CC BY
68
УДК 519.68:622.691
Э.М. Кольцова, А.М. Васецкий, А.В. Игумнов, Е.Б. Филиппова
ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ПО ВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Разработана экспертная система, позволяющая оценить
рентабельность интересующего месторождения, выбрать наиболее экономически выгодную технологию переработки природного газа и утилизации попутного нефтяного газа непосредственно в местах добычи.
Экспертная система, база данных, переработка природного газа E.M. Koltsova, A.M. Vasetskiy, A.V. Igumnov, E.B. Filippova
EXPERT SYSTEM FOR SELECTION OF OPTIMAL PROCESS FOR PROCESSING NATURAL GAS
The expert system was developed. It allows you to evaluate the profitability of interest to the field, choose the most cost-effective technology for natural gas processing and utilization of associated petroleum gas directly into the extraction sites.
An expert system, database, processing of natural gas
Как известно, Россия занимает первое место в мире по запасам углеводородного сырья и объемам его добычи. При этом следует отметить тот факт, что более 20 % от всего объема извлекаемых углеводородных газов сжигается сейчас на факеле, либо, что еще хуже, просто выбрасывается в атмосферу.
Начиная с 2005 года, правительство РФ приняло ряд законопроектов, обязывающих недропользователей довести степень использования добываемого природного газа до 95 % , т.е. сократить потери до 5%.
Однако, удаленность большинства месторождений от газоприемной системы «Газпрома» и несоответствие добываемого природного газа требованиям ряда ГОСТов на его качество не дают возможности непосредственно подавать этот газ в транспортную систему. Поэтому в газовой отрасли возникла задача переработки углеводородных газов на самом месторождении, в полезные, а главное, легко транспортируемые продукты, что является наиболее экономически выгодным решением.
В такой ситуации создание экспертной системы (ЭС), позволяющей быстро сделать выбор оптимального способа переработки природного газа (111 ) и утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ) на месторождениях, непосредственно в местах добычи, является весьма актуальным.
Такая экспертная система создавалась нами на основе обширной информационной системы, включающей ряд баз данных. Разработка ЭС состояла из следующих этапов:
- сбор, анализ и систематизация информации о месторождениях России и СНГ;
- сбор, анализ и систематизация информации о современных технологиях переработки ПГ и утилизации ПНГ;
- создание необходимых для реализации экспертной системы баз данных (БД);
- разработка адекватных алгоритмов расчета выхода конечной продукции при различных вариантах утилизации и переработки углеводородных газов;
- создание модуля расчета штрафных выплат за загрязнение атмосферного воздуха при факельном сжигании ПНГ.
Все этапы выполнены, в результате создана ЭС, позволяющая оценить рентабельность месторождения и выбрать наиболее экономически выгодную технологию переработки ПГ и утилизации ПНГ, реализация которой возможна на данном месторождении. Для ее создания использован язык объектно-ориентированного программирования Эе1рЫ.
ЭС представляет пять блоков, каждый из которых выполняет определенную функцию. Это - БД месторождений, БД технологических процессов, БД электроустановок, модуль расчёта выхода продукта (метанол, синтетические жидкие углеводороды (СЖУ), электроэнергия), модуль расчёта штрафных выплат за загрязнение атмосферного воздуха. Взаимодействие с ними осуществляется при помощи общего управляющего модуля ЭС с единым интерфейсом, представляющим собой поле для ввода и вывода информации (рис. 1).
Рис. 1. Интерфейс экспертной системы: 1 - панель базы данных по месторождениям;
2 - панель базы данных по процессам химической переработки;
3 - панель базы данных по электроустановкам; 4, 5 - области вывода результатов расчётов конечных продуктов для процессов химической переработки углеводородного сырья; 6 - область вывода
результатов расчетов по электроустановкам;
7 - панель для расчетов штрафных выплат за загрязнение атмосферного воздуха
Данное построение клиентской части облегчает работу с большим количеством связанных друг с другом настроек и позволяет упростить навигацию по ЭС, при этом существенно повышается скорость манипуляции и подбора различных переменных процесса. Интуитивно понятный интерфейс ЭС помогает пользователю, даже не знакомому с моделированием химико-технологических процессов, получить качественные и количественные оценки полезности месторождения на основе небольшого объёма исходных данных.
Рассмотрим каждый из блоков ЭС более подробно.
Начальные данные для расчета ЭС получает из БД по месторождениям, в которой собрана информация о составе газа на различных месторождениях, его расходе и ряде технических параметров [1].
Параметры добываемого газа проверяются на соответствие к использованию в конкретной технологии переработки в следующем блоке модуля (БД процессов). Например, для процесса получения СЖУ газо-химической переработкой ПГ или ПНГ, так называемого процесса GTL (Gas to liquids), объединяющего под общим названием такие существующие технологии переработки, как: прямая конверсия природного газа, непрямая конверсия через синтез-газ и синтез метанола из синтез-газа, расход газа не может быть меньше 50 млн. м3 в год, иначе цена продуктов переработки будет неоправданно высокой. Другой пример: пригодность углеводородного сырья для газо-химической переработки в метанол накладывает ряд требований на содержание в газе азота и диоксида углерода.
В состав ЭС входит БД по процессам газо-химической переработки ПНГ, включающая также характеристики процессов в зависимости от использования катализаторов различных типов (производительность катализатора, объёмная скорость, размер гранул, температура, давление) [2-4]. Систематизация данной информации, а так же экспертных оценок о процессах, позволяют быстро вычислять количество получаемой продукции.
Учитывая энергоемкость процесса нефтедобычи и удаленность нефтяных месторождений от энергосетей выработка электроэнергии непосредственно на промысле, используя ПНГ в качестве топлива, является привлекательным решением проблем энергообеспечения. В настоящее время большинство компаний, ведущих добычу в Западной Сибири, реализуют программы по размещению на промыслах газотурбинных электростанций (ГТЭС) [5, 6]. В связи с этим в ЭС включён блок расчета электрогенерирующего оборудования. Он состоит из БД по установкам и инструмента расчета количества требуемых устройств заданного типа. Блок включает раздел, который рассчитывает некоторые свойства газа месторождения, такие как метановое число газа, удельная теплота сгорания газа, плотность газа и т.д.
Модуль расчета выхода продукта (метанол, СЖУ, электричество) позволяет количественно оценить варианты технологического использования добываемого углеводородного сырья данного месторождения. Например, для процесса синтеза Фишера-Тропша, используемого для получения СЖУ, после анализа информации, поступившей из БД по месторождениям, на соответствие качества газа данному технологическому процессу в случае наличия такого соответствия этот модуль позволяет рассчитать: коэффициент СЖУ (характеризует состав газа), общую массу получаемых СЖУ, выход продукта по фракциям для конкретных режимов и себестоимость продукции. Одним из процессов газо-химической переработки ПНГ, расчет которого реализован в данном модуле ЭС, является синтез метанола. В ходе работы над ЭС проведен дополнительный анализ и моделирование данного процесса. Результаты проверки удовлетворили требованиям, предъявляемым к расчетам для программ данного уровня.
Следующий блок ЭС служит для расчета штрафных выплат за загрязнение атмосферного воздуха. Он предоставляет возможность оценить финансовые потери за нанесённый экологический ущерб: рассчитать как общую сумму выплат, так и сумму штрафа за каждый загрязняющий атмосферу компонент отдельно [7]. Данный элемент системы составлялся на основе законодательных актов 2008-2009 гг. Сейчас, при явном внимании со стороны прави-
тельства РФ, требования законов ужесточаются, поэтому учёт оценок сумм штрафов за факельное сжигание газа в балансе предприятия станет просто необходимым.
Таким образом, разработанная экспертная система позволяет выбрать наиболее экономически эффективную технологию переработки углеводородного сырья, добываемого на данном месторождении, и оценить возможности строительства собственной энергоустанов-ки.Предлагаемая экспертная система опробована в инжиниринговой компании, специализирующейся на процессах получения метанола и СЖУ, оценена как полезная и получила рекомендации по дальнейшему развитию и применению.
Работа выполнена в рамках государственных контрактов № 16.740.11.0040 и № 11.519.11.4004.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мухаметшин В.Г., Миргородский В.Н., Левашова Л.Н. Типизация нефтяных месторождений по объемам попутного нефтяного газа // Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО-Югры : тр. 9-ой науч.-практ. конф. Ханты-Мансийск, 2005. С.62.
2. Сборник материалов Международной конференции «Утилизация попутного нефтяного газа в России» и V Международного форума «Топливно-энергетические ресурсы России - 2007», 2007. 157 с.
3. Музлова Г.А. От проблемы к возможностям: опыт утилизации попутного нефтяного газа ТНК-ВР // Нефтегазовая вертикаль, 2007. № 21. С.159.
4. Гуляев В.А., Сосновский В.В. Переработка нефтяного газа - одно из ключевых направлений деятельности ОАО «Сургутнефтегаз» // Нефтяное хозяйство, 2007. № 9. С.66.
5. Углеводородные и альтернативные топлива на основе природных газов / В.В. Русакова, А.Л. Лапидус, И.Ф. Крылов, В.Е. Емельянов. М: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006. 188 с.
6. Иоанесян П.К., Козлов А.В. Использование нефтяного газа и сырой нефти для энергоснабжения месторождений ОАО «РИТЭК» // Нефтяное хозяйство, 2007. №2. С.79.
7. Сборник правовых и нормативно-методических документов по взиманию платы за вредное воздействие на окружающую среду. М.: НИИ «Атмосфера», 2003. 198 с.
Кольцова Элеонора Моисеевна -
доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Информационные компьютерные технологии» Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева
Васецкий Алексей Михайлович -
старший преподаватель «Информационные компьютерные технологии» Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева
Игумнов Александр Владимирович -
инженер «Информационные компьютерные технологии» Российского химико-
технологического университета им. Д.И. Менделеева
Филиппова Елена Борисовна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные компьютерные технологии» Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева
Статья поступила в редакцию 3.02.12, принята к опубликованию 12.03.12
