книги / Переработка нефтяных и природных газов

схем. С этой целью при оптимизации оборудования применен прин­ цип гибридизации моделей. Согласно такому принципу разрабаты­ вают точные и громоздкие модели для каждого вида оборудования и на их основе путем расчетно-теоретического анализа создают простые аппроксимативные модели, практически не уступающие по точности сложным при фиксированных исходных данных. Опти­ мизацию оборудования проводят с помощью этих простых моделей с периодическим уточнением их путем обращения к сложным мо­ делям.

Упрощенные модели оборудования используют также при осу­ ществлении оптимизации на более высоких уровнях. Перейти от множества возможных схем к ограниченному набору предположи­ тельно оптимальных можно многими способами, из которых мы рассмотрим два: эвристический способ и способ случайного поиска.

При эвристическом способе все множество схем на основании их классификации делят на ряд подмножеств, в каждом из кото­ рых выбирают представительную схему; эта схема подвергается эволюции до тех пор, пока она не станет предположительно опти­ мальной.

При случайном поиске произвольно выбирается, например с помощью датчика случайных шкал, заданное число схем с про­ извольным числом элементов и связей (в пределах между их мини­ мальным и максимально возможным числом), которые затем под­ вергают такой же эволюции. Для подобной эволюции, т. е. для ограничения области поиска технико-экономического экстремума следует использовать эксерго-экономический анализ технологи­ ческих схем и оборудования, а также проводить синтез оптималь­ ных структур технологических схем ГПЗ на основе эксерго-топо- логического моделирования. При решении этой задачи могут быть использованы три крупных алгоритма (рис. VI.36): 1) эвристиче­ ский алгоритм синтеза технологических схем (ЭАСТС); 2) алгоритм эксергетического анализа технологической схемы (АЭАТС); 3) ал­ горитм технико-экономической оптимизации режимов и оборудо­ вания (АТЭОРО).

Если к ЭАСТС добавить снизу АЭАТС, с помощью которого можно определить слабые места каждой конкретной (синтезиро­ ванной) технологической схемы, а также сформулировать правила улучшения эксергетических показателей схемы за счет изменения организации потоков и числа аппаратов (или за счет этого и дру­ гого вместе), организовать связи между АЭАТС и ЭАСТС, то обра­ зуется новый эвристико-эволюционный алгоритм предваритель­ ной оптимизации технологических схем (АПОТС). Этот алгоритм служит для обоснованного ограничения числа технологических схем.

Результатом функционирования алгоритма является массив из п матриц, каждая из которых описывает предположительно оптимальные (эксергетически выгодные) технологические схемы. Этот массив используют в дальнейшем в алгоритме технико-эко-

331

перерабатывающих заводов — АОТО—ГПЗ (см. рис. IV.36). Этот алгоритм служит для решения всего комплекса оптимизационных задач, а именно для выбора оптимальных технологических схем, режимов и оборудования ГПЗ.

Если эволюционно-эвристическое ограничение числа сравни­ ваемых при оптимизации технологических схем не обеспечивается, т. е. АЭАТС отсутствует, то технико-экономическую оптимизацию оборудования и режимов проводят для каждой из множества тех­ нологических схем, синтезированных с помощью ЭАСТС. Ограни­ чение этого множества схем может быть обеспечено также приме­ нением различных методов поиска экстремума.

СИНТЕЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ГПЗ

Обобщенная технологическая схема ГПЗ и ее математическое описание

Один из наиболее важных методических элементов АОТО—ГПЗ — синтез технологических схем ГПЗ. Предлагается в основу синтеза положить обобщенную (гипотетическую) схему с предельно боль­ шим числом элементов (Э) и связей, или потоков (П), а синтез осу­ ществлять путем «вырождения», упрощения этой схемы.

Авторами разработана обобщенная технологическая схема переработки газа, включающая все наиболее распространенные способы переработки: конденсацию, абсорбцию, ректификацию. В ее основу положена обобщенная технологическая схема пере­ работки газа способом конденсации (рис. IV.37).

Обобщенная схема создана на основе анализа существующих современных способов и схем переработки газа и включает практи­ чески все самые современные элементы и узлы, применяемые в том или ином способе газопереработки. В частности, в схеме НТК при­ менены три основных ступени сепарации, т. е. их максимальное число, применяемое в современных схемах НТК, и две вспомога­ тельные ступени, которые применяются некоторыми зарубежными фирмами. Каждая основная ступень сепарации аппаратурно офор­ мляется следующим образом: регенеративная система теплооб­ мена источник холода сепаратор. Но возможно отсутствие в той или иной ступени либо регенеративного теплообмена, либо источника холода. Первая вспомогательная ступень сепарации (см. рис. IV.37) состоит из воздушного холодильника 3 и сепара­ тора 4, вторая — из системы регенеративного теплообмена 6 и сепаратора 7. В трех основных ступенях сепарации применены все возможные источники холода: внешние, дросселирование жидких потоков, детандер.

В схеме опущены многие элементы и узлы, которые не имеют принципиального значения для расчета и анализа схем. Например, потоки П5, П8, П10, П12, П13 после дросселирования должны дожиматься, как правило, отдельным компрессором, который на

333

336

11

обобщенной технологической схемы НТК ГПЗ

схеме не показан. Изображен вариант, когда небольшое количе­ ство сдросселированных потоков идет на прием сырьевого компрес­ сора, так как в этом случае меняется состав газа, идущего на пере­ работку. Последнее обстоятельство влияет на анализ и расчет схемы. Показан также вариант, когда небольшие количества сдрос­ селированных потоков уходят с установки вместе с сухим газом. Для охлаждения верхних продуктов деметанизатора и деэтаниза­ тора можно использовать внешние источники холода (элементы 20.1 и 22.1) или холода потоков газа последней ступени сепарации в регенеративных теплообменниках 20.2 и 22.2.

Предусмотрена возможность дросселирования в регенератив­ ных теплообменниках части рефлюкса из элемента 23 для получе­ ния низких температур.

Таким образом, из обобщенной технологической схемы пере­ работки газа практически можно набирать все возможные кон­ кретные схемы переработки газа способом конденсации. Число этих схем достигает многих миллионов. Однако многие из указан­ ных схем нереальны или невыгодны с технико-экономической точки зрения. Это обусловлено тем, что в обобщенной схеме преду­ смотрено не оптимальное, а максимально возможное число эле­ ментов; связи между элементами предусмотрены также не опти­ мальные, а принципиально возможные. Многие из элементов в кон­ кретных схемах могут оказаться просто нереальными (например, вследствие несоответствия температурного уровня для теплообменивающихся потоков). Поэтому необходимо из множества конкрет­ ных схем, образующихся из обобщенной, выбрать не только реаль­ ные схемы, но и оптимальные по структуре, параметрам и обору­ дованию.

Существует ряд способов математического описания структуры и связей в технологических схемах; например, с помощью матрицы процесса, матрицы потоков, матрицы инциденций, матрицьГсмежности [23, 24, 25]. Однако эти матрицы достаточно полно коди­ руют конкретные технологические схемы с фиксированными свя­ зями и непригодны для описания обобщенных технологических схем, характерных многообразием связей между элементами.

Поэтому нами предложен новый способ описания обобщенных технологических схем с помощью свернутой потоковой матрицы смежности. Применительно к обобщенной технологической схеме (см. рис. IV.37) переработки газа способом конденсации такая матрица приведена на рис. IV.38. Связь между элементами схемы в матрице показана номером связующего элементы потока. При этом разными в схеме считаются потоки, различающиеся составом, но не параметрами. Если из одного элемента в другой направ­ ляется поток, являющийся смесью либо совокупностью раздельно отводимых различных потоков, этот «сводный» поток описывается очередным порядковым номером и соответствующим этому номеру списком «сводного» потока. Все списки потоков нумеруются в по­ рядке появления (описания) каждого из списков. В каждом списке

338

Таблица IV .2. Список максимального числа элементов обобщенной схемы (см. рис. IV.37)

1Входной сепаратор

2Компрессор сырого газа

15Сепаратор V ступени

16Предварительный деэтанизатор

339

22.1Внешний холодильный цикл для верхнего продукта деэтаниза­ тора

22.2Регенеративный теплообменник деэтанизатора

23Рефлюксная емкость деэтаниза­ тора

24Сепаратор перед детандером

приведены номера исходных потоков, а такде признак Псп — сме­ шения исходных потоков. При Псп Ф 0 можно предположить, что элемент, куда входит соответствующий «сводный» (но не смеши­ вающийся) поток, имеет сложную инфраструктуру, которая дол­ жна быть описана отдельно в каждой конкретной схеме. Признаки смешения сводных потоков (Псп) приведены ниже:

Псп Характер смешения сводных потоков

0 Потоки не смешиваются

1 Потоки смешиваются без ограничений

2Потоки могут смешиваться, а могут не смешиваться

3Жидкостные и газовые потоки, входящие в сводный поток, могут смешиваться, а могут не смешиваться (жидкостные между собой, а газовые между собой)

Список максимального числа элементов, списки всех потоков, списки «сводных» потоков обобщенной технологической схемы ГПЗ приведены в табл. IV.2, 3.

Здесь нужно отметить одно важное обстоятельство. Часто при формировании двух или нескольких сводных потоков из макси­ мально возможного числа элементарных потоков состав каждого из сводных потоков будет одинаковым, но в реальной схеме их состав, как правило, будет разным. Сводные потоки при направле­ нии их из одного элемента в несколько разных элементов нумеруют разными номерами, что позволяет различать указанные потоки в реальных схемах.

При варьировании составов этих потоков из обобщенной схемы получают реальные, конкретные схемы.

340