Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности и рентабельности является одной из приоритетных задач нефтегазового сектора отечественной экономики. Добыча и подготовка нефти в ряде регионов (Среднее Поволжье, Южный Урал) имеет специфику, связанную с высокой степенью обводнённости скважин. Это обуславливает поиск новых способов автоматизированного управления технологическим процессом сепарации нефтесодержащей смеси. В процессе сепарации необходимо обеспечить производительность (количество выходного продукта в единицу времени), а также качество товарной нефти, определяемое по ГОСТ Р 51858 – 2002. Обеспечение максимальной производительности при сохранении качества товарной нефти является серьёзной проблемой, требующей новых научных подходов и технических решений. Поэтому разработка и исследование новых способов управления технологическим процессом сепарации нефти является актуальной научно-технической задачей.
Большой вклад в развитии теории и практики управления технологическим процессом сепарации нефти внесли отечественные и зарубежные учёные В.Л. Ким, В.Е. Попадько, М.М. Закирничная, К.Ф. Тагирова, Н.Н. Жежера, В.Ц. Зориктуев, Е.И. Громаков, С.М. Горев, О.Н. Кузяков, M.L. Powers, A.C. Stewart, N.P. Chamberlain, M. Irshad,О. Shoham и другие.
Однако научные достижения, имеющиеся в данной области, требуют дальнейшего развития. В частности, не решены вопросы разработки и исследования новых принципов автоматизированного управления, основанных на достоверных математических моделях сепарации нефтесодержащей смеси. Уровень готовности существующих научных разработок не позволяет решить вопрос повышения производительности подготовки нефти, добытой из скважин с высокой обводнённости, при сохранении качества выходного продукта.
Объект исследования. Технологический процесс сепарации нефтесо-держащей смеси в трёхфазном горизонтальном нефтегазосепараторе.
Предмет исследования. Способ, модели и алгоритмы контроля и регулирования плотности нефтесодержащей смеси для эффективного управления технологическим процессом сепарации.
Целью диссертационной работы является повышение производительности процесса сепарации нефтесодержащей смеси с высокой степенью обводнённости на основе создания системы автоматизированного контроля и регулирования её плотности.
Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Разработать и исследовать способ автоматизированного контроля
плотности обводнённой нефтесодержащей смеси в процессе её сепарации, по
зволяющий определить время сепарации с заданной точностью.
2. Разработать и исследовать математические модели контроля и регули
рования плотности нефтесодержащей смеси в трёхфазном горизонтальном неф-
тегазосепараторе.
3. Разработать имитационную модель образования сплошных фазовых
слоёв для определения времени сепарации, исследовать её адекватность, схо
димость и чувствительность.
4. На основе предложенной модели провести имитационный эксперимент,
определить оптимальное время сепарации с заданной погрешностью для степе
ни обводнённости в диапазоне от 70% до 90%.
5. Определить погрешность косвенного измерения плотности нефтесо-
держащей смеси в процессе её контроля и регулирования.
6. Разработать алгоритмы и программное обеспечение системы автомати
зированного контроля и регулирования плотности нефтесодержащей смеси в
процессе её сепарации.
-
Провести экспериментальную проверку данных, полученных путём теоретического анализа, расчётов и имитационного моделирования.
-
Апробировать разработанную автоматизированную систему в промышленных условиях, использовать полученные результаты в учебном процессе.
Методы исследования основаны на теориях: автоматического управления, гидродинамики и гидростатики, вероятностей и математической статистики, массового обслуживания, а также на имитационном моделировании процессов и устройств.
Научная новизна (пп. 3, 4 паспорта специальности 05.13.06):
1. Предложен способ автоматизированного контроля и регулирования
степени обводнённости нефтесодержащей смеси в процессе сепарации, осно
ванный на косвенных измерениях её плотности и позволяющий определить
время сепарации с заданной точностью.
-
Построена математическая модель процесса сепарации нефтесодержа-щей смеси в трёхфазном горизонтальном нефтегазосепараторе, позволяющая определить степень её обводнённости и средние значения скорости движения глобул нефти.
-
Разработана и исследована имитационная модель образования сплошных фазовых слоёв из обводнённой нефтяной эмульсии. Показано, что модель позволяет определить оптимальное время сепарации с учётом обеспечения максимальной производительности нефтегазосепаратора и требований к характеристикам качества товарной нефти.
-
Разработаны система и программно-алгоритмические средства автоматизированного контроля и регулирования плотности нефтесодержащей смеси, позволяющие повысить производительность процесса сепарации.
Практическая ценность:
-
Предложены способы и технические решения, позволяющие реализовать автоматизированное управление технологическим процессом сепарации обводнённой нефтесодержащей смеси с помощью контроля и регулирования её плотности.
-
Предложена методика определения оптимального времени сепарации, позволяющая повысить производство товарной нефти при сохранении её качества согласно ГОСТ Р 51858 – 2002.
3. Разработаны методика и алгоритм, позволяющие контролировать и регулировать плотность нефтесодержащей смеси в нефтегазосепараторе с учётом влияния дестабилизирующих факторов.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе результатов и сформулированных на их основе выводов обеспечивается корректным применением известных теоретических положений, строгостью математического аппарата, подтверждается удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных, результатами внедрения в производство и учебный процесс.
На защиту выносятся:
-
Способ автоматизированного управления технологическим процессом сепарации, основанный на контроле и регулировании плотности нефтесодер-жащей смеси.
-
Структурная схема и математическая модель контроля и регулирования плотности нефтесодержащей смеси в процессе сепарации, разработанные для случая высокой степени обводнённости.
-
Имитационная модель образования сплошных фазовых слоёв и результаты её исследования на сходимость и чувствительность.
-
Результаты имитационного эксперимента по определению с заданной точностью времени сепарации в диапазоне обводнённости нефтесодержащей смеси от 70% до 90%.
-
Методика определения погрешности косвенного измерения плотности нефтесодержащей смеси в нефтегазосепараторе.
-
Алгоритмы и программные средства для автоматизированного управления технологическим процессом сепарации на основе контроля и регулирования плотности нефтесодержащей смеси.
-
Результаты экспериментальных исследований и апробации разработанной автоматизированной системы в промышленных условиях.
Реализация и внедрение. Результаты диссертации использованы на предприятии ООО «Координация» (г. Уфа) в виде автоматизированной системы контроля и регулирования плотности нефтесодержащей смеси, в учебном процессе Самарского национального исследовательского университета при подготовке магистрантов по направлению «Конструирование и технология электронных средств» и в учебном центре «Нефтестрой» (г. Самара) при проведении курсов повышения квалификации для работников нефтегазового сектора промышленности.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на: Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Математическое моделирование, численные методы и информационные системы» (Самара, 2012); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2012, 2015, 2016, 2017); Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы науки и образования в техническом вузе» (Стерлитамак, 2013, 2017); Международном симпозиуме «Надёжность и качество» (Пенза, 2015), Х Международной научно-практической конференции «Научные пер-
спективы ХХI века. Достижения и перспективы нового столетия» (Новосибирск, 2015); III Международной конференции «Информационные технологии и нанотехнологии» (Самара, 2017), I Международной конференции «Проблемы получения, обработки и передачи измерительной информации» (Уфа, 2017), XI Международной научно-практической конференции «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM» (Пенза, 2017).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 печатные работы, в том числе 6 научных статей в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, одна статья в издании, индексируемом в базе Scopus. Получено 2 патента на полезные модели.
Структура и объём диссертации. Диссертация общим объёмом 146 страниц включает 121 страницу основного текста, приложения на 25 страницах, состоит из введения, четырёх глав, заключения, содержит 48 рисунков и 15 таблиц, библиографический список из 89 наименований.