндров компрессора.
На цифровом двойнике был смоделирован сценарий возможной модернизации технологической схемы и параметров УУЛФ: изменена уставка регулирующего клапана по перепуску ПНГ ВД с ГС-1 к УУЛФ, в результате которого давление на входе в УУЛФ возросло до показателей 40 кПа. С повышением давления увеличивается разность плотностей между газом и жидкостью. Это, в свою очередь, увеличило скорость оседания капель жидкости и повысило эффективность сепарации во входном сепараторе УУЛФ - Ci. После прохождения газом 1 ступени сжатия было успешно опробовано подобие низкотемпературной сепарации, при котором газ на АВО охлаждается до 10 °C, вместо 40 °C. При понижении температуры, вязкость газа повышается, что приводит к повышению сопротивления и повышению эффективности разделения фаз соответственно. Повысилась эффективность сепарации на С2, отбивается порядка 0,7 м3/час, что в 2 раза больше, чем при нынешнем технологическом режиме. Для соблюдения регламентных ограничений, а именно температурных уставок был смоделирован кожухотрубный теплообменник на выходе газа с С3, для поддержания температуры газа на нагнетании УУЛФ выше 60 °С. Показатели компонентного состава и плотности газа на выходе с УУЛФ после модернизации значительно превосходят те показатели, что наблюдались ранее (плотность при ст. условиях уменьшилась на 12 %, содержание тяжелых углеводородов C3+ в составе уменьшилось на 18 %). Плотность газа на входе в КУ уменьшилась с 1,077 до 1,049 кг/м3, вследствие чего уменьшился и молекулярный вес, а также сократилась концентрация углеводородов, способных конденсироваться и разрушать пластины клапанов, опорные пружины, демпферные пластины, а также сам корпус клапана.
Применение цифровых динамических моделей позволяет выполнить анализ технологических схем, с учетом изменяющихся внешних и внутренних факторов процесса подготовки нефти и газа, сократить, а главное обезопасить поиск наиболее оптимального решения, проводя эксперименты исключительно на создаваемых моделях - цифровых двойниках.
Также в ВКР был произведен расчет ресурсной эффективности, оценка затрат на внедрение системы цифрового моделирования: капитальные затраты составили порядка 2,5 млн. руб. с последующими эксплуатационными затратами порядка 2 млн. руб. в год. Использование цифрового двойника промысла на постоянной основе позволит предсказывать отказ оборудования, увеличивая ресурсную эффективность и сокращая затраты на сожженный на факелах ПНГ.
Проведен анализ опасных и вредных производственных факторов, вопросов обеспечения безопасности при работе на установке подготовки нефти и газа. Выявлены возможные виды аварийного состояния объекта: загазованность территории, пожар - предусмотрены способы их устранения.
Разработанный цифровой двойник поспособствовал в выявлении и подробном анализе «узких» и уязвимых мест процесса подготовки попутного нефтяного газа: экспериментально-расчетным путем были подтверждены гипотезы о значительном негативном влиянии газа выветривания с площадки емкостей ГКС на характеристики газа, поступающего к поршневым компрессорам: плотность газа при стандартных условиях на входе в КУ меняется с 1,059 кг/м3 на 1,077 кг/м3, содержание углеводородов C3+ увеличивается с 412 г/м3 до 450 г/м3 и это при небольшом расходе - 300 м3/час.
Гипотеза о влиянии перемычки между линией скомпримированного газа и линией подачи газа от УПН, для обеспечения регулирования производительности компрессорных установок посредством дросселирования с 8,5 МПа до 0,28 МПа и перепуска газа не подтвердилась.
Наиболее наглядное подтверждение в ходе моделирования и анализа переходных процессов нашла гипотеза о проблемах рационального использования низконапорного жирного попутного нефтяного газа крайней очереди сепарации с УУЛФ. В процентном соотношении ПНГ с установки улавливания легких фракций составляет 15 % от всего объема газа, поступающего к компрессорным установкам ГКС. Было выявлено, что вследствие достаточно высоких температур на всех стадиях подготовки низконапорного газа разделение фаз происходит неэффективно, из-за чего в общий поток ПНГ поступает слабо подготовленный газ с УУЛФ, оказывающий разрушительное воздействие на многие компоненты клапанной сборки цилиндров компрессора.
На цифровом двойнике был смоделирован сценарий возможной модернизации технологической схемы и параметров УУЛФ: изменена уставка регулирующего клапана по перепуску ПНГ ВД с ГС-1 к УУЛФ, в результате которого давление на входе в УУЛФ возросло до показателей 40 кПа. С повышением давления увеличивается разность плотностей между газом и жидкостью. Это, в свою очередь, увеличило скорость оседания капель жидкости и повысило эффективность сепарации во входном сепараторе УУЛФ - Ci. После прохождения газом 1 ступени сжатия было успешно опробовано подобие низкотемпературной сепарации, при котором газ на АВО охлаждается до 10 °C, вместо 40 °C. При понижении температуры, вязкость газа повышается, что приводит к повышению сопротивления и повышению эффективности разделения фаз соответственно. Повысилась эффективность сепарации на С2, отбивается порядка 0,7 м3/час, что в 2 раза больше, чем при нынешнем технологическом режиме. Для соблюдения регламентных ограничений, а именно температурных уставок был смоделирован кожухотрубный теплообменник на выходе газа с С3, для поддержания температуры газа на нагнетании УУЛФ выше 60 °С. Показатели компонентного состава и плотности газа на выходе с УУЛФ после модернизации значительно превосходят те показатели, что наблюдались ранее (плотность при ст. условиях уменьшилась на 12 %, содержание тяжелых углеводородов C3+ в составе уменьшилось на 18 %). Плотность газа на входе в КУ уменьшилась с 1,077 до 1,049 кг/м3, вследствие чего уменьшился и молекулярный вес, а также сократилась концентрация углеводородов, способных конденсироваться и разрушать пластины клапанов, опорные пружины, демпферные пластины, а также сам корпус клапана.
Применение цифровых динамических моделей позволяет выполнить анализ технологических схем, с учетом изменяющихся внешних и внутренних факторов процесса подготовки нефти и газа, сократить, а главное обезопасить поиск наиболее оптимального решения, проводя эксперименты исключительно на создаваемых моделях - цифровых двойниках.
Также в ВКР был произведен расчет ресурсной эффективности, оценка затрат на внедрение системы цифрового моделирования: капитальные затраты составили порядка 2,5 млн. руб. с последующими эксплуатационными затратами порядка 2 млн. руб. в год. Использование цифрового двойника промысла на постоянной основе позволит предсказывать отказ оборудования, увеличивая ресурсную эффективность и сокращая затраты на сожженный на факелах ПНГ.
Проведен анализ опасных и вредных производственных факторов, вопросов обеспечения безопасности при работе на установке подготовки нефти и газа. Выявлены возможные виды аварийного состояния объекта: загазованность территории, пожар - предусмотрены способы их устранения.