СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СЕПАРАЦИИ ГАЗА С АППАРАТАМИ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА КРАЙНЕМ СЕВЕРЕ РФ
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL OF A LOW-TEMPERATURE GAS SEPARATION UNIT WITH AIR COOLING APPARATUS IN THE EXTREME NORTH OF THE RUSSIAN FEDERATION

Изобретение относится к области добычи и подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту, в частности, к автоматическому поддержанию температурного режима технологических процессов установки низкотемпературной сепарации газа (далее установка), с применением аппаратов воздушного охлаждения (АВО), работающей в условиях Крайнего Севера РФ.
Известен способ автоматизации установки низкотемпературной сепарации газа [см., например, стр. 406, Р.Я. Исакович, В.И. Логинов, В.Е. Попадько. Автоматизация производственных процессов нефтяной и газовой промышленности. Учебник для вузов, М, Недра, 1983, 424 с.], который обеспечивает поддержание температуры сепарации на установке с помощью клапана-регулятора (КР), изменяющего расход холодного газа, отводимого от низкотемпературного сепаратора через теплообменник.
Недостатком данного способа является то, что поддержание температурного режима на установке регулируется количеством проходящего газа через теплообменник, что вызывает колебания температуры газа, подаваемого в магистральный газопровод (МГП). Соответственно, отсутствует контроль и поддержание необходимой температуры осушенного газа и нестабильного газового конденсата (НГК), подаваемых в МГП и магистральный конденсатопровод (МКП) с целью защиты вечномерзлых грунтов от размораживания при подземной прокладке трубопроводов на Крайнем Севере РФ [см. например, стр. 33-34, Ананенков А.Г., Ставкин Г.П., Андреев О.П., Арабский А.К., Салихов З.С., Талыбов Э.Г. АСУ ТП газопромысловых объектов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. - 343 с.: ил.; стр. 19; Дмитриев В.М., Ганджа Т.В. и др. Интеллектуализация управления технологическими процессами на углеводородных месторождениях. Томск: В-Спектр, 2012. - 212 с.].
Известен способ автоматизации установки низкотемпературной сепарации газа [см., например, стр. 112, Б.Ф. Тараненко, В.Т. Герман. Автоматическое управление газопромысловыми объектами. М., "Недра", 1976 г., 213 с.], который обеспечивает автоматическое поддержание заданного значения температуры сепарации на установке при помощи поддержания необходимого перепада давления на штуцере-регуляторе, установленном на входе в низкотемпературный сепаратор, путем коррекции давления на выходе первой ступени редуцирования установки.
Недостатком данного способа является то, что поддержание температурного режима на установке осуществляется путем регулирования перепада давления на редуцирующем КР, установленном на входе в низкотемпературный сепаратор установки. Это в свою очередь, накладывает ограничения на входное давление и расход газа по установке. Так же этот способ не предусматривает контроль и поддержание необходимой температуры осушенного газа и НГК, подаваемых, соответственно, в МГП и МКП, с целью защиты вечномерзлых грунтов от размораживания при подземной прокладке трубопроводов на Крайнем Севере РФ [см. например, стр. 33-34, Ананенков А.Г., Ставкин Г.П., Андреев О.П., Арабский А.К., Салихов З.С., Талыбов Э.Г. АСУ ТП газопромысловых объектов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. - 343 с.: ил.; стр. 19, Дмитриев В.М., Ганджа Т.В. и др. Интеллектуализация управления технологическими процессами на углеводородных месторождениях. Томск: В-Спектр, 2012. - 212 с.].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ автоматического поддержания температурного режима технологических процессов установки низкотемпературной сепарации газа с применением АВО в условиях Крайнего Севера [см., патент РФ на изобретения №2685460], включающий в себя предварительную очистку добытой газоконденсатной смеси от механических примесей, отделение НГК и водного раствора ингибитора (ВРИ) в сепараторе первой ступени сепарации, охлаждения ее в АВО и разделение на газ и смесь НГК с ВРИ в низкотемпературном сепараторе второй ступени сепарации. После этого НГК и ВРИ отводятся в разделитель жидкостей (РЖ) для дегазации, и далее НГК из РЖ подается насосом в МКП, поток выделенного газа - газ выветривания (ГВ) из РЖ транспортируется для утилизации или компримируется и подается в МГП, а ВРИ подается в цех регенерации ингибитора установки. Способ предусматривает подачу газоконденсатной смеси с выхода сепаратора первой ступени сепарации на вход АВО, управляемого отдельной системой автоматического управления (САУ) АВО, которые вместе обеспечивают необходимое понижение температуры газоконденсатной смеси на выходе АВО до заданных технологическим регламентом значений, если температура атмосферного воздуха гарантирует реализацию такого режима. После выхода с АВО охлажденную газоконденсатную смесь разделяют на два потока и подают для дополнительного охлаждения через трубопровод на вход первой секции рекуперативного теплообменника, далее ТО, «газ-газ» и на вход первой секции ТО «газ-конденсат» через КР расхода газоконденсатной смеси. Этот КР, регулируя расход газоконденсатной смеси, проходящей через него, обеспечивает поддержание заданной температуры НГК на выходе второй секции ТО «газ-конденсат». Далее потоки газоконденсатной смеси с выходов первых секций этих ТО объединяют и через КР, выполняющий роль управляемого редуктора, подают в низкотемпературный сепаратор, оснащенный датчиком температуры. В этом сепараторе она окончательно разделяется на осушенный холодный газ и смесь НГК и ВРИ. Эту смесь подают на вход второй секции ТО «газ-конденсат» и далее в РЖ для разделения на компоненты. Холодный газ, выходящий из низкотемпературного сепаратора, разделяют на два потока, один из которых подают на вход второй секции ТО «газ-газ», а второй - на байпас этой секции, оснащенный КР расхода газа, который изменяет соотношение проходящих потоков газа через ТО и байпас, обеспечивая в реальном масштабе времени коррекцию температуры газа, необходимую для подачи его в МГП.
Существенным недостатком данного способа является то, что изменение режима работы установки в случаях достижения расхода или температуры осушенного газа, поступающего в МГП, температуры НГК, подаваемого в МКП, а также температуры в низкотемпературном сепараторе своих предельных значений - верхнего либо нижнего, обозначенных в технологическом регламенте установки, осуществляется вручную оператором, что снижает качество управления технологическим процессом.
Целью изобретения является повышение качества управления технологическим процессом за счет автоматического удержания его контролируемых параметров в заданных границах на различных режимах работы установки с применением АВО, работающей в условиях Крайнего Севера РФ, с соблюдением норм и ограничений, предусмотренных технологическим ее регламентом, и снижения роли человеческого фактора в управлении технологическим процессом установки.
Техническим результатом, достигаемым от реализации заявляемого способа, является повышение качества управления технологическим процессом установки с АВО в условиях Крайнего Севера РФ путем исключения человеческого фактора при принятии управленческих решений по управлению технологическим процессом с учетом норм и ограничений, предусмотренных ее технологическим регламентом для различных режимов работы. Для этого АСУ ТП обеспечивает контроль и поддержание:
- заданного давления газоконденсатной смеси на входе установки;
- заданного расхода осушенного газа, подаваемого в МГП;
- контроль и поддержание заданной температуры осушенного газа/НГК, поступающих/подаваемых в МГП/МКП.
Эффективность работы установки низкотемпературной сепарации газа определяется значением перепада давления между ее входом и выходом - чем выше перепад давления, тем легче получить в результате дросселирования заданную (минусовую) температуру в низкотемпературном сепараторе установки. Очевидно, что на стадии жизненного цикла месторождений с нарастающей добычей газа, характеризуемой его высоким давлением на входе установки, заданный режим работы удается поддерживать за счет пластового давления (энергия пласта). На стадиях жизненного цикла месторождений с постоянной и падающей добычей газа, а таких на Крайнем Севере РФ в настоящее время достаточно много, перепад давления между входом и выходом установки падает из-за снижения пластового давления. В этом случае обеспечить заданный температурный режим в низкотемпературном сепараторе установки удается за счет привлечения дополнительного источника холода. В природно-климатических условиях Крайнего Севера РФ, учитывая то, что около восьми месяцев в году стоят устойчивые холода, в качестве дополнительного источника холода используют АВО. Управляя с помощью АВО температурой добываемой газоконденсатной смеси можно компенсировать недостающую часть холода, определяемую снижением перепада давления между входом и выходом установки. В результате достаточно длительное время удается поддерживать необходимый температурный режим работы установки за счет использования потенциала атмосферного воздуха как хладагента, снижая себестоимость добычи газа.
К тому же, как правило, на Крайнем Севере РФ используется подземная прокладка МГП и МКП в многолетнемерзлых грунтах, которые в случае оттаивания становятся просадочными и могут разрушить МГП и МКП. Для исключения этого на установке предусматривается круглогодичное охлаждение газа и газоконденсата до температуры -2°С, что значительно увеличивает надежность эксплуатации МГП и МКП, и снижает вероятность возникновения аварийных ситуаций, способных привести к серьезным экологическим, людским и материальным потерям.
Кроме этого, установки, расположенные на севере РФ, в зависимости от складывающейся ситуации по подаче добываемой продукции потребителям, реализуют один из трех возможных видов их эксплуатации:
1. Поддерживает расход добываемой газоконденсатной смеси по установке, если нет пиковых нагрузок по осушенному газу или НГК;
2. Поддерживает расход осушенного газа по установке при пиковых нагрузках по осушенному газу, например, из-за наступления сильных холодов;
3. Поддерживает расход НГК по установке при появлении пиковых нагрузок по НГК, например, из-за аварий на других промыслах или из-за необходимости увеличения поставок потребителю.
Заявляемый способ обеспечивает автоматический контроль и поддержание заданного температурного режима на установках низкотемпературной сепарации газа с АВО, работающих в условиях Крайнего Севера РФ и реализующих второй вид эксплуатации, который предусматривает выполнение плана по подаче осушенного газа в МГП. Способ включает поддержание необходимых значений температуры осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, а также температуры в низкотемпературном сепараторе при автоматическом переключении технологического процесса на новый режим в случае возникновения такой потребности. Это повышает надежность эксплуатации установки и эффективность процесса подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа с АВО на Крайнем Севере РФ, включает предварительную очистку добытой газоконденсатной смеси от механических примесей и отделение смеси НГК и ВРИ в сепараторе первой ступени сепарации. Эту смесь НГК и ВРИ из кубовой части сепаратора отводят в РЖ, а газоконденсатную смесь с выхода сепаратора первой ступени сепарации подают на вход АВО, который АСУ ТП включает в работу при достижении заданного перепада температур между газоконденсатной смесью и воздухом атмосферы. Для этого АСУ ТП подает соответствующий сигнал на вход САУ АВО, которая управляет работой АВО, обеспечивая понижение температуры газоконденсатной смеси на его выходе до заданных значений, необходимых для поддержания требуемой температуры в низкотемпературном сепараторе. Далее, предварительно охлажденную в АВО газоконденсатную смесь разделяют на два потока. Первый из этих потоков направляют в трубное пространство первой секции рекуперативного теплообменника, далее ТО, «газ-газ», где его охлаждают встречным потоком осушенного газа, поступающего из низкотемпературного сепаратора и проходящего через вторую секцию ТО «газ-газ». Второй поток газоконденсатной смеси через КР подают в трубное пространство первой секции ТО «газ-конденсат», где его охлаждают встречным потоком смеси НГК и ВРИ, отводимой с кубовой части низкотемпературного сепаратора и проходящей через вторую секцию ТО «газ-конденсат». При этом расход газоконденсатной смеси по этим потокам распределяет АСУ ТП с помощью КР, установленного на входе первой секции ТО «газ-конденсат», таким образом, чтобы температура НГК, поступающего в МКП, находилась в заданном технологическим регламентом диапазоне. Эти два потока газоконденсатной смеси после их выхода из первых секций ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат» объединяют и подают на вход КР, выполняющий роль управляемого редуктора. На этом редукторе осуществляют адиабатическое расширение газоконденсатной смеси и направляют ее в оснащенный датчиком температуры низкотемпературный сепаратор, в котором производят окончательное разделение газоконденсатной смеси на осушенный холодный газ и смесь НГК с ВРИ. Смесь НГК с ВРИ из кубовой части низкотемпературного сепаратора подают на вход второй секции ТО «газ-конденсат» и далее, в РЖ, в котором выделяют НГК, ВРИ и ГВ. Отделенный НГК с помощью насосного агрегата подают в МКП. ВРИ направляют в цех регенерации ингибитора установки. ГВ отправляют на утилизацию или закачку в МГП.
Холодный осушенный газ, выходящий из низкотемпературного сепаратора, разделяют на два потока, один из которых подают на вход второй секции ТО «газ-газ», а второй - на байпас этой секции, оснащенный КР расхода газа. С помощью этого КР АСУ ТП регулирует соотношение потоков осушенного газа, проходящих через вторую секцию ТО «газ-газ» и байпас, обеспечивая в реальном масштабе времени коррекцию температуры осушенного газа до заданных значений, требуемых технологическим регламентом установки при подаче газа в МГП.
вх.
вх.
min
вх
max
min
max
вх.
вх.
max
min
вх.
вх.
const
При этом АСУ ТП в тандеме с САУ АВО с момента запуска установки в эксплуатацию реализуют подачу заданного планом объема осушенного газа в МГП. Для этого АСУ ТП использует первоначально заданные значения уставок контролируемых параметров и границы их допустимых отклонений от значения уставок. Но как только АСУ ТП обнаружит выход одного из контролируемых параметров за пределы установленных границ, нарушающий технологический регламент работы установки, АСУ ТП изменяет на один шаг значение уставки давления Р газоконденсатной смеси на входе установки на величину ΔР в интервале, определяемом неравенством P≤Р≤P, где P минимально допустимое, а P максимально допустимое значение давления газоконденсатной смеси на входе установки. Величину ΔР назначают из соотношения ΔР=(P-P)/n, где n - число разрешенных шагов изменения уставки Р, и это изменение уставки АСУ ТП осуществляет в направлении, которое позволяет купировать возникшее нарушение. Одновременно АСУ ТП следит за тем, чтобы рабочий орган КР, управляющий давлением на входе установки, находился в рамках допустимых границ его перемещения. Изменив значение уставки Р АСУ ТП удерживает режим управления технологическими процессами установки с ее новым значением в течение интервала времени не менее τ, являющегося индивидуальной характеристикой установки, определяемой экспериментально. И если остальные контролируемые параметры технологического процесса за это время вернутся в пределы установленных для них границ, то АСУ ТП фиксирует это значение как новую уставку плана расхода осушенного газа, подаваемого в МГП, и генерирует сообщение оператору об автоматической смене режима работы установки и его новых характеристиках. Далее АСУ ТП в тандеме с САУ АВО реализуют этот режим эксплуатации установки. Но если хотя бы один из контролируемых параметров не вернулся в установленные для него границы, то АСУ ТП изменяет значение уставки еще на один шаг в том же направлении.
вх.
min
max
ОГ
min
ОГ
max
НС
min
НС
НС
max_HC
ОГ
min_ОГ
ОГ
max_ОГ
НГК
min_НГК
HГК
max_НГК
Перед запуском установки в эксплуатацию обслуживающий персонал вводит в базу данных АСУ ТП значение уставки давления Р перед сепаратором первой ступени сепарации и границы интервала ее допустимых изменений от P до P. Вводит значение уставки расхода осушенного газа по установке, поступающего на вход МГП, и границы интервала допустимых изменений фактического расхода Q осушенного газа от нее, заданные неравенством Q≤Q≤Q. Вводит значения: уставки температуры в низкотемпературном сепараторе и границы интервала допустимых изменений фактической температуры Т от нее, заданные неравенством Т°C_≤T°С≤Т°C; уставки температуры осушенного газа, поступающего в МГП, и границы интервала допустимых изменений фактической температуры T°С от нее, заданных неравенством Т°C≤Т°С≤Т°C; уставки температуры НГК, подаваемого в МКП, и границы интервала допустимых изменений фактической температуры Т°С от нее, заданных неравенством Т°C≤Т°С≤Т°C.
КР 2
min_КР 2
КР 16
min_КР 16
Устанавливают границы допустимого перемещения S рабочего органа КР, поддерживающего давление добытой газоконденсатной смеси на входе установки, от значения S - минимально открыт и до полностью открыт. Устанавливают границы предельно допустимого перемещения S рабочего органа КР, поддерживающего расход осушенного газа, подаваемого в МГП, и выполняющего роль редуктора, от значения S - минимально открыт и до полностью открыт. После введения значений указанных параметров осуществляют запуск установки в эксплуатацию, технологические процессы в которой ведет АСУ ТП. Для этого она использует пять ПИД-регуляторов, построенных на ее базе, каждый из которых согласно заданному алгоритму с помощью подсоединенного к нему КР управляет своим параметром.
вх.
min_KP 2
АСУ ТП формирует сообщение оператору установки для принятия решения по изменению режима работы кустов газодобывающих скважин, либо режима работы установки с подключением турбодетандерных агрегатов, если в режиме коррекции уставки Р с помощью КР, установленного на входе установки и управляющего давлением добытой газоконденсатной смеси на ее входе, если будет выявлено что его рабочий орган перешел в состояние полностью открыт или достиг минимально допустимого положения S.
На фиг. 1 приведена принципиальная технологическая схема установки. В ней использованы следующие обозначения:
1 - входная линия установки;
2 - КР, поддерживающий давление добываемой газоконденсатной смеси на входе установки;
3 - датчик давления добываемой газоконденсатной смеси, установленный перед сепаратором первой ступени сепарации 4;
4 - сепаратор первой ступени сепарации;
5 - датчик температуры газа на входе АВО;
6 - датчик температуры наружного воздуха;
7 - САУ АВО газа;
8 - АВО;
9 - датчик температуры газа на выходе АВО;
10 - КР расхода газоконденсатной смеси, проходящей через ТО «газ-конденсат» 13;
11 - АСУ ТП установки;
12 - ТО «газ-газ»;
13 - ТО «газ-конденсат»;
14 - КР расхода осушенного газа, проходящего по байпасу второй секции ТО «газ-газ» 12;
15 - РЖ;
16 - редуцирующий КР газоконденсатной смеси, проходящей через установку, и регулирующий расход осушенного газа, поступающего в МГП;
17 - датчик расхода осушенного газа, поступающего в МГП;
18 - датчик температуры осушенного газа, поступающего в МГП;
19 - низкотемпературный сепаратор;
20 - датчик температуры, установленный в низкотемпературном сепараторе 19;
21 - насосный агрегат подачи НГК в МКП;
22 - датчик температуры НГК, подаваемого в МКП;
На фиг. 2 приведена структурная схема автоматического управления температурой технологических процессов установки. В ней использованы следующие обозначения:
23 - сигнал с датчика расхода 17 осушенного газа, подаваемого в МГП, поступающий на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 33;
24 - сигнал уставки расхода осушенного газа, подаваемого в МГП, поступающий на вход задания SP ПИД-регулятора 33;
25 - сигнал с датчика температуры 18 осушенного газа, подаваемого в МГП, поступающий на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 34;
26 - сигнал уставки температуры осушенного газа, подаваемого в МГП, поступающий на вход задания SP ПИД-регулятора 34;
27 - сигнал с датчика температуры 22 НГК, подаваемого в МКП, поступающий на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 35;
28 - сигнал уставки температуры НГК, подаваемого в МКП, поступающий на вход задания SP ПИД-регулятора 35;
29 - сигнал с датчика температуры 20, установленного в низкотемпературном сепараторе 19, поступающий на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 36;
30 - сигнал уставки температуры в низкотемпературном сепараторе 19, поступающий на вход задания SP ПИД-регулятора 36;
31 - сигнал с датчика давления 3, установленного перед сепаратором 4, поступающий на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 37;
32 - сигнал уставки давления перед сепаратором 4, поступающий на вход задания SP ПИД-регулятора 37;
33 - ПИД-регулятор поддержания расхода осушенного газа, поступающего в МГП;
34 - ПИД-регулятор поддержания температуры осушенного газа, поступающего в МГП;
35 - ПИД-регулятор поддержания температуры НГК, подаваемого в МКП;
36 - ПИД-регулятор поддержания температуры в низкотемпературном сепараторе 19;
37 - ПИД-регулятор поддержания давления на входе установки;
38 - сигнал управления КР 16;
39 - сигнал управления КР 14;
40 - сигнал управления КР 10;
41 - сигнал уставки для САУ АВО 7;
42 - сигнал управления КР 2.
ПИД-регуляторы 33, 34, 35, 36 и 37 реализованы на базе АСУ ТП 11.
Способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа с АВО на Крайнем Севере РФ, реализуют следующим образом.
Добываемая газоконденсатная смесь по входной линии 1 установки, оснащенной датчиком давления 3 и КР 2, поддерживающим давление добытой газоконденсатной смеси на входе установки, поступает на вход сепаратора 4 первой ступени сепарации, в котором происходит ее первичное очищение от механических примесей и частичное отделение НГК и ВРИ. По мере накопления смеси НГК и ВРИ в нижней части сепаратора 4 ее отводят в РЖ 15. Частично очищенная от капельной влаги и пластовой жидкости газоконденсатная смесь с выхода сепаратора первой ступени сепарации 4 по трубопроводу поступает на вход АВО 8, где происходит ее предварительное охлаждение за счет теплообмена с воздушной средой. Очевидно, что такой режим работы установки актуален только тогда, когда температура наружного воздуха ниже температуры газоконденсатной смеси на входе в АВО. Эти параметры измеряет и контролирует разницу между ними САУ АВО 7, используя датчики температуры 5 и 6, а минимально допустимое значение разницы температур задается при настройке САУ АВО 7 с учетом паспортных данных АВО 8 перед запуском установки в работу. Газоконденсатную смесь с выхода АВО 8 разделяют на два потока и подают их для дальнейшего охлаждения на входы первых секций ТО 12 «газ-газ» и ТО 13 «газ-конденсат». При этом на вход ТО 13 «газ-конденсат» газоконденсатная смесь поступает через КР 10, который путем изменения ее расхода поддерживает заданную температуру НГК, подаваемого в МКП. Далее потоки газоконденсатной смеси, выходящие из первых секций ТО 12 и ТО 13, объединяют и подают на КР 16, который выполняет роль редуктора. В результате редуцирования на его выходе происходит охлаждение газожидкостной смеси, после чего ее подают в низкотемпературный сепаратор 19, оснащенный датчиком температуры 20. В этом сепараторе происходит окончательное отделение газа от НГК и ВРИ с примесями, смесь которых по мере накопления их в нижней части сепаратора отводят через вторую секцию ТО 13 «газ-конденсат» в РЖ 15. Осушенный и охлажденный газ с выхода низкотемпературного сепаратора 19 разделяют на два потока, один из которых подают на вход второй секции ТО 12 «газ-газ», а второй направляют через ее байпас. КР 14 регулирует поток газа через байпас, изменяя его расход через вторую секцию ТО 12, и обеспечивает поддержку заданной температуры осушенного газа, поступающего в МГП, который оснащен датчиками расхода 17 и температуры 18. Отводимую из сепараторов 4 и 19 смесь НГК с ВРИ подают в РЖ 15, где она подвергается разделению на фракции и дегазации. Поток выделенного газа (ГВ) из РЖ 15 отправляют на утилизацию или компримируют и подают в МГП. Поток НГК транспортируют либо на склад, либо при помощи насосного агрегата 21 подают в МКП, который оснащен датчиком температуры 22. Поток ВРИ подают на регенерацию в цех регенерации ингибитора.
Реализуя данный способ АСУ ТП 11 в тандеме с САУ АВО 7 решает следующие задачи:
а) Производит оценку, когда именно можно использовать АВО 8 для обеспечения заданной температуры в низкотемпературном сепараторе 18, в соответствии с технологическим регламентом установки. Для этого САУ АВО
ок.воздух
вх.АВО
7 в реальном масштабе времени с заданной дискретностью измеряет температуру окружающего воздуха Т датчиком 6, а датчиком 5 температуру Т газоконденсатной смеси, поступающей на вход АВО 8, и передает эти значения в АСУ ТП 11. Используя результаты этих измерений АСУ ТП 11 следит за соблюдением условия:
доп.
где ΔТ - разность температур, начиная с которой можно использовать АВО 8 для поддержания температурного режима технологических процессов, реализуемых на установке, значение которой определяют исходя из паспортных данных АВО 8.
В случае нарушения указанного неравенства АСУ ТП 11 установки формирует сообщение оператору о достижении граничного значения использования АВО 8 и необходимости принятия решения об изменении режима работы установки (переход на турбодетандерный режим охлаждения, изменению режима работы кустов газодобывающих скважин и т.д.).
б) Поддерживает заданное значение температуры в низкотемпературном сепараторе 19 регулируя степень охлаждения газоконденсатной смеси, проходящей через АВО 8. Для этого САУ АВО 7 измеряет температуру этой смеси на выходе АВО 8 с помощью датчика 9, сравнивает ее с заданием и управляет тепловой производительностью АВО 8. Управление САУ АВО 7 реализует путем изменения частоты вращения колес, угла наклона лопастей, задавая порядок включения вентиляторов, меняя положение шторок жалюзи, количество и порядок задействованных секций вентиляторов. Указанные действия система реализует в соответствии с алгоритмом, который задают при ее проектировании с учетом производительности АВО 8 и климатических условий месторасположения установки. Одновременно САУ АВО 7 обеспечивает защиту АВО 8.
Для поддержания заданного расхода осушенного газа, поступающего в МГП, АСУ ТП 11 использует ПИД-регулятор 33. Для этого АСУ ТП 11 на вход обратной связи PV этого ПИД-регулятора подает сигнал 23 с датчика расхода 17 - значение фактического расхода газа. Одновременно АСУ ТП 11 на вход задания SP этого же ПИД-регулятора подает сигнал 24 - значение уставки расхода осушенного газа по установке. Ее величину устанавливает диспетчерская служба газодобывающего Предприятия. Сравнивая эти два сигнала ПИД-регулятор 33 на своем выходе CV формирует сигнал 38, который управляет степенью открытия/закрытия КР 16, поддерживая установленный заданием расход осушенного газа, поступающего в МГП.
Для поддержания температуры осушенного газа, поступающего в МГП, АСУ ТП 11 использует ПИД-регулятор 34. Для этого АСУ ТП 11 на вход обратной связи PV этого ПИД-регулятора подает сигнал 25 - значение фактической температуры осушенного газа, измеряемое датчиком 18, установленным на входе в МГП. Одновременно АСУ ТП 11 на вход задания SP этого же ПИД-регулятора подает сигнал 26 - значение уставки температуры осушенного газа, подаваемого в МГП, заданной в соответствие с технологическим регламентом установки. В результате обработки этих сигналов ПИД-регулятор 34 на своем выходе CV формирует сигнал 39, управляющий степенью открытия/закрытия КР 14, поддерживая температуру осушенного газа, поступающего в МГП путем регулирования его расхода через байпас второй секции ТО 12 «газ-газ».
Для поддержания температуры НГК, подаваемого в МКП, АСУ ТП 11 использует ПИД-регулятор 35. Для этого АСУ ТП 11 на вход обратной связи PV этого ПИД-регулятора подает сигнал 27 - значение фактической температуры НГК, измеряемой датчиком 22, установленным на входе в МКП. Одновременно АСУ ТП 11 на вход задания SP этого же ПИД-регулятора подает сигнал 28 - значение уставки температуры НГК, подаваемого в МКП, заданной в соответствие с технологическим регламентом установки. В результате их обработки ПИД-регулятор 35 на своем выходе CV формирует сигнал 40, управляющий степенью открытия/закрытия КР 10, поддерживая температуру НГК, поступающего в МКП, путем регулирования расхода добываемой газоконденсатной смеси, проходящей через первую секцию ТО 13 «газ-конденсат».
Для поддержания температуры газоконденсатной смеси в низкотемпературном сепараторе 19 АСУ ТП 11 использует ПИД-регулятор 36. Для этого АСУ ТП 11 на вход обратной связи PV этого ПИД-регулятора подает сигнал 29 - значение фактической температуры, измеряемое датчиком 20, установленным в низкотемпературном сепараторе 19. Одновременно АСУ ТП 11 на вход задания SP этого же ПИД-регулятора подает сигнал 30 - значение уставки температуры в низкотемпературном сепараторе 19, заданной в соответствие с технологическим регламентом установки. В результате их обработки ПИД-регулятор 36 на своем выходе CV формирует сигнал 41, задающий значение температуры газоконденсатной смеси на выходе АВО 8, который в виде уставки подают на вход САУ АВО 7, которая использует его и контролируемые ею параметры для управления тепловой производительностью АВО 8.
вх.доп
Для поддержания давления газоконденсатной смеси на входе в сепаратор 4 АСУ ТП 11 использует ПИД-регулятор 37. Для этого АСУ ТП 11 на вход обратной связи PV этого ПИД-регулятора подает сигнал 31 - значение фактического давления, измеряемое датчиком 3, установленным на входе сепаратора 4. Одновременно АСУ ТП 11 на вход задания SP этого же ПИД-регулятора подает сигнал 32 - значение уставки допустимого давления Р перед сепаратором 4 первой ступени сепарации, т.е. на входе установки. Ее значение задают в соответствие с технологическим регламентом установки. В результате их обработки ПИД-регулятор 37 на своем выходе CV формирует сигнал 42, управляющий степенью открытия/закрытия КР 2.
вх.
Обслуживающий персонал перед запуском установки в работу вводит в БД АСУ ТП 11 заданные значения ряда необходимых для ее работы параметров. Прежде всего уставка давления Р добываемой газоконденсатной смеси на входе установки и уставка заданного расхода осушенного газа по установке. Также вводят значения следующих уставок и границ их допустимых вариаций:
КР 2
min_КР 2
min_КР 2
КР 2
а) положение S рабочего органа КР 2, который может перемещаться в границах: полностью открыт - прикрыт до строго заданного, нижнего значения S. Границы допустимых перемещений задает неравенство S≤S.
КР 16
min_КР 16
min_КР 16
КР 16
б) положение S рабочего органа КР 16, который может перемещаться в границах: полностью открыт - прикрыт до строго заданного, нижнего значения S. Границы допустимых перемещений задает неравенство S≤S.
вх.
в) уставка давления Р газоконденсатной смеси на входе установки. Ее значение допускается изменять в рамках, заданных неравенством
min
max
вх.
вх.
вх.
max
min
вх.
где P минимально, а P максимально значение давления газоконденсатной смеси на входе установки. При этом изменение текущего значения уставки Р АСУ ТП 11 разрешают производить только в случае необходимости и пошагово, на величину ΔР, которую назначают из соотношения ΔР={P-P)/n, где n - число разрешенных шагов изменения уставки Р.
вх.
АСУ ТП 11 осуществляет управление пошаговым изменением уставки Р в рамках указанных границ соблюдая требования, представленные системой двух неравенств
ОГ
г) уставка расхода осушенного газа по установке и границы, в которых должен находиться фактический расход Q НГК, которые задают неравенством
min
max
где Q минимально допустимое, a Q максимально допустимое значение расхода осушенного газа, подаваемого в МГП. Управление расходом осушенного газа с помощью КР 16, АСУ ТП 11 осуществляет с учетом требования соответствия системе двух неравенств
ОГ
д) уставка температуры осушенного газа, поступающего в МГП, и границы, в которых должна находиться фактическая температура Т°С осушенного газа, которые задают неравенством
min_ОГ
max_ОГ
где Т°C минимально допустимое, а Т°C максимально допустимое значение температуры осушенного газа.
НГК
е) уставка температуры НГК, поступающего в МКП и границы, в которых должна находиться фактическая температура Т°С НГК, которые задают неравенством
min_НГК
max_НГК
где Т°C минимально допустимое, а Т°C максимально допустимое значение температуры НГК.
НС
ж) уставка температуры в низкотемпературном сепараторе и границы, в которых должна находиться фактическая температура Т°С в нем, которые задают неравенством
min_НС
max_НС
где Т°C минимально допустимое, а Т°C максимально допустимое значение температуры в низкотемпературном сепараторе.
В процессе эксплуатации установки, положение рабочих органов КР 10 и КР 14, в отличие от положения КР 2 и КР 16, может изменяться от полностью открыт до полностью закрыт.
С момента запуска установки в работу АСУ ТП 11 в реальном режиме времени осуществляет контроль положения рабочих органов КР 2, КР 10, КР 14 и КР 16, а также расход осушенного газа, поступающего в МГП, с помощью датчика расхода 17, температуры в низкотемпературном сепараторе 19 с помощью датчика 20, температуры осушенного газа/НГК, поступающих/подаваемых в МГП/МКП, с помощью датчиков 17 и 22, соответственно.
Контролируя указанные параметры АСУ ТП 11 ведет управление технологическим процессом с учетом указанных выше ограничений и поддерживает стабильным выполнение планового задания по расходу осушенного газа по установке - второй вид эксплуатации. Если в процессе работы не удастся достичь заданного расхода осушенного газа, поступающего в МГП или заданной температуры в низкотемпературном сепараторе 19 или заданной температуры осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, либо рабочий орган КР 10 или КР 14 или КР 16 перейдет в одно из своих крайних положений, то АСУ ТП 11 автоматически переводит установку на следующий режим работы, предусматривающий управление значением давления газоконденсатной смеси на входе установки в рамках допустимых вариаций. Этот режим АСУ ТП 11 реализует с помощью ПИД-регулятора 37 и управляемого им КР 2 в рамках ограничений, установленных системой неравенств (1), изменив значение первоначально заданной уставки по давлению на один шаг. Одновременно АСУ ТП 11 формирует сообщение оператору установки об автоматическом переводе установки на следующий режим работы.
Данный режим АСУ ТП 11 реализует, увеличив/уменьшив значение уставки давления газоконденсатной смеси на входе установки, в зависимости от сложившейся ситуации в ту или иную сторону, до значения
Это новое значение уставки АСУ ТП 11 подает в виде сигнала 32 на вход SP ПИД-регулятора 37. Сравнивая ее значение с фактическим давлением на входе установки, поступающим от датчика 3 ПИД-регулятор 37 на своем выходе CV формирует управляющий сигнал 42 и задает соответствующее значение степени открытия/закрытия КР 2. Это ведет к изменению давления добываемой газоконденсатной смеси на входе в установку, что вызывает изменение перепада давления на редуцирующем КР 16. Благодаря этому произойдет повышение/понижение температуры в низкотемпературном сепараторе 19, что, в свою очередь, приведет к устранению возникшего отклонения - повышению/понижению расхода осушенного газа, поступающего в МГП или температуры газа/НГК, поступающих в МГП/МКП.
вх.доп
вх._доп
const
const
Корректировку значения уставки давления на входе установки Р АСУ ТП 11 производит пошагово, в зависимости от направления возникшего нарушения и с учетом инерционности технологических процессов установки. Количество шагов n, перекрывающих весь интервал допустимых вариаций изменения уставки давления на входе установки Р, как правило, назначают равным 10, по 5 шагов в каждую сторону от первоначально заданного значения. При этом на каждом шаге АСУ ТП 11 реализует режим управления технологическими процессами установки с новым значением уставки в течение интервала времени не менее τ, являющегося индивидуальной характеристикой установки, определяемой экспериментально. В частности, для установок Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения требуется время τ для завершения переходных процессов порядка 10 минут. Если при реализации первого шага удается устранить возникшее нарушение в ходе технологического процесса - восстановить заданный расход осушенного газа, поступающего в МГП, или заданную температуру в низкотемпературном сепараторе 19, или заданную температуру осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, либо вернуть рабочий орган КР 10 или КР 14 или КР 16 в его рабочий диапазон положений, то АСУ ТП 11 продолжает работать с этим новым значением уставки, зафиксировав ее значение в своей БД в качестве задания. В противном случае АСУ ТП 11 продолжит поиск, изменив значение уставки еще на один шаг.
вх._доп
Такой режиме коррекции уставки Р с помощью КР 2 в следствии изменения параметров состояния окружающей среды и иных причин позволяет АСУ ТП 11 многократно возвращаться к ранее реализованным режимам работы, в том числе и к первоначальному.
вх._доп
max_доп
min_доп.
min_КР 2
Если в режиме коррекции уставки Р с помощью КР 2 будет достигнута одна из границ допустимых вариаций давления на входе установки P или P, либо рабочий орган КР 2 перейдет в состояние полностью открыт или S, но расход осушенного газа, поступающего в МГП или температура осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, или температура в низкотемпературном сепараторе не войдет в рамки заданных ограничений, АСУ ТП 11 формирует об этом сообщение оператору установки для принятия решения по изменению режима работы кустов газодобывающих скважин, либо перехода на режим работы установки с подключением турбодетандерных агрегатов.
Настройку используемых ПИД-регуляторов проводит обслуживающий персонал в момент запуска системы в работу под конкретный режим работы установки согласно методу, изложенному, например, в «Энциклопедии АСУ ТП», п.5.5, ПИД-регулятор, ресурс:
http://www.bookasutp.ru/Chapter5_5.aspx#HandTuning.
Способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа, работающей в условиях Крайнего Севера РФ, реализован в ПАО «Газпром» ООО «Газпром добыча Ямбург» на Заполярном нефтегазоконденсатном газоконденсатном месторождении на УКПГ 1 В и УКПГ 2 В. Результаты эксплуатации показали его высокую эффективность. Заявляемое изобретение может широко использоваться и на других действующих и вновь осваиваемых газоконденсатных месторождениях, расположенных в районах Крайнего РФ. Применение данного способа позволяет автоматически поддержать температурный режим на установках в рамках технологических норм и ограничений, предусмотренных их технологическими регламентами, благодаря чему появляется возможность:
- удерживать в автоматическом режиме динамически изменяющийся температурный режим технологических процессов установки, обеспечивая ее эффективную работу с учетом динамики текущих значений внешних и внутренних параметров и допусков на вариации граничных значений контролируемых параметров;
- осуществлять контроль и поддержание заданного расхода осушенного газа, подаваемого в МГП, а также температуры осушенного газа/НГК, поступающих/подаваемых в МГП/МКП, с целью защиты вечномерзлых грунтов от размораживания при подземной прокладке газо- и конденсатопроводов на Крайнем Севере РФ.