Общие принципы работы с программой Aspen Hysys

Данный программный пакет достаточно широко применяется в России, в частности в сфере образования и подготовки специалистов нефтегазовой отрасли. Из продуктов компании Aspen Technologies Inc пакет Aspen Hysys выступает как самый известный и востребованный программный комплекс.

Существуют специализированные средства разбора и анализа свойств нефтепродуктов, с помощью которых можно получить данные для воспроизведения данных продуктов в моделируемой системе. В данном комплексе потоки этих продуктов воссоздаются при помощи экспериментально полученных данных разгонки, например ИТК или ASTM, параметров по удельному весу, параметров по молекулярному весу, составу легких компонентов, а также данных по различным товарным признакам (температура застывания и содержание серы). Всю эту информацию применяют для разработки дискретных псевдокомпонентов, используемых для сопровождения состава каждого отдельного потока, определяемого кривой разгонки.

Hysys был разработан в 1996 году. В настоящий момент специалисты нефтегазовых отраслей применяют комплекс для создания стационарных моделей на этапе эскизного проектировании технологических систем, для анализа состояния аппаратов и предупреждения неисправностей, для оптимизации режимов функционирования системы, бизнес – планирования и управления предприятием.

Программный комплекс Hysys сочетает в себе разные способы расчета термодинамических свойств, например, энтальпии, энтропии, коэффициента фазового равновесия, фугитивности паров плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях. В данной программе сочетаются практически все опубликованные в литературе методы, и, кроме того, используются специально созданные методы, получившие лицензию у третьих лиц. Самые актуальные в сфере нефтепереработки метода это: объединенные корреляции, например, метод вычисления коэффициентов фазового равновесия Чао-Сидера и метод расчета плотности жидкости API, уравнения состояния (метод Пенга-Робинсона) для вычисления коэффициентов фазового равновесия, энтальпий, энтропий и плотностей; специфические методы расчета свойств специализированных пакетов компонентов, например, аминов, спиртов, гликолей и систем кислой воды.

Чаще всего при воссоздании процессов переработки и транспортировки нефтепродуктов применяется уравнение состояния Пенга-Робинсона, что активно используется и в работе Hysys.

Достоинства Hysys перечислены ниже.

- Развитый графический интерфейс (при работе в данном программном комплексе есть преимущества в удобствах управления – очень удобно изображена схема моделирования, существует возможность копирования, вставки объектов, подключение объектов и потоков с помощью мыши, а при разработке больших схем технологических процессов более мелкие схемы можно объединить в подсхемы.

- Наиболее эффективные термодинамические расчеты моделей. Применение данных моделей в Hysys дает возможность произвести расчет различных свойств продукта, таких как транспортные свойства, фазовое равновесие и т.д. наиболее точно. В данном пакете сочетается огромная база данных, позволяющая рассчитывать свойства продукта более 20 различными методами расчета термодинамических и физических свойств с более 2000 библиотечными компонентами.

- Доступность использования другими программами. Hysys дает возможность использовать пользовательские компьютерные модели, разработанные в программе, в других аналогичных комплексах с помощью встроенного языка программирования (Visual Basic). Поддерживается подключение собственных программ (созданных в среде Visual Basic, C++, Excel), при этом увеличивая продуктивность работы и возможности пакета и разрабатывая интегрированные методы технологических вычислений.

- Широкая база модульных производных. Программа Hysys сочетает различные статические и динамические модели оборудования нефте и газопереработки, и, кроме того, в Hysys ест возможность применения логические операций. Использование данных функций дает возможность получить оптимальные результаты и предупреждать многие ситуации на производстве, нарушающие технологический процесс.

- Подробный проектный и поверочный расчет теплообменной аппаратуры (рисунок 1.9). В результате поверочного расчета есть возможность конвертации в Hysys достаточно точную модель теплообменного аппарата из многих унифицированных пакетов, например TASC, ACOL+, MUSE. Данная возможность удобна тем, что в пактете Hysys можно произвести более точные вычисления теплообменников.

- Модели, построенные в программном комплексе возможно перевести в программу Icarus Process Evaluator или Icarus Project Manager от AspenTech и оценить проект с экономической точки зрения. Aspen Icarus специальная разработка компании для расширения возможностей Hysys, созданная для оценки себестоимости основного и дополнительного оборудования отдельных узлов схемы и всей системы в целом.

- Использование полученных данных в конструкторских программных пакетах. Полученные в Hysys модели могут в дальнейшем перейти в работу программы Aspen Zyqad для возможности применения их в конструкторских пакетах. Использование данного приложения помогает повысить результативность инженерных расчетов и уменьшить время на разработку проекта.

Рисунок 1.9 – Задание данных для расчета теплообменника

Программа Hysys сочетает в себе большое количество удобный модулей:

- Hysys Data Rec – виртуальная оптимизация работы оборудования за счет сравнения данных модели и реальной системы оборудования.

- Hysys OLI Interface – дополнительная опция вычисления электролитов, позволяющая значительно увеличить базу данных по свойствам продукта за счет пополнения к ним более 3000 видов электролитов.

- Hysys Optimizer – метод квадратичного программирования, довольно результативный метод оптимизации, который применяется при проектировании и при работе реальной установки в стационарном режиме.

Также существуют специализированные модули, расширяющие общие возможности пакета Hysys. Данные модули дают возможность использовать Hysys учитывая особенности конкретного технологического процесса. Наиболее часто используемые из них:

- Aspen Hysys Dynamics – моделирование в динамическом режиме;

- Aspen Hysys Crude – расчет потоков нефти, колонн АВТ;

- Aspen Hysys Amines – расчет процессов аминовой очистки;

- Aspen Hysys Pipeline Hydraulics – OLGAS 2-Phase – расчет магистральных трубопроводов;

- Aspen Hysys Pipeline Hydraulics – PIPESYS – расчет магистральных трубопроводов;

- Aspen Hysys Upstream – расчет процессов добычи нефти;

- Aspen Hysys Petroleum Refining – расчет основных установок, применяемых в нефтепереработке.

Благодаря программному комплексу Hysys возможно проведение следующих операций:

- расчет ректификационных колонн любой конструкции;

- расчет теплообменников различных конфигураций: нагревателей, холодильников, конденсаторов, ребойлеров с паровым пространством, воздушных холодильников;

- расчет трубопроводов разных типов (горизонтальных, вертикальных) с применением алгоритма расчета гидравлических сопротивлений многофазных потоков;

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

С помощью набора встроенных утилит возможен расчет:

- условий гидратообразования и его ингибирования, образования твердой углекислоты;

- точки росы по воде и углеводородам;

- кривых разгонок (ИТК, ГОСТ, вакуумная разгонка и т.д.);

- товарных свойств нефтепродуктов;

- размеров емкостей;

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

Таким образом, использование программы Hysys дает значительный экономический эффект: повышается производительность и прибыльность установок. Экономический эффект от использования программы Hysys достигается за счет следующего:

- оптимизация проектирования − возможность в сжатые сроки оценить рентабельность, безопасность и надежность установки;

- мониторинг состояния оборудования – уверенность в том, что оборудование работает в оптимальном режиме;

- уменьшение затрат на реализацию проекта – возможность свести к минимуму количество ошибок и сделать проект менее трудоемким.

Aspen Hysys Dynamics

Aspen Hysys Dynamics представляет собой динамическую моделирующую систему для создания нестационарных моделей и моделирования переходных процессов (рисунок 1.10). Это средство для динамических расчетов позволяет также эффективно управлять жизненным циклом технологического процесса. Aspen Hysys Dynamics позволяет создавать полную модель завода для оценки проекта на предмет рентабельности, управляемости, безопасности, а также для улучшения работы завода в течение всего его жизненного цикла.

При использовании динамического моделирования в Hysys Dynamics достигаются такие цели, как:

- сокращение цикла пусконаладки и выхода на рабочий режим;

- определение оптимальных стратегий смены сырья;

- настройка регуляторов и определение оптимальных эксплуатационных режимов;

- проверка безопасности работы производства в динамике.

Возможно проведение динамического расчета трубопроводов в модуле Hysys Upstream Dynamics.

Рисунок 1.10 – Hysys Dynamics

Достоинствами Hysys Dynamics являются такие особенности, как:

- применение точных термодинамических моделирующих систем;

- объединенная площадь для моделирования в стационарном и динамическом режимах. Преимущества интегрирования систем моделирования помогают достичь баланса между проектными особенностями стационарного режима и воссоздания работы установки в динамическом режиме;

- комфортный графический интерфейс;

- расширенная библиотека модульных процессов;

- параметризация свойств потока в динамике дает возможность наиболее эффективно смоделировать технологическую схему процесса. Применяя Hysys Dynamics возможно получение результатов в режиме реального времени для крупных сетей моделей.

Дополнительно к данному пакету применяются такие продукты, как:

- Hysys Upstream Dynamics: приложение для анализа поведения трубопроводов с многофазными потоками на этапе проектирования, в момент, когда остро стоит вопрос стоимости разработки. Программа помогает сэкономить средства на изоляции трубопроводов, повысить эффективность системного проектирования путем регулирования процедур пуска и остановки оборудования и повысить безопасность путем моделирования разрыва трубопровода и сброса давления.

- Hysys OLGA Transient: данный пакет применяется для динамического моделирования двух и трехфазных потоков нефтепродуктов в емкостях и трубопроводах. С помощью этого специалисты могут создавать потоки и моделировать сети трубопроводов, вместе с моделированием самой технологической системы.

- доступная архитектура;

- програмирование инженерных моделей: для повышения эффективности работы модели есть возможность применения пользовательских моделей, разработанных благодаря единым языкам программирования, как Visual Basic, C++. Кроме того, можно применить программу Aspen Custom Modeler, если есть необходимость для разработки и улучшения пользовательских моделей технологических систем. Данный модуль может быть использован одновременно с Hysys Dynamics;

- расчет динамики функционирования как отдельных узлов системы, так и установки в целом: этот метод применяется для повышения производительности работы систем обучения специалистов, определения опасных или малоприбыльных режимов работы в динамическом режиме, произведение наиболее точных исследований по надежности и эффективности специфических производственных элементов;

- программа имеет широкий спектр возможностей определения автоматической системы управления: множество вариантов регулирования и использование логических операций, а также имеется возможность интегрирования с системой улучшенного управления DMCplus;

- расширенные возможности: утилита «причина-следствие» и органайзер мероприятий отлично дополняют моделирование процедур пуска и остановки, а также применяются для автоматизации технологического процесса.

Достоинства применения Hysys Dynamics заключаются в следующих принципах:

- повышенная производительность моделирования установки: специалисты могут четко и преждевременно предвидеть экономически прибыльный, надежный и удобный для управления проект;

- расширенный контроль системы позволяет решить проблемы при запуске, допустимые отклонения параметров получаемого продукта от заданных характеристик и внеплановые простои;

- улучшение рентабельности системы с помощью повышения эксплуатационных качеств.

Одним из удобных дополнений рассматриваемой программы является Aspen Hysys Crude.

Hysys Crude Module – программный пакет, дающий возможность использовать в программе образцы нефтепродуктов и разрабатывать колонны первичной переработки нефти. В данном пакете вводятся параметры разгонок, таких как ИТК, ASTM, вакуумная разгонка и т.д., далее образец нефтепродукта подразделяется на компоненты для определения транспортных, термических и физических свойств потоков.

Исходными параметрами для определения свойств образца нефти служит кривая разгонки. Также желательно присутствие также зависимой кривой молекулярного веса, независимой кривой плотности и двух независимых кривых вязкости при различных температурах. Эффективность результатов расчета растет при задании таких параметров, как молекулярный вес и плотность всего образца нефтепродукта и присутствие экспериментально полученных параметров по содержанию легких фракций.

Комплекс имеет возможность автоматического расчета состава продукта, неизвестные свойства и может построить индивидуальную кривую разгонки с учетом заданных параметров. Полученная кривая разгонки подвергается разделению на необходимое число псевдокомпонентов. Полностью вычисленные псевдокомпоненты можно установить в поток и применять в любой схеме.

Следующим дополнительным продуктом компании является Aspen Hysys Amines (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 – Aspen Hysys Amines

Аминовый пакет являет собой специфичную базу расчетов процесса очистки углеводородных сред с применением растворов алканоламинов с помощью моделирования процессов, в которых описываются абсорбция кислых газов в промышленных растворителях и процессы, протекающие между кислыми газами и аминами. В данном пакете используются специализированные модели Li-Mather, которые обеспечивают наиболее точные результаты по сравнению с эмпирическими моделями, особенно при использовании смесей аминов. Сам алгоритм вычислений процесса аминовой очистки был создан подразделением Oilphase-DBR всемирно известной компании Schlumberger.

Также следует обратить внимание на программное приложение Aspen Hysys Upstream.

Данная программа используется с целью моделирования процессов добычи и подготовки нефтепродуктов и базируется на платформе инженерного моделирования Hysys. Hysys Upstream применяется для эскизного проектирования установок, повышения их производительности, мониторинга и оптимизации функционирования и бизнес-планирования. На базе программного пакета Hysys Upstream предоставляется возможность разработки интегрированных моделей процесса добычи нефтепродуктов.

Достоинствами программного комплекса являются:

- улучшенный процесс разработки и интеграции систем – расширенные возможности комплекса дают возможность применения Hysys для решения вопросов обустройства месторождения и транспортировки;

- отстранение от необходимости ручного ввода, конвертирования и перевода данных между программами;

- подробный расчета поведения многофазных сред нефтепродуктов, представленных со стороны физико-химических процессов, также и со стороны гидродинамики данных сред;

- повышение экономической рентабельности инвестиций за счет полной оптимизации с помощью разработки интегрированной модели процесса и использования ее при проектировании, регулировании, наблюдении за развитием, оптимизации и улучшении.

Пакет Hysys Upstream расширяет возможности для специалистов как в сфере анализа месторождений, так и в области обустройства (технологического отдела). Программа имеет возможность использовать промышленно подтвержденные способы и методы для расчета нефтяных смесей, что дает возможность соединить технологические и инженерные процессы работы над проектом.

Все данные со скважины возможно легко занести в модель через стандартизированный и легкий в использовании интерфейс, что дает возможность разработать комплексную модель технологического процесса от резервуара до скважины, установки и трубопровода.

В программе широко используется метод «Черная нефть» – методология для расчета термодинамических свойств нефтепродуктов неизвестного состава, которая часто применятся в отрасли нефтегазового производства. Зачастую, на устье скважины состав продукта является неизвестным, но существуют данные по соотношению и плотности фаз. При таком раскладе для расчета термодинамических свойств необходимо иметь данные по давлению, температуре, плотности состава, их соотношению и по составу воды в потоке. Кроме того, в работе Hysys Upstream представлены способы определения термодинамических параметров потока по упрощенным и обобщенным лабораторным данным. Результаты расчета основываются на часто применяемых в промышленности способах и корреляциях (рисунок 1.12). Более того, программа позволяет производить расчет в режиме «Черная нефть» любое оборудование.

Пакет дает возможность переносить состав потоков из пакета «Черная нефть» и в стандартный химический состав и обратно, применяя параметры о составе газовой части и традиционной процедуры характеризации нефтяной смеси Hysys.

Кроме режима «Черная нефть» также применяется режим PVT – ввод информации о нефтяной смеси с применением различных табличных данных через Infochem Multiflash, притом, данные смеси можно применять как обычные потоки.

Еще одним достоинством Hysys Upstream является подробная детализация состава потока – на различных участках модели необходима разная подробность вывода информации о потоке, зачастую, количество и дробление тяжелых фракций. Производится конвертация состава, введенного с помощью большого комплекса компонентов и нефтяных фракций, в состав с упрощенным набором компонентов для быстрого расчета некритичных участков. Детализация состава потока смеси – процесс конвертации упрощенного набора компонентов в расширенный набор для участков, где необходима высокая точность расчета термодинамических свойств.

Рисунок 1.12 – Расчет потока в Hysys Upstream

Множество методик расчета, используемые в программе для расчета многофазных потоков Aspen Hydraulics, а также применение интерфейсов интеграции с объединенными системами расчета трубопроводов дают специалистам возможность произвести расчет как внутрипромысловых, заводских, так и магистральных трубопроводов и сложноструктурные сети трубопроводов, включая многосвязные сети и кольцевые трубы, в статическом режиме и динамике.

В Hysys Upstream реализованы новые методы определения гидравлических параметров с целью сочетания в общей модели скважины, установки и трубопровода. Данная технология расчета позволяет разрабатывать комплексные модели всего месторождения, которые применяются для создания проектов обустройства, регулирования и оптимизации действующих установок, таким образом повышая эффективность инженерного труда, регулирования и принятия бизнес-решений на протяжении всего жизненного цикла месторождения.

В расчетах трубопроводов применяется метод стационарного расчета труб, когда определенные участки и сети трубопроводов в Hysys Upstream можно вычислить в рамках одного алгоритма расчета расхода и противодавления, и метода динамического расчета свойств труб, при котором имеется необходимость в лицензия на модуль Aspen Upstream Dynamics и Hysys Dynamics. Данный метод основан на методе ProFES и воплощает в жизнь следующие виды нестационарных расчетов гидравлических свойств потока: многофазный динамический, двухфазная модель прохождения шарового скребка, модель предупреждения образования заторов из-за разницы высот по профилю, или из-за нестационарного режима течения в трубе.

Кроме того, в программе содержатся специфические расчетные возможности:

- RVP – способов ASTM для определения давления паров по Рейду;

- Hysys TACITE – корреляции для расчета давления для многофазных потоков нефтепродуктов в трубопроводах;

- кривые теплообмена – улучшенные возможности для моделирования с проектными кривыми теплопередачи в оборудовании;

- утилита «причина-следствие» – методика для расчета и диагностики процесса пуска и остановки установки;

- реальный сепаратор – наличие режима моделирования нестандартных сепараторов в режиме динамики.

Aspen Hysys Petroleum Refining – программный пакет с широким кругом возможностей.

Стандартное четкое моделирование производится для отдельных технологических процессов, что ограничивает их универсальность при оптимизации всего производственного процесса. Отличительной чертой Aspen Hysys Petroleum Refining является то, что данный комплекс дает возможность предприятиям произвести оптимизацию производительности всего предприятия, путем использования объединенного моделирования всех технологических установок всего завода.

Aspen Hysys Petroleum Refining позволяет обнаружить перспективы развития НПЗ с помощью эффективного использования и широкое применения моделей внутри организации. Программа имеет функцию качественной обработки зависимостей между установками (рисунок 1.13) и, кроме того, обеспечивает инженеров данными для принятия решений, сопровождая их совместную работу и обмен данными.

Рисунок 1.13 – Комплексная модель в Aspen Hysys Petroleum Refining

Преимущества работы в Aspen Hysys Petroleum Refining это:

- удобный в работе интерфейс программы Hysys;

- интерфейсы к моделям реакторов от других производителей;

- работа в стационарном режиме;

- регулирование баз данных анализа компонентного состава потока сырья;

- определение процедуры смешивания потоков нефтепродуктов;

- расширение базы данных нефтяных свойств;

- способы расчета недостающих свойств нефтяных смесей;

- наличие индивидуальных моделей НПЗ:

- модели реакторов;

- каталитический крекинг;

- каталитический риформинг;

- гидрокрекинг;

- гидроочистка;

- быстрые в расчете модели ректификационных колонн;

- оптимизация смешивания;

- индивидуальные методы для анализа работы технологических схем.

Ключевые достоинства работы в Aspen Hysys Petroleum Refining:

- расчет взаимовлияния установок в рамках всего НПЗ:

- выявление и предупреждение возможных сценариев при внесении коррективов в режим работы установок;

- поиск наиболее эффективных параметров процесса;

- мониторинг отражения изменений на качестве получаемого продукта.

- разработка точных моделей линейного программирования:

- полная и глубокая проверка точности моделей линейного программирования;

- постоянное обновление векторов линейного программирования;

- восполнение точных данных, характеризующих потоки нефтяных смесей;

- восполнение точных данных для оптимального ежедневного/еженедельного планирования функционирования процесса.

- быстрое реагирование на внеплановые ситуации:

- быстрое реагирование на перемены в режиме работы;

- быстрое реагирование на аварийные ситуации.

- моделирование новых технических параметров и технологических операций:

а) анализ возможностей существующего оборудования;

б) определение несоответствий в работе установок;

в) представление и разбор вариантов конфигураций технологической схемы НПЗ;

г) повышение эффективности действующего оборудования.

Каждая проблема моделирования соответствует крупной системе нелинейных одновременно решаемых уравнений. Данная система сочетает в себе методы расчета всех требуемых термодинамических свойств для всех потоков нефтяных смесей, расходов и композиционных составов с использованием выбранных схем расчета свойств и процессов. Конечно же, возможно одновременное решение всех этих задач, также в моделирующих системах применяется следующий подход: отдельный элемент системы рассчитывается с использованием самых эффективных методов, созданных для каждого отдельного случая. При анализе системы связанных между собой аппаратов в программном комплексе Hysys алгоритм расчета элементов раскладывается автоматически либо задается пользователем. При наличии рециклов разрабатывается специальная схема, в которой рецикловые потоки нефтяных смесей разделяются, и разрабатывается алгоритм сходящихся результатов. Эти результаты вычисляют методом замещения величин, полученных при предшествующем просчете системы или с помощью использования определенных способов ускорения расчета рециклов [6].

Данная программа позволяет достичь следующие цели:

- улучшение производительности моделируемого технологического процесса;

- снижение потребления электроэнергии на установке;

- повышение надежности моделируемого технологического процесса;

- внесение коррективов состава и выхода продукта на установках;

- предотвращение и уменьшение потерь целевых компонентов продукта;

- уменьшение затрат на обслуживание оборудования и прочее.

В качестве объекта изучения и практического использования универсальных зарубежных моделирующих систем рассмотрена программа Aspen HYSYS на примере установки атмосферно-вакуумной перегонки нефти.

Установки первичной переработки нефти являются головными установками всех НПЗ и от их производительности зависят мощности заводов.

Построенная компьютерная модель позволяет:

- анализировать технологический процесс установки АВТ;

- анализировать работу оборудования;

- оценить качество получаемых продуктов (фракционный состав, цетановое число и температуру помутнения для дизельной фракции, содержание светлых фракций в мазуте);

- путем подбора технологических параметров установки получить продукты требуемого качества и количества.

Выводы

1 Описана сфера применения технологических схем, виды схем и их характеристика, методы моделирования технологических процессов и связей между объектами; описаны методы перехода от бумажной сферы к компьютерному моделированию.

2 Рассмотрены основные программные продукты компьютерного моделирования, облегчающие составление и вывод информации о технологических схемах.

3 Приведён анализ способностей работы программного комплекса Aspen Hysys, рассмотрены методы моделирования и расчёта технологических схем, а также основные математические методы для инженерных расчётов, применяемые в программе.

ГЛАВА 2 Создание учебно-методических средств обеспечения учебного процесса в программном комплексе Aspen HYSYS с использованием графических моделей технологических схем процессов НПЗ