Olje og gass

Simulatorteknologi

Instituttet har siden midt på 1980-tallet arbeidet med utvikling og leveranser av simuleringsmodeller og simulatorteknologi for produksjonsanlegg i petroleumsindustrien. I Instituttets Petroleumssektor foregår denne virksomheten i avdeling Prosess og strømningsteknologi.
Kontakt

Sendstad, Olav

Faggruppeleder

 

Denne artikkelen beskriver de viktigste metoder og teknologier som IFE arbeider med for at det skal være mulig å bygge og bruke store prosessimulatorer.  Informasjon om de viktigste bruks-områdene for denne type simulatorer kan du lese i artikkelen om Prosessimulering. Instituttet samarbeider nært med Kongsberg Maritime (www.km.kongsberg.com) om prosessmodellering og simulatorteknologi. Teknologien som beskrives nedenfor, inngår i ASSETT, som er Kongsberg Maritimes kommersielle simuleringsverktøy.

Hva består en simulator av?
De viktigste beregningene i en simulator foregår i matematiske modeller. Prinsipper og lover fra fagfeltene fysikk, kjemi og mekanikk brukes til å formulere matematiske ligninger for det som skjer i prosessen. Ligningene oversettes så til ”datamaskinspråk” og kobles med matematiske løsningsmetoder. Da kan modellen brukes til å beregne hva som vil skje i prosessen fremover i tid.

En moderne simulator har også et interaktivt, grafisk brukergrensesnitt. Her kan brukeren bygge opp en totalsimulator ved å sette sammen modeller som velges fra et modellbibliotek. Brukeren lager en ”tegning” av totalprosessen, hvor modellene knyttes grafisk sammen til en prosessnettverk. For hver modell kan brukeren gi inngangsdata, og når simulatoren ”kjører”, kan man inspisere beregningsresultatene.

For at prosessen skal oppføre seg slik man ønsker, må den styres og reguleres av et kontroll-system. Dette kontrollsystemet kan simuleres sammen med prosessen, men det er også ganske vanlig at simulatoren kobles til et ekte kontrollsystem og blir styrt av dette. Dette er spesielt tilfelle for treningssimulatorer, samt når hensikten med simulatoren nettopp er å verifisere selve kontrollsystemet.

En objektorientert tankegang for modeller
Det prinsippet som IFE benytter for å lage en total simulator for et anlegg, kan kalles ”modifisert modulært, sekvensielt”. En modul er en modell av en utstyrskomponent eller en regulator i prosessen, for eksempel av en pumpe, og det finnes moduler for alle nødvendige utstyrstyper. Den samme modulen gjenbrukes for alle pumpene av samme type i et anlegg, men med ulike parametre og data. I objektorientert språk kan modulen kalles en klasse, og hver gang den gjenbrukes, har vi en ny klasse-instans. Styreprogrammet sørger for å beregne alle instansene i tur og orden, i en bestemt sekvens, som så gjentas så lenge simuleringen er i gang. En viktig modifikasjon av dette hovedprinsippet er bruken av en nettverksløser, som forklart senere.

Felles termodynamikk
Termodynamiske metoder for petroleumsprosessering dreier seg i hovedsak om å beregne hvilken virkning forandringer i trykk og temperatur har for materialegenskaper og faseoverganger (f.eks. kondensasjon av gass til væske). IFE har laget en termodynamikk-pakke som alle modellene i simulatoren benytter. Pakken inneholder både termodynamiske data og beregningsmetoder. Hver modell kan da lages da ganske uavhengig av de termodynamiske egenskaper til fluidene som strømmer i anlegget.

Nettverk av modellinstanser
Modellinstansene i simulatoren utgjør et nettverk hvor fluider kan strømme fra instans til instans. Trykkforandringer et sted i prosessen kan raskt forplante seg og påvirke strømningene andre steder i nettverket. For å kunne simulere dette fenomenet godt nok, må trykk og strømningsrater beregnes samtidig for alle modellinstansene. Dette gjøres av en nettverksløser. Nettverksløseren samler sammen informasjon fra alle instansene til et totalt ligningssett og løser dette. Før simuleringen starter, gjør nettverksløseren en analyse av nettverket og bestemmer en best mulig beregningsrekkefølge, slik at nettverket løses svært effektivt.

Feltsimulering
FeltsimulatorEt svært viktig forskningsfelt for Instituttet er utvikling av kunnskap og matematiske modeller av flerfasestrømning (en blanding av gasser, oljer, vann og kjemikalier) i rørledninger. Se den relaterte artikkelen om Flerfaseteknologi. Det er ofte behov for å simulere hva som skjer når slike rørledninger kobles inn på et prosessanlegg, eller når flere anlegg knyttes sammen med slike rørledninger. IFE har utviklet spesialiserte numeriske metoder og modelleringsteknikker, med en ny ”flerfase nettverksløser”, Muffin, for å løse store nettverk med en blanding av flerfaserør og prosesskomponenter.