Використання динамічного аналізу для зменшення ваги офшорних установок

Мінімізація ваги та габаритів обладнання зменшує встановлені витрати на офшорну переробну установку. Оскільки технічні характеристики обладнання повинні враховувати нестаціонарні режими роботи, офшорні інженерні підрядники застосовують динамічний аналіз для оцінки конструкції обладнання для початкового запуску, нормальної роботи, відключення, зупинки, перезапуску та змін у виробництві на всьому протязі. Знання, отримані в результаті динамічного аналізу, використовуються для мінімізації надмірного проектування, вивчення альтернативного обладнання з меншими розмірами та, врешті-решт, досягнення дизайну, який найбільш підходить для офшорного середовища.

Легше обладнання означає менші витрати

Джеффрі Фенг, Аваніш Аггарвал, Сураджіт Дасгупта, Хосс Шаріат - KBR

Обсяг і наголос динамічного аналізу змінюється в міру просування проекту. Щоб повністю оцінити ступінь знань, які можна отримати від динамічного аналізу, нижче наведені приклади попередніх офшорних установок, які охоплюють три основні програми: аналіз технологічної схеми, вибір матеріалів та детальний дизайн обладнання.

Аналіз технологічної схеми

Проект, як правило, починається з техніко-економічного обґрунтування, щоб розробити загальну технологічну схему. Мінімізація кількості обладнання на етапі техніко-економічного обґрунтування може покращити загальну матрицю витрат проекту, особливо для розробки полігону (матеріального поля), де додавання обладнання повинно бути мінімальним. Для розробки полевих територій динамічний аналіз перевіряє робочі межі існуючого обладнання, щоб визначити, чи можна його використовувати повторно.

Нещодавно розробник нафтового родовища планував модифікувати морську платформу, щоб врахувати зміни в пластових умовах та зв'язок нових потоків. Оригінальна платформа мала експортний газовий компресор із вхідним охолоджувачем, який також функціонував як рециркуляційний охолоджувач. В рамках розробки полевого поля слід було додати новий компресор. Однак розробник хотів зберегти існуючий теплообмінник як загальний охолоджувач для обох компресорів і попросив техніко-економічного обґрунтування цієї дещо незвичної конфігурації.

Додавання підсилювального компресора до існуючої системи стиснення.

Оскільки теплообмінник повинен був використовуватися як охолоджувач при нормальній роботі та як охолоджувач утилізації при запуску та вимкненні, був проведений динамічний аналіз, щоб повністю зрозуміти навантаження теплообмінника як для стаціонарного режиму, так і для перехідних операцій, і визначити, чи може існуючий теплообмінник прийняти передбачуване навантаження для всього спектра операцій з новим компресором.

Для забезпечення точності динамічного аналізу спочатку була побудована імітаційна модель для існуючої установки і затверджена на основі стаціонарних робочих даних для забезпечення точності кривих компресора, коефіцієнта тепловіддачі, потужності клапана та інших параметрів обладнання в моделі.

Після перевірки до моделі було додано новий компресорний блок та його лінію переробки. Потім на моделі виконали моделювання запуску.

Максимальне мито обмінника відбулось тоді, коли компресори працювали в утилізації повністю перед тим, як тиск нагнітання досяг тиску в експортному трубопроводі, тобто точка "D" на графіку нижче. Прогнозований витрата, температура та тиск, що відповідають максимальному навантаженню, були вилучені з імітаційної моделі та проведено детальний розрахунковий рейтинг для обмінника. Було зроблено висновок, що існуючий теплообмінник може задовольнити потреби в охолодженні обох компресорів, і новий теплообмінник не знадобиться.

Цей приклад показує, що динамічний аналіз може бути використаний на початку фази доцільності для розробки оптимального проекту з найменшим впливом на існуючий об'єкт. Як правило, такий тип аналізу проводиться для проектів забудови в Північному морі, де зацікавлені сторони розглядають економічно ефективний спосіб пристосувати нові умови водосховища після того, як об'єкти працюють протягом 10 років. Для нових проектів (нових полів) динамічний аналіз нечастий на початковому етапі техніко-економічного обґрунтування через відсутність даних.

Вибір матеріалу

Коли проект «зеленого поля» виходить за межі початкової фази техніко-економічного обґрунтування, інженерне дослідження, що виконується за фактом, зазвичай виконується підрядником-інженером з можливістю вибрати відповідний матеріал для будівництва з урахуванням таких факторів, як стійкість до корозії, вага, вартість тощо. системи охолодження та протипожежної води на морській платформі. Ці системи, як правило, мають труби великого діаметру, які проходять через цілі споруди. Для цих систем використання труб із армованого склопластиком (FRP) може значно заощадити вагу порівняно з металевими трубами. Однак надмірна динамічна сила може завдати шкоди FRP-трубам. Найбільш сильні динамічні сили зазвичай виникають під час запуску насоса та спрацювання насоса, коли відбувається швидка зміна тиску та швидкості рідини. Щоб забезпечити правильну специфікацію труб FRP, динамічний аналіз визначає максимальний та мінімальний тиск, максимальну швидкість та динамічні сили для кожного сегмента труби в системах.

Передбачуване мито обмінника для запуску. Точка A: Початковий стан, коли обидва компресора не працюють; Точка B: Компресори розігнали до мінімальної регулюючої швидкості; Точка С: Після того, як компресори досягли мінімальної швидкості, контролери компресора перейшли на автоматичний, який частково закрив циклічні клапани; Точка D: швидкість обертання компресора збільшувалася до тих пір, поки тиск нагнітання не досяг тиску в експортному трубопроводі, що запускало прямий потік через компресори; Точка E: компресори досягли нормальних робочих точок із повністю закритими рециркуляційними клапанами.

Нижче наведена схема системи морської води, що складається з декількох підйомних насосів, паралельних кількох теплообмінників і труб великого діаметру. Ця система мала значні зміни висоти, насоси розташовані нижче рівня моря, але частина обмінників знаходилася на верхній палубі верхньої частини. Ця велика різниця висот зробила цю систему сприйнятливою до сильного гідроудару, якщо спрацював один насос і поділ колони відбувся на підвищених місцях.

Морська система морської води.

Паралельні газові компресори з кількома теплообмінниками охолоджуючої води.

Для повної оцінки робочих характеристик системи було проведено моделювання запуску насоса, спрацювання та перезапуску. Також були протестовані різні конфігурації конструкції. На малюнку нижче показано, що перехідний тиск у напірному колекторі насоса можна зменшити, додавши 18 дюймів. (20-сантиметровий) обвідний трубопровід насоса зі скидним клапаном. З байпасною лінією максимальний та мінімальний тиски знаходились у межах допустимих меж, визначених постачальниками FRP, тому можна було використовувати труби FRP.

На цьому об'єкті використання FRP у системах охолодження та протипожежної води зменшило вагу трубопроводів більш ніж на 50%. Цей приклад заснований на недавньому проекті в морській Південно-Східній Азії та є типовим для нових глибоководних установок у всьому світі, де управління вагою стає більш важливим.

Детальний дизайн обладнання

Коли проект переходить до завершальної фази детального проектування, загальна технологічна схема та вибір обладнання будуть виправлені, але вага обладнання все ще може зростати. Часто розробники проекту вже встановили верхню межу ваги та габаритів верхньої частини борту, що викликає інженерного підрядника зменшити вагу та габарити обладнання, не обмежуючи безпеку та потужність об'єкта.

Однією з областей динамічного аналізу, що застосовується для зменшення ваги та габаритів обладнання, є великі кожухотрубні теплообмінники в системі стиснення газу. На наступній схемі наведено схематичне зображення типового офшорного споруди з поїздами розділення газ/масло/вода та поїздами стиснення газу. Показані кожухотрубні обмінники працюють з охолоджуючою водою низького тиску з боку оболонки, а технологічний газ високого тиску - зі сторони трубки.

У разі розриву трубки газ високого тиску буде виходити з розірваної трубки і створювати тиск у корпусі теплообмінника. Отже, оболонка цих теплообмінників у морі, як правило, призначена для миттєвого розриву трубки. Динамічний аналіз був використаний для проектування пристрою для зменшення перенапруги на теплообміннику. Такий аналіз особливо корисний у морському споруді, де газ у трубці, як правило, знаходиться під високим тиском, як показано в наступному прикладі теплообмінника на плавучій виробничій платформі:

Максимальний тиск газу в трубці 230 бар
Нормальний робочий тиск у корпусі 3 бар
Розрахунковий тиск 10 бар для трубопроводу охолоджуючої води, що прилягає до теплообмінника.

Зовнішній діаметр трубок дорівнює 1,9 см. Кожух обмінника має довжину 5 м (16 футів) і діаметр 1 м (3 фута). Обмінник типу DFU має горизонтальну перегородку. У оригінальній конструкції максимально допустимий робочий тиск оболонки становив 10 бар, а до захисної оболонки для захисту від надлишкового тиску були під’єднані три запобіжні клапани - один біля впускного патрубка води, один біля випускного патрубка води і один біля еліптичного кінець. Оскільки обмінник знаходився на нижній палубі платформи, для цієї конфігурації потрібно було три довгих 6-дюймових. (15-сантиметрові) рельєфні лінії для підключення теплообмінника до запобіжних клапанів і запобіжного колектора на верхній палубі.

Щоб мінімізувати трубопроводи для обмінника, було запропоновано дві альтернативи:

1. Сконструюйте оболонку до 153 бар, або дві третини максимального тиску в трубці. Для захисту оболонки теплообмінника не потрібно було б встановлювати будь-який запобіжний пристрій, але обмінник був би приблизно на 20% важче початкової конструкції.

2. Сконструюйте корпус до тиску вище 10 бар, але нижче 153 бар, і встановіть розривний диск для захисту оболонки. Для підвищення ефективності захисту від надлишкового тиску використовували дисковий диск замість запобіжного клапана, який повинен був встановлюватися безпосередньо на корпус.

Теплообмінник з розривним диском, встановленим на корпусі для захисту від надлишкового тиску.

Для другого варіанту був проведений динамічний аналіз для визначення проектного тиску в оболонці лише з одним диском розриву. На малюнку нижче показані результати моделювання, коли передбачалося, що розрив трубки відбувся поблизу сопла вхідної води (точка А). Максимальний тиск, який застосовувався до корпусу, становив близько 30 бар, а після обговорення з розробником проекту, проектний тиск на корпус було змінено до 20 бар. Суміжні трубопроводи охолоджуючої води також аналізували, щоб підтвердити, що зміна конфігурації рельєфу не створює проблем із надлишковим тиском у системі трубопроводів.

Збільшення розрахункового тиску корпусу з 10 до 20 барр усунуло дві довгі вертикальні труби з платформи і зменшило вагу пакету теплообмінника після врахування меншої кількості розривних дисків і запобіжних заголовків. Цей приклад заснований на глибоководному проекті в Північній Атлантиці і є типовим для морських переробних установок із закачуванням газу високого тиску.

На додаток до оптимізації ваги обмінника, динамічний аналіз також може мінімізувати надмірну конструкцію обладнання. Цей тип аналізу проводився для наземних установок, включаючи факельні та комунальні системи, але переваги від морських установок можуть бути ще більшими. Можливості для зменшення відбитків обладнання, як правило, більше на етапах детального проектування порівняно з попередніми етапами техніко-економічного забезпечення та інтерфейсу, і це стає стандартом для динамічного аналізу, який буде використовуватися в детальному проектуванні для офшорних проектів.

Перевірка моделі

Для забезпечення точності динамічного аналізу модель повинна бути перевірена як для стаціонарного стану, так і для перехідних операцій. Перевірка моделі на стаціонарному режимі гарантує, що в динамічній моделі використовуються точні дані обладнання, такі як коефіцієнти теплообміну теплообмінника та робочі криві компресора, що є важливим для аналізу видобутих територій, де умови роботи можуть змінюватися протягом багатьох років. Після перевірки моделі в стаціонарному режимі наступним кроком є перевірка моделі проти перехідних операцій, таких як запуск і вимкнення. Правильно побудована динамічна модель може відтворювати польові вимірювання в широкому діапазоні робочих умов. Як приклад, тиск нагнітання двоступеневого відцентрового компресора на існуючому морському об'єкті вимірювали під час запуску та порівнювали з прогнозом моделі.

Перевірка динамічної моделі для перехідних операцій.

Перехідні операції - це випадки управління конструкцією багатьох підрозділів обладнання в офшорних установках. Тільки за допомогою динамічного аналізу можна проаналізувати робочі умови в перехідних операціях і досягти відповідної конструкції з найменшою вагою та розмірами обладнання.

Примітка автора

У динамічному аналізі, представленому в цій статті, використовувалося першоосновне динамічне програмне забезпечення, включаючи Hysys від Aspen Technology та PIPENET від Sunrise System.

Подяка

Автори дякують членам Комітету публікацій KBR за їх технічний огляд та розуміння, а також багатьом особам у компанії, чий внесок у різні проекти динамічного моделювання став можливим.

Список літератури

Сімпсон, І. І., “Розрив трубки в заповнених рідиною теплообмінниках”, AIChE Loss Prevention Symposium, Volume 6, 1972, pp. 93 to 98.

Cassata, J. R., Feng, J., Dasgupta, S., and Samways, R., “Запобігання відмові від надмірного тиску на теплообмінниках”, Переробка вуглеводнів, листопад 1998 р., С. 123-130.

Cassata, J. R., Dasgupta, S., and Gandhi, S. L., “Моделювання динаміки рельєфу башти”, Переробка вуглеводнів, жовтень 1993 р., С. 71-76.

Пател, В., Фен, Дж., Дасгупта, С., та Крамер, Дж., “Використання динамічного моделювання при проектуванні етиленових установок”, Презентація на конференції виробників етилену, Весняна національна зустріч AIChE, 2008.

Патель, В., Фен, Дж., Дасгупта, С., Рамдосс, П. та Ву, Дж., “Застосування динамічного моделювання при проектуванні, експлуатації та усуненні несправностей компресорних систем”, представлене на 13-му симпозіумі з турбомашинобудування, 2007 рік.

Ву, Дж., Фен, Дж., Дасгупта, С., та Кіт, І., “Реалістичний підхід динамічного моделювання для підтримки роботи компресорів на заводі СПГ”, Журнал LNG, жовтень 2007, с. 27-30.