МЕТОДИКА АДАПТИВНОГО ОЦІНЮВАННЯ ВИЩИХ ВУГЛЕВОДНЕВИХ КОМПОНЕНТ ПРИРОДНОГО ГАЗУ ЗІ СТАТИСТИЧНИМ РОЗШИРЕННЯМ ІНФОРМАЦІЙНОЇ БАЗИ. statya-Херсон-NN-New-2. Методика адаптивного оцінювання вищих вуглеводневих компонент природного газу зі статистичним розширенням інформаційної бази
 Скачать 259.5 Kb.
|
|
УДК 681.121 В.М Романів1, С.І. Мельничук2 1 Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ 2 Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ МЕТОДИКА АДАПТИВНОГО ОЦІНЮВАННЯ ВИЩИХ ВУГЛЕВОДНЕВИХ КОМПОНЕНТ ПРИРОДНОГО ГАЗУ ЗІ СТАТИСТИЧНИМ РОЗШИРЕННЯМ ІНФОРМАЦІЙНОЇ БАЗИ У статті запропонована методика оперативного оцінювання концентрацій вищих вуглеводневих компонентів природного газу, яка ґрунтується на селективному фрагментарному опрацюванню статистичних даних сумісно із методом медіанних центрів з подальшим розрахунком функцій степеневого полінома. Ключові слова: компонентний склад, медіанні центри, фрагмент, природний газ. Постановка проблеми Природний газ, який постачається споживачам має не постійний компонентний склад. Це обумовлено тим, що газ видобувається із різних родовищ, які відрізняються за вихідними умовами утворення суміші, а також в процесі транспортування його газопроводами та зберігання у підземних сховищах гази змішуються. В таких умовах зміна якісного складу впливає на енерговміст суміші газу і, як наслідок, на ефективність газо залежного виробництва, умови дотримання заданих параметрів технологічних процесів та якість кінцевого продукту. Оперативний контроль за компонентним складом природного газу є особливо важливим для великих металургійних, хімічних підприємств та підприємств із великим споживанням газу, що зумовлено необхідністю оптимізації технологічних схем та процесів, а також для проведення енергоаудиту та розроблення заходів з енергозбереження. При контролі компонентного складу природного газу на виробництвах найбільш актуальним є визначення концентрацій таких основних вуглеводневих компонент як метан, етан, пропан, бутан та пентан, що орієнтовно складають 98% газової суміші та вносять найбільшу вагу в її теплотворну здатність. В умовах ПАТ «Івано-Франківськгаз» аналіз якісних характеристик природного газу здійснюється шляхом відбору проб з подальшим визначенням на стаціонарному хроматографі кожні 10 діб. Вважається, що в період часу між вимірами теплотворна здатність природного газу суттєво не змінюється. Однак при експериментальному аналізі кожної доби компонентного складу газу, який проходить місцевими газопроводами встановлено, що має місце зміна компонентного складу і, як наслідок, теплотворна здатність газу коливається в межах до 160 ккал. Таким чином задача безперервного моніторингу компонентного складу природного газу є актуальним завданням в умовах зростання вартості енергоресурсів. Для визначення компонентного складу природного газу в режимі реального часу поряд із хроматографічними методами перспективним є застосування оптичних методів, які мають такі переваги відносно інших, як селективність, високу чутливість, точність. А газоаналізатори, побудовані на основі цих методів, прості в обслуговуванні, не мають розхідних матеріалів, мають відносно не високу вартість і можуть застосовуватись у вибухонебезпечних приміщеннях. Тому подальший розвиток існуючих оптичних методів для визначення компонент природного газу залишається актуальним питанням. Удосконалення оптичних методів та засобів, що базуються на цих методах, полягає у підвищенні швидкодії, чутливості та точності вимірювання концентрації компонент газових сумішей завдяки розробці нових підходів до вимірювальних схем оптичних каналів, застосування сучасної елементної бази та засобів опрацювання сигналів. Аналіз останніх досліджень і публікацій Визначення компонент природного газу оптичними методами було розглянуто в роботі [1]. Де запропоновано проводити вимірювання вуглеводневих компонент на основі волоконно-оптичних вимірювальних перетворювачів. Недоліком такої реалізації є складна функціональна залежність компенсації впливу навколишнього середовища на покази вимірювання компонент, що не дозволило суттєво підвищити точність вимірювання. Інший підхід для вимірювання багатокомпонентної суміші реалізовано в роботі [2] де запропоновано проводити одночасне вимірювання 6 складових природного газу із застосуванням оптико-абсорбційної спектроскопії та подальшої обробки результатів вимірювання із застосуванням методу найменших квадратів. Це дозволило авторам значно підвищити чутливість вимірювання до 0,003% від об’єму. Однак залишилось невирішеним питання підвищення точності та швидкодії. У роботах [3,4] запропоновано удосконалення одного із оптичних методів інфрачервоної (ІЧ) спектроскопії, яке полягає у застосуванні трикюветної схеми визначення основних горючих складових природного газу на основі використання кільцевидної кювети для визначення частки одного компонента у газовій суміші. Для оперативного вимірювання основних горючих компонент природного газу і розрахунку його теплотворної здатності, безпосередньо у трубопроводі, без попередньої підготовки проб у роботі [4] запропоновано вимірювати такі основні компоненти (СН4, С2Н6, С3Н8) на основі прямих вимірювань. З отриманих значень концентрацій основних компонентів за допомогою запропонованої методики розраховується сумарна концентрація С4Н10+ і енерговміст газової суміші. Такий підхід дозволяє підвищити точність визначення компонент їх швидкодію та селективність. Для реалізації запропонованого удосконалення розроблено методику визначення концентрації вищих вуглеводнів на підставі даних вимірювання основних вуглеводневих компонент природного газу [5,6]. Слід зазначити, що розроблена методика є громіздкою та порівняно складною для практичної реалізації, що зумовлює необхідність подальших наукових досліджень в цьому напрямку. Мета статті Метою статті є розробка методики для адаптивного оцінювання вуглеводневих компонент природного газу (бутану, пентану, гексану) на основі виміряних компонент (СН4, С2Н6, С3Н8) та попередньо одержаних статистичних даних аналізу компонентного складу хроматографічним методом. Виклад основного матеріалу Для підвищення достовірності визначення концентрації С4Н10+ було проведено, на протязі 2013-2014 років, аналіз паспортів на газ газопроводів, які проходять через Івано-Франківську область. Було встановлена кореляційна залежність між пропаном С3Н8 та бутанами, пентанами та гексанами в межах від 0,92 до 0,74. На ( рис.1) подано функціональну залежність між пропаном та бутанами, пентанами і гексаном побудована на основі статистичних даних одержаних на замірному вузлі ГРС Угринів.  Рис.1. Функціональні залежності між пропаном та бутанами, пентанами і гексаном Як можна побачити із рисунка 1 отримані дані характеризуються прийнятним кореляційними властивостями. Однак через значне розсіювання (дифузність) результатів спостережень та наявності точкових викидів робить застосування механізму апроксимації практично неможливим. В такій ситуації доцільно застосувати селективне фрагментарне опрацювання даних сумісно з методом медіанних центрів з подальшим розрахунком функцій степеневого полінома для отримання наближених значень вищих вуглеводневих компонент природного газу [7]. Запропонований підхід реалізується на основі статистичних даних, попередньо отриманих на основі експериментальних досліджень компонентного складу хроматографічним методом. Інформаційну структуру даних, яка необхідна для проведення обчислень можна подати у вигляді таблиці впорядкованих за зростанням (чи спаданням) концентрації пропану, див. табл.1. У поданій структурі передбачено порядковий номер (індекс) виміряних значень концентрацій пропану і відповідних концентрацій бутану, пентану та гексану у відсотках. Дані одержані із відповідної кількостіN паспортів на газ одержаних під час хроматографічного аналізу. Для випадків коли значення концентрації пропану, як основного компонента за яким буде проводитись оцінювання, співпадають розраховується середні значення для С4Н10, С5Н12 та С6Н14 відповідно. Для спрощення алгоритмічної реалізації індекс відповідної концентрації пропану використовується, як посилання на відповідний рядок запис даних, що будуть задіяні в обчисленнях. Для оцінювання проміжних значень вищих вуглеводневих компонентів на першому етапі проводиться вимірювання концентрації  на основі удосконаленого оптичного методу запропонованого у роботі [4].Таблиця 1. Структура масиву даних для отримання наближених значень вищих вуглеводневих компонент
На наступному етапі здійснюється вибір  -го рядка даних з найближчим значенням  , тобто  , після чого фіксується індекс цього рядка.Далі розраховують діапазон індексів селективного вікна даних масиву  , мінімальний розмір якого складає дев’ять рядків, для опрацювання за такими правилами: Перед проведенням розрахунків здійснюють попереднє опрацювання даних селективного вікна, яке передбачає розділення на послідовні фрагменти по три значення і  ,  ,  подальшим вибором медіанного послідовно для кожного з фрагментів. Результатом такої операції є масив індексів  , що використовуються як посилання на відповідні рядки інформаційної таблиці 1.В результаті, розрахунок наближеного значення  концентрації бутану здійснюється з використанням формул: ;   Аналогічним способом реалізується розрахунок відповідних концентрацій  пентану та  гексану. Доцільно зазначити, що використання операції вибору медіанного з групи трьох спостережень дозволяє уникнути впливу грубих похибок та промахів при незначних обчислювальних затратах у випадку програмної реалізації запропонованої методики.З метою перевірки ефективності запропонованої методики проведено ряд досліджень в ході яких реалізовано розрахунок проміжних параметрів концентрацій вищих вуглеводневих компонентів, фрагмент такого розрахунку для інформаційних даних, рис.2.а, отриманих за паспортами на газ замірного вузла ГРС Угринів подано нижче. Згідно запропонованої методики визначення значення для =0,33 реалізується на основі виділення найближчого =0,245, див. рис. 2б (точка з індексом 5), далі вибирають діапазон індексів селективного вікна даних масиву =1..9. Отриманий діапазон розділяють на фрагменти по три значення, після чого визначають для кожного з них медіанне значення, див. рис.2б.Результатом такої операції є масив індексів , що використовуються як посилання на відповідні рядки інформаційної таблиці 2, а саме  ,  ,  ,  ,  ,  .
 б) Рис.2. Фрагмент інформаційної таблиці даних замірного вузла ГРС Угринів а)таблиці для розрахунку наближеного значення . б) медіанні значення 1, 2, 3 послідовних фрагментів вікна даних Проведемо розрахунок наближеного значення концентрації бутану згідно наведених вище формул:  Точність визначення концентрації бутану для виміряного значення пропану 0,33 склала 1,3%. За результати ряду розрахунків оцінок концентрацій вищих вуглеводнів природного газу для 16 замірних ділянок, що проходять через Івано-Франківську область встановлено, що запропонований підхід дозволяє отримати похибку, що не перевищує для бутану - 2,4%, пентану - 2,7% та гексану - 5,8%. Висновки Для оперативного контролю компонентного складу природного газу запропоновано застосувати удосконалений оптичний метод, який полягає у безпосередньому вимірюванні частки метану, етану та пропану за допомогою інфрачервоної спектроскопії, а оцінку частки вищих вуглеводневих компонент С4Н10 здійснювати із використанням селективного фрагментарного опрацювання даних сумісно з методом медіанних центрів та з подальшим розрахунком степеневих функцій. Описаний підхід дозволяє підвищити точність визначення концентрацій бутану та пентану, однак потребує проведення додаткових досліджень щодо підвищення визначення концентрації гексану. Список літератури 1. Смішний С. М. Засіб вимірювального контролю концентрації газу на основі волоконно-оптичних вимірювальних перетворювачів: автореферат дис. на здобуття наук. ступеня канд.. техн. наук : 05.11.13 «Прилади і методи контролю та визначення складу речовин»/ Сергій Миколайович Смішний. – Вінниця, 2013. – 24 с. 2. Патент 2441219 Россия МПК (2006) G 01 № 21/31. Способ определения компонентного состава природного газа в реальном масштабе времени/ Киреев С. В., Шнырев С. Л., Подоляко Е. М., Симановский И. Г. –№ 2010130047/28;заявл. 19.07.2010 ; опубл. 27.01.2012, Бюл. № 3. 3. Романів В. М. Математична модель для визначення енерговмісту природного газу / В. М. Романів // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія приладобудування. – 2007. – Вип. 33. – С. 76-84. 4. Удосконалення оптичного методу контролю визначення енерговмісту природного газу /В. М. Романів // Науковий вісник Івано-Франківського національного університету нафти і газу. – 2013. - № 1(34). – С. 179-187. 5. Ващишак С. П. Сучасні підходи до створення інфрачервоних газоаналізаторів для аналізу природного газу / С. П. Ващишак, В. М. Романів, С. А. Чеховський // Нафтогазова енергетика. – 2007. - № 4(5). – С. 70-75. 6. Романів В.М., Мельничук С.І.. Цифрова система оцінювання енергетичних параметрів природного газу за поглинаючою здатністю ІЧ-випромінювання його компонентами // Сборник научных трудов SWorld.- Выпуск 3. Том 6.-Иваново:Маркоза АД.2013.-ЦИТ:313-1121.-С.87-97. 7. Тьюки Дж. Анализ результатов наблюдений. Разведочный анализ /Дж. Тьюки ; [пер. с англ. А. Ф. Кушнира, А. Л. Петросяна, Е. Л. Резникова ; под ред. В. Ф. Писаренко]. – М.: Мир, 1981. – 696 с. Рецензент: д-р техн.наук, проф. Середюк О.Є., Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ Автори: РОМАНІВ Василь Михайлович Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, доцент кафедри інформаційно-вимірювальної техніки. Роб.тел.-.(380) 342-72–71–56, факс.(380) 3422 4–21–39, ivt@nung.edu.ua. МЕЛЬНИЧУК Степан Іванович Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, кандидат технічних наук, доцент, професор кафедри коимп’ютерних технологій в системах управління та автоматики. Роб.тел.-.(380) 342-72–71–56, факс.(380) 3422 4–21–39,ivt@nung.edu.ua. Методика адаптивной оценки высших углеводородных компонент природного газа из статистическим расширением информационной базы В.М. Романив, С.И.Мельнычук В статье предложена методика оперативного оценивания концентраций высших углеводородных компонентов природного газа, основанная на селективной фрагментарной обработке статистических данных совместно с методом медианный центров с последующим расчетом функций степенного полинома. Ключевые слова: компонентный состав, медианные центры, фрагмент, природный газ. Adaptive metod of evaluation of higher hydrocarbon component of natural gas from the statistical expand the knowledge base V. M. Romaniv, S. I. Melnychuk In the article the technique of rapid assessment of higher concentrations of hydrocarbon components of natural gas, which is based on the selective processing of fragmentary statistics together with the median method centers followed a power calculation functions polynomial. Keywords: component composition, median centers fragment natural gas. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
