Оптимизация процесса разделения углеводородов в аппаратах установки низкотемпературной сепарации газа в динамических условиях

Наиболее распространённой и востребованной технологией подготовки газа и газового конденсата в России является процесс низкотемпературной сепарации. В настоящее время для прогнозирования работы аппаратов химико-технологических процессов, в том числе в рамках проектирования установок, применяются моделирующие системы, описывающие стационарные режимы их работы. Это позволяет произвести подбор оборудования и оптимизировать технологический режим его работы. Но не позволяют прогнозировать поведение системы в динамических условиях. В частности, наиболее распространенным примером такого воздействия является резкое кратковременное изменение состава сырья, поступающего на вход установки комплексной подготовки газа.
Прогнозирование отклонений в работе установки, установление их величины и определение мер оперативного регулирования параметров технологического процесса с целью поддержания режимов работы аппаратов технологической схемы в заданных границах обеспечивает стабильное поведение системы, устойчивое к колебаниям, вызванными внешними факторами или нештатными отклонениями в работе элементов системы, а также безопасный переход из одного стационарного режима работы на другой. Использование стационарных математических моделей не позволяет описать физико-химические процессы, происходящие в динамических условиях работы аппаратов, возникающие в результате инерционных переходных процессов в сопряженных элементах химико-технологической системы.
Решение задачи повышения устойчивости системы при динамических воздействиях и сокращения времени планового изменения режима работы позволяет предотвратить отклонение параметров продукта (осушенного газа)
6
от требований стандарта и предотвратить последствия не регламентной работы. Данная задача решается путем оптимизации процесса разделения углеводородов в аппаратах низкотемпературной сепарации газа в динамических условиях, основываясь на оценке различных вариантов работы действующей промышленной установки с использованием имитационной динамической модели, учитывающей закономерности фазовых превращений углеводородных систем, базирующиеся на химии слабых взаимодействий, и процессов теплопередачи.
При отсутствии корректирующих воздействий, компенсирующих эффекты динамических процессов, происходят негативные изменения параметров работы установки и составов и параметров осушенного газа и конденсата. Потери от снижения добычи конденсата в денежном выражении в годовом выражении чистого дохода за счет не учета динамических явлений в работе установки при переходе между режимами оцениваются в 1 млн. руб. при консервативном варианте расчета потерь. В натуральном выражении недополучение конденсата оценивается в 3–4 тыс. т в год. Потери, связанные с избыточным пропуском средств очистки и диагностики оцениваются в годовом выражении в сумму 4 млн. руб.
Работа по установлению параметров работы установки при помощи динамической модели, учитывающей закономерности фазовых превращений углеводородных систем, базирующиеся на химии слабых взаимодействий, и процессов теплопередачи, является актуальной.
Имитационная динамическая модель может быть использована для отработки действий технологического персонала в случае возникновения аварийных ситуаций, разработки способов их предотвращения и нивелирования возможных негативных последствий на действующих установках комплексной подготовки газа (УКПГ) и деэтанизации и стабилизации газового конденсата (УДСК).
Работа в области построения имитационной динамической модели
процесса низкотемпературной сепарации газа, пригодной для оптимизации
7

работы действующих промышленных установок подготовки газа и газового конденсата и входящих в них аппаратов, является актуальной.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации (регистрационный номер СП-477.2015.1, 2015-2017 гг.).
Степень разработанности темы
В настоящее время процессы подготовки газа и газового конденсата достаточно хорошо изучены. Значительный вклад в технологическое совершенствование процессов подготовки газа внесли Г.А. Ланчаков (изучение процессов сбора и подготовки газа на поздних стадиях разработки газовых месторождений, оптимизация системы подготовки с целью снижения затрат и продление времени разработки месторождений), Г.К. Зиберт (оптимизация схемы построения системы низкотемпературной сепарации газа с целью повышения КПД процесса за счет рекуперации и использования промежуточных и конечных продуктов в качестве абсорбентов), А.И. Скобло (исследования в области массообменных устройств, гидродинамики и теплообмена в газовых средах) и др.
В работах представителей научной школы проф. Кравцова А.В. в Томском политехническом университете по математическому моделированию процессов подготовки и переработки углеводородного сырья Ушевой Н.В., Барамыгиной Н.А., Масловым А.С. и др. рассматриваются стационарные математические модели процессов подготовки газа и газового конденсата, позволяющие определять оптимальные режимы работы установок подготовки и транспорта газа. Представителями научной школы проф. Бахтизина Р.Н. в Уфимском государственном нефтяном технологическом университете по математическому моделированию процессов нефтегазодобычи построены математические модели релаксационных тепловых процессов при наличии фазовых переходов в таких системах. При этом, процессы откликов на динамические воздействия
переходов между стационарными режимами исследованы не достаточно.
8

Объект исследования: технология и аппаратурное оформление установки комплексной подготовки газа на основе процесса низкотемпературной сепарации.
Предмет исследования: процессы сепарационного разделения многокомпонентных смесей при низких температурах, протекающие в промышленных аппаратах технологической схемы установки комплексной подготовки газа.
Целью работы является создание условий эффективного процесса разделения углеводородов в аппаратах установки комплексной подготовки газа с уменьшением содержания тяжелых углеводородов С5+ и сохранением точки росы по воде и углеводородам путем повышения стабильности работы при возникновении переходных режимов с применением имитационной динамической модели, учитывающей закономерности фазовых превращений углеводородных систем, базирующиеся на химии слабых взаимодействий, и процессов теплопередачи.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование процесса низкотемпературной сепарации газа и установление закономерностей изменения параметров фазового равновесия, связанных с установлением термобарических условий и расходов жидкостей и газа, и их влияния на переходные режимы работы аппаратов в динамических условиях. Определение унифицированной структуры технологической схемы процесса низкотемпературной сепарации газа, а также состава аппаратов, требующих создания математических моделей для
полного описания работы установки.
2. Расчет физических свойств (вязкость, плотность, теплоемкость и
теплопроводность) смесей на входе в аппараты (сепараторы, разделители жидкости, теплообменники, воздушные холодильники, компрессоры и эжекторы). Определение термодинамических параметров процессов, протекающих в аппаратах технологической установки низкотемпературной
сепарации (энтальпия, константа фазового равновесия, давления
9

насыщенных паров), включая определение кривых конденсации и парообразования.
3. Построение имитационной динамической модели процесса низкотемпературной сепарации газа, основанной на математических моделях отдельных аппаратов и установленных связях между ними. Проверка программно-реализованной имитационной динамической модели на адекватность отображения реальных процессов, протекающих в действующих аппаратах технологической схемы установки низкотемпературной сепарации газа в стационарных и динамических условиях.
4. Разработка технических решений, направленных на повышение стабильности работы установки низкотемпературной сепарации газа при возникновении переходных режимов с целью поддержания степени осушки газа и уменьшения отклонения от требуемых показателей качества продукции с применением имитационной динамической модели.
Научная новизна
1. Установлено, что в динамических условиях давление и температура химико-технологической системы, расход и состав углеводородных потоков изменяются нелинейно под действием инерционных процессов и обратных связей при переходе в устойчивое состояние.
2. Установлено, что унос одной фазы с другой в аппаратах низкотемпературной сепарации газа определяется условиями достижения парожидкостного равновесия, типом и конструкцией аппаратов и характеризуется коэффициентами уноса в уравнениях материальных балансов аппаратов, учитывающих закономерности фазовых превращений углеводородных систем, базирующихся на химии слабых взаимодействий. Так, при увеличении температуры поступающего сырья на первой ступени сепарации на 5oС при неизменных управляющих параметрах установки
расход осушенного газа возрастает на 2,5 % за счет увеличения содержания
10

тяжелых углеводородов С5+, что влечет увеличение точки росы осушенного газа по углеводородам. Кроме того, константа фазового равновесия для метана при изменении давления от 63,4 атм до 64,3 атм и сопутствующем изменении температуры от -11,0 оС до -10,3 оС в пределах от 0,659 до 0,654.
3. Установлено, что влияние на точку росы осушенного газа резкого повышения содержания жидких углеводородов (с 1-5% до 70-80% объема углеводородной смеси) на входе в установку низкотемпературной сепарации газа снижается при снижении расхода осушенного газа и повышении давления в сепараторе. Это позволяет достичь снижения эффекта изменения точки росы осушенного газа на 55-60% от величины отклонения без корректирующих воздействий.
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых научных знаний о термодинамических условиях (температуры, давления, расхода углеводородной смеси, констант фазового равновесия) процессов сепарационного разделения углеводородов и расширении представлений о парожидкостном равновесии в динамических условиях.
Практическая значимость
1. Разработаны математические модели теплообменного, сепарационного, эжекционного оборудования и регулирующей арматуры технологической установки низкотемпературной сепарации газа, реализованные в виде прикладной программы, пригодной для проведения численных исследований, прогнозных и оптимизационных расчетов (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ No2015663023).
2. На основе использования детализированных математических моделей аппаратов разработана и внедрена методика расчета технологических параметров установки низкотемпературной сепарации газа, которая позволяет в режиме реального времени с учетом взаимного влияния
режимов работы аппаратов прогнозировать изменение температуры,
11

давления и расходов углеводородных потоков и отслеживать переходные процессы при внесении внешних возмущений, а также предсказывать изменение товарных свойств газа на выходе. Определено, что скорость изменения режима работы значительным образом влияет на отклонение параметров осушенного газа от нормативного значения. При изменении степени открытия регулирующего клапана по газу на первой ступени сепарации (с 28% до 10 % за 40 секунд) точка росы по углеводородам изменяется от нормативного значения -10,5оС до -9,5оС и возвращается в исходное состояние за время около 2 часов работы установки. Предложена допустимая скорость изменения режима работы установки, позволяющая предотвратить отклонения параметров осушенного газа от требований СТО Газпром 089-2010.
Разработана имитационная динамическая модель процесса низкотемпературной сепарации газа, пригодная для проведения численных исследований динамических изменений в работе действующих установок при смене значений управляющих параметров. Имитационная динамическая модель процесса низкотемпературной сепарации газа позволяет оценивать время достижения нового установившегося режима, учитывать все сопутствующие колебания параметров работы аппаратов, входящих в состав промышленной установки. Даны рекомендации работы установки с наиболее эффективным разделением углеводородной смеси.
3. Разработанная имитационная динамическая модель может быть широко использована при выполнении исследований работоспособности и безопасности технологических установок в рамках методик HAZID (Hazard Identification Studies – идентификация опасностей) и HAZOP (Hazard and Operability Study – анализ опасности и работоспособности).
На основе имитационной динамической модели процесса низкотемпературной сепарации газа разработан компьютерный тренажер, позволяющий повысить квалификацию инженерно-технического персонала
промышленной установки в области управления установкой и реагирования
12

на нештатные ситуации для предотвращения аварийных ситуаций и поддержания требуемых параметров продуктов, который может быть использован в образовательном процессе в высших учебных заведениях. Акт об использовании результатов работы в образовательный процесс в Национальном исследовательском Томском политехническом университете прилагается.
Методология работы
Определение состава исходного сырья. Исследование влияния динамических условий на эффективности разделение углеводородной смеси в аппаратах установки низкотемпературной сепарации.
Проведение исследований базировалось на стратегии системного анализа и использовании метода математического моделирования процессов тепло- и массообмена. Моделирование сепарационных процессов в аппаратах химико-технологической системы основывалось на индивидуальных свойствах компонентов и условиях парожидкостного равновесия.
Моделирование процессов подготовки газа и газового конденсата осуществлялось на основе иерархического подхода с описанием количественных закономерностей процессов в реальных условиях.
Методы диссертационного исследования
Моделирование процесса низкотемпературной сепарации газа основывалось на описании поведения системы с использованием законов Дж. Дальтона, Ф. М.Рауля и Коновалова Д.П.
Константы фазового равновесия рассчитывались на основе применения методики Шилова В.И. и уравнения состояния Soave-Redlich-Kwong (SRK) для углеводородов и уравнения состояния Тека-Стила для полярных веществ.
Теплопередача в моделируемых аппаратах рассчитывалась с использованием основного уравнения теплопередачи. Скорость осаждения
13

(всплытия) капель дисперсной фазы в сплошной среде для ламинарного режима течения оценивалась с использованием закона Дж. Стокса.
Состав сырья и продуктов установки комплексной подготовки газа определялся методом газовой хроматографии.