Моделирование технологического процесса очисткой попутного газа в среде UniSim Design | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Несмотря на коронавирус, электронный вариант журнала выйдет 6 июня.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №19 (309) май 2020 г.

Дата публикации: 10.05.2020

Статья просмотрена: 3 раза

Библиографическое описание:

Ишпекбаев, А. К. Моделирование технологического процесса очисткой попутного газа в среде UniSim Design / А. К. Ишпекбаев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 19 (309). — С. 28-33. — URL: https://moluch.ru/archive/309/69851/ (дата обращения: 29.05.2020).



В данной статье сделан обзор и смоделирован технологический процесс очисткой попутного газа в среде UniSim Design. Модель состоит двух частей — модели установившегося состояния и динамической модели. Показаны результаты подбора регуляторов и переходные характеристики.

Ключевые слова: сырой газ, технологический процесс, динамическое моделирование, компонентный состав, попутный газ.

Рациональная утилизация добываемого попутного нефтяного газа является одной из наиболее актуальных задач в области энерго- и ресурсосбережения. В целях предотвращения загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ и сокращения эмиссии парниковых газов, образующихся при сжигании попутного нефтяного газа, устанавливаются жесткие требования к объемам сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках.

Одним из наиболее перспективных вариантов промысловой утилизации попутного нефтяного газа сернистой нефти является его использование для выработки электрической и тепловой энергии на газопоршневых или турбинных станциях для обеспечения энергией предприятия. Однако наличие в составе попутного газа сероводорода H2S не позволяет применять его в качестве топливного газа большинства энергоустановок и значительно сокращает срок службы печей подогрева нефти и паровых котлов на промыслах. Кроме того, он также содержит СО2 и различные меркаптаны [1].

Сероводород — токсичный газ, вызывающий химическую и электрохимическую (в присутствии воды) коррозию металлов. При определенных условиях протекает сульфидное растрескивание металлов. Отмечается коррозионное действие газа с содержанием 0,025 % H2S и выше, этот процент считается «порогом» коррозионной концентрации сероводорода, ниже которого присутствие H2S считается «следами». Однако наличие других факторов (высокое давление, присутствие H2O, O2) могут привести к коррозии и при меньшем содержании сероводорода. Таким образом, очистка углеводородного газа от сероводорода вызывается не только требованиями санитарно-гигиенического порядка, но и диктуется производственной необходимостью.

К тому в отечественной литературе малое количество исследований на данную тему. В особенности это касается систем управления, моделей и оптимизации процессов. Для исследования различных структур систем управления необходимо разработать подходящую эталонную модель, отражающий реалистичный технологический процесс очистки попутного газа.

В данной статье рассматривается построение модели технологического процесса в среде UniSim Design, исследование системы управления технологическим процессом путем симулирования различных сценариев.

Основным назначением рассматриваемой установки является очистка нефтяного газа, поступающего с сепаратора нефти и газа, от содержащихся в нём кислых компонентов (Н2S и СО2), циркулирующим раствором диэтаноламина (ДЭА). Кроме ДЭА также используются моноэтаноламин (МЭА), метилдиэтаноламин (МДЭА) и другие сорбенты. Термины попутный и сырой газ в данном контексте являются взаимозаменяемыми.

Технологический процесс очистки попутного газа от сероводорода можно условно разделить на две ступени:

− абсорбирование кислых компонентов в колонне-абсорбере;

− регенерация сорбента в колонне-регенераторе.

Рассмотрим подробно эти ступени. Попутный газ, выделенный из нефти в сепараторе все еще содержит в себе капли воды и жидких углевородов, которые отрицательно влияют на процесс абсорбции. Поэтому поток газа (1) проходит через сепаратор-каплеотбойник (І). Далее сырой газ вводится в нижнюю часть колонны-абсорбера (ІІ). В верхнюю часть абсорбера подается питающий поток ДЭА (2), который протекая через тарелки, контактирует с восходящим потоком газа. Таким образом ДЭА впитывает в себя кислые компоненты находящиеся в газах. О размерах колонны для эффективного прохождения процесса проведены множество исследований [2].

Очищенный газ (4) выводится с верхней части колонны и далее направляется на установку фракционирования газа. Насыщенный кислыми компонентами ДЭА (3) выводится с куба колонны и, проходя через емкость для понижения давления (ІІІ) и теплообменник (ІV), охлаждается путем нагревания регенерированного амина (2). Далее подается в верхнюю часть колонны-регенератора (V), и скапливается в кубе. Насыщенный ДЭА с куба нагревается за счет пара в ребойлере (VІІІ) и обратно возвращается в десорбер. При нагревании кислые компоненты (5) разделяются от ДЭА и выводятся с верхней части колонны-регенератора (рис.1).

Рис. 1. Упрощенная технологическая схема процесса аминовой очистки: І — сепаратор-каплеотбойник, ІІ — абсорбер, ІІІ — емкость для понижения давления, ІV — теплообменник, V — регенератор, VІ — резервуар для хранения сорбента, VІІ — конденсатор, VІІІ — ребойлер; 1 — сырой газ, 2 –регенированный амин, 3 — насыщенный амин, 4 — обессеренный газ, 5 — кислый газ, 6 — вода, 7 — жидкие углеводороды, 8 — кислые компоненты

Очищенный ДЭА (2), выводится из ребойлера и, проходя вышеупомянутый теплообменник (ІV), скапливается в резервуаре для хранения (VІ),. Далее в ДЭА добавляется вода (6) для поддержания оптимальной концентрации раствора. Подготовленный раствор подается в верхнюю часть абсорбера. В разных процессах концентрация раствора различается [3].

Были построены две модели в среде UniSim Design по данной технологической схеме: модель установившегося состояния и динамическая модель.

Модели установившегося состояния (steady-state models) широко используются в промышленности, став обыденной или даже более необходимой практикой. Моделирование установившегося состояния является ключевым для концептуализации процесса, проектирования и оценки, и является действительно зрелый технологический инструмент. Тем не менее, устойчивое состояние является идеалистическим определением, используемым инженерами как представление «проектных» условий, которые не всегда выполняются из-за изменений в сырье, спецификации продукта, изменения в производительности из-за требований маркетинга и присущего динамического поведения процессов.

Наиболее существенным отличием между стационарным и динамическим моделированием является то, что устойчивое состояние предполагает, что переменные постоянны по времени. Это означает, что в установившемся режиме накопление в системе отсутствует, поэтому общая масса и потребляемая энергия соответствуют его выходу. И наоборот, динамические модели учитывают скорость накопления массы и энергии в системе, что позволяет определить, сколько времени потребуется для достижения стабильного состояния, начиная с заданного начального состояния.

Создание модели состоит из трех основных этапов:

 Setup;

 Steady-state simulation (симулирование установившегося состояния);

 Dynamic simulation (симулирование динамической модели)

Шаг Setup заключается в выборе компонентов и материалов для данного технологического процесса, Fluid Package — пакета решения. В данном случае компонентами являются: N2, CO2, H2S, CH4 (метан), C2H6 (этан), C3H8 (пропан), i-C4H10 (изобутан), n-C4H10 (н-бутан), i-C5H12 (изопентан), n-C5H12 (н-пентан), C6H14 (гексан), C7H16 (гептан), H2O, ДЭА (диэтаноламин).

Компонентный состав потока сырого газа указан в таблице 1.

Таблица 1

Компонентный состав сырого газа

Компонент

Сырой газ, моль%

Вода

0,09

Сероводород

9,61

Двуокись углерода

2,41

Азот

1,21

Метан

66,34

Этан

12,14

Пропан

5,79

Сумма бутанов

1,65

Сумма пентанов

0,52

Сумма гексанов и выше

0,24

Сумма меркаптанов

0,00

Компонентный состав обессеренного газа на выходе из абсорбера указан в таблице 2.

Таблица 2

Компонентный состав обессеренного газа

Компонент

Содержание, моль%

Метан

74,8

Этан

13,18

Пропан

6,41

Изобутан

1,01

Бутан

1,94

Изопентан

0,39

Пентан

0,33

Гексан

0,15

Метилмеркаптан

0,13

Этилмеркаптан

0,15

Сероводород

0,00

Вода

0,20

Построенная модель в установившемся состоянии полностью исполняет свои функции, а именно содержание H2S в обессеренном газе равна 0,00 моли. Результаты модели в установившемся состоянии указаны на рис. 2.

Рис. 2. Результаты моделирования установившегося состояния

Для проведения динамического моделирования были внесены некоторые изменения в схему. Были добавлены насосы, клапана, и следующие регуляторы:

 V100-LC — регулятор уровня в сепараторе V-100 путем управления расходом дренажа жидких углеводородов;

 Flash-TK-LC — регулятор уровня в сепараторе V-101 путем управления расходом выпуска газов при снижении давления;

 LIC-100 — регулятор уровня в резервуаре регенерированного амина V-101 путем управления расходом добавочной воды;

 LIC-100@COL2 — регулятор уровня регенерированного амина в ребойлере регенератора путем управления расходом выпуска регамина;

 Cond-LC — регулятор уровня конденсата в конденсаторе регенератора путем управления расходом орошения;

 TIC-100 — регулирование температуры регенерированного ДЭА;

 TIC-103@COL2 — регулирование температуры рецикла регенерированного ДЭА в куб регенератора;

 PIC-100@COL1 — регулирование давления очищенного газа на выходе из абсорбера;

 PIC-100@COL2 — регулирование давления кислого газа на выходе из регенератора;

 FIC-100 — регулирование расхода ДЭА на абсорбер.

Видоизмененная технологическая схема предоставлена на рис. 3.

Рис. 3. Технологическая схема для динамического моделирования

Результатами динамического моделирования являются переходные процессы — реакция объекта на возмущающее воздействие. Одним из возмущающх возйдействий на установку является изменения расхода подаваемого газа. На рис. 4 и 5 показаны изменения в системе при изменении расхода газа.

Рис. 4. Реакция характеристик абсорбера на изменение расхода сырого газа с 1000 на 1250 (кгмоль/ч)

Рис. 5. Реакция на изменение расхода газа с 1250 на 1500 (кгмоль/ч). Скачок в содержании Н2S в составе кислого газа

Из результатов проведенных экспериментов можно сделать вывод что подобранные контроллеры управляют технологическим процессом приемлемым образом. К тому же результаты исследования могут быть использованы для дальнейшего исследования более сложных регуляторов (APC, MPC).

Литература:

  1. Мазгаров, А. М. Технологии очистки попутного нефтяного газа от сероводорода / А. М. Мазгаров, О. М. Корнетова. — Казань: Казанский университет, 2015. — 70 c. — Текст: непосредственный.
  2. Modeling study on CO2 and H2S simultaneous removal using MDEA solution / Nejad,Ghaffar Tohid [и др.]. — // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. — 2016. — № 34. — С. 344–355.
  3. Dynamic modelling and analysis of post-combustion CO2 chemical absorption process for coal-fired power plants / A. Lawal [и др.]. — // Fuel. — 2010. — № 89. — С. 2791–2801.
  4. Honeywell, UniSim Design tutorials and applications, Honeywell, 2010.
  5. Al-Naumani, Y. H. Gas Phase Train in Upstream Oil & Gas Fields: Part-I Model Development / Y. H. Al-Naumani, J. A. Rossiter, S. J. Bahlawi. — // IFAC-PapersOnLine. — 2016. — № 49–7. — С. 875–881.
Основные термины (генерируются автоматически): сырой газ, установившееся состояние, технологический процесс, попутный газ, управление расходом, регулятор уровня, обессеренный газ, компонентный состав, динамическое моделирование, динамическая модель.


Похожие статьи

Моделирование газа в физическом симуляторе

Напомним, что идеальный газ — это математическая модель газа (то есть абстракция), в

Запускаем симулятор и наблюдаем движение частиц газа в сосуде (рис. 7). Модель готова.

Во-первых, преподаватель может использовать симулятор для динамических демонстраций...

Моделирование режимов работы газоперекачивающих агрегатов...

Поэтому модели, построенные на основе МГУА, позволяют оценивать изменение технического состояния объекта управления используя, например, значение абсолютного отклонения между измеренным технологическим параметром и значением, рассчитанным на основе модели.

Численное термогазодинамическое моделирование процесса...

Ахмедзянов, Д. А. Численное термогазодинамическое моделирование процесса горения / Д. А. Ахмедзянов, А. Б. Михайлова, А. Е. Кишалов, Д. Х

Кроме таких факторов как начальные температура и давление на процесс горения влияют состав топливо-воздушной смеси (ТВС)...

Подготовка газа методом абсорбции | Статья в журнале...

Добываемый газ можно разделить на две группы — это природный и попутный нефтяной газ (ПНГ). Они различаются по своему составу.

[1] ПНГ — это смесь газов, растворенная в нефти, которая выделяется из нефти в процессе её добычи, подготовки, а также переработки.

Повышение эффективности разделения компонентов природного...

Природный газ (ПГ) и попутный нефтяной газ (ПНГ) в последние годы расширили свои функции, перестав просто быть нефтехимическим сырьем, а

Относительно низкий уровень извлечения углеводородов на промысловых установках обусловлен применением процесса...

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

Уменьшение динамического напора является следствием как уменьшения расхода газа, так и отклонения обтекания газом проточной части нагнетателя от

Компрессор, работающий в условиях динамического регулирования, представляет собой устройство для увеличения...

Экспериментальное исследование статических и динамических...

Моделирование динамических процессов, протекающих в SR-30. В работах [3, 5] подробно описаны общие подходы к моделированию

Топологическая модель двигателя SR-30 и его САУ в СИМ DVIG_OTLADKA представлена на рис. 2. При помощи структурного элемента (СЭ)...

Математическая модель оптимизации режима горения природного...

Рассматриваются вопросы управления горением природного газа в топке на основе

В блочно-структурной схеме управление процессом горения газа в топке осуществляется сигналами

Если учесть что в паровых котлах используется природный газ — метан, то расход воздуха...

Моделирование изменения нагрузки на электрогенераторе...

В модуле «Регулятор» динамические процессы в системе автоматического управления

В пределах поля допуска динамическая система находится вблизи установившегося режима по

Рисунок 4 – Изменение температуры газа за камерой сгорания и приведенного расхода...

Похожие статьи

Моделирование газа в физическом симуляторе

Напомним, что идеальный газ — это математическая модель газа (то есть абстракция), в

Запускаем симулятор и наблюдаем движение частиц газа в сосуде (рис. 7). Модель готова.

Во-первых, преподаватель может использовать симулятор для динамических демонстраций...

Моделирование режимов работы газоперекачивающих агрегатов...

Поэтому модели, построенные на основе МГУА, позволяют оценивать изменение технического состояния объекта управления используя, например, значение абсолютного отклонения между измеренным технологическим параметром и значением, рассчитанным на основе модели.

Численное термогазодинамическое моделирование процесса...

Ахмедзянов, Д. А. Численное термогазодинамическое моделирование процесса горения / Д. А. Ахмедзянов, А. Б. Михайлова, А. Е. Кишалов, Д. Х

Кроме таких факторов как начальные температура и давление на процесс горения влияют состав топливо-воздушной смеси (ТВС)...

Подготовка газа методом абсорбции | Статья в журнале...

Добываемый газ можно разделить на две группы — это природный и попутный нефтяной газ (ПНГ). Они различаются по своему составу.

[1] ПНГ — это смесь газов, растворенная в нефти, которая выделяется из нефти в процессе её добычи, подготовки, а также переработки.

Повышение эффективности разделения компонентов природного...

Природный газ (ПГ) и попутный нефтяной газ (ПНГ) в последние годы расширили свои функции, перестав просто быть нефтехимическим сырьем, а

Относительно низкий уровень извлечения углеводородов на промысловых установках обусловлен применением процесса...

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

Уменьшение динамического напора является следствием как уменьшения расхода газа, так и отклонения обтекания газом проточной части нагнетателя от

Компрессор, работающий в условиях динамического регулирования, представляет собой устройство для увеличения...

Экспериментальное исследование статических и динамических...

Моделирование динамических процессов, протекающих в SR-30. В работах [3, 5] подробно описаны общие подходы к моделированию

Топологическая модель двигателя SR-30 и его САУ в СИМ DVIG_OTLADKA представлена на рис. 2. При помощи структурного элемента (СЭ)...

Математическая модель оптимизации режима горения природного...

Рассматриваются вопросы управления горением природного газа в топке на основе

В блочно-структурной схеме управление процессом горения газа в топке осуществляется сигналами

Если учесть что в паровых котлах используется природный газ — метан, то расход воздуха...

Моделирование изменения нагрузки на электрогенераторе...

В модуле «Регулятор» динамические процессы в системе автоматического управления

В пределах поля допуска динамическая система находится вблизи установившегося режима по

Рисунок 4 – Изменение температуры газа за камерой сгорания и приведенного расхода...

Задать вопрос