РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПЕРВИЧНОЙ ОЧИСТКИ НЕФТИ

INVESTIGATION OF THE MATHEMATICAL MODEL OF PRIMARY OIL PURIFICATION

Aruzhan Sabyrova

master student, Department of Automation and Control, Gumarbek Daukeev Almaty University of Energy and Communications,

Republic of Kazakhstan, Almaty

Assylzhan Polatuly

master student, Department of Automation and Control, Gumarbek Daukeev Almaty University of Energy and Communications,

Republic of Kazakhstan, Almaty

Sarsenbek Zhussupbekov

Scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Professor, Gumarbek Daukeev Almaty University of Energy and Communications,

Republic of Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

На основе разработанной математической модели двухступенчатой сепарации нефти были определены ее параметры, что позволило создать имитационную модель для первой и второй стадий сепарации. Имитационная математическая модель, исследованная численно в программе MatLab, может служить основой для синтеза эффективных систем управления двухступенчатым процессом разделения и создания математических моделей в терминах "ввод-вывод".

ABSTRACT

Based on the developed mathematical model of two-stage separation of oil, its parameters were identified, which made it possible to create a simulation model for the first and second stages of separation. The simulation mathematical model investigated numerically in the MatLab program can serve as a basis for the synthesis of effective control systems for the two-stage separation process and the creation of mathematical models in terms of "input-output"

Ключевые слова: двухступенчатое разделение, синтез систем, идентификация параметров, численный метод, имитационная модель.

Keywords: two-stage separation, synthesis of systems, identification of parameters, numerical method, simulation model.

Сепарационные системы выполняют операции по сбору, подготовке и хранению нефти. Одной из основных функций является транспортировка продукции скважины под действием пластового давления или за счет энергии насосов к месту подготовки нефти [1]. В этих системах происходит отделение газа от нефти и подача его потребителям, а также свободное отделение воды от продуктов скважины (в случае затопленной нефти).

Эффективность процесса разделения в значительной степени определяется методами и алгоритмами систем автоматического управления. Процесс отделения нефти протекает под воздействием многочисленных препятствий и присущих ему сложных внутренних связей [2]. Поэтому актуальной задачей станет разработка эффективных систем автоматического управления, которые будут базироваться на адекватных математических моделях, которые количественно и качественно будут характеризовать процесс разделения в целом.

Экономика производства показывает, что процессы разделения нефти должны быть максимально эффективными, поскольку отделенная нефть может содержать частично захваченную воду или газ, и наоборот. Это означает, что любая газонефтяная эмульсия должна быть доведена до товарного состояния, содержание воды не должно превышать 1% [1]. Отражение научной проблемы разделения нефти можно найти в работах [2, 3]. Однако самой большой проблемой современного состояния процессов разделения нефти является отсутствие интегрированных автоматизированных систем управления, в которых необходимо контролировать параметры потока каждого компонента с включенной функцией управления потоком. Неотъемлемой частью таких комплексов являются двухступенчатые системы разделения масла [4]. Как правило, одноступенчатые сепарационные системы используются для разделения масла на установках первичной подготовки масла. Но использование такого оборудования справедливо и разумно для нефти с низким содержанием воды и газа, то есть менее 1/3 от общей смеси. Когда суммарное содержание воды и газа значительно превышает содержание нефти или равно, целесообразно использовать двухступенчатые системы разделения, что значительно повысит эффективность процесса разделения нефти [4, 5].

На первом этапе создания двухступенчатых систем разделения будет выдвинут вопрос математического моделирования [5], который включает в себя такие важные факторы, как производительность, газовый фактор, коэффициент растворимости, коэффициент разделения, геометрические размеры сепаратора и т.д. Исследование разделения нефти методом компьютерного моделирования было выполнено в работе [4], но недостатком было исключение воды из структуры модели, что существенно влияет на ключевые параметры: давление, температуру, уровень, расход. Разработка компьютерных моделей процесса разделения необходима для того, чтобы предоставить инженерам ценные инструменты для получения более надежных качественных и количественных решений для дальнейшей переработки нефти и эксплуатации нефтяных месторождений.

Целью работы является разработка численной имитационной модели двухступенчатой модели разделения нефти в программе MatLab с учетом особенностей технологического процесса для синтеза эффективных систем автоматического управления процессом разделения и дальнейшего развития математических моделей в терминах “ввода-результат”. Другими словами, речь идет об определении взаимного влияния между технологическими параметрами каждого из сепараторов двухступенчатой системы разделения.

Для достижения этой цели необходимо было выполнить следующие задачи:

 – создание математической модели материального баланса двухступенчатой сепарации для первого В-1 и второго В-2 горизонтально расположенных сепараторов;

– идентификация параметров математической модели двухступенчатого разделения для дальнейшего моделирования в MatLab;

– разработка имитационной модели двухступенчатого разделения и ее численное исследование в программе MatLab для изменения ключевых параметров уровня и давления в каждом сепараторе.

Объектом исследования является технологический процесс сепарации нефти. Учитывается двухступенчатая система разделения (рис. 1), которая содержит первую и вторую степени разделения [5].

Рабочее давление на первой стадии сепарации создается пластовым давлением на выходе из скважины. Такие давления варьируются от 4,1 до 8,3 МПа [5]. Технологическая схема имитационной модели двухступенчатой сепарационной установки приведена на рис. 1. Продукция скважин нефтегазовой залежи при давлении Р0=4,0 МПа поступает в горизонтальный сепаратор В-1. Масло из сепаратора В-1 при давлении Р1=1,6 МПа поступает на вторую степень сепарации в горизонтальный сепаратор В-2 через исполнительный механизм (исполнительное устройство) EDh. Газ из сепаратора В-1 поступает на компрессионную компрессорную станцию “CCS” через исполнительный механизм EDp (рис. 1).

Рисунок 1. Технологическая схема имитационной модели двухступенчатой сепарационной установки

Масло из сепаратора В2 при давлении Р2=0,6 МПа поступает в резервуары ГСР. Далее нефть по трубопроводу подается на вход в нефтеперекачивающую станцию и в нефтепровод, где она перекачивается в танкер. Газ из B-2 под давлением P2=0,6 МПа поступает в “CCS” через исполнительный механизм EDh1. В то же время газ из B2 поставляется также для промышленных и технологических нужд (IN).

Значения ag (U1), ao (U2), ag1 (Us1) и ao1 (Us2), по сути, являются характеристиками пропускной способности регулирующих органов соответствующих исполнительных механизмов (рис.1).

В процессе решения математической модели (3)– (6) были выбраны следующие значения переменных, выбранных пользователем: – количество итераций n=500; – продолжительность переходного процесса tf=800 сек; – значение изменения ao ((0) U2 ) – χ=1,0. Результат численного решения математической модели показан на рис. 2-4.

Рисунок 2. Изменение давления P1(t) в сепараторе B-1 в зависимости от времени t

Рисунок 3. Изменение уровня жидкости h(t) в сепараторе B-1

1. Создана математическая модель материального баланса двухступенчатой сепарации для первого В-1 и второго В-2 горизонтально расположенных сепараторов, которая учитывает взаимодействие и взаимное влияние первой и второй ступеней сепарации. Для стабилизации основных технологических параметров сепарации нефти использовались автоматизированные системы управления, работающие по принципу отрицательной обратной связи. Поскольку отклонения регулируемых величин от их предписанных значений невелики, это позволило линеаризовать нелинейную модель двухстадийного процесса разделения нефти.

2. Определены параметры математической системы двухступенчатого разделения для имитационного моделирования. Все значения физических величин получены для установившегося режима работы двухступенчатой системы разделения. Во время идентификации параметров предполагалось, что давления P1, P2, P3, Pg2 и Pg3 измеряются в МПа, а гидростатическое давление P=pgh измеряется в Па, и предполагается, что температуры в сепараторах B-1 и B-2 одинаковы, когда вычисление значений θg и θg1.

3. В результате исследования вновь созданной имитационной модели в программе MatLab было определено, что повышение давления P1 - это увеличение уровня жидкости h в сепараторе B-1 с 1,51 м до 1,6319 м. Также было установлено, что увеличение гидравлического сопротивления из-за закрытия регулирующего органа исполнительного механизма EDh, который установлен на начальной линии сепаратора B-1, вызывает увеличение давления P1 с 1,6 МПа до 3,9970 МПа. На основании изменений технологических параметров P1 и h в сепараторе B-2 очевидно, что уровень жидкости h1 составляет от 1,47 м до 1,4448 м из-за уменьшения расхода жидкости из сепаратора B-1. Такое снижение уровня жидкости в сепараторе В-2 влечет за собой снижение давления Р2 с 0,6 МПа до 0,3210 МПа. Это означает, что полученный научный результат в виде функциональных зависимостей позволяет установить взаимосвязь технологических параметров, другими словами, изменение значения параметров на второй стадии разделения будет зависеть от первой и наоборот. Таким образом, прикладным аспектом использования полученного научного результата является возможность совершенствования типичного технологического процесса разделения нефти.

Список литературы:

1. Теория автоматического управления. Синтез систем автоматического объектами горного и нефтегазового производства. Методические указания к курсовой работе. – СПб.: СПГГИ, 2010, 58 с.
2. Слюсарев Н.И. Основы разработки нефтяных месторождений. – СПб.: СПГГИ, 2004.
3. Ротач В.Я., Шавров А.В., Бутырев В.Н. Синтез алгоритмов машинного расчета оптимальных параметров систем регулирования // Теплоэнергетика. 1987. № 12 С. 76-79.
4. Ротач В.Я., Шавров А.В., Бутырев В.Н. Синтез алгоритмов машинного расчета оптимальных параметров систем регулирования // Теплоэнергетика. 1987. № 12 С. 76-79.
5. Прокопов А.В. Современное состояние технологий промысловой подготовки газа газоконденсатных месторождений. УДК 622.279.8. // Научно-технический сборник. Вести газовой науки. № 3 (23), 2015.