CC BY
9
УДК 622.276.05/.765.063
Приходько Анастасiя Свгешвна, студентка; тел.+380636179831, e-mail: [email protected] Нацюнальний технiчний ушверситет Укра!ни «Кшвський полiтехнiчний шститут», м. Ки1в, Укра!на.
Проспект Перемоги, 37, м. КиИв, Украина, 03056
Чернявський Анатолш Володимирович, канд. техн. наук, доц., доцент кафедри електропостачання. тел. +380509813908, e-mail: canatoliy@ mail.ru (orcid.org/0000-0003-2858-8224j
Нацiональний технiчний унiверситет Укра!ни «Кшвський полггехтчний шститут», м. Kui'e, Украина. Вул. Борщагiвська 115, м. КиИв, Украина, 03056
ВПЛИВ УЛЬТРАЗВУКУ НА ККД ФЛОТАЦ1ЙНОГО ПРИСТРОЮ
В дант роботi був доведений позитивний вплив ультразвуку на ККД (коефщент корисноИ dii) компактного флотацтного пристрою, використовуючи метод головних компонент в якостi методу оцтки. Було побудовано двi модeлi передбачення ККД флотацтного пристрою за методом проекци на латентт структури для набору eкспeримeнтiв з- та без впливу ультразвуку на процес флотацИ, обидвi з яких дали похибку в допустимих дiапазонах.
Ключов1 слова: сепаращя нафти, флотацтний пристрт, хемометрика, метод головних компонент, ультразвук.
Приходько Анастасия Евгеньевна, студентка, тел.+380636179831, e-mail: [email protected] Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» г. Киев, Украина.
Проспект Победы, 37, г. Киев, Украина, 03056
Чернявский Анатолий Владимирович, канд. техн. наук, доц., преподаватель кафедры электроснабжения. тел. +380509813908, е-mail: [email protected] (orcid.org/0000-0003-2858-8224
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина. Ул. Борщаговская 115, г. Киев, Украина. 03056
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА КПД ФЛОТАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА
В данной работе было доказано положительное влияние ультразвука на КПД (коэффициент полезного действия) компактного флотационного устройства, используя метод главных компонент в качестве метода оценки. Было построено две модели предсказания КПД флотационного устройства по методу проекции на латентные структуры для набора экспериментов с- и без воздействия ультразвука на процесс флотации, обе из которых дали погрешность в допустимых диапазонах.
Ключевые слова: сепарация нефти, флотационное устройство, метод главных компонент, ультразвук.
Prykhodko Anastasiia Yevgenevna, student, phone +380636179831, e-mail: [email protected]
National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute" Kyiv, Ukraine. 37, Prospect Peremohy, Kyiv,
Ukraine, 03056
Cherniavskyy Anatolii Volodymyrovych, сяМ. sc. (eng.), аssoc. prof., senior lecturer. Tel. +380509813908. E-mail: canatoliy@ mail.ru (orcid.org/0000-0003-2858-8224j
National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kiev, Ukraine. Borschagivska, 115, Kyiv, Ukraine, 03056.
THE EFFECT OF APPLYNG OF ULTRASOUND TO THE COMPACT FLOTATION UNIT
The effect of usage of ultrasound together with compact flotation unit is studied in this paper. The principal component analysis is used as a tool for studying the possibility of increasing of cleaning efficiency of compact flotation unit. From the partial least squared regression model may be done the decision that the usage of ultrasound leads to increase of cleaning efficiency of compact flotation unit. The models for prediction the cleaning efficiency of compact flotation unit give results with error within acceptable ranges.
Key words: water treatment, flotation unit, principal component analysis, ultrasound.
Вступ
Видобуток нафти i газу безперервно збшьшуеться з року в рш. Об'еми пластово! води також збшьшуються як побiчний ефект видобутку нафти. Складовi пластово! води е основним джерелом забруднення в нафтовш i газовш промисловосп, i вони е одним з важливих напрямюв для вивчення сьогодш. Утворення вiдходiв повинне бути зведене до мшмуму. Кшька технологш були винайдеш для зниження концентрацп нафти в пластовш
водi [1-12]. Компактний флотацшний пристрш (КФП) е однieю з технологiй отримання чисто! пластово! води за допомогою явища флотацп [1].
Для контролю та управлшня КФП в нашi дш використовуеться величезна кiлькiсть рiзних титв датчикiв (тиску, потоку, щiльностi, температури, датчики Корюлюа). Метою роботи було вивчити можливють пiдвищення ККД (коефщенту корисно! дп) КФП за допомогою використання додатково ультразвуку. В якосп iнструменту для онлайн-монiторингу процесу в КФП використовувалась хемометрика.
По-перше, хемометрика була використана як шструмент для мониторингу процесiв в КФП i онлайн оцiнки ефективностi очищення КФП при звичному режимi роботи. Шсля альтернативний сценарiй iз застосуванням додатково ультразвуку був також використаний для досягнення пе! ж мети. Результати були порiвнянi i було знайдене оптимальне ршення серед досшджених.
Кожна альтернативна модель була вiдкалiбрована на основi дизайну випадкових чисел (один набiр налаштувань для обох варiантiв), яка включала всю шкалу експлуатацшних умов, щоб зробити результат бшьш узагальненим.
Набiр налаштувань складався з рiзних комбiнацiй налаштувань наступних параметрiв:
• потiк води з домшками на входi;
• потш газу на входi;
• потш вiдхилення.
Данi вiд кожного з експерименпв були проаналiзованi з використанням методу головних компонент (РСА), методу проекцп на латентнi структури (РЬБ-Я) i проаналiзовано за допомогою методу сегментно! перехресно! перевiрки. Оцiнка моделi передбачення ККД очищення була зроблена за допомогою середньоквадратично! похибки КМБЕР, коефiцiента кореляцп, нахилу «лшп мети», i векторiв навантаження.
Матер1али та методи
Об'ектом дослщження е компактний флотацшний пристрш: вертикальний флотацшний пристрш для вщдшення нафти вщ води з використанням флотацшного газу. Флотацшний пристрш мае менший розмiр та менший час дп в порiвняннi з iншими традицiйними флотацiйними пристроями.
1. Аналiз даних
Хемометрика була використана в якосп шструменту для мошторингу потоку вiдхилення разом з датчиком Корюлюа. Даний метод мае декшька переваг [11]:
• прогнози в реальному чаа;
• емтрична модель.
Недолiком хемометрiки е те, що вона потребуе додаткових даних для побудови рiвняння регресп. Метод проекцп на латентш структури був використаний для передбачення концентрацп нафти в потоку вщхилення.
Метод головних компонент (РСА)
Метод головних компонент (РСА) - це статистичний метод, що використовуе ортогональш трансформацп для перетворення набору даних змшних, що е можливо кореляцшними, в набiр значень лшшно незалежних змiнних, що звуться головними компонентами. Головна мета методу головних компонент - знайдення «приховано!» шформацп з даних [2].
Метод головних компонент базуеться на векторному розкладанш ковариацшно! матрицi змшних в наборi даних. Для матриц даних Х з т рядюв зразкiв i п стовпцiв змшних, ковариащйна матриця X визначаеться як
(1)
Результатом процедури розкладання матрицi Х на головнi компонента е так зваш вектори рахунюв та навантажень
Х=Нрх + 12Р2Т +Ьр/ +... 4ркТ +Е (2)
Тут ti - вектора рахунюв,
pi - вектор навантажень,
Е - це залишкова матриця.
Вектори рахунюв та навантаження мютять шформащю про те, як зрази i 3míhhí, вщповщно, пов'язанi один з одним. Напрямок першо! головно! компоненти (ti, pi) це лiнiя на площинi змшних, яка найкраще описуе змiни в матриц даних X. Напрямок друго! основно! компоненти задаеться лiнiею, яка краще описуе змiни не описаш вiд першо! головно! компоненти i так даль Таким чином, оригшальний набiр даних може бути адекватно описаний використовуючи декiлька ортогональних головних компонент замють вихiдних змiнних, без ютотних втрат шформацп. При побудовi графiкiв залежностей даних головних компонент один проти одного, можна легко виявити вщносини мiж зразками.
Метод проекцп на латентш структури (PLS)
Регреая використовуеться, щоб побудувати моделi для виявлення кiлькiсних вiдносин мiж двома групами змiнних (знаходження даних з матрищ Х, яю мають вiдношення до вихiдного вектора у). Регресшна модель може потiм бути використана для прогнозування властивостей нових зразюв.
В цьому дослiдженнi використовуеться метод проекцп на латентш структури (PLS). У РСА рахунки та навантажування - це вектори, яю найкраще описують дисперсiю в Х матрищ. В PLS рахунки i навантаження (називаються латентними змшними) - це вектори, яю мають найвищий коварiацiю з вектором у. Розкладання вщбуваеться використовуючи регресiю мiж латентними змшними та мiж латентними змшними i вихщного вектора [4].
Для кожно! моделi визначаеться оптимальна кшьюсть латентних змiнних. Один зi способiв зробити це перехресна перевiрка. Перехресна перевiрка перевiряе модель, неодноразово приймаючи рiзнi пiдмножини зразкiв з стадп калiбрування, i замiсть використовуючи !х в якостi тимчасового тестового набору зразюв. Якщо оцiнки параметрiв моделi е стабiльними проти повторних змш пiдмножин, це вказуе на те, що модель надшна.
Всi даш в цьому дослiдженнi були проаналiзованi з використанням Unscrambler Х (CAMO ASA).
2. Модель тестового кола з компактним флотацiйним пристроем
Модель тестового кола з КФП е наступною (принципова схема тестового кола приведена на рис. i).
Хiмiкати та сшь спочатку додаються до води, щоб полегшити флотащю та зiмiтувати солену морську воду. Далi додаеться нафта в трубу з водою та багатофазна рщина поступае до флотацшно! установки. Флотацшний газ також додаеться для покращення сепараци. В пристрiй для дегазування подаеться рщина з флотацшного пристрою, а з цього пристрою вода та газ поступають до емностей, звщки вони подавалася спочатку, тим самим утворюючи коло.
Флотацшний пристрш може працювати з рiзними потоками рщини, максимальна з яких 6 м3/год. Вхщна рщина складаеться з пластово! води, нафти та азоту.
Потш вщхилення складаеться з нафти, води та флотацшного газу. Потш вщхилення вилучаеться з пристрою за допомогою труби зверху емносп.
3. Вплив ультразвуку на сепаращю води вщ нафти
Припустимо, що акустичш хвилi впливають на рщину та визивають коливання поверхш бульбашки, який при цьому мае форму багатогранниюв.
При цьому спостер^аеться ефект, який прийнято називати «огранюванням» [1]. Тобто, вiбруюча оболонка бульбашки приймае виразнi контури плоских граней, хоча в даний момент щ граш (вся бульбашка) здiйснюють коливання з певною частотою. Явище «огранювання» з'являеться при резонана спiвпадаючих частот коливань рiдини i власних коливань оболонки бульбашки. При цьому окремо взята грань бульбашки коливаеться вщ повного сферичного положення (2) до ув^нутого положення (3), проходячи при цьому промiжне положення (4), яке зазвичай називають резонансним. На рис. 2 показаний один з варiантiв майже кубiчноi форми. При цьому пом^но, що коливання оболонки бульбашки
змушують лшп струму рщини (3) скривлюватися (4) i наближатися до бульбашки, повторюючи змiни кривизни 11 оболонки. Це дозволяе осiдати на бульбашцi малим частинкам, яю ранiше (без застосування коливань - рис. 3) проходили повз бульбашки, огинаючи його разом з потенцшним потоком рщини.
Рис.1. Принципова схема тестового кола
Рис. 2 - Модель бульбашки тд дiею акустичних коливань:1 - частка нафти; 2 -поверхня бульбашки газу вщ дiею акустичних коливань; 3 - шлях потоку рiдини; 4 - поверхня бульбашки без впливу акустичних коливань [1]
Рис. 3- Модель бульбашки без впливу на не'1 акустичних коливань: 1, 2 -частки; 3 - шлях руху рщини; 4 - поверхня бульбашки [1]
4. Експериментальний дизайн
В експериментах ККД КФП був обраний в якост вихщно! величини. Набiр налаштувань для експериментсв був наступним (див. табл. 1):
- Величина потоку техшчно! води, що подаеться до установки (серед 2, 4,6 м3/год).
- Величина потоку флотацтного газу, що подаеться до установки (серед 5, 9, 12 % вщ величини потоку техшчно! води).
- Величина потоку вщхилення (серед 0,5%, 1, 1,5% вщ величини вхщного потоку техшчно! води вщповщно).
Послiдовнiсть налаштувань в ходi експериментiв була випадково обрана, щоб зменшити будь-яку форму систематизованого впливу на експеримент. Експериментальний дизайн робився для першого експерименту, та налаштування повторювались в точностi для другого.
Кожний запис зразюв проводився тшьки пiсля стабшзацп показникiв потоку, тиску.
Таблиця 1
Налаштування для експериментсв
Потш Потш Потш Потш Потш Потш
№ флот. рщини, вщхилення, № флот. рщини, вщхилення,
газу, % м3/год. % газу, % м3/год. %
Група 1 Група 4
1 5 2 0,5 24 12 6 1,5
3 5 2 1 22 12 6 0,5
5 9 2 1,5 20 9 6 0,5
7 12 2 1 Група 5
9 12 2 1,5 18 12 4 1,5
Група 2 16 9 4 1,5
11 5 4 1 14 9 4 0,5
13 5 4 1,5 12 5 4 1,5
15 9 4 1,5 10 5 4 0,5
17 12 4 0,5 Група 6
Група 3 8 12 2 1
19 6 12 2 6 12 2 0,5
21 4 9 2 4 9 2 0,5
23 2 5 2 2 5 2 0,5
25 12 6 1,5
Результати
Для визначення можливосп передбачення потоку вщхилення спочатку був використаний метод головних компонент, метою якого було визначення кореляцшних зв'язюв мiж показами датчиюв та впливом ультразвуку на процеси в КФП.
З рис. 4 та рис. 5 видно, що при однакових вхщних умовах для КФП, ККД пристрою з використанням ультразвуку (рис. 5, а) е бшьшим шж без використання (рис. 4, а). Крiм того, можна зазначити, що головна компонента 1 на рис 4 б) та 5 б) (з рис. 6 видно, що головними
змшними е сукупнють датчикiв тиску та датчиюв потоку) мае той самий тренд, що й ККД пристрою на рис. 4 а) та 5 а) вщповщно. Цей факт може свщчити про те, що ККД пристрою може бути визначена непрямим шляхом.
Концентр Э1ця, мкг/м
120
0 ____________________
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 2123 25 24 22 2018 16 14 12 10 8 б 4 2 №Ексл
б)
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 2123 25 24 22 2018 16 14 12 10 8 6 4 2 №Ексл.
Рис. 4. Модель без використання ультразвуку: а) графш залежност величин вщ часу: вхщна концентращя нафти (1), вихщна концентрацiя нафти (2), ККД установки (3); б) графш рахунюв принципово! компоненти 1 вщ часу
Далi були побудоваш моделi для передбачення концентрацп нафти в потощ вiдхилення. На рис. 7 показано, що в моделi без використання ультразвуку похибка передбачення дорiвнюе 3 (при дiапазонi значень 30-85), що е задовшьним результатом.
Для моделi з використанням ультразвуку похибка склала 2,8 ( при дiапазонi значень 20-68), що також свщчить про можливють передбачення концентрацп нафти в потоку вiдхилення з задовшьною точнiстю (рис. 8).
Рис. 5. Модель з використанням ультразвуку а) графш залежност величин вщ часу: вхщна концентращя нафти (1), вихщна концентрацiя нафти (2), ККД установки (3); б) Графш рахункiв принципово'1 компоненти 1 вiд часу
0.5
0,4
0,3
0.2
0.1
-0.1
-0.2
-5,3
таапдз
Датчик потоку Датчик щльносп Е1д\л.тення поток\; Еаппення ,
Ехр1а1пе<] Угтпсс
100 ' во
90 70
л! № |
| 45
20 10 0
РС-0 РС-1 РС-2 РС-З РС-4 РС-5 РС-Ь РС-ГР^а
Датчик тжку (евдного потоку]
■ Датчик плюсу (единого)
Датчик температуря
1 Датчик Датчик Сопоження
\тт1;:ку * , тиск* Датчик потоку клапан}7 насоса
фпот газу (е.о.) * *"
ш Датчик потоку
фпот газу
-0 3
-0.2
-0 1
РС-1 Г 5741
0,1
0,2
Рис. 6 - Графш навантажень. (В правому верхньому куп - графш загально'1 пояснено'1
дисперсп)
Х- and Y-Lftadings
fl.5
М
О.Э
92
£ fl.l i
0
n i
Я-ff.i ^
-ff.3
-м
-ff.5 -».E
as
7i 7t
f®
С
>
ъ tit | is чн к
JO
Ji
Датчик щшьноел Датчик потоку потоку вщхилення флот газу (в.о.} • Датчик температуря Датчик потоку Ещшення * - Датчик тиску Бзшдна концентр щш
Датчик тиску ф Датчпк потоку (кидного^
♦Датчик тиску Датчик тиску " Датчик тиску * Положения клапану насоса * Датчик тиску (кхщного потоку)
• Датчик потоку флот газу Датчик потоку флот газу (е.о.} *
■at
j з
■di
J.i a
Fittpr-i <я%. so*)
Predicted vs. RcfenKe
D.I
3 2
Sieve Offer! RMSE R-Smrt«
0,971136J I.64405U 0,9/11362
! Э17ШЗ и
H
J.3
0 4
Explained Variance
it
1DD 90 80 70 S60
г
£41 3«
10
0
FjKlor-0 F>ttsr-I Fiidfr-j ВД0Г-4
Udorj
?1 31 32 3t 15 3! ti С U t J! Si S? 5E H 61) 62 if 66 6i ?) "2 'fi 'S
fiiftftrtttYISOM FKlfcr-J)
12 SJ ti 61 90
Рис. 7. Модель за методом проекцп на латентш структури (без впливу ультразвуку) -Графш впливiв(вгорi) та графш залежносп прогнозованих вщ вимiряних величин (внизу)
Висновки
В данш роботi був доведений позитивний вплив ультразвуку на ККД компактного флотацшного пристрою. Було побудовано двi моделi за методом проекцп на латентш структури, обидвi з яких давали похибку в допустимих дiапазонах. Емтричним шляхом доведено, що ультразвук сприяе збiльшенню ККД флотацiйного пристрою.
Для подальшого вивчення впливу ультразвуку можуть бути дослiдженi рiзнi форми ультразвукових джерел, рiзнi варiанти розташування джерел вiдносно флотацiйного пристрою, дослщжена можливiсть попередньоi обробки рiдини ультразвуком.
Рис. 8. Модель за методом проекцп на латентш структури (з впливом ультразвуку). Графш впл^в(вгор^ та графш залежносп прогнозованих вiд вимiряних величин (внизу)
Перелш використаних джерел:
1. Белоокая Нина Витальевна. Интенсификация очистки нефтесодержащих сточных вод методом флотации с использованием виброакустического эффекта : 05.23.04.- Иркутск, 2003.- 133 с.: ил. РГБ ОД, 61 035/3044-5
2. Henry M. ,Tombs M., Zamora M. and Zhou F. (2013) "Coriolis mass flow metering for three-phase flow: A case study", Flow Measurement and Instrumentation.
3. Ifeachor E., Jervis B. (2002) "Digital signal processing—a practical approach. 2nd ed. England", United Kingdom: Pearson Education, P. 690-703.
4. "Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems", available at: http://www.elsevier.com/locate/chemolab
5. Available at: http://www.elsevier.com/locate/chemolab
6. "Virtual Computational Chemistry Laboratory", available at: http://www.vcclab.org/lab/pls/
7. Available at: http://www.elsevier.com/locate/flowmeasinst
8. Eriksson, L., Johansson E., Kettaneh-Wold N. and Wold S. (2001), "Multi- and megavariate data analysis: Principles and applications", Umea: Umetrics.
9. Wold S. , Sjostrom , M. Eriksson, L. (2001) "PLS-regression: a basic tool of chemometrics. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems ", Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems , vol. 58, P. 109-130.
10. Lundstedta T. , Seiferta E. (1998) "Experimental design and optimization", Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, vol. 42, issues 1-2, P. 3-40.
11. Kettaneha N., Berglundb A. ,Woldb S. (2005) "PCA and PLS with very large data sets", Computational Statistics & Data Analysis, vol. 48, issue 1, P. 69-85.
12. Tan C., Li P., Dai W. and Dong F. (2015) "Characterization of oil-water two-phase pipe flow with a combined conductivity/capacitance sensor and wavelet analysis", Chemical Engineering Science, vol. 24, P. 395-458.
Referenses:
1. Belokaya Nina Vitalevna. Intensification of cleaning of neftesoderzhaschikh sewages by the method of flotacii with the use of vibroacoustic effect [Intensifikatsiya ochistki neftesoderzhashshikh stochnykh wod metodom flotatsii s ispolzovaniem vibroakusticheskogo effekta] //: 05.23.04.- Irkutsk, 2003.- 133 с.: ил. RML ОД, 61 03-5/3044-5
2. Ifeachor E., Jervis B. (2002) "Digital signal processing—a practical approach. 2nd ed. England", United Kingdom: Pearson Education, P. 690-703.
3. "Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems", available at: http://www.elsevier.com/locate/chemolab
4. Available at: http://www.elsevier.com/locate/chemolab
5. "Virtual Computational Chemistry Laboratory", available at: http://www.vcclab.org/lab/pls/
6. Available at: http://www.elsevier.com/locate/flowmeasinst
7. Eriksson L. , Johansson E. , Kettaneh-Wold, N. and Wold S. (2001), "Multi- and megavariate data analysis: Principles and applications", Umea: Umetrics.
8. Wold S., Sjostrom M. , Eriksson L. (2001) "PLS-regression: a basic tool of chemometrics. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems ", Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems , vol. 58, P. 109-130.
9. Lundstedta T., Seiferta E. (1998) "Experimental design and optimization", Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, vol. 42, issues 1-2, P. 3-40.
10. Kettaneha N., Berglundb A. , Woldb S. (2005) "PCA and PLS with very large data sets", Computational Statistics & Data Analysis, vol. 48, issue 1, P. 69-85.
11. Henry M.,Tombs M., Zamora, M. and Zhou, F. (2013) "Coriolis mass flow metering for three-phase flow: A case study", Flow Measurement and Instrumentation.
12. Tan C. , Li P. , Dai, W. and Dong, F. (2015) "Characterization of oil-water two-phase pipe flow with a combined conductivity/capacitance sensor and wavelet analysis", Chemical Engineering Science, vol. 24, P. 395-458.
Поступила в редакцию 20.05 2015 г.
