Материал: VGPL1NUFSa

6

3. Замкнутая по жидкой фазе динамическая математическая модель управляемых взаимосвязанных массообменных процессов комплекса технологических систем «АБСОРБЦИЯ–ДЕСОРБЦИЯ».

Практическая ценность. Практическая ценность полученных результатов заключается в разработанных математических моделях массо- и теплообменных процессов абсорбционной осушки природного газа, позволяющих объяснять и прогнозировать поведение технологического комплекса при различных внешних факторах, определяющих режимы функционирования.

Полученные дискретно-непрерывные (компьютерные) математические модели массо- и теплообменных процессов комплекса технологических систем «АБ- СОРБЦИЯ–ДЕСОРБЦИЯ» направлены на повышение эффективности проектирования систем автоматического управления ТП абсорбционной осушки природного газа.

Применение разработанного в диссертации многорежимного регулирования обеспечивает в системе поддержание заданного качества газа в широком интервале изменения давления, температуры и расхода.

Реализация результатов. Полученные научные и прикладные результаты нашли применение в бюджетной НИР «Разработка методов анализа нелинейных динамических систем и интеллектуальной обработки информации для моделирования и поддержки задач управления», проводимой на кафедре автоматики и процессов управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ» по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации в 2011 году.

Результаты работы использованы Уренгойским газопромысловым управлением при разработке технического задания на изменение комплексных алгоритмов управления технологическим процессом абсорбционной подготовки природного газа на газовом промысле №16.

Результаты работы используются в учебном процессе кафедры автоматики и процессов управления при проведении практических занятий и курсового проектирования по дисциплинам «Моделирование систем» и «Математическое моделирование объектов и систем управления», а также при выполнении выпускных квалификационных работ в рамках направления «Управление в технических системах» подготовки бакалавров и магистров.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всероссийской 6-й научной конференции «Управление и информационные технологии» в 2010 г., Всероссийской научно-практической интернетконференции «Проблемы автоматизации технологических процессов добычи, транспорта и переработки нефти и газа» в 2013 г., Международных научных конференциях «Системный синтез и прикладная синергетика» в 2009, 2011 и 2013 гг., III Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации (АТМ-2013)» в 2013 г., Международных научнотехнических конференциях «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» в 2011 и 2013 гг., X Международной Четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление» в 2012 г., а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2007–2013 годах.

8

Спомощью концептуальной модели были выявлены особенности ТП: пространственное распределение величин, взаимосвязь массо- и теплообменных процессов в РК, замкнутость потока по жидкой фазе в КТС.

Представлен аналитический обзор методов моделирования и состояния проблемы управления абсорбционными процессами. В результате анализа сформулированы цели и задачи проводимого научного исследования.

Во второй главе представлен анализ процессов, происходящих в подсистеме «Абсорбция газа». В результате изучения физики процессов абсорбции, учета конструктивно-технологических особенностей аппарата и его режимов работы были сформулированы основные допущения и ограничения, положенные в основу построения ММ.

Сучетом принятых допущений и ограничений была разработана ММ процесса абсорбции природного газа для технологического аппарата насадочного типа, представленная системой дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП) с начальными и граничными условиями:

технологические коэффициенты, зависящие от физических свойств газовой и жидкой фаз, а также конструктивных особенностей аппарата. Скорость газа зави-

сит от давления Pг и температуры г и определяется выражением:

г г , Pг Vm Gг 0 г P0 0,785 0Pг D2 ,

где Vm 22,4 − объем моля идеального газа при нормальных условиях, м3/кмоль; Gг − расход газа, кмоль/с; 0 273 − нормальная температура, К; г − рабочая температура газа, ºС; P0 0,1 − нормальное давление, МПа; Pг − рабочее давление газа, МПа; D − диаметр колонны, м.

Предложена методика расчета физико-технологических коэффициентов абсорбции для номинального установившегося режима, используемых в ММ абсорбционной осушки природного газа. Получаемые коэффициенты следует рассматривать как начальные приближения при моделировании. В процессе исследования они могут уточняться.

Для проведения вычислительного эксперимента на основе непрерывной ММ

(1) разработаны дискретно-непрерывная и компьютерная модели подсистемы

9

«Абсорбция газа». Результаты компьютерного моделирования при изменении скорости газа от номинального до минимального значения представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Графики переходных процессов по концентрации целевого компонента в газе (а) и жидкости (б) при ступенчатом возмущающем воздействии

Графики переходных процессов при изменении скорости газа указывают на то, что процессы носят монотонный затухающий характер. По газовой фазе они протекают быстро и устанавливаются в течение 10-12 с, а по жидкой фазе процессы медленные и устанавливаются приблизительно через 20 ч. Результаты моделирования динамики подтверждаются экспериментальными данными.

Так же была разработана ММ и проведен анализ массообменного процесса в режиме продольного перемешивания фаз. В результате анализа выявлено, что продольное перемешивание не оказывает существенного влияния на абсорбцию.

В третьей главе представлен анализ процессов в системе «ДЕСОРБЦИЯ абсорбента». В соответствии с концептуальной моделью были определены подсистемы, оказывающие доминирующее влияние на процесс десорбции: подсистема «Ректификация», подсистема «Выпаривание» и подсистема «Воздушное охлаждение». Сформулированы основные допущения и ограничения, которые легли в основу построения ММ подсистем. С целью отражения изменения условий массотеплообмена для подсистем «Ректификация» и «Воздушное охлаждение» в описание введена зависимость скорости пара п от температуры пара п п .

Принятые допущения и ограничения позволили разработать динамическую нелинейную ММ взаимосвязанных по температуре пара п массо- и теплообмен-

равновесная концентрация ЦК в паре; ж − скорость жидкости; п , ж − температуры пара и жидкости; Rж , Rп , Rθп , Rθж − физико-технологические коэффициенты, зависящие от физических свойств фаз и геометрических особенностей аппарата.

10

п (z,t)t 0 вхп (z) , ж (z,t)t 0 вхж (z) .

На основе ММ (2) для проведения вычислительного эксперимента разработаны дискретно-непрерывные и компьютерные модели взаимосвязанных тепло- и массообменных процессов. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1

Значения возмущений

По результатам вычислительного эксперимента сделаны следующие выводы:

– изменение концентрации ЦК в абсорбенте в подсистеме «Ректификация» не оказывает влияния ни на концентрацию ЦК в паре, ни на температуры абсорбента

ипара.

−изменение температуры паровой или жидкой фазы в подсистеме «Ректификация» влечет за собой изменение температурного и концентрационного профилей в РК по абсорбенту и пару.

Проведенное исследование взаимосвязанных тепломассообменных процессов подсистемы «Ректификация» подтверждает два положения: теплообменные процессы являются доминирующими для процесса ректификации и концентрация ЦК в абсорбенте и паре зависит от температуры при постоянном давлении.

В третьей главе так же разработаны ММ подсистем «Выпаривание» и «Воздушное охлаждение».

Для подсистемы «Выпаривание» была составлена модель в виде системы ДУЧП, описывающая нестационарный теплообмен в испарителе с учетом стенки жаровой трубы, разделяющей теплоносители: