Современные компьютерные моделирующие системы подготовки газа и газового конденсата

Проектирование основных технологических процессов подготовки природного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ. Данные программы имеют достаточно высокую точность описания параметров технологических процессов и позволяют без особых материальных и временных затрат проводить исследования данных процессов. Такие исследования на основе модели имеют огромное значение не только для проектирования, но и для функционирования соответствующих производств, так как модель позволяет учесть влияние различных внешних факторов, таких как изменение состава сырья, изменение требований к конечным и промежуточным результатам, на показатели действующих производств. В настоящее время в мире насчитывается огромное число программных средств моделирования подготовки нефти и природного газа.

В данной статье рассмотрены основные принципы моделирования подготовки нефти и газа и их основные характеристики, которые позволяют оценить полезность различных инструментов для решения поставленной задачи.

Ключевые слова: подготовка газа, моделирующие системы, природный газ, задачи моделирования, методы расчета, динамическое моделирование.

Design of the main technological processes for the preparation of natural hydrocarbon raw materials and optimal operation of existing production facilities is impossible without the use of modeling programs. These programs have a fairly high accuracy of describing the parameters of technological processes and allow you to conduct research on these processes without special material and time costs. Such studies based on models are of great importance not only for design but also for the functioning of the respective industries, since the model allows to consider the influence of various external factors such as changes in the composition of raw materials, changing requirements for final and intermediate results, indicators of current production. Currently, there are a huge number of software tools for modeling the preparation of oil and natural gas in the world.

This article discusses the basic principles of modeling the preparation of oil and gas and their main characteristics, which allow us to evaluate the usefulness of various tools for solving the problem.

Keywords: gas preparation, modeling systems, natural gas, modeling problems, calculation methods, dynamic modeling.

Основой всех программных средств моделирования являются уравнения материально-тепловых балансов, которые позволяют проследить за изменением агрегатного состояния, компонентного и химического состава углеводородного сырья. Как правило, система подготовки состоит из определенных блоков, на каждом из которых осуществляется определенное воздействие на углеводородное сырье и превращение энергии. Последовательность блоков обычно описывается с помощью технологической схемы. В целом моделирование технологической схемы подготовки нефти и газа основано на применении общих принципов термодинамики к отдельным элементам схемы.

Любая моделирующая программа включает в себя набор основных подсистем, которые должным образом обеспечивают решение задачи моделирования.

1. Термодинамические данные по чистым компонентам сырья. Эти данные используются для расчета термодинамических свойств исследуемой системы, таких как плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях, коэффициента фазового равновесия, энтальпии и энтропии. Термодинамические данные включают в себя критические параметры, молекулярную массу, плотность в точке кипения и при стандартных условиях; температуру кипения при атмосферном давлении; константы для расчета теплоемкости конпонентов или энтальпии, теплоты образования и сгорания, вязкости, поверхностного натяжения и т.п [1, c. 89].
2. Средства анализа свойств нефтей, газовых конденсатов и природного газа. Эти средства необходимы, чтобы на основе данных лабораторных исследований свойств углеводородного сырья получить необходимые данные для адекватного представления этих смесей в моделирующей системе.
3. Методы расчета термодинамических свойств углеводородов. Как правило, моделирующая система основывается на различных методах расчета термодинамических свойств. К данным методам относятся: обобщенные корреляции, уравнения состояния, методы расчета коэффициентов активности жидкости, специальные методы расчета свойств специфических систем компонентов. Все выше указанные методы позволяют решить основную часть технологических проблем, которые могут возникнуть при моделировании подготовки нефти и газа.
4. Средства моделирования процессов. Функциональные возможности моделирующих систем зависят от того, какие средства моделирования отдельных процессов они включают в себя. В большинстве случаев все системы моделирования включают средства для моделирования следующих процессов: сепарация газа и жидкости, однократное испарение и конденсация, дросселирование, адиабатическое сжатие и расширение в компрессорах и детандерах, нагрев или охлаждение потока, теплообмен двух потоков, разделение и смешение потоков, процессы ректификации [2, c. 164]. Данного набора процессов вполне достаточно для моделирования основного круга задач подготовки нефти и природного газа.
5. Построение технологических схем из отдельных элементов. По способу построения технологических схем из отдельных элементов моделирующие программы можно разделить на системы с графическим интерфейсом и системы с табличным вводом данных. Первые позволяют составлять схемы непосредственно на мониторе компьютера. Табличный ввода данных представляет собой последовательный выбор элементов и назначение входным и выходным данным адресов из общего списка.
6. Расчет технологических схем. Любая задача моделирования включает в себя достаточно большую систему нелинейных уравнений, которые решаются одновременно. Эта система состоит из расчетов всех необходимых термодинамических свойств для всех газожидкостных потоков, расходов и составов с применением выбранных моделей расчета свойств и процессов.
7. Динамическое моделирование. Возможность проводить расчеты в динамическом режиме позволяет гораздо лучше понять сущность моделируемых процессов. Оно позволяет получить представление о реально работающем процессе и поведении объекта в нештатных ситуациях, о влиянии изменения рабочих параметров на качество получаемых продуктов.
8. Системы моделирования. В настоящее время на рынке наиболее востребованы продукты трех компаний — Simulation Sciences (SimSci), Aspen Technologies и Hyprotech.

Hysys и Husim являются продуктами Канадской компании Hyprotech Ltd. В программном продукте Hysim осуществлена возможность выполнения статического моделирования практически всех основных процессов газо- и нефтепереработки [3, c. 75]. Моделирующая система в основном акцентирована на работу с уравнением состояния Пенга — Робинсона. Большим плюсом данного программного продукта является то, что пакет практически не имеет ограничений в отношении набора задаваемых спецификаций и сложности технологической схемы. Программа имеет табличный ввод данных, по которому затем строится изображение технологической схемы в формате AUTOCAD. В дальнейшем фирма выпустила новую программу — Hysys. Данный программный продукт позволяет производить не только статическое моделирование технологических схем, но и динамическое моделирование как отдельных процессов, так всей технологической цепочки.

Aspen Plus и Speed UP являются продуктами американкой компании Aspen Technologies Inc. Aspen Plus –позволяет производить статическое моделирование процессов. Система имеет развитый графический интерфейс. Плюсом данного продукта является возможность выполнять расчеты основных конструктивных характеристик оборудования и оценку его стоимости [4, c. 81]. Также в арсенале компании имеется программный продукт для динамического моделирования технологических процессов — Speed UP. На данный момент обе программы пакета сейчас объединены в интегрированном пакете Dyna Plus.

Кроме высоко востребованных продуктов на ранке программных средств для моделирования технологических процессов подготовки нефти и газа присутствуют продукты, предоставляющие пользователю значительно меньше возможностей, но их вполне достаточно, чтобы решать основной круг задач моделирования. К таким продуктам относятся: Chemcad III, Prosym, Комфорт, Gibbs и т. п.

Современные средства моделирования процессов подготовки нефти и газа весьма многообразны. Они позволяют автоматизировать процесс и минимизировать затраты рабочего времени, трудовых ресурсов и денежных средств. Очевидно, что развитие технологии в условиях конкуренции невозможно без широкомасштабного использования таких средств моделирования как в исследовательских организациях, так и на произвостве.

Литература:

1. Афанасьев А. И., Афанасьев Ю. М., Бекиров Т. М. и др. Технология переработки природного газа и конденсата. — Москва: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. — 517 с.
2. Скобло А. И., Молоканов Ю. К., Владимиров А. И., Щелкунов В. А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — Москва: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. — 677 с.
3. Haydary J. Chemical Process Design and Simulation: Aspen Plus and Aspen Hysys Applications. — Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2019. — 418 p.
4. Al-Malah, Kamal I. M. Aspen Plus: Chemical Engineering Applications. — Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2017. — 623 p.