Блоки нефтяных аппаратов

Технологическую схему разрабатывают на основе данных по технологическим решениям, которые должны быть современными.

Разработка и проектирование технологической схемы процессов подготовки и переработки нефти и газа в настоящее время выполняются в программе Aspen HYSYS (Aspen One), являющейся стандартом по умолчанию для моделирования технологических схем.

В программе имеются модули, позволяющие выполнять технологических расчет оборудования с получением геометрических размеров.

Подробное описание программы приведено в работах [14], [15].

Кузнецов О.А. в работе [12] приводит схему для процессов нефти. Для процессов газа Кузнецов приводит аналогичную схему в работе [13]. Аналогичные схемы строятся для процессов, осуществляемых в блочном аппарате.

Как правило, на схеме можно выделить блоки с завершенной технологической операцией. Аппарат в блочном исполнении компонуется в соответствии с блоком на технологической схеме. Аппарат является главной частью блока, в который добавляется вспомогательные аппараты и оборудование, технологические трубопроводы, запорно-регулирующая и др. арматура.

Модульный принцип схем позволяет разрабатывать гибкие схемы. В решении проблемы разработки схемы определяется последовательность элементов на схеме (то есть преобразователей входной информации), применяются к каждому элементу математическая модель для решения преобразования информации в элементе, и последовательность соединения всех элементов. Для схем с системами разделения многокомпонентных смесей, теплообменных систем, элементы схемы могут быть соединены разными путями. Проблема состоит в нахождении оптимального пути соединения.

Выбор оборудования на схеме выполняется в начале её разработки. Определение на схеме типа аппарата определяет линейку оборудования, отличающихся размерами и технологической эффективностью. Кафаров указывает [11], что выбор оборудования является итерационной задачей.

По схеме, состоящей из нескольких технологических блоков, технолог выполняет расчеты баланса для каждого блока, а затем выполняет технологические расчеты оборудования. Завершающим этапом расчета аппаратуры является перенесение на схему материальных и тепловых потоков. Расположение аппаратов на схеме может не совпадать с фактическим расположением на установке вследствие того, что на схеме максимально детализировано показывается последовательность технологических операций для оценки взрыво- и пожароопасности объекта.

__

По результатам моделирования разрабатывается схема PI&D процесса (монтажно-соединительная схема по терминологии российских стандартов СПДС и ЕСКД).

Технологическая схема может являться строительной документацией с шифром ТХ. Схемы с машиностроительным шифром по ЕСКД как правило не выпускают, так как со схемами работают специалисты в области строительного профиля.

На основании технологической схемы в последующем будет разрабатываться монтажная компоновка, то есть пространственная компоновка блока с оборудованием. Схема используется для облегчения чтения монтажных чертежей.

Аппаратам и трубопроводам на схеме присваивают нумерацию, принятую на проекте. Штуцера на чертежах аппаратов должны иметь номера, совпадающие с технологической документацией.

__

Инженер-технолог после разработки технологической схемы разрабатывает задания на дальнейшее проектирование блока (последовательность работ для общего случая):

а) задание на разработку систем автоматизации процесса.

Здесь технологом выбирается схема регулирования параметров процесса (температуры, давления и др.), интервал регулирования, определяются блокировки, сигнализации и др. На схеме указываются координаты точек для контроля / регулирования параметров технологических процессов.

б) задание на монтажную компоновку

технолог передает монтажнику перечень оборудования с указанием высотных отметок расположения штуцеров на аппарате, высотные отметки размещения оборудования, размеры оборудования и трубопроводов, перечень арматуры и приборов. Технолог указывает категорию объекта по взрыво- и пожароопасности.

в) задание на электроснабжение

технолог передает электрикам сведения:

– характеристики среды,

– характеристики помещений/мест установки,

– надежность электрооборудования и др. сведения;

перечень электротехнического оборудования, например, электродвигателей приводов насосов или мешалок, маркировку взрывозащиты.

Электрик на основании перечисленных данных подбирает электрооборудование, разрабатывает электрические схемы.

г) задание на теплоснабжение

указывается оборудование, потребляющее тепло, расход и параметры теплоносителей, оборотные теплоносители, загрязнения в теплоносителях и др. сведения.

д) задание на отопление и вентиляцию ( только для помещений)

– необходимость отопления,

– вредные выбросы из оборудования

е) задание на водоснабжение канализацию

для проектирования водоснабжения и канализации:

– приводится расход потребляемой горячей и холодной воды,

– расход стоков,

– оборотные системы водоснабжения.

ж) задание на молниезащиту

з) задание на расчет энергопотенциалов

энергопотенциалы рассчитываются для определения последствий разрушения объекта, например, при взрыве.

и) задание на нестандартное оборудование

технолог указывает высотное расположение штуцеров аппарата, монтажник указывает уголовое расположение штуцеров на виде сверху

к) задание на теплоизоляцию

л) задание на санитарные мероприятия

м) задание на разработку металлоконструкции рамы блока

раму блока и металлоконструкции площадок обслуживания, лестниц, ограждений может разрабатывать как строительный отдел так и отдел нестандартного оборудования.

__

После выполнения всех заданий производится запрос технико-коммерческих предложений на изготовление комплектующих блока.

После получения стоимости комплектующих оценивается стоимость работ по изготовлению блока.

Окончательным результатом является себестоимость блока аппарата, на основании которой возможно участие в тендере на поставку.

Проектирование нестандартного оборудования

Технологический расчет

По результатам расчета параметров аппаратов на технологической схеме выполняется технологический расчет аппарата, целью которого является определение геометрических размеров и конфигурации аппарата и уточнение технологических характеристик.

В программах расчета технологических схем существуют отдельные модули для технологического расчета некоторых видов оборудования, например, кожехотрубных теплообменников. В этих модулях вводится геометрия аппарата и выполняется технологический расчет. Результатом технологического расчета является эскиз или 3D-модель для дальнейшего проектирования.

Лучшим способом является по результатам расчета технологической схемы построение 3D-модели аппарата и выполнение междисциплинарного технологического расчета аппарата, например, сепаратора, численным методом (метод конечных объемов и др.).

То есть наилучший результат даст использование результатов расчета по критериальной методике и последующем расчетом численным методом в компьютерной программе.

Расчет методом конечных объемов можно отнести к имитационному моделированию.

Кроме того, при помощи численных методов можно сделать цифровой двойник проектируемого аппарата.

Сравнивая критериальные методики [33], [39], [40] и численное решение методами вычислительной гидродинамики, приведем цитату из работы академика, нобелевского лауреата Ландау [20,с.12]: «… замечания о характере изложения гидродинамики … гидродинамику как часть теоретической физики… чтобы создать по возможности более ясную картину явлений и их взаимоотношений. … мы не излагаем в ней как приближенных методов гидродинамических расчетов, так и тех из эмпирических теорий, которые не имеют более глубокого физического обоснования».

Расчет можно разделить на три этапа:

1) расчет аппарата на технологической схеме

2) технологический расчет аппарата в специальном модуле или в отдельной специальной программе по критериальным методикам с учетом опытных коэффициентов и других данных,

3) расчет методом вычислительной гидродинамики аппарата по данным, полученным из расчета по критериальной методике.

4) построение 3D-модели, внесение корректировок, уточнение расчетом и «заморозка» конструкции для выполнения чертежных и других работ.

Качество обеспечится тем, что каждый этап является исходными данными для последующего этапа. При этом каждый этап должен считаться логически законченной частью общей последовательности и результаты перед передачей на следующий этап должны быть тщательно проверены и «заморожены».

Проектирование и прочностной расчет

Проектирование

Для изготовления и проектирования аппаратов может используется ЕСКД, в которой работают машиностроительные заводы. Проектные институты выпускают строительную документацию по СПДС.

Сейчас нормы, касающиеся безопасности, обязательны к исполнению, а оформление является рекомендуемым для возможности разработки глубоко проработанной документации.

Покажем различие в оформлении документации на нестандартный нефтяной аппарат (аппарат колонного или емкостного типа, теплообменный аппарат и др.) по СПДС и по ЕСКД:

Как видно из таблицы, в случае ЕСКД и СПДС технические действия по разработке конструкции полностью совпадают, но входят в разные стадии по двум системам документации. В случае оформления по СПДС, эскиз прикладывается к папке документов. Общим результатом является необходимость разработки РКД по ЕСКД, с которой работают машиностроительные заводы. Оформление технического проекта на аппараты (колонны, емкости, сепараторы и др.) выполняются по ЕСКД с включением отдельных норм из СПДС, например, изменения обозначаются Rev. (ревизией) так как технические проекты выполняются в проектных институтах профиля промышленного строительства.

__

Выполнение документации на современном уровне осуществляется сквозным проектированием с построения 3D-модели и оформления на основе графических изображений с модели чертежей.

Проектирование осуществляется в одном программном пакете, являющимся стандартом по-умолчанию. Необходимо, чтобы этот пакет имелся в проектной строительной организации (разработавшей индивидуальное оборудование под свой проект) и на машиностроительном заводе, на котором будет изготавливаться блок.

Стандартом по умолчанию для проектирования является пакет CATIA так как является наиболее «сильным» пакетом, имеет широкую известность и его знает достаточное количество специалистов.

В случае применения в проектной организации и на машиностроительном заводе разных 3D-программ, данные передаются в форме чертежа и в виде формата, пригодного для обмена, т.е. в котором сохраняют в проектной организации и который могут прочесть на заводе.

В дальнейшем на заводе в соответствии с принятыми производственными процессами производится сквозное проектирование, то есть выполнение деталировочных чертежей по 3D-модели.

По чертежам строится дерево объекта в пакете PLM, в котором разрабатывают технологические процессы на изготовление инженеры технологических подразделений заводы (технологи, сварщики, металлурги и др.).

Прочностной расчет

Для аппарата должен быть выполнен междисциплинарный прочностной расчет, учитывающий температурные нагрузки на стенку сосуда. Виды нагрузок приведены в работе [38].

Расчет аппаратов может быть выполнен по нормативной методике в специализированной программе или в компьютерном пакете методом конечных элементов.

В работе Ефанова К.В. [1] показано о преимуществе выполнения расчетов методом конечных элементов по сравнению с нормативной методикой. В списке литературы этой монографии приведены ссылки на пример расчета сложных тяжелых аппаратов численными методами. Проблемы теоретического основания нормативной методики кратко рассмотрены Ефановым К.В. в работе [2]. Расчет динамических узлов на примере механических мешалок приведен в работе [3].

Программа для расчета методом конечных элементов должна иметь сертификат на право применения и должна являться стандартом по умолчанию для выполнения прочностных расчетов.

Такой программой является ANSYS.

Расчет по нормам, возможно, является устаревшим для нового времени.

Инженер, выполняющий прочностной расчет, должен иметь высокую квалификацию в области теорий упругости, оболочек, вычислительной математики и др. областей. Подход, при котором инженеры низкой квалификации выполняют прочностные расчеты, потом делают чертежи обеспечивается применением автоматизированного расчета по нормативной методике и не подходит для сложного статического оборудования или принятия нестандартных решений.

Монтажно-компоновочное проектирование

Трассировка технологических трубопроводов

Трассировка трубопровода выполняется после размещения технологического оборудования, с учетом норм на технологические трубопроводы, например, наличие уклонов, дренажа, воздушников, компенсаторов деформаций и др. элементов.

Трубопровод является металлоконструкцией, в которой деформации и удлинения происходят по оси труб. Основная проблема трассировки состоит в распределении, восприятии и компенсации усилий, вывязываемых температурными деформациями труб.

Трассу трубопровода делят на температурные блоки, внутри которых принимают конструктивные решения для компенсации деформаций. Компенсацию выполняют за счет самокомпенсации при определенной конфигурации трассы и за счет установки компенсаторов деформаций.

Длины прямых участков трубопровода назначаются по усилиям на опоры для участков с самокомпенсацией и по компенсирующей способности компенсаторов для участков с установленными компенсаторами.

Для самокомпенсации используют участки поворотов трассы трубопровода. На участки поворота устанавливают концевые опоры как правило. В зоне врезок (пересечения) труб в основную трубу, для врезаемого участка устанавливают отдельную опору, воспринимающую нагрузку по его трассе для исключения передачи этой нагрузки на трассу основного трубопровода.

При балочной прокладке, когда трубы объединяются в пучок, длина пролета может быть определена несущей способностью пролета трубы с максимальным диаметром. Основным условием для балочной прокладки труб является их свободное совместное температурное удлинение. Могут быть применены специальные пролетные балки фасонного профиля или применены этажерки или другие пролетные сооружения.

Нагрузки от трубопровода на штуцера аппаратов не должны превышать допустимых нагрузок, указанных в таблице штуцеров на сборочной чертеже (или чертеже общего вида) аппарата.

Внешние нагрузки воспринимаются трубопроводом за счет правильного расположения опор и выбора их конструкции.

Для максимального восприятия температурных деформаций, металлоконструкция трубопровода блока должна иметь минимальную жесткость. Для этого в трассу вводятся гибкие или подвижные элементы, снижающие жесткость за счет изгиба или поворота.