СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ТРЕХПОЗИЦИОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ СЕПАРАТОРА
THREE POSITION CONTROL METHOD AND DEVICE OF LIQUID LEVEL IN SEPARATOR RESERVOIR

Изобретение относится к оборудованию для нефтедобывающей промышленности, а именно к установкам для измерения дебита нефтяных скважин с предварительным разделением газожидкостной смеси на газ и жидкость с помощью сепараторов.
В настоящее время для измерения дебита нефтяных скважин используется метод раздельного измерения расхода газа и жидкости (нефти). Для разделения газожидкостной смеси на газовую и жидкостную составляющие применяются сепарационные установки, которые должны обеспечить подачу жидкости на жидкостный расходомер, а газа - на газовый, не допуская попадания газа в жидкостную линию и наоборот. При этом сепараторы оснащаются автоматическими устройствами поддержания уровня жидкости в накопительной емкости в пределах определенного диапазона, не выходящего за габариты емкости.
Известен способ поддержания уровня жидкости в накопительной емкости сепаратора, заключающийся в формировании сигнала на включение насоса на откачку жидкости при достижении верхнего допустимого уровня и отключение его при достижении нижнего уровня [1]. Недостатком данного способа является относительно невысокая точность поддержания заданного уровня жидкости и необходимость постоянного периодического включения насоса, что снижает надежность установки.
Известен также способ регулирования уровня жидкости в накопительной емкости сепаратора, заключающийся в непрерывном одновременном регулировании проходных сечений жидкостного и газового трубопроводов при достижении определенного уровня жидкости [2]. Недостатком данного способа является необходимость постоянного регулирования положения заслонок, что снижает надежность установки.
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению является способ, использованный в комбинированном регуляторе уровня жидкости и давления для сепараторов двух фаз [3], предусматривающий одновременное регулирование проходных сечений жидкостного и газового трубопроводов с помощью клапанов, связанных с поплавковой системой. Недостатком данного способа является применение поплавковой системы, размещенной в накопительной емкости. При этом возможно засорение системы, что снижает надежность работы установки. Кроме того, жесткая связь элементов регулятора не позволяет подбирать оптимальные соотношения управляющих воздействий, что снижает точность регулирования уровня.
Целью изобретения является сокращение габаритных размеров установки и повышение статической и динамической точности регулирования уровня жидкости в накопительной емкости газожидкостного сепаратора, а также повышение надежности работы установки.
Цель достигается тем, что в указанной установке применен способ трехпозиционного регулирования уровня жидкости в емкости сепаратора, заключающийся в поддержании в определенном диапазоне уровня жидкости в накопительной емкости сепаратора за счет регулирования расхода жидкости в выходном трубопроводе путем закрывания заслонки при достижении нижнего уровня жидкости и открывания заслонки при достижении верхнего уровня жидкости, причем регулирование расхода жидкости на выходе производится с определенной скоростью, величина которой зависит от расхода жидкости, поступающей в сепаратор, определяемого по скорости изменения уровня в емкости и текущему расходу жидкости на выходе сепаратора. Кроме того, одновременно с регулированием расхода жидкости на выходе сепаратора осуществляется противонаправленное регулирование расхода в выходном газовом трубопроводе, то есть при открывании заслонки в жидкостном трубопроводе одновременно происходит закрывание заслонки в газовом трубопроводе и наоборот.
Для реализации данного способа предложен трехпозиционный регулятор уровня жидкости в емкости сепаратора, содержащий установленные в емкости два датчика верхнего и нижнего допустимого уровня жидкости, установленную в выходном жидкостном трубопроводе заслонку и измеритель расхода, устройство управления для открывания и закрывания заслонки, причем регулятор содержит отдельный датчик уровня, установленный в дно емкости, заслонка выполнена в виде регулируемой с электроприводом, причем датчики и электропривод заслонки соединены с устройством регулирования направления и скорости изменения положения заслонки, содержащим вычислительное устройство для определения расхода жидкости, поступающей в сепаратор, к которому подключен отдельный датчик уровня и измеритель выходного расхода жидкости. Кроме того, устройство содержит вторую заслонку, установленную в выходном газовом трубопроводе сепаратора, причем двигатель привода этой заслонки подключен к устройству переключения в противофазе с двигателем заслонки в жидкостном трубопроводе, а также в качестве датчиков верхнего и нижнего допустимого уровня жидкости применены датчики плотности.
Суть изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема измерительной установки для измерения дебита нефтяных скважин.
ж
ж
ж
ж
г
На фиг. 2 показан график изменения расхода Q на выходе накопительной емкости в зависимости от уровня жидкости в ней, 1 - для определенного диаметра d жидкостного трубопровода, 2 - при одновременном увеличении уровня H и диаметра d, 3 - при одновременном увеличении уровня жидкости Н, диаметра d и увеличении давления газа на столб жидкости при уменьшении сечения d газового трубопровода.
ж
На фиг. 3 показаны графики изменения уровня H (кривая 1) и сечения жидкостного трубопровода d (кривая 2) в процессе работы установки.
Суть способа регулирования уровня жидкости в измерительной установке с газожидкостным сепаратором (фиг. 1) поясняется графиками, представленными на фиг. 2.
0
1
2
1
2
0
ж
ж
При подаче газожидкостной смеси на вход сепаратора (фиг. 1) с определенным расходом Q=Q+Q (где Q - расход подаваемой жидкости и Q - расход подаваемого газа в составе расхода Q газожидкостной смеси) происходит их разделение и накопление жидкости в емкости. При определенном условном диаметре трубопровода d для отвода жидкости расход Q через него зависит от уровня H и определяется следующей формулой:
где µ - коэффициент местного сопротивления в трубопроводе.
ж
ж
1
ст1
При этом характер изменения Q, в зависимости ее от уровня H в емкости представлен кривой 1 на фиг. 2. Очевидно, что при определенном уровне H расход Q сравняется с Q. При этом наступит стабилизация уровня на значении Н.
ж
ж
ст2
ст2
ст1
ж
ж
2
Если при увеличении уровня жидкости H одновременно производить увеличение d за счет регулируемой заслонки, то изменение Q будет происходить более интенсивно, что приведет к достижению уровня стабилизации Н при меньшем его значении (Н<Н) и может быть представлен кривой 2 на фиг.1. Характер кривой изменится, так как Q уже будет зависеть не только от √H, но и от d  в соответствии с формулой 1.
ж
г
ж
ст3
ст2
ст1
Кроме того, если одновременно с увеличением диаметра жидкостного канала d производить еще и уменьшение диаметра газового канала d, то будет повышаться давление газа на поверхность жидкости в емкости, что в свою очередь еще больше увеличит расход жидкости Q. При этом достижение уровня стабилизации произойдет еще раньше (Н<Н<Н), а характер процесса может быть представлен кривой 3 фиг. 2.
ст
Как можно заметить, последовательность кривых 1, 2, 3 на фиг. 2 показывает, что рассмотренные изменения условий протекания процесса приводят к снижению значений уровня стабилизации H, что позволяет уменьшить высоту вертикальной накопительной емкости для сбора жидкости, то есть уменьшить ее габариты.
1
1
ст
ст3
ст2
ст1
Кроме того, как видно из графиков (фиг. 2), при колебаниях расхода жидкости на входе Q в диапазоне dQ происходит уменьшение колебаний уровня H (dH<dH<dH), что обеспечивает повышение статической и динамической точности регулирования уровня жидкости в газожидкостном сепараторе.
ст
в
н
1
ж
1
ж
в
н
ж
н
в
ж
Как показало математическое моделирование процесса, достижение уровня стабилизации H в определенном диапазоне между H и H зависит от расхода поступающей жидкости Q и скорости изменения сечения жидкостного трубопровода d. То есть при определенном расходе Q необходимо подобрать такую скорость изменения d, которая бы обеспечивала режим стабилизации уровня H в диапазоне между H и H. При неправильно подобранной скорости изменения d режим стабилизации в указанном диапазоне не происходит, а заслонка в жидкостном трубопроводе начинает работать в автоколебательном режиме при изменении уровня в емкости от H до H. Кроме того, при недостаточно малой скорости изменения d происходит большое перерегулирование уровня на границах диапазона, что может привести к попаданию газа в жидкостную линию или жидкости в газовую.
ж
н
в
ж
1
На фиг. 3 приведены динамические процессы изменения уровня H в емкости сепаратора во времени t (кривая 1), при соответствующем изменении сечения d в процессе работы заслонки (кривая 2). Как видно, при определенном положении заслонки наступает режим стабилизации уровня в диапазоне H-H. Для определения необходимой скорости изменения d производится определение расхода жидкости Q на входе в сепаратор по следующей формуле:
3
3
где Q - объем жидкости, прибывающей в емкости сепаратора, в единицу времени, м/с,
ж
3
Q - расход жидкости на выходе сепаратора, м/с.
3
Определение Q производится по зависимости:
где D - внутренний диаметр накопительной емкости, м,
ΔH - изменение уровня в емкости, м,
Δt - соответствующий временной интервал, с.
ж
1
Определение зависимости скорости изменения сечения d в функции от Q для обеспечения режима стабилизации уровня производится экспериментальным путем и используется в алгоритме управления.
Описание конструкции установки
Установка содержит сепаратор 1 с вертикальной накопительной емкостью 2 для сбора жидкости и имеет входной трубопровод 3 для подачи газожидкостной смеси (ГЖС), выходной газовый трубопровод 4, выходной жидкостной трубопровод 5. В емкости 2 расположены датчик уровня 8, датчики верхнего 6 и нижнего 7 допустимого уровня жидкости, которые соединены с управляющим устройством 9, управляющим двигателями 12 и 14 заслонок 11 и 13, установленных соответственно в жидкостном 5 и газовом 4 трубопроводах, которые соединены с жидкостным 15 и газовым 16 расходомерными устройствами. Предполагается, что расходные характеристики расходомеров превосходят максимальные расходы ГЖС, подаваемые на вход сепаратора. Для обеспечения устойчивости и чувствительности системы предусмотрена возможность раздельного программного регулирования соотношения и скоростей закрывания заслонок 11 и 12, установленных в жидкостном и газовом трубопроводах.
Работа установки осуществляется следующим образом.
1
ж
в
н
Первоначально заслонка 11 жидкостного трубопровода закрыта, а газового 12 - открыта. Двигатели 10, 13 выключены. Газожидкостная смесь (ГЖС) подается на вход 3 сепаратора 1, где происходит разделение потока жидкости и газа. Жидкость поступает в емкость 2, а свободный газ отводится по трубопроводу 4 и поступает на расходомерное устройство 15. В процессе поступления ГЖС в сепаратор 1 происходит накопление жидкости в емкости 2. При заполнении емкости 2 с помощью датчика 8 осуществляется определение расхода жидкости Q, поступающей в сепаратор в составе ГЖС, который используется вычислителем 10 для определения скорости изменения сечения жидкостного трубопровода d. При достижении уровня жидкости верхнего значения (датчика 6) управляющее устройство 10 подает команду на двигатели 12, 14 в сторону открывания жидкостной заслонки 11 и закрывания газовой заслонки 13. При определенном положении жидкостной заслонки 11 уровень жидкости в емкости 2 начинает падать и при опускании его ниже уровня датчика 6 происходит отключение двигателей 12, 14. Данное положение заслонок 11, 13 может обеспечить режим стабилизации уровня жидкости, при котором ее расход через отводящий трубопровод 5 будет равен расходу жидкости, поступающей на вход 3. Если этого не происходит, то уровень жидкости будет падать до уровня датчика 7, при этом управляющее устройство включает двигатели 12, 14 в сторону закрывания жидкостной заслонки 11 и открывания газовой заслонки 13. При определенном положении заслонок уровень жидкости в емкости 2 вновь начинает увеличиваться и при превышении его датчика 7 производится отключение двигателей 10, 13. При повторном входе уровня жидкости в диапазон датчиков 6 и 7 вероятность наступления режима стабилизации уровня возрастает. Таким образом, в процессе работы установки производится поддержание уровня жидкости в емкости 2 в пределах верхнего H и нижнего H допустимого уровня (между датчиками 6 и 7) вне зависимости от расхода ГЖС, поступающей на вход сепаратора. При этом обеспечивается постоянный отвод жидкости на жидкостный расходомер 14, а газа - на газовый 15, не допуская попадания жидкости в газовую линию и наоборот, даже при наличии газовых пробок на входе. Кроме того, при необходимости обеспечения устойчивости и чувствительности системы возможно раздельное изменение программным путем скоростей закрывания заслонок 11, 12 и их соотношения, что повышает точность регулирования.
Таким образом, заявляемый способ и устройство имеют преимущества перед известными, а именно:
1. Регулирование расхода жидкости на выходе производится с определенной скоростью, величина которой зависит от расхода жидкости, поступающей в сепаратор, определяемого по скорости изменения уровня в емкости и текущему расходу жидкости на выходе сепаратора, что позволяет обеспечить режим стабилизации в более узком диапазоне высоты накопительной емкости, а следовательно, уменьшить ее габариты. Кроме того, обеспечение режима стабилизации обеспечивает более редкое управление заслонками, обеспечивая повышение надежности установки.
2. Одновременное регулирование расхода жидкости на выходе сепаратора и противонаправленное регулирование расхода в выходном газовом трубопроводе, то есть при открывании заслонки в жидкостном трубопроводе одновременно происходит закрывание заслонки в газовом трубопроводе и наоборот, обеспечивает более динамичное воздействие на уровень жидкости в накопительной емкости сепаратора, повышая тем самым статическую и динамическую точность регулирования уровня.
3. Использование датчиков плотности в качестве датчиков верхнего и нижнего допустимого уровня жидкости в накопительной емкости сепаратора позволяет более точно определить границу между жидкой и газовой составляющими, особенно в условиях переменной плотности и газонасыщенности жидкости.
Источники информации
1. Байков Н.М., Колесников Б.В., Челпанов П.И. Сбор, транспортировка и подготовка нефти. - М.: "Недра", 1975. - с. 76-78.
2. Назначение, классификация и конструкция сепараторов. (http://neftrussia.ru/tag/separator/).
3. Комбинированный регулятор уровня жидкости и давления для сепараторов двух фаз. Патент РФ №2032204, МПК G05D 9/02, G05D 16/06, опубл. 27.03.1995.