Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидродинамические и массообменные процессы и анализ абсорбционных технологий подготовки природного газа к транспорту 10
1.1. Физические процессы абсорбционной осушки природного газа и конденсата 10
1.1.1. Физические основы абсорбционного процесса 10
1.1.2. Осушка природных газов 19
1.1.3. Факторы, влияющие на процесс осушки природного газа. 22
1.2. Гидродинамика и массообмен газожидкостных потоков в аппаратах осушки газа 28
1.2.1. Основные характеристики газожидкостных потоков 28
1.2.2. Уравнения для расчета параметров дисперсно-пленочного потока 34
1.2.3. Процесс уноса капель с поверхности пленки 40
1.3. Технологические процессы подготовки природного газа к транспорту. 44
1.3.1. Технологии абсорбционной осушки газа, области её применения 44
1.3.2. Современное состояние оборудования для процессов абсорбционной осушки газа 53
1.4. Анализ осложнений в процессе осушки газа на поздней стадии разработки Уренгойского месторождения 59
1.5. Постановка цели и задач исследований 70
Глава 2. Исследование гидратообразования в аппаратах воздушного охлаждения для подготовки природного газа 71
2.1. Модель образования гидратов при течении влажного природного газавтрубе
2.2. Результаты расчетов осесимметричного течения влажного природного газа 75
2.3. Математическая модель неравновесного течения природного газа с конденсированной фазой в криволинейных каналах 79
2.4. Результаты расчетов течения в каналах сложной формы 85
2.5. Технологические и конструкторские пути улучшения работы АВО влажного газа 92
2.6. Полученные результаты и выводы ПО
Глава 3. Моделирование производственно-технических процессов под готовки природного газа на основе нечетких систем 112
3.1. Модели на основе нечетких сетей 112
3.1.1. Принципы построения нечеткой причинно-следственной сети 112
3.1.2. Задание функций принадлежности 113
3.1.3. Представление подсистем нейронной сетью 117
3.1.4. Приведение подсистемы к набору правил 121
3.1.5. Операции нечеткого логического вывода
3.2. Адаптация и оптимизация сложных систем 126
3.3. Задачи принятия решений по векторному критерию 134
3.4. Моделирование технологического процесса охлаждения природного газа нечеткими системами 139
3.5. Полученные результаты и выводы 152
Глава 4. Результаты оптимизации подготовки газа валанжанских за лежей уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения 154
4.1. Обзор моделирующих комплексов, их возможности 154
4.2. Оптимизация подготовки газа валанжинских залежей Уренгойского НГКМ 169
4.3. Полученные результаты и выводы 174
Заключение 175
Литература 17
- Осушка природных газов
- Результаты расчетов осесимметричного течения влажного природного газа
- Задание функций принадлежности
- Оптимизация подготовки газа валанжинских залежей Уренгойского НГКМ
Введение к работе
Актуальность темы. В условиях падающей добычи на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении (УНГКМ) вопросы разработки и внедрения новых технологий, направленные на обеспечение эффективной работы установок подготовки газа, приобретают особую значимость.
На газовых промыслах организуется комплексная подготовка газа к дальнему транспорту, в схеме которой основную роль играют массообменные аппараты. Усилия специалистов направлены на разработку технических решений, позволяющих интенсифицировать процесс массообмена, увеличить производительность и уменьшить унос из абсорбента из аппаратов. В последние годы в России, в связи с более жесткими требованиями к качеству подготовки газа, появилась необходимость создания аппаратов более совершенных конструкций с высокой прошводительностью и эффективностью. По технико-экономическим соображениям требуется модернизация существующих аппаратов для их эксплуатации на завершающей стадии разработки месторождений при пониженных давлениях, повышенных температуре и вла-госодержании газа без ввода дополнительного технологического оборудования.
Разработка современных технологических процессов переработки природного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ, позволяющих без значительных материальных и временных затрат производить исследования этих процессов. Такие модельные исследования имеют огромное значение не только для проектирования, но и для функционирования существующих производств, так как позволяют учесть влияние внешних факторов (изменение состава сырья, изменение термобаро-динамических параметров процесса осушки, сезонное изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и тд.) на показатели действующих производств. Однако полный расчет всей технологической цепочки подготовки природного газа чрезвычайно сложен. Для многостадийных процессов, в которых осуществляются разнообразные физические, химические явления, построение детерминированных математических моделей становится очень сложной задачей. В таких случаях возможны подходы, основанные на методах системногомоделирования.
Анализ технологических схем подготовки и переработки природного углеводородного сырья, экспериментальное и численное моделирование физических процессов подготовки промыслового газа являются важными и актуальными задачами обеспечения требуемых потребительских свойств природного газа. Кроме того, в условиях имеющейся неопределенности воздействия множества факторов на производственные процессы, актуальной задачей является также применение подходов системного моделирования, таких как методов нечеткой логики, нейросетевых методов и эволюционных алгоритмов.
Объектом исследования являются технологические процессы и аппараты подготовки природного углеводородного сырья в системе комплексной подготовки природного газа к дальнему транспорту.
Предметом исследования являются методы и модели расчета многофазных течений в аппаратах подготовки природного газа; методическое обеспечение проектирования технологических процессов осушки природного газа; методы нечеткого моделирования сложных систем.
Цель работы состоит в проведении комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических и методических решений по оптими-
задии подготовки газа на основе имитационного моделирования процессов абсорбционной осушки и гидратообразовашя нечеткими системами, тиражировалиSc на всех устройствах комплексной подготовки газа (УКПГ) позволят о^чить ~
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи-
бо" Ь ЧИСЛеннУю мо«ель образования гидратов в аппаратах и тру-
бопроводах; провести численные расчеты неравновесного течения природного
газа с конденсированной фазой в каналах сложной формы пРиРДного
то«.и"^ТНИТЬ эФФективность работы массообменных аппаратов для подготовки газа при моделировании термогазодинамических процессов и разработать рекомендации по режимам их эксплуатации в промысловых условия? чинно"ТаТЬ наУЧН0;техНические Рия Д построения нечетких' при-Гпод^тГ" СЄТЄИ' М0ДЄЛИРУЮЩИХ —ые технологические пРоцРес-
- построить имитационную модель технологического процесса подготов
ки природного газа на основе эмпирических и экспертных данных полненных
в результате анализа абсорбционных процессов осушки приРод"оГГа~
ложнении, возникающих в процессе гликолевой осушки наУНГКМв компрес
сорный период эксплуатации; компрес-
тивной !!РГаТЪ WW** подходы при выработке решений по эффек
тивной эксплуатации существующего нефтегазоносного комплекса УНГКМ
инпг Методы исследования. В работе применялись методы планирования
ІГсЇЛлТ ЭКСПеРИМента> """re методы газодинамики многофГ
паватїnrSZZT ДИНаМИКИ ^Р3301 ДР^в в технологических ап
паратах применялся метод контрольного объема при решении уравнений двух
фазной гидродинамики в областях сложной формы нении двух
влече^ияТиГиГи1! ТаЮКе ИСП0ЛЬ30Вались метДЬ. системного анализа и из-
IZTrZ " эмпирических данных. При построении причинно-
следственной сети, моделирующей технологические процессы подготовки гГа
использовались методы нечеткой логики и нейросстевые ^Z Обучен^
1" И тети<Ь«»*» моделей проводились „а основе теорегичесГх ме
тодов структурно-параметрической адаптации. Ніическихме
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и вы
водов подтверждается сопоставительным анализом рч-ВопшнЗ?^%.
щих математических моделей и методов, а также данными процесса промысловой
подготовки природного газа сеноманской и валанжинской залежей УВДШ
ня Математические «одели и алгоритмы, используемые в работе, основаны
на фундаментальных методах теоретической и экспериментальной гиТ0дина
мики, а также на современных положениях теории обычных и нечетких мно
жеств и принципах построения экспертных систем. нечетких мно-
На защиту выносятся результаты применения научно-обоснованных технических решений по оптимизации подготовки газа, в том числе тРубаіМ0ДЄЛЬ 0браЗОВаНИЯ ДРатов при течении сырого природного газа в
математическая модель неравновесного течения природного газа с конденсированной фазой в каналах сложной формы;
технологические и конструкторские решения улучшения работы аппара-
тов воздушного охлаждения (АВО) сырого газа;
метод моделирования сложных технологических процессов с помощью причинно-следственной сети;
нечеткая имитационная модель технологического процесса подготовки природного газа, построенная на основе эмпирических и экспертных данных.
Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем:
построена модель образования гидратов при течении сырого газа в каналах, основанная на уравнениях гидродинамики и теплообмена; разработана методика оценки выпадения конденсированной фазы, использующая результаты численного совместного решения уравнений для газовой и конденсированной фаз в двумерной постановке, при движении природного газа в аппаратах и трубопроводах;
получены результаты численного моделирования режимов течения в коллекторах АВО для нескольких схем подсоединения коллекторов к потоку, которые существенно облегчают поиск технический решений по снижению гидратообразо-вания в АВО посредством изменения конструктивных схем подсоединения коллекторов и применения ингибитора в зону наиболее вероятного образования гидратов;
предложен способ построения и подход к проблемно-целевому анализу сложных организационно-технических систем на основе нечеткого моделирования; построена нечеткая имитационная модель технологического процесса подготовки природного газа на основе эмпирических и экспертных данных;
разработан программный комплекс на основе имитационного моделирования технологического процесса подготовки газа нечеткими системами для поддержания действующего фонда газоконденсатных скважин и оптимальных режимов процесса низкотемпературной сепарации в условиях падения пластового давления.
Праю-ическая полезность работы. На основании полученных промысловых экспериментальных данных разработаны технологические режимные карты по эксплуатации основного технологического оборудования подготовки газа к транспорту на УНГКМ. Выявлены технологические и конструкторские решения модернизации системы подготовки природного газа в промысловых условиях.
Применение методики нечеткого моделирования технологических процессов позволяет дать оперативную оценку показателей природного газа, подготовленного к транспортировке, при изменении условий добычи. Применение модели дает возможность структурной и параметрической оптимизации производства, направленной на повышение уровня качества подготовки природного газа.
Внедрение предложенный научно-обоснованных решений по оптимизации подготовки газа позволило увеличить объем добываемой нефти и утилизированного попутного нефтяного газа, сократить количество несанкционированных остановок дожимных компрессорных станций (ДКС) управления подготовки конденсата к транспорту (УПКТ), а также увеличить выход нестабильного конденсата в летний период времени за счет обеспечения температуры низкотемпературных сепараторов (НТС).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: шестой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2005); 35-й и Зб-й международных конференциях «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (Украина, Крым, Ял-
та-Гурзуф, 2008,2009); международном конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT'09» (Краснодарский край, п. Дивноморское, 2009); VI международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (Москва, 2011).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 17 научных работах общим объемом 4,3 п. л., авторский вклад -2,9 п. л. Автор имеет 6 научных трудов в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертаций, а также 3 патента, зарегистрированных в Государственном реестре изобретений РФ.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и акт об использовании результатов работы, изложенные на 191 стр. машинописного текста. В работу включены 52 рис., 5 табл., список литературы из 128 наименований.
Осушка природных газов
На установках комплексной подготовки газа подготовка природного газа к транспорту осуществляется по технологии абсорбционной осушки с применением в качестве абсорбента диэтиленгликоля (ДЭГ) [70]. Промысловая подготовка газа заключается в извлечении влаги и мехпримесей из пластового газа и обеспечении требуемой температуры точки росы. В процессе подготовки природного газа применяются технологии, основанные на законах гидродинамики, тепло и массообмена. Основная доля осушки газа приходится на абсорбционные аппараты и технологии [16,18].
В нефтяной и газовой промышленности процесс абсорбции применяется для разделения, осушки и очистки углеводородных газов [101]. Абсорбция - процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Процесс абсорбции происходит в том случае, когда парциальное давление извлекаемого компонента в газовой смеси выше, чем в жидком абсорбенте, вступающем в контакт с этим газом, т.е. для протекания абсорбции необходимо, чтобы газ и абсорбент не находились в состоянии равновесия. Различие в парциальном давлении извлекаемого компонента в газе и жидкости является той движущей силой, под действием которой происходит поглощение (абсорбция) данного компонента жидкой фазой из газовой фазы. Чем больше эта движущая сила, тем интенсивнее переходит этот компонент из газовой фазы в жидкую [108].
По своей природе различают два вида абсорбции: физическую, при которой извлечение компонентов из газа происходит благодаря их растворимости в абсорбентах и химичесьую (хемосорбцию), основанную на химическом взаимодействии извлекаемых компонентов с активной частью абсорбента. Скорость физической абсорбции определяется диффузионными процессами, скорость хемосорбции зависит от скорости диффузии и химической реакции. Поглощение компонентов газовой смеси при абсорбции сопровождается выделением тепла, величина которого пропорциональна массе и теплоте растворения qA поглощенных компонентов. Процесс абсорбции обратимый, поэтому он используется не только для получения растворов газов в жидкостях, но и для разделения газовых смесей. При этом после поглощения одного или нескольких компонентов газа из газовой смеси необходимо произвести выделение из абсорбента поглощенных компонентов, т.е. десорбцию [32, 34]. При выборе абсорбента учитывают состав разделяемого газа, давление и температуру процесса, производительность установки. Выбор абсорбента определяется также его селективностью, поглотительной способностью, коррозионной активностью, стоимостью, токсичностью и другими факторами. Из природных и попутных нефтяных газов путем абсорбции извлекают этан, пропан, бутан и компоненты бензина; абсорбцию применяют для очистки природных газов от кислых компонентов - сероводорода, используемого для производства серы, диоксида углерода, серооксида углерода, сероуглерода и т.п. В качестве абсорбентов при разделении углеводородных газов используют бензиновые или керосиновые фракции, а при осушке -диэтиленгликоль еДЭГ) и триэтиленгликоль (ТЭГ).
В отличие от ректификации процесс абсорбции протекает в основном одно-направлено, т.е. абсорбент можно считать практически нелетучим. В случае абсорбции многокомпонентной газовой смеси на некоторой ее стадии отдельные компоненты могут вытесняться другими поглощаемыми компонентами. В результате наряду с процессом абсорбции будет протекать процесс частичной десорбции некоторых компонентов, что приведет к распределению компонентов между газовой и жидкой фазами, обусловленному обоими указанными процессами [78].
Абсорбция (десорбция) - диффузионный процесс, в котором участвуют две фазы: газовая и жидкая [107]. Если давление поглощаемого компонента в газовой фазе pg, а парциальное давление того же компонента в газовой фазе, находящейся в равновесии с абсорбентом ре, то при pg ре компонент газа переходит в жидкость, т.е. протекает процесс абсорбции. Если рё ре,тх поглощенные компоненты газа переходят из абсорбента в газовую фазу, т.е. осуществляется процесс десорбции. Чем больше величина p -pe, тем интенсивнее осуществляется переход компонента из газовой фазы в жидкую. При приближении системы к состоянию равновесия движущая сила уменьшается и скорость перехода компонента из газовой фазы в жидкую замедляется. Поскольку парциальное давление компонента пропорционально его концентрации, то движущая сила процесса абсорбции или десорбции может быть выражена также через разность концентраций компонента в газовой Acg = cge - cg или жидкой фазе Ас, = clg - с,. Количество веществаМ поглощаемого в единицу времени при абсорбции или выделяемого при десорбции, прямо пропорционально поверхности контакта газовой и жидкой фаз F, движущей силе процесса и коэффициенту пропорциональности К, зависящему от гидродинамического режима процесса и физико-химических свойств системы.
Результаты расчетов осесимметричного течения влажного природного газа
В процессе абсорбции одна и та же степень извлечения может быть достигнута при изменении таких основных параметров процесса абсорбции, как давление, температура, число тарелок и удельный расход абсорбента.
Повышение давления благоприятно сказывается на процессе абсорбции. Оно приводит к увеличению растворимости газа в абсорбенте, позволяет снизить удельный расход абсорбента и уменьшить число тарелок в абсорбере. Однако в случае необходимости предварительного сжатия газа возрастает расход потребляемой энергии, что часто лимитирует величину выбранного давления в аппарате.
Понижение температуры процесса абсорбции позволяет снизить удельный расход абсорбента и уменьшить необходимое число тарелок. В промышленных условиях температура абсорбции зависит главным образом от применяемого охлаждающего агента. В современных абсорбционных установках, обеспечивающих извлечение практически всех компонентов газа, включая этан, экономически оправдано ведение процесса при пониженных температурах с использованием специальных хладагентов. В этом случае затраты на сооружение и эксплуатацию специальных холодильных установок должны окупаться за счет сокращения капитальных и эксплуатационных затрат на другое оборудование.
Число тарелок в абсорбере и удельный расход абсорбента взаимосвязаны. Увеличивая расход абсорбента, можно уменьшить число тарелок и наоборот. Увеличение числа тарелок приводит к увеличению высоты аппарата, обслуживающих металлоконструкций и затрат на транспортирование абсорбента в пределах установки. Увеличение расхода абсорбента связано с дополнительными эксплуатационными расходами, обусловленными нагревом абсорбента перед подачей в десорбер, охлаждением абсорбента перед вводом его в абсорбер, увеличением расхода энергии на перекачку циркулирующего абсорбента. Кроме того, увеличиваются также капитальные затраты на подогреватели и холодильники.
Оптимальные рабочие условия для абсорбера определяют из технико-экономических расчетов установки. Как правило, более экономичным оказывается вариант работы с повыщенным числом тарелок и сравнительно небольшим удель 24 ным расходом абсорбента, несколько превышающим минимальный его расход. Технжо-экономические показатели работы десорбера также зависят от температуры процесса, числатарелок, расхода десорбирующего агента и давления в аппарате.
Повышение температуры при десорбции позволяет сократить расход десорбирующего агента, уменьшить число тарелок в аппарате. Однако с повышением температуры возрастает расход тепла на нагрев абсорбента и хладагента и на его охлаждение перед подачей в абсорбер. Увеличиваются также размеры нагревателей, теплообменников и холодильников для проведения процесса при более высоком давлении [54].
При выборе давления в десорбере необходимо иметь в виду, что снижение давления благоприятно сказывается на процессе десорбции, позволяя сократить расход десорбируюшего агента и уменьшить число тарелок в десорбере. Однако возможная степень понижения давления в десорбере обусловлена возможностью конденсации десорбированных компонентов без дополнительного их сжатия.
Оптимальный вариант работы десорбера определяется на основе сопоставительных технико-экономических расчетов.
Абсорберы разделяют по способу контактирования взаимодействующих фаз на три группы: поверхностные, барботажные и распыливающие. В поверхностных абсорберах поверхностью контакта фаз является зеркало жидкости или поверхность стекающей пленки (пленочные абсорберы). К этой группе относятся аппараты со свободной поверхностью; насадочные с насыпной и регулярной насадкой; пленочные, в которых пленка образуется при гравитационном стекании жидкости внутри вертикальных труб или на поверхности листов; механические пленочные с пленкой, формирующейся под действием центробежных сил.
В барботажных абсорберах поверхность контакта развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырей и струй. К этой группе относятся аппараты со сплошным барботажным слоем с непрерывным контактом между фазами, тарельчатого типа, с подвижной (плавающей) насадкой, с механическим перемешиванием жидкости. В распыливаюищх абсорберах поверхность контакта образуется путем распыления жидкости на мелкие капли. К этой группе относятся аппараты полые форсуночные, с распылением за счет энергии жидкости, скоростные прямоточные с распылением абсорбента за счет кинетической энергии движущегося с большой скоростью газового потока, механические с распылением жидкости быстро вращающимися элементами.
Отдельные типы аппаратов в зависимости от режима работы могут быть отнесены к одной или другой группе, например, насадочные абсорберы при инверсии фаз становятся барботажными аппаратами, а тарельчатые при работе в струйном режиме являются распыливающими.
Важными характеристиками, которые необходимо учитывать при выборе конструкции абсорбера, также являются гидравлическое сопротивление, диапазон возможного изменения нагрузок по газу и жидкости, время пребывания жидкости, чувствительность и склонность к загрязнениям.
В нефтегазовых производствах наиболее распространены тарельчатые и насадочные абсорберы. Тарельчатый абсорбер представляет собой вертикальный аппарат, в верхней части корпуса которого установлен каплеотбойник, предотвращающий унос абсорбента потоком газа. Контактирование газового потока и абсорбента осуществляется на контактных тарелках. Насадочный абсорбер в верхней части оснащен распределителем регенерированного абсорбента. Слой насыпной или регулярной насадки опирается на опорную решетку. Для загрузки и выгрузки насадки служат люки.
При промысловой очистке и осушке природного газа производительность по газу одного абсорбера достигает 10 - 35 млн. мЗ/сут. Для таких условий работы предназначены специальные конструкции абсорберов. На рис. 1.4 представлена конструкция многофункционального аппарата, состоящего из трех секций [107].
Исходный газ по тангенциально расположенному штуцеру поступает в первую по ходу газа секцию сепарации. Отделение капельной жидкости в этой секции осуществляется при прохождении газа через сетчатый отбойник 1 и сепара-ционную тарелку 2, на которой установлены центробежные сепарирующие элементы. Вторая секция предназначена для осушки газа и включает четыре тарелки 4 с контактными элементами центробежного типа.
Задание функций принадлежности
В качестве основного звена при проектировании установок осушки газа выбрана технологическая линия, состоящая из сепаратора, абсорбера и фильтра, соединённых между собой трубопроводами и арматурой. Для получения заданной производительности используется несколько типовых технологических линий, соединённых параллельно между входными и выходными коллекторами. На некоторых установках входной коллектор отсутствует, и подача газа на технологическую линию осуществляется индивидуально с группы скважин и кустов. Переключение скважин осуществляется на отдельно стоящих пунктах переключающей аппаратуры (ППА) и зданиях переключающей арматуры (ЗПА). Такие же пункты имеются и при коллекторной схеме и служат для подключения и отключения кустов (скважин).
При совершенствовании установок осушки природного газа и регенерации абсорбента в ряде случаев целесообразна замена массообменных элементов в колонне на регулярные насадки, обладающие рядом преимуществ - малый перепад давления по высоте колонны, большой диапазон устойчивой работы, большая гибкость конструкции, простота обслуживания [21,23,41,42,52,79,115]. В перекрёстном насадоч-ном абсорбере применяют насадки регулярной конструкции (структуры). Рехулярные насадки предпочтительнее нерегулярных, поскольку они обладают более стабильными гидродинамическими и массообменными характеристиками. Перекрёстная регулярная насадка изготавливается из традиционного для насадок материалов: плетённой или вязаной сетки, просечных листов, пластин и др. Конструкцию насадки выполняют с учётом особенностей взаимодействия контактирующих фаз в объёме насадки. Она проницаема для газа, прежде всего в горизонтальном направлении, и для жидкости в вертикальном направлении, то есть газ и жидкость проходят объем насадки по независимым друг от друга сечениям. Такое конструктивное оформление насадки, реализующее перекрёстную модель взаимодействия газа и жидкости в объ 47 ёме насадки, позволяет получить ряд принципиальных преимуществ перекрёстной насадки по сравнению с известными контактными устройствами: - перекрёстное взаимодействие фаз в объёме насадки позволяет заменить насадкой тарельчатые аппараты, при этом уменьшается объём насадки и повышается кратность жидкого орошения; - независимость сечения для прохода газа и жидкости через насадку позволяет варьировать соотношения линейных скоростей газа и жидкости, не изменяя общих нагрузок и диаметра колонны; - изменение глубины и высоты насадки позволяет независимое регулирование времени контакта фаз или длины пути газа и жидкости при неизменном диаметре и общих нагрузках по газу и жидкости; - обеспечение горизонтальной траектории движения газа, не совпадающей с направлением силы тяжести жидкости, расширяет диапазон устойчивой работы насадки; - изменение поперечного и продольного сечений насадки позволяет независимо регулировать плотность жидкого орошения и скорости газа или перепад давления при неизменном диаметре и общих нагрузках по газу и жидкости; - изготовление блоков насадок в виде различных геометрических фигур обеспечивает технологическую и конструктивную гибкость перекрёстных насадочных колонн.
Большие возможности регулирования плотности жидкого орошения, скорости газа по времени контакта фаз позволяет обеспечить работу перекрёстнопоточной регулярной насадки при отимальньк гидродинамических и массообменных характеристиках. Проектирование перекрёстнопоточньк абсорбционных колонн сводится к обычному технологическому расчёту с учётом эксплуатационных данных по гидравлическому сопротивлению, массообменной эффективности перекрёстнопоточных регулярных насадок, выбору диаметра колонны и расчёту общей высоты колонны.
Для предупреждения последствий повышения температуры природного газа в период падающей добычи предлагаются технологии, предусматривающие предварительную осушку газа однократной абсорбцией в трубопроводе смешения [23, 41, 42, 47,65,114,115]. Технико-экономические показатели процесса осушки газа обратно пропорциональны величине циркуляции раствора с заданной начальной и конечной концентрацией. В связи с этим наиболее целесообразным является достижение заданной температуры точки росы по влаге при минимальном расходе абсорбента, то есть минимуме его потерь с осушенным газом. Повышение температуры процесса осушки до 25-40 С увеличивает унос гликоля в 1,2-1,5 раза и его расход в связи с необходимостью достижения требуемой температуры точки росы газа. Например, при температуре контакта +35 С растворимость ДЭГ (т.е. содержание ДЭГ в паровом виде) увеличивается до 5...6 г/тыс. м . Это приводит к дополнительным потерям ДЭГ с осушенным газом, сравнимым с потерями ДЭГ из абсорберов в капельном (аэрозольном) виде.
Технологическая схема типовой установки гликолевой осушки газа, а также схемы для начального периода разработки северных месторождений приведены в [17,27, 32, 38,41, 59, 67, 82, 83, 93, 113,117-121, 124,125].
На рис. 1.5 приведена проектная технологическая схема подготовки сеноман-ского газа на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении (НГКМ). Природный газ поступает на установку комплексной подготовки газа (УКПГ), где обрабатывается на нескольких однотипных технологических линиях, производительность которых в начальный период разработки составляла 2,5-3,0 млн. м3/сут, а в настоящее время в результате проведенных модернизаций увеличена до 5-Ю млн. м3/сут. При реализации данной технологической схемы концентрация регенерированного ДЭГа составляет 98,5-99,3 % масс, а насыщенного ДЭГа - на 2,0-2,5 % меньше при кратности циркуляции 7-12 кг/тыс. м газа.
Оптимизация подготовки газа валанжинских залежей Уренгойского НГКМ
Отношения причинности между каждой парой элементов (pt,Pj) из множества связей V = Ыррр \ формируются в виде ориентированного графа. Связь между типовыми состояниями каждой пары элементов задаются одним из значений терм-множества лингвистической переменной.
Связи, характеризующие нечеткую степень влияния между типовыми состояниями каждой пары элементов, описываются нечеткими переменными, которые могут задаваться либо значениями из отрезка [-1,1], либо функциями принадлежности. Задание взаимосвязей между элементами с помощь функций принадлежности позволяет формировать продукционные модели в виде множества нечетких правил. 3.7.5. Представление подсистем нейронной сетью
Некоторые элементы могут образовывать подсистему с типом взаимосвязей, отличных от остальных. Такая подсистема может описываться детерминированной математической моделью в виде алгебраических и дифференциальных уравнений [61]. При необходимости связи между элементами подсистем в ряде случаев представляются нейронной сетью, однонаправленной либо рекуррентной. Для таких подсистем определяется следующая структура (рис. 3.1). Пусть имеется узловой элемент рг Вместе с элементами PjJ = jvj„ pkJ = kl,kL элемент р. образует некоторую подсистему. Входы в подсистему определяются связями V(j,i),j - j\,jm, а выходы связями V(і,к),к = кх,кь. Узловой элемент .осуществляет преобразование вида У = Ф,(Х), X = [Xj\j = jx,jm, Y = [yk],k = kl,kL, (3.1) где У- выходные воздействия; X -входные сигналы. В виде подсистемы может быть представлено некоторое техническое устройство, осуществляющее технологический процесс. Например, аппарат центробежной осушки газа. Тогда входными параметрами являются термодинамические (давление, температура, влажность) и теп Рис. 3.1. Структура подсистемы. . „ лофизические характеристики газа. К входным параметрам также относятся технологические характеристики процесса (расход газа, закрутка газа, дисперсный состав конденсированной влаги, конструктивные особенности аппарата и т.д.). Выходными параметрами могут являться требуемые термодинамические параметры, включая и температуру точки росы, а также характеристики в виде затрат энергетических, сырьевых и трудовых ресурсов. Преобразование (3.1) может быть представлено в нескольких видах.
1. Математическая модель технологического процесса. Она может включать уравнения движения многофазной среды в многомерной постановке с учетом фазовых превращений. Преобразование может также выглядеть, как инженерная методика расчета технико-экономических показателей данного технологического процесса.
2. Математическая модель, описываемая нейронной сетью. Для извлечения знаний из системы данных и для решения задач управления широкое применение нашли однонаправленные многослойные нейронные сети. Важным свойством нейронных сетей является способность к обучению и обобщению полученных знаний. Обученная на ограниченном множестве обучающих выборок, сеть обобщает накопленную информацию и выдает реакцию на данные, не применявшиеся при обучении. Нейронная сеть осушествляет нелинейное преобразование (3.1) вектора X в вектор V: V = Г(W,Х), где W - матрица коэффициентов преобразования, определяемая в процессе обучения сети.
Многослойная нейронная сеть состоит из входного и выходного слоев, а также из нескольких внутренних (скрытых) слоев [91]. Входной слой имеет размерность входного вектора Х = [xlv..,xn]. Обычно размерность вектора увеличивают еще на единицу, добавляя х0 =1. Это делается для включения величины смещения функции активации в множество весовых коэффициентов. Каждый нейрон первого скрытого слоя (к=1) осуществляет суммирование входящих сигналов 7=0 Выходной сигнал нейрона преобразуется с помощью функции активации zf =G(u ),i = l,Nk;k = l,Kc, где Nk - число нейронов вЬм слое; Кс- число слоев. В качестве функции активации используется сигмоида С(5) = . 1 + Иф(-Д0 Производная от этой функции выражается через значения самой функции — = fiGis)(l-G{s)). ds Выходные преобразованные сигналы суммируются на последующем слое и, так далее, до последнего выходного слоя. и! = ЕФГ zt = Gtf),i = Wk,k = l,Kc, так что z = X, V = z Построенная таким образом нейронная сеть содержит весовые коэффициен ты w\, і = \,NkJ = 0,Nk_vk = 1,Ас, требующие определения в процессе обучения.
Для обучения используется система данных, представляющая собой набор наблюдаемых точек (XJ,fJ)J = up, где X,f - входной вектор и вектор функции, соответственно. Система данных из р точек делится на две выборки; обучающую (X ,f ),У = U и проверочную j =І+Ї . Весовые коэффициенты нужно подобрать таким образом, чтобы они обеспечили минимальное отклонение рассчитываемых в сети значений V от имеющихся f, т.е. давали бы минимум целевой функции Здесь W - матрица коэффициентов Ц, і = l,NkJ = Q,Nk_„k = l, Ac, q - номер предъявляемой для обучения пары из выборки (Xq,fq),q = Ц. Для обучения нейронной сети (настройки коэффициентов W) наиболее часто применяются алгоритм обратного распространения ощибки и генетические алгоритмы [91].
В качестве примера рассмотрим экспериментальные данные, описывающие зависимость дебита жидкости от расхода газа и диаметра подъемника в процессе работы газлифтной скважины [15]. При низком пластовом давлении, больщой глубине и высоких газовых факторах наиболее приемлемым способом эксплуатации скважин является газлифт [84]. Принципиальная технологическая схема газлифтной эксплуатации заключается в подаче газа высокого давления в затрубное пространство скважины.
