СКАЧАТЬ:  kursovaya-modelir.zip [1,43 Mb] (cкачиваний: 74)

Содержание

Введение……………………………………………………………………...…..3

1. Теоретическая часть………………………………………………………..…4

1.1. Описание технологического процесса…………………………..……5

1.2. Описание исследуемого объекта …………...…………………….…..7

2. Экспериментальная часть…………………………………………...………...9

2.1. Составление статической модели объекта…………………….……...9

        2.2. Регрессионный и корреляционный анализ…………………………..11

3. Метод множественной корреляции……………………………………….…32

4. Составление динамической модели теплообменника ……………..………39

 5.Тепловой расчет теплообменника «труба в трубе».………...………………42

Заключение……………………………………………………………………….48

Список литературы………………………………………………………...…….49

Введение

Моделирование важно там, где не совсем ясна физическая картина изучаемого явления, не познан внутренний механизм взаимодействия и, следовательно, нет возможности описать данное явление обобщенным уравнением. Построение математической модели заключается в создании формализованного описания объекта исследования на языке математики в виде некоторой системы уравнений и функциональных соотношений между отдельными параметрами модели. Математическая модель может содержать как дифференциальные, так и конечные уравнения, не содержащие операторов дифференцирования.

Различают два основных вида математических моделей: детерминированные (аналитические), построенные на основе физико-химической сущности, т.е. механизма изучаемых процессов и статистические (эмпирические), полученные в виде уравнений регрессии на основе обработки экспериментальных данных.

Математическое описание автоматизированных объектов – это основные закономерности, выраженные в виде таблиц, графиков, формул, количественно описываемых поведение объекта в статике и динамике.

Полная математическая модель включает описание связей между основными переменными процесса в установившемся режиме (статическая модель) и во времени, т.е. при переходе от одного режима к другому (динамическая модель), а также ограничения на процесс и критерий оптимальности. Построение математической модели технологического процесса в зависимости от поставленной задачи может преследовать следующие цели: минимизировать расход материала на единицу выпускаемой продукции при сохранении качества, произвести замену дорогостоящих материалов на более дешевые, сократить время обработки в целом или на отдельных операциях, снизить трудовые затраты на единицу продукции и т.д.

В данной работе вопрос построения математической модели рассматривается на примере составления математической модели теплообменника.

Курсовая работа состоит из трех частей. В первой части дается описание функциональной технологической схемы процесса подготовки нефти, которое позволяет представить место и функции средств автоматизации в общей технологической схеме, выявить закономерные связи параметров процесса, также наглядно демонстрирует непосредственно сам процесс подготовки нефти на рассматриваемой установке. Вторая часть работы является расчетной и включает составление статической и динамической моделей теплообменника, материального баланса и оптимизацию процесса. методов, позволяющих осуществлять лишь поиск локальных экстремумов. В третьей части представлен графический материал, включающий функциональную технологическую схему с автоматизацией на формате А2.ооо

1. Теоретическая часть

1.1. Общие сведения о  Сулеевской термохимическая установка подготовки высокосернистой нефти (СТХУ).[6]

Функциональная схема автоматизации приведена в приложении 1 на формате А2.

Термохимическая установка подготовки высокосернистой нефти (СТХУ) предназначена для подготовки (обезвоживания и глубокого обессоливания) высокосернистой нефти с содержанием сероводорода-300 ррМ (млн.-1), серы -3,5%, добываемой цехами добычи  №№1,2,3,4  НГДУ « Джалильнефть» с Сулеевской площади Ромашкинского месторождения.

       Производительность установки составляет – 700000 тн/год.

       В состав установки входят:

- блок предварительного сброса пластовой воды, состоящий из 3-х горизонтальных отстойников объемом 200 м3  и  РВС -5000  № 9.

- блок подготовки сточной воды, который включает в себя ГО-200 – 2 шт., ШО-600 – 1шт.,

- площадка насосных агрегатов для перекачки сырой нефти, готовой нефти, сточной воды;

- блок с горизонтальными отстойниками ГО-200 в количестве 4 шт. и электродегидраторами ЭГ-160 и ЭГ-200, ЭГ-1 и ЭГ-2 в количестве 4 шт., предназначенных для обезвоживания и обессоливания нефти.;

- блок теплообменников типа «труба в трубе» - 10шт.;три блока пластинчатых  ТО  Т1/1-3;

Т3/1,2, Т2/1-3.

- блок  сбора  и хранения  товарной нефти, включающей  шаровой отстойник ШО-600 –

 2 шт.;

- резервуары вертикальные стальные РВС-2000 предназначенные для смешения готовой высокосернистой нефти УПВСН и СТХУ – 2 шт.;

- резервуары вертикальные стальные РВС-2000, предназначенные для подготовки сточной воды СТХУ – 2шт;

- блок сепараторов С-1,С-2  для улучшения степени сепарации сырья поступающей с ДНС-10с и снижения содержания сероводорода в готовой нефти СТХУ;

- факельное хозяйство для сжигания избыточного газа СТХУ на момент отсутствия приема  в систему  газосбора КС-11;

- блок осушителей О-7с,8с  для приема уловленной нефти и  с ППК СТХУ;

- внутриплощадочные технологические трубопроводы;

- канализационная сеть;

- электроснабжение и телефонная сеть;

- производственный и административно-бытовые здания;

1.2. Описание технологического процесса

Отсепарированная нефть с ДНС-10с (обводненность 70%вес.) с давлением 0,4 МПа

(за счет перепада высот между площадками ДНС-10с и СТХУ) и температурой t =0-12º С поступает в отстойники предварительного сброса ОПС-1,2, где происходит  обезвожива-ние нефти до остаточной обводненности 2-3% вес. Также сырье с ДНС-10с поступает  в РВС-5000 № 9 для сброса основной массы попутной воды. Сырье с содержанием  до 1% воды поступает  на прием сырьевых насосов Н-4,5.

          Пластовая вода из отстойников предварительного сброса ОПС-1,2 через регуляторы

межфазного уровня  сбрасывается на очистные сооружения.

          Частично обезвоженная нефть из отстойников ОПС-1,2 насосами Н-4,5 подается в

пластинчатые теплообменники Т-1/1-3 «нефть-нефть», Т-2/1-3 «нефть-пар».В теплообмен-

никах  Т-1/1-3 частично обезвоженная нефть нагревается за счет тепла обессоленной нефти, поступающей из электродегидраторов ЭГ- 1,2  до температуры t = 25º С.Далее частично обезвоженная нефть поступает  в теплообменники Т-2/1-3, где нагревается до температуры до   t= 60ºС за счет тепла насыщенного водяного пара из котельной. Температура нефти на выходе из теплообменников Т-2/1-3 регулируется подачей пара.

          Расход пара на технологические нужды в теплообменники Т2/1-3,Т3/1,2 замеряется

счетчиком.

          Из теплообменников Т-2/1-3 нагретая нефть под давлением 0,5 МПа  подается в отстойники  О-1,О-2 на ступень глубокого обезвоживания, где содержание воды в нефти снижается до 0,5% вес. 

          Из отстойников О-1,О-2  обезвоженная нефть поступает на ступень обессоливания

в электродегидраторы ЭГ-1,ЭГ-2.

          В поток нефти перед электродегидраторами  через смеситель СМ-1,подается нагретая пресная вода (5% вес. от нефти) с целью растворения и вывода солей. Нагрев пресной воды осуществляется  в пластинчатых теплообменниках Т-3/1,2 насыщенным паром до t = 50º С.

         Вода пластовая и соленая, через регуляторы межфазного уровня из отстойников О-1,

О-2 и электродегидраторов ЭГ-1,ЭГ-2, направляются на ступень предварительного  сброса

воды (перед отстойниками ОПС-1,2 и РВС-9) с целью использования  содержащихся  в них тепла и реагента.

          Обессоленная нефть с остаточным содержанием воды 0,3% вес. и температурой t = 55º С из электродегидраторов поступает в рекуперативные теплообменники Т-1/1-3,где отдает свое тепло частично обезвоженной нефти и охлаждается до температуры t  = 40º С.

          Давление на ступенях глубокого обезвоживания и обессоливания поддерживается  клапаном, установленным на линии обессоленной нефти до  теплообменников Т-1/1-3.

          При появлении некондиционной нефти после ступени обессоливания   поток некондиционной нефти  направляется на  повторную подготовку – на прием насоса Н-3.

          Для контроля содержания пластовой воды и солей на всех стадиях обезвоживания и обессоливания  устанавливаются пробоотборники на выходе отстойников О-1,О-2, на  выходе электродегидраторов ЭГ-1, ЭГ-2.

          Из теплообменников Т-1/1-3 обессоленная  нефть направляется на горячую ступень

сепарации в сепаратор С-2 для окончательного разгазирования нефти.

          Товарная нефть из сепаратора С-2 самотеком поступает в резервуары РВС-1, РВС -2.

          В резервуар РВС -1 поступает товарная нефть с Дюсюмовской УПВСН, где происходит ее смешение с товарной нефтью  СТХУ.  Отстоявшаяся, в технологическом  РВС-1, вода сбрасывается в дренажную систему СТХУ.

         Из резервуара РВС  -1 нефть поступает в буферный резервуар  РВС -2, откуда откачивается товарными насосами Н-6,7  на СИКН -224 через СИКН -219. Расход товарной нефти  через СИКН -219 регулируется  клапаном, установленным на нагнетательном коллекторе насосов Н-6,7.

         Ловушечная нефть (подрезка) из резервуаров РВС-1, РВС -2 направляется на прием насоса Н-3 для дальнейшей подготовки на СТХУ.

           Отбор газа из сепаратора горячей ступени С-2, а также из сепаратора С-1, производится в газоосушитель.

           Газоуравнительные  линии товарных резервуаров РВС -1,РВС -2, водяных резервуаров РВС-3, РВС-4 и сырьевого  РВС -9  связаны в единую газоуравнительную систему с выходом на установку   улавливания легких фракций  через конденсатосборник К-1. Газ с  УУЛФ  откачивается на компрессорную  станцию КС-11/20, через газоосушитель и конденсатосборники.

           При прекращении приема нефти в напорный нефтепровод предусмотрено аварийное хранение товарной нефти в резервуаре  РВС -2, в соответствии с требованиями ВНТП 3-85 [1]. Сбор сырой нефти производится на РВС № 9.

           Сброс жидкости с предохранительных клапанов аппаратов ступеней  предварительного сброса и глубокого обезвоживания нефти и сепараторов С-1, С-2 направляется в емкость О-8с. Уловленная  нефть с  очистных  сооружений  поступает в емкость О-7с. Газовая  фаза из емкости   О-8с направляется через факельный сепаратор СФ-1 на сжигание на факел Ф-1.Жидкость из емкости отводится по верхнему уровню в дренажную  емкость, откуда откачивается погружными  насосами в начало процесса  (на прием сырьевых насосов Н-4,5).

             Опорожнение аппаратов и трубопроводов перед ремонтом осуществляется в дренажную емкость  (объемом 100м3) с периодической откачкой погружными насосами  в трубопровод сырой нефти на прием ОПС-1а,2а,3а и РВС № 9.

             С целью бесперебойной работы  насосных агрегатов на приемных  трубопроводах

насосов Н-3 – Н-7 устанавливаются фильтры сетчатые для защиты насосов от попадания  твердых  частиц.

1.3. Описание исследуемого объекта [5]

При истечении жидкостей в теплообменнике температура их изменяется: горячая жидкость охлаждается, а холодная нагревается. Характер изменения температуры жидкости, движущейся вдоль поверхности нагрева, зависит от схемы ее движения. В теплообменных аппаратах применяются в основном три схемы движения жидкостей:

• · прямоточная, когда горячая и холодная жидкости протекают параллельно;
• · противоточная, когда горячая и холодная жидкости протекают в противоположном друг другу направлении;
• · перекрестная, когда жидкости протекают в перекрестном направлении.

   А.

      Б.

Рис. 1. Схема движения жидкостей в теплообменнике типа «труба в        трубе» при прямотоке (А) и противотоке (Б).

Рис. 2. Односекционный теплообменник «труба в трубе».

2. Экспериментальная часть

2.1. Составление статической модели объекта

Рис.2.1.1  Структурная схема модели объекта

где    t_х – температура холодной (нагреваемой) нефти, ;

р_вх – давление на входе в ТО, кгс/см²;

t_вх пара – температура пара, ;

t_г – температура нефти после выхода из теплообменника .

Обработка результатов пассивных экспериментов для получения математической модели проводится методами классического регрессионного и корреляционного анализа.

Для построения статической модели используем фактические данные о работе теплообменника.

Данные режимных листов приведены в табл. 2.1.1.

Таблица 2.1.1.

2.2. Регрессионный и корреляционный анализ 

Исследуем зависимость концентрации соли на выходе С_вых от концентрации соли на входе С_вх.

       Для этого разделим все множество С_вых на 5 и на каждом интервале найдем среднее значение х:

,                                                (2.2.1)

где  – число точек в интервале .

Запишем результаты:

А - среднее значение для выходной концентрации соли.

В - среднее значение для входной концентрации соли.

Определим вид уравнения регрессии и параметры уравнения регрессии.

Определим коэффициенты для линейной зависимости. Для этого используем функцию line(x,y):

Следовательно, линейная зависимость имеет следующий вид:

Построим эмпирическую линию и график f(z):

Рис. 2.2.1 График линейной зависимости

Определим суммы квадратов отклонений вычисленных значений каждой функции по формуле:

,                                            (2.2.2)

        Проверка адекватности выбранного уравнения

По формулам (2.2.3)-(2.2.6) оцениваем адекватность принятого уравнения.

        Определим среднее значение выходного параметра по формуле:

,                                                 (2.2.3)

Определим остаточную дисперсию по формуле:

,                                         (2.2.4)

Определим среднюю дисперсию по формуле:

,                                         (2.2.5)

Адекватность модели определяем по критерию Фишера, по формуле:

,                                                    (2.2.6)

 F1=1,554,, , следовательно, модель адекватна.

Определим коэффициенты для параболической зависимости.

Параболическая зависимость имеет следующий вид:

Построим эмпирическую линию и график f(z):

Рис. 2.2.2 График параболической зависимости

Определим суммы квадратов отклонений вычисленных значений каждой

функции по формуле (2.2.2):

Проверка адекватности выбранного уравнения.

По формулам (2.2.4)-(2.2.6) оцениваем адекватность принятого уравнения.

Определим остаточную дисперсию по формуле (2.2.4):

Определим среднюю дисперсию по формуле (2.2.5):

Адекватность модели определяем по критерию Фишера, по формуле (2.2.6):

следовательно, модель адекватна.

Определим коэффициенты для гиперболической зависимости.

Гиперболическая зависимость имеет следующий вид:

Построим эмпирическую линию и график f(z):

Рис. 2.2.3 График гиперболической зависимости

Определим суммы квадратов отклонений вычисленных значений каждой

функции по формуле (2.2.2):

Проверка адекватности выбранного уравнения.

По формулам (2.2.4)-(2.2.6) оцениваем адекватность принятого уравнения.

Определим остаточную дисперсию по формуле (2.2.4):

Определим среднюю дисперсию по формуле (2.2.5):

Адекватность модели определяем по критерию Фишера, по формуле (2.2.6):

следовательно, модель адекватна.

Определим коэффициенты для степенной зависимости.

Степенная зависимость имеет вид:

Рис. 2.2.4 График степенной зависимости

Определим суммы квадратов отклонений вычисленных значений каждой функции по формуле (2.2.2):

Проверка адекватности выбранного уравнения.

По формулам (2.2.4)-(2.2.6) оцениваем адекватность принятого уравнения.

Определим остаточную дисперсию по формуле (2.2.4):

Определим среднюю дисперсию по формуле (2.2.5):

Адекватность модели определяем по критерию Фишера, по формуле (2.2.6):

следовательно, модель адекватна.

Найдем относительную погрешность уравнения регрессии по формуле:

,                                      (2.2.7)

Относительная погрешность S=0.067

        Как видно из таблицы, приближение в виде гиперболической зависимости в данном случае предпочтительнее, так как ей соответствует наименьшее среднее квадратичное отклонение.

Исследуем зависимость концентрации соли на выходе С_вых от расхода на входе .

        Для этого разделим все множество С_вых на 5 и на каждом интервале найдем среднее значение х:

,                                                (2.2.1)

где  – число точек в интервале .

Запишем результаты:

С - среднее значение для выходной концентрации соли.

D - среднее значение расхода пресной воды на входе.

Определим вид уравнения регрессии и параметры уравнения регрессии.

Определим коэффициенты для линейной зависимости. Для этого используем функцию line(x,y):

Следовательно, линейная зависимость имеет следующий вид:

Рис. 2.2.5  График линейной зависимости

Определим суммы квадратов отклонений вычисленных значений каждой функции по формуле (2.2.2):

Проверка адекватности выбранного уравнения.

 По формулам (2.2.4)-(2.2.6) оцениваем адекватность принятого уравнения.

 Определим остаточную дисперсию по формуле (2.2.4):

Определим среднюю дисперсию по формуле (2.2.5):

Адекватность модели определяем по критерию Фишера, по формуле (2.2.6):

   следовательно, модель не адекватна

Определим коэффициенты для параболической зависимости.