Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблем проектирования и реализации установок подготовки нефтегазовых продуктов (УПНП) 8
1.1 Утилизация попутного нефтяного газа (ПНГ) - проблема нефтегазового комплекса России 8
1.2 Анализ основных подходов к решению вопроса рационального использования ПНГ 13
1.3 Проблемы инжиниринга и управления при реализации проектов утилизации ПНГ 18
1.4 Информационные технологии и автоматизация проектирования (САПР) в жизненном цикле проекта УПНП 28
1.5 Анализ подхода к проектированию основного технологического оборудования УПНП в виде технологических блоков 39
ГЛАВА 2. Синтез модели инжиниринговых процессов проектирования УПНП 44
2.1 Концептуальный анализ процессов реализации модели жизненного цикла УПНП 44
2.2 Модель инжиниринговых процессов УПНП 49
2.3 Концептуальный синтез технологического процесса УПНП 58
2.4 Алгоритм синтеза технологических процессов УПНП 64
ГЛАВА 3. Модель системы автоматизации проектирования и оптимизации процессов реализации УПНП 73
3.1 Модель САПР основного технологического оборудования УПНП 73
3.2 Разработка процессов компоновки УПНП 80
3.3 Организационно-технологическая схема функционирования системы инжиниринга УПНП 86
3.4 Синтез модели порядка запуска работ на реализацию инжиниринговых процессов 90
ГЛАВА 4. Результаты внедрения полученных моделей 96
4.1 Концептуальный подход к обустройству Чинаревского нефтегазоконденсатного месторождения (ЧНГКМ) 96
4.2 Структура комплекса установок по подготовке газа и конденсата ЧНГКМ 100
4.3 Система управления инжинирингом УПНП ПО
4.4 Интегрированная система активного управления (ИСАУ) — технологичный инструмент реализации УПНП 115
4.5 Проект установки низкотемпературной сепарации газа участка
Основные выводы 122
Литература
- Анализ основных подходов к решению вопроса рационального использования ПНГ
- Концептуальный анализ процессов реализации модели жизненного цикла УПНП
- Модель САПР основного технологического оборудования УПНП
- Структура комплекса установок по подготовке газа и конденсата ЧНГКМ
Введение к работе
На обустроенных нефтяных месторождениях России по официальным данным сжигается более 14 млрд. кубометров попутного нефтяного газа (ПНГ) в год. Основная часть объемов нефтяного газа формируется на удаленных месторождениях, доля которых продолжает увеличиваться за счет освоения шельфа морей. Следовательно, вопрос использования ПНГ является одной из важных задач развития нефтегазовых отраслей.
Традиционно принятая схема утилизации ПНГ предполагает строительство крупных газоперерабатывающих заводов совместно с разветвленной сетью газопроводов для сбора и доставки попутного газа. Реализация таких схем требует значительных капитальных затрат и времени, и, как правило, на несколько лет отстает от введенного в эксплуатацию месторождения. Использование таких технологий экономически целесообразно лишь на крупных производствах, где объемы перерабатываемого газа исчисляется миллиардами кубометров и поэтому необоснованно( при обустройстве территориально разобщенных средних и малых месторождений.
Задача утилизации малых объемов нефтяного газа может быть эффективно решена не только за счет новых технологий, но и за счет совершенствования методов проектирования локальных компактных установок подготовки нефтегазовых продуктов (УПНП), направленных на создание нетрадиционных технологических решений, внедрение блочно-модульного оборудования, что особенно актуально в условиях ограниченного пространства при добыче углеводородов с нефтегазовых платформ на шельфе морей. Поэтому разработка моделей системы автоматизации проектирования (САПР) установок подготовки нефтегазовых продуктов определяет актуальность темы диссертационной работы.
Цель работы — разработка и внедрение новых методов и моделей проектирования установок подготовки нефтегазовых продуктов, обеспечивающих согласованность работы основных составляющих единого
комплекса: «проектирование технологического процесса подготовки газа — системы автоматизации проектирования — информатизация и управление инжинирингом», позволяющего принимать обоснованные технологические и конструкторские решения при реализации жизненного цикла локальных УПНП. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:
концептуальный анализ технологических процессов УПНП с целью получения функциональной спецификации создаваемой системы;
анализ математических моделей выбора современных технологических процессов подготовки газа и разработка алгоритма проектирования вариантов технологических схем установок подготовки нефтегазовых продуктов;
создание алгоритмов конструирования основного технологического оборудования (ТО) и проектирования компоновки комплекса ТО; '
разработка метода генерации организационно-технологической схемы проектирования УПНП;
обоснование интегрированной системы автоматизированного проектирования и информатизации инжиниринга УПНП.
Научная новизна работы.
Впервые разработаны модели функционирования системного комплекса: «проектирование технологического процесса подготовки газа — системы автоматизации проектирования — информатизация и управление инжинирингом», определяющие процессы реализации локальных установок подготовки нефтегазовых продуктов.
Защищаемые положения.
Алгоритм проектирования технологических процессов установок подготовки нефтегазовых продуктов.
Алгоритм конструирования основного технологического оборудования и проектирования компоновки технологических блоков.
Метод генерации организационно-технологической схемы проектирования УПНП.
Интегрированная система автоматизированного проектирования и информатизации процессов реализации объектов УПНП.
Практическая ценность работы. Основные результаты работы внедрены и практически использованы при реализации проекта: «Комплексная поставка технологического оборудования для обустройства участка 1А Ачимовских отложений Уренгойского месторождения на период опытно-промышленной эксплуатации», 2007 год.
В ЗАО «Центральное конструкторское бюро нефтегазовой промышленности» применен метод генерации организационно-технологической схемы проектных работ. Практически подтверждено, что данный метод позволяет сократить срок проектирования технологического оборудования до 12% в зависимости от условий проведения работ.
Разработанные в диссертационной работе модели, алгоритмы и методы использованы в работе ООО «Управляющая компания «РусГазИнжиниринг» и могут быть использованы в инжиниринговых компаниях, проектных институтах и в конструкторских бюро в проектах обустройства нефтегазовых объектов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях различного уровня: 2-ой и 3-ей международной практической конференции «ТЭК России: рынок инжиниринговых и строительных услуг» (г. Москва, 2006 и 2007); Московской международной конференции «Бензол 2006» (г. Москва, 2006); 7-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2007); международной конференции «Новая техника и технологии нефтегазопереработки в республике Казахстан 2007» (р. Казахстан, г. Алматы, 2007); международной конференции «Рынок сервисной услуг в нефтегазовой отрасли России: управление работой подрядчиков» (г. Москва, 2007);
Московской международной конференции «Попутный нефтяной газ 2007» (г. Москва, 2007); научно-техническом совете ООО «УК «РусГазИнжиниринг» (г. Подольск, 2007); конференции «Повышение эффективности использования попутного нефтяного газа» (г. Москва, 2007); II международной практической конференции «Эффективные решения по реконструкции действующих магистральных газопроводов» (р. Казахстан, г. Алматы, 2007).
Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 в издании, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 88 наименований. Содержание работы изложено на 131 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков и 10 таблиц.
Анализ основных подходов к решению вопроса рационального использования ПНГ
В итоге рассмотрения используемых технологий (рис. 1.4) и анализа характеристик применяемого оборудования по переработке (утилизации) ПНГ, можно выделить следующие подходы к решению вопроса использования нефтяного низконапорного газа на месторождениях [78]. Транспорт ПНГдо пунктов подготовки и переработки (КС, ГПЗ);
Данный способ возможен к применению при соблюдении следующих условий: при уровне ежегодной добычи ПНГ до 10 млн. мЗ/год - расстояние до пунктов подготовки и переработки газа не более 40 км; при уровне ежегодной добычи ПНГ до 50 млн. м /год - расстояние до пунктов подготовки и переработки газа не более 50 км; у при уровне ежегодной добычи ПНГ 50 - 150 млн. м /год - расстояние до пунктов подготовки и переработки газа не более 75 км.
Достоинство данного способа - полная утилизация ПНГ, полная ликвидация выбросов в атмосферу, связанных с ПНГ.
Недостаток способа - данный способ фактически применим только в радиусе до 40 - 75 км от пунктов добычи газа или сборных коллекторов газопроводов ГПЗ, что существенно ограничивает его применение на практике удаленных и необорудованных месторождений.
1. Использование в качестве производства энергии (ГТЭС, ГПЭС) выработка тепла и электроэнергии на месторождении.
Данный способ утилизации ПНГ применим практически в любых условиях при наличии достаточного количества потребителей на вырабатываемые энергоносители вблизи месторождения. Достоинство - для утилизации ПНГ используется стандартное промышленно выпускаемое оборудование. Способ позволяет полностью удовлетворить собственные нужды в электрической и тепловой энергии, а также обеспечить энергетическими ресурсами близлежащие населенные пункты и прочих потребителей.
Недостатки: данный способ не позволяет полностью утилизировать ПНГ, так как объемы исходного газа и объемы энергетических ресурсов, которые из него можно выработать, в большинстве случаев значительно превышают потребности в электроэнергии и тепловой энергии на и вблизи месторождений. оборудование на таком газе не вырабатывает полной мощности, имеет ограниченный ресурс и быстрый износ из-за присутствия в газе тяжелых фракций и серы; сжигание в энергетических установках также приводит к выбросу парниковых газов и продуктов сгорания в атмосферу.
2. Закачка в пласт с целью повышения нефтеотдачи.
Данный метод, как правило, применим при ежегодной добыче ПНГ от 100 млн. мЗ/год. Однако закачка ПНГ в пласт сопряжена с высокими непрогнозируемыми технологическими рисками, серьезными сложностями моделирования процесса и требует дополнительных инвестиций при очень частом отсутствии реальных значимых выгод для недропользователей.
Достоинства - ликвидация выбросов в атмосферу парниковых газов, возможное потенциальное увеличение отдачи месторождения по нефти и конденсату.
Недостатки: неэффективное использование ценного энергетического ресурса ПНГ, газ выбывает из переработки, что не всегда компенсируется увеличением отдачи месторождения по нефти или газовому конденсату; существует опасность проникновения газа в водоносные горизонты и отравления водных источников.
3. Полная переработка ПНГ с получением синтетических углеводородов, ароматических углеводородов и нефтепродуктов.
Данная современная технология дает возможность утилизировать попутный газ, превратив его, например, в синтетические углеводороды (нефть, метанол) и, используя традиционные технологии транспортировки, переправить выработанные продукты до пункта реализации потребителям или переработки. Применение указанных технологий позволяет решить проблему сжигания газа на месторождениях при минимальных затратах на его хранение и транспорт, что особенно актуально для шельфовых месторождений, так как позволяет избежать строительство отдельных газопроводов и обеспечивает без факельную добычу.
Достоинства - 100% переработка попутного нефтяного газа на месторождении, минимальные затраты на инфраструктуру хранения и транспорта продуктов утилизации, увеличение степени извлечения сырья за счет переработки ИНГ в синтетическую нефть;
Недостатки - значительные инвестиционные затраты на реализацию проекта, высокая себестоимость продуктов переработки, создание нерентабельных производств синтетических продуктов, убытки от транспортировки синтетической нефти по транспортной системе нефтепроводов.
4. Переработка ИНГ на локальных комплексах с получением смеси пропан-бутан технической (СПЕТ) и стабильного газового бензина (ГБС), сжиженного природного газа (СПГ).
Концептуальный анализ процессов реализации модели жизненного цикла УПНП
Являясь по своему характеру комплексной, проблема системы управления инжинирингом предполагает, прежде всего, целостное концептуальное рассмотрение, а затем создание методологических основ и разработку методических подходов к решению вопросов, касающихся основных сторон реализации проекта УПНП.
Термин концептуальный анализ используется в смысле исследования содержания (семантики) информации о реальном мире [5].
Концептуальный анализ понимается в данном контексте как анализ производственных проблем: анализ требований информации об интересующей части реального мира, называемой предметной областью (также объективной системой), выделение объектов предметной области и их связей, определение различных взглядов на информацию о предметной области и формализацию результатов перечисленных действий в виде некоторых концептуальных моделей. Определенный таким образом концептуальный анализ близок к понятиям системного анализа [84], который имеет направленность на решение проблем, т. е. генерацию и оценку вариантов решения и изыскания общих методов решения.
Концептуальная модель объекта - не что иное, как представление содержания всей необходимой информации об изучаемой системе и только о ней для целей реализации проекта.
На основе концептуальной модели предметной области и требований к информации об УПНП получается функциональная спецификация будущей технологической системы. Содержательный анализ информации о предметной области часто называют инфологическим подходом или анализом информации. В отечественной литературе эти направления исследуются с начала 80-х годов [9].
Инжиниринг обладает свойством поддержания динамического равновесия, в том числе и в крайних экстремальных условиях. Устойчивость инжиниринга обеспечивается системой управления в различных условиях внешних возмущений.
Как сказано в [5], под системой управления инжинирингом подразумевается система, состоящая из подсистем приема, обработки, распределения, выдачи и хранения информации и предназначена для реализации проектов — УПНП. Система( инжиниринга ограничена в пространстве и во времени, имеет внутреннюю структуру и ресурсы.
В модели жизненного цикла технологического процесса УПНП этап концептуального анализа является начальной фазой проектирования (рис. 2.3). Эта фаза в различных практических подходах к организации проектирования имеет несколько названий: концептуальная фаза; анализ требований; обследование объекта.
Проектирование объектов УПНП начинается с концептуального анализа, чему всегда предшествует фаза предварительного исследования, обычно называемая оценкой целесообразности проекта, или предварительным технико-экономическим обоснованием.
Концептуальный анализ в данном случае имеет две фазы: анализа объектной системы и синтеза концептуальной модели. Анализ объектной системы включает: 1. сбор информации об объектной системе: исследование документации (технические требования, техническое задание на УПНП); исследование литературных источников; 2. наблюдение: пассивное наблюдение: выявление «узких мест» и проблем; выявление особенностей производства, не отраженных в документации; планирование действий и операций; активное наблюдение — проверка утверждений с помощью прототипа. Синтез концептуальной модели заключается: в выделении технических требований предметной области; в выделении объектов внешней среды по отношению к предметной области; в разработке балансовой модели технологического процесса.
Предварительная фаза сама в свою очередь является укрупненным проектированием, включающим все фазы проектирования, в том числе фазы укрупненного концептуального анализа. Другой, отличный от приведенного тип модели хода проектирования представляет собой методология «быстрого прототипа» [82]. Если с помощью существующей базы данных удается достаточно быстро построить простой действующий прототип будущего технологического процесса, то процессы детального концептуального анализа и синтеза целевого процесса существенно убыстряются.
Модель САПР основного технологического оборудования УПНП
В технологической схеме процесса УПНП в наборе оборудования, как правило, можно выделить нестандартное ТО, работа которого непосредственно обеспечивает выполнение основных функций технологического процесса и вспомогательное оборудование, которое обеспечивает работу основного ТО. В процессе проектирования основное ТО обычно является ядром, вокруг которого группируется остальное оборудование. ТО в УПНП имеет определенную конфигурацию, элементы которой взаимосвязаны каналами передачи вещества, энергии или сигналов.
В 2.1 было показано, что основные капитальные затраты определяются на этапах исследования (предварительная фаза) и концептуального проектирования (фаза концептуального анализа). Следующий поиск оптимальных решений по уменьшению капитальных затрат при создании промышленного объекта должен происходить на этапе структурного проектирования (фаза интеграции) [56]. При этом следует выделить: структурное проектирование на уровне конструирования основного ТО в пределах одного аппарата (рис. 3.1). Это означает совмещение нескольких технологических процессов в одном агрегате, например сепарации и отдувки метанола, осушки и очистки газа и т.д. В результате агрегатирования уменьшается общий вес оборудования и протяженность соединительных коммуникаций, число опор, занимаемая площадь, также уменьшаются строительно-монтажные и пуско-наладочные работы. структурное проектирование на уровне проектирования объекта, осуществляется в большей части путем повышения компактности (интегрирования) оборудования технологических установок (рис. 3.2).
Уменьшение расстояния между аппаратами, за счет технологической обвязки приводит к повышению плотности компоновки. Повышение компактности технологических установок является важнейшей предпосылкой для создания блочных конструкций, в которых расстояния между аппаратами и трубопроводами сведены до минимума, вплоть до того, что аппараты придвинуты один к другому, и каждый из них является опорой для другого, представляя единую конструкцию.
После выбора оптимального технологического процесса и определения основных показателей ТО необходимо провести функционально-физический анализ [2, 3, 53, 54] основного ТО, который заключается в понимании и уточнении следующего: какие функции выполняет каждый аппарат технологической схемы и как аппараты связаны между собой; какие физико-химические процессы осуществляет каждый аппарат и как они взаимосвязаны между собой;
При уточнении этих вопросов появляется определенное физическое представление об аппаратах в технологической схеме, которую необходимо оптимизировать с функциональной точки зрения. Рассмотрим на примере модели процесса установки низкотемпературной сепарации, которая представлена в 2.3.
При реализации данного анализа положен принцип выделения и рассмотрения структур с двухуровневой иерархией, т.е. необходимо каждый аппарат представить в виде функциональных элементов (рис. 3.3), которые имеют определенные функции по обеспечению работы аппарата (таблица 3.1). При этом сам аппарат представляет собой верхний уровень, а выделенные элементы - нижний.
В рассмотренном случае не требуется продолжать анализ каждого из выделенных элементов нижнего уровня, будем считать элементы (например, внутренние устройства, такие как центробежные, сепарационные элементы и др.) неделимыми.
Таким образом, каждый аппарат разделен на несколько укрупненных функциональных элементов, каждый из которых имеет минимальное число функций. Среди всех выделенных элементов при конструкторских разработках особое внимание необходимо уделить главным элементам (обозначены Ео), которые можно выделить в технологических аппаратах, которые определяют основные функции аппарата.
Результат проведенного анализа позволит конструктивно оформить основное ТО в виде многофункциональных агрегатов и аппаратов [73].
В процессе функционально-физического анализа необходимо учитывать требования не только функционирования ТО, но и его изготовления, доставки, монтажа и т.д. Возможны случаи, когда эти требования будут противоречивы.
Представим процесс структурного проектирования ТО для выбранного технологического процесса как задачу параметрической оптимизации [2, 3, 53, 54], которая представляет собой набор переменных, таких как диаметр, длина, высота аппарата или агрегата, толщина стенки, материальное исполнение и т.д. X = ( ,,... , „), (3.1) которые могут изменять свои значения в некотором диапазоне, основные границы требований к продуктам на выходе, габариты, вес оборудования и т.д.: а- х. Ьі9 і = 1,... ,п , (3.2) где для увеличения границ поиска рекомендуется не ставить жестких ограничений на параметры а / b, .
Модель конструирования оборудования относит в соответствие всем значениям (3.1) некоторый критерий качества J \х) и накладывает на переменные (3.1) ограничения, например определенные производственные условия, это технологические процессы изготовления на заводах, габаритность, географическое расположение месторождений, специфика проведения работ в зимнее и летнее время и др., представляемые чаще всего в виде системы нелинейных неравенств
Структура комплекса установок по подготовке газа и конденсата ЧНГКМ
Принципиальная блок схема комплекса установок по подготовке газа представлена на рис.4.4. В целях экономической целесообразности предлагались следующие этапы обустройства Чинаревского НГКМ:
1-й этап. Строительство установки утилизации (подготовки) попутного нефтяного газа (УШИ) в объеме 100 млн. мЗ в год осуществляется на ГТЭС.
При этом планируется, что установка подготовки попутного газа (УППГ) будет выполнять следующие задачи: подготовка газа для ГТЭС и извлечение целевых компонентов СЗ и выше из потока ПНГ и дальнейшая переработка их в СПБТ и стабильный газовый конденсат.
Производительность УППГ - 100 млн. нмЗ/год. При ожидаемом развитии до 220 млн. нмЗ/год дополнительные объемы ПНГ после компримирования и аминовой очистки планировалось направлять на установку УКПГ. 2-й Этап. Установка комплексной подготовки газа и конденсата (УКПГ). Ожидаемая максимальная добыча газа с газоконденсатных месторождений (Афонинско-Бийский и Южный горизонты) - 3 млрд. нмЗ/год.
Предложено поочередное совмещенное строительство двух технологических линий производительностью 5 млн. нмЗ/сутки каждая по сырому газу.
Товарными продуктами УКПГ являются: осушенный газ в соответствии с ОСТ 51.40-93, отправляемый в магистральный газопровод; СПБТ в соответствии с ГОСТ 20448-90 и стабильный газовый конденсат, получаемые на установке стабилизации (фракционирования) конденсата. Вариант 2. Принципиальная блок схема по комплексу установок по подготовке газа представлена на рис.4.5. По данному варианту предлагаются следующие этапы обустройства Чинаревского НГКМ:
1-й этап. Строительство установки переработки попутного нефтяного газа (УППГ), состоящей из трех технологических линий производительностью по 200 млн. ст. мЗ/год каждая. Количество технологических линий и их производительность принята из обеспечения максимальной производительности по попутному нефтяному газу.
Назначение установки: осушка газа в соответствии с требованиями ОСТ 51.40-93 для транспортировки газа в магистральный газопровод и извлечение целевых компонентов СЗ и выше из потока ПНГ и дальнейшая переработка их в СПБТ и стабильный газовый конденсат.
2-й Этап. Строительство установки комплексной подготовки газа и конденсата (УКПГ). В состав УКПГ входят две технологические линии производительностью 5 млн. ст. мЗ/сутки каждая по сырому газу.
Назначение установки: осушка газа в соответствии с требованиями ОСТ 51.40-93 для транспортировки газа в магистральный газопровод и извлечение целевых компонентов СЗ и выше из потока ПНГ и дальнейшая переработка их в СПБТ и стабильный газовый конденсат.
Вариант 3. Принципиальная блок схема комплекса установок по подготовке газа представлена на рис.4.6. Предлагаются следующие этапы обустройства Чинаревского НГКМ:
1 этап. Строительство 1-ой технологической линии установки переработки попутного нефтяного газа (УТГЛГ) производительностью 200 млн. ст. мЗ/год. Назначение установки: осушка газа в соответствии с требованиями ОСТ 51.40-93 для транспортировки газа в магистральный газопровод и извлечение целевых компонентов СЗ и выше из потока ПНГ и дальнейшая переработка их в СПБТ и стабильный газовый конденсат.
2 этап, а) Строительство 2-ой технологической линии установки переработки попутного нефтяного газа (УШИ ) производительностью 200 млн. ст. мЗ/год.
Назначение установки: компримирование ПНГ до давления 9,0-10 МПа с целью объединения его с потоком сырого газа, поступающего на 1-ю (2-ю) технологическую линию УКПГ; очистка газа от H2S и С02.
б) Строительство 1-ой технологической установки комплексной подготовки газа и конденсата (УКПГ). Назначение установки: осушка и очистка газа в соответствии с требованиями ОСТ 51.40-93 для транспортировки газа в магистральный газопровод; извлечение целевых компонентов СЗ и выше из потока ПНГ и дальнейшая переработка их в СПБТ и стабильный газовый конденсат.
3 этап, а) Строительство 3-й технологической линии установки переработки попутного нефтяного газа (УШИ ) производительностью 200 млн. ст. мЗ/год. Назначение и состав установки аналогичны 2-ой технологической линии У ІДИ .
б) Строительство 2-ой технологической установки комплексной подготовки газа и конденсата (УКПГ). Назначение установки 2-ой технологической линии УКПГ: осушка газа в соответствии с требованиями ОСТ 51.40-93 для транспортировки газа в магистральный газопровод; извлечение целевых компонентов СЗ и выше из потока ПНГ и дальнейшая переработка их в СПБТ и стабильный газовый конденсат.
Одним из условий организации такой структуры УКПГ, когда одна технологическая линия предусматривает установку сероочистки, а другая нет является формирование проекта разработок с учетом разделения продукции газоконденсатных скважин Турнейского и Афонинско-Бийского горизонтов.
Количество технологических линий и их производительность принята из обеспечения максимальной производительности по попутному нефтяному газу эксплуатации.
