Динамическое моделирование процесса низкотемпературной сепарации
Ибрагимова А.Т., Мезенцева Т.А.


Тюменский нефтяной

научный центр

В статье рассматривается динамическое моделирование блока низкотемпературной сепарации установки комплексной подготовки гази и конденсата (УКПГиК) в ПО HYSYS. Целью исследования является оптимизация режима работы установки низкотемпературной сепарации (НТС). В программном обеспечении создана имитационная динамическая модель процесса НТС. Проведено моделирование аппаратов в режиме реального времени, исследованы зависимости пропускной способности каждого элемента при заданном технологическом режиме. В результате определен потенциал увеличения производительности исследуемой установки на 17% от фактического режима работы.
Введение
Динамический режим работы в Aspen HYSYS — одна из эффективных функций, которая позволяет инженерам и проектировщикам процессов подготовки углеводородной продукции анализировать и оценивать режимы работы технологических установок с течением времени. Модель позволяет определять ключевые переменные анализируемого процесса (температура, давление, расход сырья и др.), которые изменяются за рассматриваемый период в ответ на изменение тех или иных рабочих условий.
Динамическое моделирование процессов подготовки продукции необходимо для анализа и оптимизации работы установок подготовки газа и конденсата (УКПГ, УКПГиК), а также для прогнозирования их производительности и эффективности при изменении режима работы.
Динамическое моделирование вызывает повышенный интерес исследователей при анализе работы площадочных объектов подготовки и переработки нефти и газа [1-4].
Модель позволяет учитывать изменения параметров процесса, такие как состав газа, температура и давление, что способствует более точному прогнозу результатов работы установки.
Определение и последующий анализ динамической модели УКПГ и УКПГиК актуальны по следующим причинам:
  • планирование производительности;
  • метод позволяет оценить потенциальную производственную мощность установки при условии оптимального использования ресурсов и оборудования;
  • выявление узких мест, ограничивающих производство;
  • поиск областей, где ключевые показатели рабочего режима установки отклоняются от ожидаемого или регламентного уровня;
  • размер оборудования;
  • по результатам оценки можно определить соответствующий размер аппаратов для работы с ожидаемыми объемами производства, предотвращая неполную загрузку и перегрузку оборудования [5];
  • принятие инвестиционных решений.
Оценка пропускной способности установки позволит принимать инвестиционные решения, связанные с реконструкцией установки, развитием инфраструктуры или модернизацией оборудования.
В последнее время в различных областях газо- и нефтепереработки активно исследуются подходы для корректного решения подобного рода задач [6–9].
В статье исследуется максимальная пропускная способность установки низкотемпературной сепарации (НТС) методом динамического моделирования в программном обеспечении (ПО) HYSYS.
Разработка динамической модели блока НТС
Сырой газ — природный газ, отличающийся повышенным содержанием (более 15 % об.) тяжелых углеводородов (С3+). К сырым газам относят попутные газы нефтяных и газы газоконденсатных залежей. В промысловых условиях к этой группе также относят газы, содержащие тяжелые высокомолекулярные жидкие и твердые углеводороды высококипящих фракций и пары воды. Присутствие жидкости в трубопроводах природного газа снижает теплотворную способность смеси и пропускную способность при транспортировке, а также увеличивает эксплуатационные расходы [10–11].
Понижение точки росы природного газа необходимо для получения продукции товарного качества. Среди традиционных методов подготовки продукции низкотемпературные процессы являются единственным методом, который может одновременно снижать как температуру точки росы по воде, так и по углеводородам [12–13].
НТС представляет собой процесс разделения различных компонентов смеси при температуре ниже точки кипения жидкости. Функция НТС заключается в извлечении газового конденсата из природного газа. Отделение компонентов с более низкой температурой кипения от смеси осуществляется за счет охлаждения потока до температуры ниже их точки кипения, вызывая конденсацию в жидкую фазу для упрощения последующего сепарирования.
Основным аппаратом установки НТС является трехфазный сепаратор, разделяющий поток на три фазы (газ, легкая жидкость – нефть или конденсат, и тяжелая жидкость – вода). На данном этапе удаляется необходимое количество легких и тяжелых компонентов для получения товарного газа с точкой росы, соответствующей требованиям отраслевого стандарта (ОСТ) [14].
Для динамического моделирования трехфазного сепаратора в ПО HYSYS необходимо задать геометрические размеры аппарата: диаметр, высоту, длину и объем, а также размеры перегородки. Схематичное отображение трехфазного НТС с арматурой контрольно-измерительных приборов (КИП) представлено на рисунке 1.
Рис. 1. Трехфазный сепаратор

Единственный эффективный способ контролировать разделение газа, конденсата и воды в трехфазном сепараторе — это измерять уровень фаз. Знание положения и толщины слоя жидкой/водной эмульсии позволяет эффективно управлять процессами разделения фаз в трехфазном сепараторе в режиме динамики.
Для определения максимальной пропускной способности установки в ПО HYSYS создана модель блока НТС (рис. 2).

Рис. 2. Блок НТС в ПО HYSYS
Газожидкостный поток с давлением 90 кгс/см2 и температурой минус 12 °С поступает в блок НТС, состоящий из дросселя, вертикального сепаратора С3А1 и горизонтального трехфазного разделителя С3В1. Компонентный состав сырьевого потока представлен в таблице 1.
Табл. 1. Компонентный состав
сырьевого потока

На дросселе происходит снижение давления и, соответственно, температуры, вследствие чего конденсируется капельная жидкость. В сепараторах С3А1-С3В1 происходит улавливание сконденсированной капельной жидкости и отделение углеводородной составляющей отсепарированной жидкости от водометанольного раствора (ВМР).
Подготовленный товарный газ из С3А1-С3В1 поступает на узел учета газа (КУУГ). Углеводородный газоконденсат (ГК) из С3А1-С3В1, отделенный от ВМР, направляется на установку стабилизации конденсата (УСК). ВМР направляется на площадку буферных емкостей метанола.
Рассмотрим подробнее блок НТС с точки зрения технологического оснащения. Установка состоит из вертикального сепаратора С3А1 объемом 15,5 м3. Аппарат управляется двумя контурами PI-контроллера. В первом контуре LIC-100 уровень жидкости поддерживается путем управления выходным клапаном жидкости VLV-100. Второй контур PIC-101 регулирует давление внутри двухфазного сепаратора, ограничивая количество выпускаемого газа клапаном VLV-105.
Процесс НТС в трехфазном сепараторе С3В1 объемом 40 м3 включает в себя три контура PI-контроллера. Контроллер LIC-101 поддерживает высоту границы раздела ГК/ВМР,
управляя клапаном сброса ВМР VLV-103, в то время как уровень ГК контролируется с помощью второго PI-контроллера LIC-101 через клапан слива ГК VLV-102.
Давление в сосуде поддерживается постоянным с помощью третьего контура PIC-100 клапаном VLV-101.
Схема детализирована основными подводящими и отводящими штуцерами аппаратов и трубопроводами с учетом их геометрических размеров для более точного представления поведения процесса во времени.
Результаты моделирования блока НТС
С целью поиска решений по оптимизации режима установки НТС модель рассчитывалась в динамическом режиме при различных сценариях для определения максимальной пропускной способности.
Состав на входе принят единым для всех вариантов расчетом. Пластовый флюид, поступающий на вход установки с давлением 9,0 МПа и температурой минус 12 °С следует в блок НТС на дроссель.
Пропускная способность вертикального сепаратора С3А1 типа сухого дна зависит от жидкой фазы, поступающей в газожидкостном потоке от дросселирующего устройства. Для определения зависимости выделения жидкой фазы от изменения давления на дросселе выполнены многовариантные расчеты, результаты представлены на рисунке 3.
Рис. 3. Зависимость выделения жидкой фазы от перепада давления на дросселе

Ввиду ограничения по минимальному давлению на выходе установки перепад давления на дросселирующем устройстве принят 1 500 кПа.
По первому сценарию модель настроена на фактический режим работы, при котором все участвующие в процессе регуляторы работают номинально при загрузке схемы
5,3 млн ст.м3/сут (из них 398,7 т/сут — жидкая фаза). Далее загрузка увеличивалась линейно и анализировалась работа аппаратов, регуляторов, соблюдение термобарических режимов.
За период до 131,7 минуты модель настраивалась на рабочий фактический режим при достижении уровня жидкости в вертикальном сепараторе С3А1 не более 6 %, в горизонтальном трехфазном сепараторе С3В1 на уровне 50%, ВМР на уровне 20 %. Перегородка в сепараторе С3В1 определена высотой 1,5 м, поэтому для эффективной и непрерывной сепарации уровень ВМР поддерживается на уровне 0,3–0,6 м, легкий конденсат на уровне 1,6 м, что соответствует наибольшей площади поверхности сепарации.
Далее после 132,5 минуты загрузка была увеличена до 6,2 млн ст. м3/сут (из них 466,4 т/сут — жидкая фаза), после 154,2 мин. до 6,3 млн ст. м3/сут (из них 474,0 т/сут — жидкая фаза). На рисунках 4а,б, 5а,б показано изменение, влияющее на поддержание заданных показателей режима работы сепараторов С3А1-С3В1 — уровень жидкости и поддерживаемое давление в аппарате. В соответствии с увеличением входного молярного потока линейно увеличивается нагрузка на клапаны, что заставляет контуры больше их открывать.
Увеличение расхода входящего потока до 6,2 млн ст. м3/сут привело к кратковременному увеличению объема жидкости и давления в сепараторе С3А1, как отображено на рисунке 4. Два контура управления PI двухфазного сепаратора включились для выхода на целевой режим путем регулирования выходов жидкости и газа. Системе управления сепаратором потребовалось приблизительно 12 минут, чтобы полностью устранить это нарушение в рабочей точке.

Рис. 4. Режим работы сепаратора С3А1: а — уровень жидкости; б — давление

Рис. 5. Режим работы сепаратора С3В1: а — уровень газового конденсата, открытие клапана ГК; б — уровень водометанольного раствора, открытие клапана ВМР
На рисунке 6 показана разница между динамикой двух фаз сепаратора. Из графиков видно, что динамика газовой фазы быстрее жидкой, т.е. давление изменяется быстрее и незначительнее, чем объем жидкости.

Рис. 6. Параметры процесса сепаратора С3А1 при изменении нагрузки: а — уровень жидкости; б — давление
Аналогично ведут себя контуры управления трехфазного сепаратора С3В1, изменение которых представлено на рисунке 7а, б, в.
Сбои в технологических параметрах сепаратора не оказали большого влияния на протекающий процесс, поскольку три контура управления PI устранили отклонения. Здесь динамика легкой жидкой фазы (ГК) быстрее тяжелой фазы (ВМР). Возмущения минимальны, на их устранение системе управления сепаратором потребовалось около 7,5 минуты.
Рис. 7. Параметры процесса сепаратора С3В1 при изменении нагрузки:
а — давление;
б — уровень газового конденсата;
в — уровень водометанольного раствора

Основным узким местом установки, ограничивающим пропускную способность, являются малые габариты вертикального сепаратора С3А1 при условии, что разделитель является сепаратором сухого типа дна. Следовательно, значительное накопление жидкости в аппарате недопустимо для нормальной работы установки. Потому открытие клапана VLV-100 на трубопроводе конденсата принималось 100 % — жидкость без накопления мгновенно покидает сепаратор.
Как видно из рис. 4, клапан не справляется с отводом жидкости при максимальном входном расходе более 6,2 млн ст. м3/сут (из них 466,4 т/сут — жидкая фаза). Происходит значительное накопление жидкой фазы, что приводит к ухудшению качества сепарации газа от жидкой фазы, и режим работы установки находится на критическом уровне. Следовательно, при соблюдении условий обеспечения нормальной работы установки НТС и поддержания высокого качества подготовки газа, соответствующего товарным требованиям, максимальная загрузка установки соответствует 6,2 млн ст.м3/сут. Таким образом, установка имеет потенциал увеличения мощности на 0,9 млн ст.м3/сут, или 17 % от фактического режима работы.
Ибрагимова А.Т., Мезенцева Т.А.

ООО «Тюменский нефтяной научный центр», Тюмень, Россия

at_ibragimova@tnnc.rosneft.ru
В качестве материалов использована промысловая информация, метод: динамическое моделирование.
динамическое моделирование, добыча газа, подготовка газа, низкотемпературная сепарация, трехфазный сепаратор, дросселирование, газовый конденсат, прогнозирование
Ибрагимова А.Т., Мезенцева Т.А. Динамическое моделирование процесса низкотемпературной сепарации с целью определения пропускной способности установки // Экспозиция Нефть Газ. 2023. № 8. С. 94–98. DOI: 10.24412/2076-6785-2023-8-94-98
17.11.2023
УДК 665.62, 66.011
DOI: 10.24412/2076-6785-2023-8-94-98

Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (495) 414-34-88