Способ автоматического управления процессом осушки газа Советский патент 1984 года по МПК B01D53/26 G05D27/00 

J

4

сл

ч J

Изобретение относится к автоматческс 4у управлению и регулированию технологических процессов и может 6ыт& использовано в газодобывающей промьзйленности.

Известен способ автоматического управления абсорбционньал процессом осушки газа путем изменения расхода абсорбента в зависимости от соотношения расчетной и фактической величин влажности, причем расчетную величину определяют по давлению и температуре газа перед компрессорной станцией ClJ.

Недостатком этого способа управления является невозможность одновременного управления несколькими абсорбентами с различными техникоэкономическими характеристиками в оптимальном режиме.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является.способ автоматического управления процессом абсорбции путем изменения подачи абсорбента и газа в каждый абсорбер в за висимости от величины общей нагрузки абсорберов, концентрации компонентов в подаваемом газе, растворителе и выходя.щем газе каждого абсорбера с учетом стоимостных показателей процесса. При реализации способа достигается одноЁременное управление несколькими абсорберами с различной поглощающей способностью в оптимальном режиме по критерию максимума выгоды от извлечения различных полезных компонентов из обрабатываемого газа. При осушке газа извлекаемым компонентом является вода, которую сбрасывают в промканализацию как бейполезный продукт. Однако на извлечение воды расходуются ценные материальные и энергетические ресурсы: абсорбент (например, Диэтиленглйколь), который уносится потоком осушенного гаЗа и безвозвратно теряется, и энергия (например, электрическая), которую затрачивают на подачу абсорбента в абсорберы Г21.

Однако известный способ, ориентированный на управление несколькими абсорберами с различной поглощаюцей способностью без учета различных технико-экономических характеристик этих абсорберов, не позволяет уменьшить технологические затраты на осушку газа.

Цель изобретения - уменьшение технологических затрат путем оптимизации процесса.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу автоматического управления процессом осушк газа путем регулирования подачи газа и-абсорбента в каждый абсорбер

в зависимости от величины общей наГРУЗКИ установки подготовки газа, влагосодержания ос иенйоро rdifa-, iiocne каждого абсорбера и концентрации абсорбента, подаваемого в каждый абсорбер, дополнительно-измеяют содержание абсорбента в осуенном газе на выходе каждого абсорбера, мощность привода каждого насоса подачи абсорбента, давление к температуру каза в каждом абсорбере и подачу газа и абсорбента регулируют в завиоимйсти от совокупности параметров с учетом заданного влагосодер кания общего потока сушенного газа.

На чертеже показана схема автоатического управления для реализации способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Сырой газ со скважин (не показаны) по трубопроводам 1 подают в абсорберы 2, в которых с помощью абсррбента (например, диэтиленгликоя) из газа извлекают воду. Абсорбент подают по трубопроводам 3 при помощи насосов 4. Осушенный газ по трубопроводам 5 подают в коллектор 6, а насыщенный водой абсорбент отводят по трубопроводам 7 на установку регенерации (не показана)..

В процессе эксплуатации, абсорбера 2 часть абсорбента уносится осушенным потоком газа в коллектор б и безвозвратно теряется. При этом абсорбент уносится как в жидкой, так ив паровой фазах.

Удельный унос раствора абсорбента в жидкой фазе из верхней тарел- ч КИ i-го абсорбера можно определить по формуле

ЗД

Г.,r . (

,. 1l 1

где е,- - удельный унос жидкости (пр . отнесению к расходу газа}, кг/кг;

линейная скорость

ш, газа в абсорбере, м/с;

« -т коэффициент пропорциональности, зависящий от конструк-. тивных размеров абсорбера, а также физических свойств газа и-абсорбента (кг/кг)/ (м/с) 5-т

Абсолютный унос абсорбента с верхней тарелки .абсорбера в жидкой фазе

.

(2)

абсолютный унос абсорбента с верхней тарелки в жидкой фазе (в пересчете на 100%ную концентрацию), кг/ч;

массовый расход газа, кг/ч;

концентрация раствораабсорбента, %. Линейную скорость газа в абсорбенте определяют по известной формуле . ./(3600p2Pi; . ,(3) где р, - плотность газа, кг/м; . f. - площадь проходного сечени абсорбера, м. Плотность газа определяют по фо муле AAi/C T) . И) где Р. - давление в абсорбере, МПа; Т- температура газа в абсорбере,К; Mj- молекулярная масса газа, кг/кмоль; R,« 8314,3 нм (кмоль-К) - универсальная газовая постоянная. Подставив форлулу (1)с учетом выражений (3) и (4) в формулу (2), подучаем i .. :Л14 1SK«Ji/ f i PJ r Уносимая с верхней тарелки абсо бера жидкая фаза частично улавливается фильтрсм, установленным либо в абсорбере, либо после него. Поэтому.потери абсорбента в жид кой фазе Il;) . (6) где j,2i потери абсорбента в жидкой фазе, кг/ч; КПД фильтра, безразмерна величина. Подставив выражение (5J в лу (6К получаем :.. (П где ,-() - коэффициент пропорциональности. Потери абсорбента в паровой фаз определяют по формуле . . . (8) где ,- - потери абсорбента в паровой фазе, кг/ч; Y - содержание паров абсорбента в потоке осушенно го газа, . Согласно закону Рауля мольную долю паров абсорбентав потоке осушенного газа можно определить по выражению Y2,,, (9) где Y2,- - содержание паров абсорбен та в потоке газа, кмоль/ кмоль; Р - - парциальное давление паро абсорбента в газ. Па. В свою очередь 10) Pai-РаГ ,3 f.( i c(-«(T,/a6F,M Из выражения (20) следует, что для определения коэффициента /),-. негде Рд,- - упругость насыщенного пара абсорбента при эгщанной температуре. Па; Xf - концентрация абсорбента в растворе, кмоль/кмоль. Связь между упругостью и температурой насыщенных паров описывается Уравнением РО,,- -- 133,3 10 (11) где 2(Т. ) В-А/(); А и В - коэффициенты, зависящие от химического состава абсорбента (для диэтиленгликоля, например, А -3035, В-9,270). Подставив выражение (ФО) в выражение (9) с учетом уравнения (11), получаем 2(т Y,. 133,3-10 . .. (12) так как (C4+M(lOO-C) (и) где М,М2 - молекулярная масса соот ветственно абсорбента и воды, кг/кмоЛь, выражение (12) с учетом формулы (13) принимает вид Yj,- 33,3 -1 o f i--c у (Р. (С ,+м.(10о-ф /ду (l4l Учитывая, что , ,. муМ2 ,(15J вьфажение (8) с учетом формул (15) и (14) принимает вид 2(Т.) 7 ,3(5,,М.0 С./(м,Р.(С..Л1Дда-С.|//И.||. Таким образом, потери абсорбента в жидкой и паровой фазах,определяемые соответственно по формулам (7) и (16), зависят от расходу, тектё- , ратуры и давления газа в абсорбере, а также от концентрации абсорбента. Общие потери абсорбента для i -го абсорбера (17) . а содержание абсорбента в Iaae не выходе каждого абсорбера i 4-i/Ciri , (18) где т - содержание абсорбента в потоке осушенного газа, кг/кг. Подставив ь формулу (18) выражение (17) с учетом выражений {(7 и (16),, получаем Р.,.р.).ш,зм. xC./(M,P.(C..AA 00-CJ/M.)) . (,9, Коэффициент, пропорциональности /3 со временем изменяется. Для его определения используют Ьыражение (19), из которого получают ./И(00-С. )/М, )) j; бходимо измерять содержание абсор5ента в газе на выходе абсорбера. давление и температуру газа, а так же концентрацию абсорбента. Кроме потерь абсорбента в про цессе осушки газа имеют место затр ты энергии на подачу абсорбента .,- . где Nj - затраты энергии (потребля мая мсядность) квт,.ч/ч; Gai- расход абсорбента, йР - давление, расходуемое на преодоление высоты столба жидкости и трения в нагне тательном трубопроводе на соса. Па; tt2 КПД насоса. В первом приближении можно принять ... APi uP con9t. Значе ние ДР определяют экспериментально Для определения КПД насоса используют выражение (21)/ из которого п лучают (Pi+AP)/Ni (22) Таким образом, для вычисления КПД насоса по формуле (22) необходимо измерять мощность, потребляемую приводом насоса, давление в абсорбере и расход (подачу) абсорбента. Технологические затраты на процесс осушки газа в i-ом абсорбере с учетом цен. абсорбента и энергии следующие 3,- Цс,Чч+Цэ где технологические затраты, руб./ч; цена абсорбента, руб/кг; Uj- цена энергии, руб./квт.ч. Подставив, в выражение (23) выра жение (17) с учетом формул (7) и (16) и выражение (21) и просуммировав выражение (23) по числу аб сорберов, получаем |(.A2j где 3 - суммарные технологические затраты на процесс осуижи газа, руб/ч; п - количество абсорберов; .(./збР.м.Р.), , г Wкp1(v( К,,.-- оцз(Р.4лР). Выражение (24) устанавливает вза имосвязь суммарных технологических затрат на процесс осушки газа от управляющих воздействий: подачи газа и абсорбента в каждый абсорбер. этом коэффициенты К , Kj сят от , Р , С, для определекоэффициентов ft к необходизмерять соответственно содере абсорбента в потоке осушенное аза и мощность, потребляемую одом насосов подачи абсо1рбента. адача управления процессом осушаза является обеспечением заой общей нагрузки установки отовки газа и заданного влагоржания общего потока осушенноаза .G W W,заданная общая нагрузка установки подготовки газа, кг/ч; заданное влагосодержание общего потока осьоненного газа, г/кг; влагосодержание газа на выходе j-ro абсорбера, г/кг . лагосодержание газа на выходе о абсорбера определяют по формуr((-«iGc,./«r,-l 271 - влагосодержание сырого газа, к/кг; .21 - равновесное влагосодержание газа, г/кг; 96,- - коэффициент, характеризующий поглотительную способность абсорбента, кг/кг. начения V и Wj..,- вычисляют по улам , ii (749/P,. + i) (28) ,.(749/р,;+/1,-) р,- ; (29) ,5ехр(0,00007Т -0,OI95TJ : ,38exp(0,0735T|-0,00027Tf); ilfi х.МЛ100-С.)/М(100-С )+М2С. ); .02 Z; r-(mxj/(l-x)+n) (Т,-+273)- ; ,n - коэффициенты (для раствора диэтиленгликоля, например, ,0245, ,137); Р{ - давление в абсорбере, МПа; -температура в абсорбере,°С; -плотность газа при нормальных условиях, кг з выражений (28) и (29) видно, для определенля W.,,- необходимо рять Р, и Т , а для опредея W2i - PI- , ТI и C.f. Подставив выражение (27) в форм лу (26), получаем 1 «irftr« 2i)e-«P( « ( Для идентификации коэффициента измеряют фактическое влагосодер жание газа W,- на выходе каждого аб сорбера и из формулы (27) находят . ие, ж- . - g- Кп ,Из выражений (24) и (30) следуе что суммарные технологические затр ты и влагосодержание общего потока газа зависят от того, как общая-нагрузка GJ, установки подготовки газ распределена между абсорберами и какова подача абсорбента в каждый абсорбер. Отсюда вытекает задача определения оптимальных расходов га за и абсорбента, подаваемых в каждый абсорбер. Ее формулируют еледующим образом: в области налагаемых на подачу газа и абсорбента ограничений ri 5 ,-.о. найти такие CSi,. Q°. , ,чтобы технологические затраты, определяем по формуле (24),, были минимальны, а нагрузка установки подготовки газа и влагосодержание общего потока осушенного газа были равны задан ным значениям, т.е. чтобы соблюдались условия (25)и(30). В ограничениях (32) и (33) пере менной с одним штрихом соответствует минимально допустимое значение, а переменной с двумя штрихами - мак симально возможное значение. В силу нелинейности целевой функ ции (24) и ограничения (30) оптимизационная задача (24), (25), (30), (32), (33) относится к классу задач нелинейного программирования. Для ее ранения должны быть известны коэффициенты, входящие в выражения (24) и (30) и определяемые по измеренным значениям, .N,..P,.J,G,,W,-,Gp,-MG,. . Измерение осуществляют датчиками 8 содержания абсорбента в газ на вы ходе абсорберов 2, измерение Ы датчиками 9 мощности, приводов наср сов 4, измерение Р - датчиками 10 .давления газа в абсорберах 2, изме-г рение - датчиками 11 температуры газа в абсорберах 2, измерение С| - концентратомерами 12 абсорбента на линиях 3 подачи последнего в абсорберы 2, измерение Wj- влагомерами 13 на трубопроводах 5 осушенного газа/ измерение 6 - датчиками 14 расхода газа на трубопроводах 5 ocsmieHHoro газа, измерение Ga,датчиками 15 расхода абсорбента на линиях 3 подачи последнего в абсорберы 2. Информацию от всех датчиков вводят в вычислительное управляющее устройство 16, при помощи которого с наперед заданной периодичностью по приведенным Btisae формулам вычисляют коэффициенты выражений (24) и (30). При помощи устройства 17 ввода информации в вычислительное управляющее устройство 16 вводят заданные значения общей нагрузки установки подготовки газа и влагосодержания общего потока осушенного .газа, а .же значения й, Gjl, ai G,. ici,n и значения других условно-постоянных величин. Задачу минимизации целевой функции (24) при условиях (25.), (30) (32), (33) решают при помощи вычислительного управляющего устройства 16 с наперед заданной периодичностью, а также каждый раз, когда изменяют исходные данные, вводимые при помощи устройства 17 ввода информации. Для решения задачи оптимизации используют один из известных алгоритмов решения задач нелинейного программирования, например один из алгоритмов метода случайного поиска. В результате решения задачи получают оптимальные значения расходов газа и абсорбента, которые подают на задающие входы регуляторов 18 расхода газа и регуляторов 19 расхода абсорбента. И те и другие, воздействуя на исполнительные механизмы 20 и 21, поддерживают заданные оптимальные расходы газа и абсорбента. Величины оптимальных значений расходов газа и абсорбента, подаваемых в каждый абсорбер, зависят от заданного влагосодержания общего потока ocsmieHHoro газа, коэффициентов целевой функции (24) и ограничения (30). Значения коэффициентов в свою очередь зависят от содержания абсорбента в газе на выходе каждогхэ абсорбера, мощности, потребляемой приводом каждого насоса подачи абсорбента, давления и температуры газа в кадцом абсорбере, поэтому при предлагаемом способе эти величины необходимо дополнительно измерять и в зависимости от них зменять подачу газа и абсорбента каждый абсорбер.

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОСУШКИ ГАЗА цутем регулирования подачи газа и абсорбента в каждый абсорбер В зависимости от величины общей нагрузки установки подготовки газа, влагосодержания осушенного газа после каждого абсорбера и концентрации абсорбента, подаваемого в каждый абсорбер, о т личайщий ся тем, что, с целью уменьшения технологических затрат путем оптимизации процесса, дополнительно измеряют содержание абсорбента в осушенном газе на вы ходе каящого абсорбера/ мощность привода каждого насоса подачи абсорбента, давление и температуру газа и каждом абсорбере и подачу газа и абсорбента регулируют в зависимости от совокупности параметров с учетом заданного влагосоQ SS держания общего потока осушенного газа. со