СКАЧАТЬ:  modelirovanie.zip [2,92 Mb] (cкачиваний: 230)

Содержание

Введение. 3

1. Теоретическая часть. 4

1.1 Общая характеристика НПС Альметьевск-3 нефтепровода Альметьевск-Нижнекамск ОАО «Северо-Западные МН». 4

1.2. Описание технологического процесса перекачки нефти на примере НПС Альметьевск-3. 5

1.3. Описание схемы автоматизации НПС.. 6

1.4. Описание схемы автоматизации магистрального насосного агрегата. 9

2. Расчетная часть. 11

2.1. Составление статической модели объекта. 11

2.1.1. Регрессионный и корреляционный анализ. 12

2.1.2. Множественная корреляция. 26

2.1.3. Проверка значимости коэффициентов в уравнении  регрессии. 30

2.1.4. Проверка адекватности и работоспособности регрессионной модели  33

2.2. Составление динамической модели объекта. 35

2.3. Оптимизация технологического процесса перекачки нефти. 39

2.3.1. Поиск минимума функции давления на выкиде симплекс-методом. 39

2.3.2.  Поиск минимума функции давления на выкиде с помощью чисел Фибоначчи. 46

2.4. Моделирование процесса перекачки нефти про помощи УМП ChemCad  52

Заключение. 56

Список использованной литературы.. 57

Приложение 1. 58

Приложение 2. 59

ПРИЛОЖЕНИЕ 3………………………………………………………………...61

Введение

Установка комплексной подготовки нефти является конечной стадией обработки нефти на нефтепромысле. После обессоливания, обезвоживания и стабилизации нефть становится товарной, и её отгружают в товарный парк. Потребителям нефть откачивается с промысла по магистральному нефтепроводу с помощью нефтеперекачивающих станций.

Нефтеперекачивающая насосная станция представляет со­бой сложный технологический комплекс, состоящий из основ­ных и вспомогательных систем, обеспечивающих бесперебойное выполнение операций по перекачке нефти. Промежуточные нефтеперекачивающие насосные станции обеспечивают движение нефти по магистральному нефтепроводу. Число НПС и расстояние между ними на линейном участке нефтепровода определяются расчётным путём и зависят от многих факторов, основными из которых являются максимальная пропускная способность магистрального трубопровода при минимальных затратах на его строительство, а при эксплуатации – затратами на перекачку по нему одной тонны нефти. При размещении промежуточных НПС учитываются такие параметры линейной части, как максимально допустимые давления в трубопроводе, его диаметр, свойства перекачиваемой нефти, рельеф местности и другие факторы.

Целью автоматизации нефтеперекачивающих станций является обеспечение их безопасной и безаварийной эксплуатации, сокращение простоев насосных агрегатов, поддержание оптимальных режимов перекачки, а также обеспечение работы без обслуживающего персонала непосредственно в насосной.

Математическое моделирование процессов перекачки нефти имеет целью сокращение сроков проектирования объектов магистрального нефтепровода, определение степени влияния параметров как друг на друга, так и на производительность НПС в целом, отыскание оптимальных условий перекачки при заданных ограничениях. Всё вышеперечисленное обеспечивает снижение себестоимости перекачки одной тонны нефти по нефтепроводу.

1. Теоретическая часть

1.1 Общая характеристика НПС Альметьевск-3 нефтепровода Альметьевск-Нижнекамск ОАО «Северо-Западные МН»

НПС Альметьевск-3 является частью магистрального нефтепровода Альметьевск-Нижнекамск дочернего предприятия ОАО АК «Транснефть» ОАО «Северо-Западные МН». Исходное сырьё данного нефтепровода – нефть месторождений Юго-востока  Республики Татарстан, добываемая ОАО «Татнефть», а также ННК. Потребителями продукции являются предприятия нефтехимической промышленности (Нижнекамскнефтехим, ТатнефтьНефтехим, Нижнекамскшина, Нижнекамский НПЗ и другие).

Производительность станции – 10000 тн/сут (с незначительными отклонениями, ±0,5%).

Схема включения нефтепровода Альметьевск-Нижнекамск в систему нефтепроводов:

1.2. Описание технологического процесса перекачки нефти на примере НПС Альметьевск-3

В НПС Альметьевск-3 установлено четыре однотипных магистральных насосных агрегата, один из которых является резервным. Каждый агрегат состоит из центробежного насоса с приводом от высоковольтного электродвигателя. Помещение, где размещены насосы, относится к взрывоопасным, поэтому электродвигатели насосных агрегатов выполнены во взрывозащищённом исполнении и установлены в одном помещении с насосами. Трубопроводная обвязка магистральных насосов предусматривает их последовательное соединение, что обеспечивает бесперебойную работу НПС при входе в резерв любого из агрегатов. На приёме и выкиде каждого насоса установлена задвижка, а параллельно насосу – обратный клапан таким образом, что при остановке насоса и перекрытии его задвижек поток нефти автоматически направляется по обводному трубопроводу к следующему насосу или в магистральный нефтепровод. В результате параллельно насосам создаётся обводной трубопровод насосной с обратными клапанами (коллектор насосной). В конце этого коллектора со стороны нагнетания смонтирован регулирующий дросселирующий орган системы автоматического регулирования давлений на приёме и выкиде насосной.

В рассматриваемой НПС используется система перекачки «из насоса в насос»: резервуары НПС маловместительны и отключены от трубопровода, их используют только приёма утечек нефти из сальниковых уплотнений насосов. Нефть проходит только через магистральные насосы НПС. За счет этого уменьшаются потери нефти от испарения и полностью используется подпор предыдущей станции. Данная система предусматривает полную синхронизацию работы перегонов нефтепровода в пределах эксплуатационного участка.

На НПС поток нефти проходит её объекты в следующей последовательности: узел подключения станции к магистрали, площадка фильтров-грязеуловителей, магистральная насосная станция, узел регулирования давления, магистраль.

На всасывающей части НПС установлено два фильтра-грязеуловителя, предотвращающих попадание механических примесей в перекачивающие агрегаты. Для очистки фильтров предусмотрены четыре задвижки, по две на каждый. После фильтров-грязеуловителей поток нефти направляется в общестанционный коллектор, оборудованный агрегатными задвижками, позволяющих подключать или отключать соответствующие агрегаты. Для сбора утечек самотёком из приямков установлены небольшие резервуары под землёй. Нагнетательный патрубок насосов откачки присоединяется к всасывающему трубопроводу НПС.

Для обеспечения нормальной эксплуатации магистральных насосных агрегатов с заданными параметрами также функционируют следующие вспомогательные системы:

• разгрузки и охлаждения торцевых уплотнений;
• смазки и охлаждения подшипников;
• средств контроля и защиты насосных агрегатов.

1.3. Описание схемы автоматизации НПС

Контроль над технологическим процессом перекачки нефти осуществляется контрольно-измерительными приборами (функциональная схема станции с приборами КИПиА представлена в Приложении).

Предусматривается дистанционный контроль следующих параметров:

• давление на приёме первого насосного агрегата (1-1);
• давление на выкиде первого насосного агрегата (3-1);
• давление в разделительном сосуде на приёме площадки фильтров-грязеуловителей (13-1);
• давление в разделительном сосуде на выкиде площадки фильтров-грязеуловителей (13-1);
• давление на выкиде коллектора насосной (6-1).

Предусмотрено регулирование следующих параметров:

• расход на приёме первого насосного агрегата посредством контроля давления при помощи ЭКМ (по нижнему аварийному уровню) и реле времени: при установке давления ниже 0,02 МПа осуществляется аварийная остановка всей НПС;
• уровень утечек из сальниковых уплотнений насосных агрегатов при помощи ЭКМ (по верхнему уровню): при затоплении свыше 200 мм осуществляется автоматическая аварийная остановка всей НПС и откачки жидкости в подземные резервуары;
• расход на выкиде первого насосного агрегата посредством контроля давления при помощи ЭКМ (по верхнему аварийному уровню): при установке давления свыше 4,97 МПа подается сигнал на запрет включения агрегата, а при достижении давления 5,05 МПа осуществляется аварийная остановка всей НПС;
• состояние (открыта/закрыта) электрифицированных задвижек на приёме и выкиде насосной, а также на приёме и выкиде фильтров-грязеуловителей) как по месту (кнопочный пост управления), так и в операторной.

Системой автоматического управления перекачивающей на­сосной предусмотрена аварийная сигнализация (световая, а также звуковая при помощи сирены на улице и зуммера в операторной) в случаях:

• при понижении давления ниже аварийного уровня на приёме первого насоса;
• при затоплении помещения насосной;
• при повышении давления выше аварийного уровня на выкиде первого насоса.

Помимо аварийной предусмотрена также предупредительная сигнализаця (состояния электрифицированных задвижек, отсутствия оператора МНС и т.д.).

На НПС предусмотрены автоматическая защита обо­рудования при возникновении ситуаций, опасных для оборудо­вания насосной или магистрального нефтепровода (пожар, загазованность, затопление), программ­ное управление каждым магистральным насосным агрегатом, автоматизация вспомогательных систем, насосной, централи­зация контроля и управления насосной. НПС работает в режиме «из насоса в насос», поэтому на ней предусматривается автоматическое регулирование давлений на всасывании и на­гнетании.

При минимальной температуре в отделении электродвига­телей (+5°С) происходит автоматическое отключение магистральных насосных агрегатов. Эта защита требуется ввиду применения электродвигателей, не допускающих работу при низких темпе­ратурах. В качестве датчиков использованы обычные реле мини­мальной температуры.

В процессе перекачки нефти нефтепровод может испытывать превышающие устанавливаемые режимом его эксплуатации максимальные и минимальные давления. Эти перегрузки могут привести к аварии магистрального нефтепровода и оборудова­ния, установленного на всех перекачивающих станциях. Рез­кие изменения давления в магистральном нефтепроводе могут быть следствием изменения режимов перекачки, порывов тру­бопроводов и аварийных отключений перекачивающих станций.

На функциональной схеме НПС схема регулирования давлений сравнивает сигналы от регуля­тора давления на всасывании (5-1) или нагнетании (6-1) посредством дифманометра и при рас­согласовании подают командный импульс на исполнительный механизм регулирующего органа. Для контроля давления на трубопроводе устанавливаются показывающие манометры (11-1 и 12-1) типа МП-4У. Вы­ходной пневмосигнал, пропорциональный измеряемому давле­нию, подается на ПИД-регулятор. В регуляторе давление трубопровода р_т сравнивается с величиной задания р₃. При рассогласовании на выходе регулятора появляется сигнал:

где k = (1/D)100 %; D — диаметр дросселирования; Т — посто­янная времени; т — время предварения.

Регулятор на нагнетании настроен на прямую работу, т. е. выходной сигнал появляется при возрастании давления выше заданного и он увеличивается по мере роста рассогла­сования. Регулятор на всасывании настроен на обратную работу, т. е. его выходной сигнал увеличивается при снижении давления ниже заданного.

1.4. Описание схемы автоматизации магистрального насосного агрегата

Помимо параметров, регулируемых на всей насосной, на каждом насосном агрегате регулируются следующие параметры:

• состояние электродвигателя насосного агрегата, с возможностью кнопочного управления с операторной, подачей предупредительной сигнализации, автоматической остановки или запрета пуска агрегата;
• температуры переднего и заднего подшипников электродвигателя и насоса по верхнему уровню (65°С – включение предупредительной сигнализации, 70°С – остановка или запрет пуска агрегата и включение аварийной сигнализации);
• температуры корпуса насоса;
• вибрации переднего и заднего подшипников электродвигателя и насоса по верхнему уровню (7,1 мм/с – включение предупредительной сигнализации, 11,2 мм/с – остановка или запрет пуска агрегата и включение аварийной сигнализации).

Объем автоматической защиты магистрального насосного агрегата определяется его конструктивными особенностями и технической характеристикой. В каче­стве датчиков защиты по максимальной температуре использованы реле температуры, термометры сопротивле­ния и термопары. В качестве датчиков утечки использованы реле уровня, контролирующие заполнение камер утечек, имеющихся на корпусе насоса на обоих концах его вала. Все датчики, ус­тановленные в помещении насосной, выполнены во взрывозащищенном исполнении.

Управление насосными агрегатами из местного пункта уп­равления (МПУ) и РДП предусматривается программно-автоматическое, заключающееся в автоматическом выполнении заданной последовательности включения и отклю­чения агрегата при получении соответствующей единичной команды. Программа включения насосного агрегата может различаться последовательностью открытия задвижек и за­пуска основного электродвигателя агрегата. При дистанционном включении «на закрытую задвижку» программа преду­сматривает сначала полное открытие задвижки на всасывании, затем запуск основного электродвигателя и после этого — от­крытие напорной задвижки. До команды на включение обе задвижки агрегата закрыты. Программа «на закрытую за­движку» обеспечивает наиболее легкие условия включения основного электродвигателя, так как в период запуска насос потребляет наименьшую мощность. Однако корпус насоса и напорная задвижка при таком запуске подвергаются повышен­ному давлению, так как при нулевом расходе центробежный магистральный насос развивает обычно наибольшее давление. Программа включения на приоткрытую задвижку отличается тем, что напорная задвижка агрегата включается на открытие немного раньше, чем запускается основной электродвигатель. Таким образом, облегчаются условия работы электропривода задвижки, так как в момент запуска и достижения номиналь­ной частоты вращения электродвигателя привода затвор за­движки практически разгружен. При запуске на открытую задвижку основной двигатель агрегата включается после пол­ного открытия напорной задвижки. При этой программе в про­цессе включения агрегата корпус насоса и напорная задвижка практически не испытывают давления большего, чем при ра­боте агрегата в стационарном режиме, обратный клапан прак­тически не испытывает ударной нагрузки и перепад давления на напорной задвижке в процессе ее открытия отсутствует.

Кроме перечисленных программ агрегаты, переведенные в положение резервных, включаются по программе, при которой обе задвижки открываются зара­нее при переключении агрегата в резерв, а основной электро­двигатель запускается при отключении работавшего агрегата и срабатывании системы. При таком переключении агре­гатов давления на всасывании и нагнетании станции меняются весьма незначительно.

При отключении агрегата предусмотрено одновремен­ное выключение основного электродвигателя и включение обеих задвижек на закрытие.

2. Расчетная часть

2.1. Составление статической модели объекта

Изобразим процесс перекачки в следующем виде:

Входные параметры:

• P_p – давление на приёме;
• Т_нас – температура корпуса насоса;
• S_p – вибрация переднего подшипника насоса;
• S_z – вибрация заднего подшипника насоса.

Выходные параметры:

• P_v – давление на выкиде.

Выберем основные технологические параметры объекта. Для этого необходимо произвести сбор статистического материала в режиме нормальной эксплуатации объекта (пассивный эксперимент).

2.1.1. Регрессионный и корреляционный анализ

Для расчета статической модели использовалась программа Mathcad 2000 Professional.

Построение эмпирических линий производится с помощью следующей программы:

1. Рассмотрим зависимость давления на выкиде P_v от давления на приёме P_p. Для этого воспользуемся статистическим материалом, представленным в таблице 1.

Таблица 1

Для определения вида уравнения регрессии построим эмпирическую линию регрессии по данным таблицы 1.

Эмпирическая линия регрессии показывает, что функцию целесообразно искать в виде параболы:

                                       (1)

Требуется определить по методу наименьших квадратов коэффициенты линейного уравнения регрессии по выборке объемом N=60.

Найдем коэффициенты a₀, a₁ и a₂:

В нашем случае:

Искомое уравнение регрессии:

P_v = 137.736 - 304.5344 × P_p + 209.391 × (P_p)²

Сравним графики полученного уравнения регрессии и эмпирической линии:

Для оценки нелинейной связи вычисляется коэффициент корреляции:

                                  (2)

                                       (3)

Вычислим q:

Для данного случая коэффициент корреляции q = 0.675. Т.к. коэффициент корреляции не принадлежит интервалу [0,75-1], то данный входной параметр не влияет на выходной и его не следует учитывать в уравнении множественной корреляции.

2. Рассмотрим зависимость давления на выкиде P_v от температуры корпуса насоса Т_нас. Для этого воспользуемся статистическим материалом, представленным в таблице 2.

Таблица 2

Для определения вида уравнения регрессии построим эмпирическую линию регрессии по данным таблицы 2.

Эмпирическая линия регрессии показывает, что функцию целесообразно искать в следующем виде:

                           (4)

Для определения коэффициентов в уравнении регрессии воспользуемся функцией Mathcad – regress.

Искомое уравнение регрессии:

P_v = -307.764 + 133.224 × Т_нас - 19.617 × Т_нас ² + 1.338 × Т_нас ³ -

- 0.043 × Т_нас ⁴ + 5.069´10^-4 × Т_нас ⁵

Сравним графики полученного уравнения регрессии и эмпирической линии:

Для данного случая коэффициент корреляции r = 0.689. Т.к. коэффициент корреляции не принадлежит интервалу [0,75-1], то данный входной параметр не влияет на выходной и его не следует учитывать в уравнении множественной корреляции.

3. Рассмотрим зависимость давления на выкиде P_v от вибрации переднего подшипника насоса S_p. Для этого воспользуемся статистическим материалом, представленным в таблице 3.

Таблица 3

Для определения вида уравнения регрессии построим эмпирическую линию регрессии по данным таблицы 3.

Эмпирическая линия регрессии показывает, что функцию целесообразно искать в виде уравнения (4).

Для определения коэффициентов в уравнении регрессии воспользуемся функцией Mathcad – regress.

Искомое уравнение регрессии:

P_v = -481.752 + 2.105´10³ × S_p - 3.327´10³ × S_p ² + 2.487´10³ × S_p ³ -

- 880.698 × S_p ⁴ + 119.192 × S_p ⁵

Сравним графики полученного уравнения регрессии и эмпирической линии:

Для данного случая коэффициент корреляции r = 0.952. Т.к. коэффициент корреляции принадлежит интервалу [0,75-1], то данный входной параметр влияет на выходной и его следует учитывать в уравнении множественной корреляции.

4. Рассмотрим зависимость давления на выкиде P_v от вибрации заднего подшипника насоса S_z. Для этого воспользуемся статистическим материалом, представленным в таблице 4.

Таблица 4