Модель технологического процесса в среде HYSYS

В основу универсальной системы моделирования HYSYS заложены общие принципы расчетов материально-тепловых балансов технологических схем. Как правило, любое производство состоит из стадий (элементов), на каждой из которых производится определенное воздействие на материальные потоки и превращение энергии. Последовательность стадий обычно описывается с помощью технологической схемы, каждый элемент которой соответствует определенному технологическому процессу (или группе совместно протекающих процессов). Соединения между элементами технологической схемы соответствуют материальным и энергетическим потокам, протекающим в системе. В целом моделирование технологической схемы основано на применении общих принципов термодинамики к отдельным элементам схемы и к системе в целом.

HYSYS включает набор следующих основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химико-технологических процессов:

- набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей;

- средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом – нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа;

- различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициента фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров;

- набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем – процессов;

-средства для формирования технологических схем из отдельных элементов;

-средства для расчета технологических схем, состоящих из большого числа элементов, определенным образом соединенных между собой.

Библиотека программы HYSYS содержит данные по более чем 2500 чистым веществам, что дает возможность использовать программу практически для любых технологических расчетов процессов добычи и переработки углеводородного сырья, нефтехимии и химии. На практике, при решении задач, характерных для газовой и нефтяной промышленности, используются не более 100 компонентов.

Моделирующая система HYSYS включает различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициента фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров. Имеются почти все опубликованные в литературе методы, а также специально разработанные методы, лицензированные у третьих фирм. Представленные в программе методы включают в себя:

- уравнения состояния, такие как метод Пенга-Робинсона для расчета коэффициентов фазового равновесия, энтальпий, энтропий и плотностей;

- обобщенные корреляции, такие как метод расчета коэффициентов фазового равновесия Чао-Сидера и метод расчета плотности жидкости API, Методы коэффициентов активности жидкости, такие как метод NRTL (Non-Random Two-Liquid - Неслучайное двужидкостное) для расчета коэффициента фазового равновесия;

- специальные методы расчета свойств специфических систем компонентов, таких как спирты, амины, гликоли и системы кислой воды.

Наиболее часто для моделирования процессов добычи, транспортировки и переработки природного газа и нефти используется уравнение состояния Пенга-Робинсона или его расширенная модификация, реализованная в программе HYSYS.

Как правило, от состава средств моделирования отдельных процессов зависят функциональные возможности всей моделирующей системы. Как правило, все моделирующие системы включают средства для моделирования следующего набора процессов:

- ректификационных колонн произвольной конфигурации, включая колонны с расслаивающимися на тарелках жидкостями и с химическими реакциями на тарелках; нефтяных колонн, гидравлики ректификационных колонн с ситчатыми, клапанными и колпачковыми тарелками, и насадочных колонн;

- теплообменных аппаратов различных типов: нагревателей, холодильников, ребойлеров с паровым пространством, конденсаторов, воздушных холодильников;

- трубопроводов различных конфигураций, от горизонтальных до вертикальных, с использованием совершенных методов расчета гидравлических сопротивлений двухфазных потоков;

- реакторов: идеального вытеснения и идеального смешения, равновесных, стехиометрических, причем реакции могут протекать в трубе, в произвольной емкости, на тарелке ректификационной колонны.

С помощью большого набора встроенных утилит возможен расчет:

-условий гидратообразования и его ингибирования, образования твердой углекислоты;

-точки росы по воде и углеводородам;

-товарных свойств нефтепродуктов;

-размеров емкостей и трубопроводов;

-нестационарного процесса сброса давления из емкости или системы емкостей в аварийном режиме.

Система HYSYS имеет графический интерфейс, позволяющий формировать схемы непосредственно на экране компьютера, выбирая элементы из списка и соединяя их в определенном порядке. Этот интерфейс называется окном PFD (Process Flowsheet Diagram, технологическая схема).

Любая задача моделирования эквивалентна большой системе нелинейных одновременно решаемых уравнений. Эта система включает расчет всех необходимых термодинамических свойств для всех потоков, расходов и составов с применением выбранных моделей расчета свойств и процессов. В принципе, возможно решение всех этих уравнений одновременно, но в моделирующих системах обычно используется другой подход: каждый элемент схемы решается с применением наиболее эффективных алгоритмов, разработанных для каждого случая.

На данном этапе выполнения работы необходимо приступить к моделированию технологического процесса в программной среде HYSYS. Как уже было сказано, объект моделирования – установка жидких газов представляет собой товарно-сырьевой цех (ТСЦ), который включает в себя товарные группы готовой товарной продукции, а также товарные группы технологических цехов, вырабатывающих компоненты. Основными функциями ТСЦ являются:

- прием, замер и хранение сырья и полуфабрикатов, питание ими технологических установок;

- прием, замер и отгрузка готовой продукции, смешение компонентов, исправление качества некондиционных товарных продуктов и другие операции.

Работу товарно-сырьевого цеха планируют в соответствии с планом товарных операций, в котором определяют число, ассортимент и направления перекачек, количество и ассортимент сдаваемой продукции. Выделяют операции по приему сырья, производству, хранению и перекачкам, компаундированию и смешению, сбыту продукции.

Таким образом, с точки зрения организации автоматизации производственного процесса необходимо обеспечивать перекачку сырья как в разрезе технологических цехов, так и по товарно-сырьевому цеху. В рассматриваемом блоке установке жидких газов предусмотрено поддержание уровня широкой фракции легких углеводородов в определенных пределах в четырёх емкостях. Изображение емкости представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Емкость Е-4/1

Газ в системе будет прокачиваться при помощи компрессора К-100, который изображен на рисунке 2. Помимо этого, необходимо создать основной материальный поток продукта 1 для реализации последующих элементов технологической схемы и энергетический поток Q-101 для энергообеспечения смоделированного компрессора.

Рисунок 2 – Компрессор К-100

Также необходимо указать необходимые подключения созданных потоков компрессора (рисунок 3).

Рисунок 3 – Подключения потоков компрессора К-100

Кроме того, необходимо создать регулирующие органы, которые впоследствии будут непосредственно воздействовать на уровень в емкостях, изменяя расход прокачиваемого сырья. Общий вид клапана в программной среде HYSYS представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Общий вид клапана

После чего необходимо смоделировать ПИД-регулятор, который, благодаря созданным впоследствии связям, будет формировать управляющее воздействие на клапан в зависимости от текущего значения уровня в данной ёмкости. Общий вид ПИД-регулятора показан на рисунке 5.

Рисунок 5 – ПИД-регулятор

Указали необходимые настройки ПИД-регулятора, а именно подключения, а также такие параметры конфигурации, как диапазон значений, тип и подтип алгоритма регулирования и параметры настройки регулятора (рисунок 6):

- коэффициент усиления;

- время изодрома;

- время предварения.

Рисунок 6 – Параметры конфигурации ПИД-регулятора

При необходимости можно добавить блок функции преобразования, который посредством включения в схему регулирования типовых звеньев может воздействовать на технологический процесс. Необходимые подключения для блока функции преобразования изобразили на рисунке 7.

Рисунок 7 – Настройка блока функции преобразования

Итак, создав другие необходимые емкости, клапаны, ПИД-регуляторы и материальные потоки, получили модель технологического процесса установки жидких газов в программной среде HYSYS. Так, изобразили полученный технологический процесс в динамическом режиме с указанными в таблицах данными по его ведению и соблюдению технологических режимов (рисунок 8).

Рисунок 8 – Модель технологического процесса в динамическом режиме

Таким образом, на данном этапе выполнения курсового проекта был смоделирован технологический процесс товарно-сырьевого цеха установки жидких газов в системе точного моделирования технологических процессов Aspen HYSYS.

Поиск по сайту: