СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КОМПАУНДИРОВАНИЯ НЕФТИ ПО НЕСКОЛЬКИМ ПАРАМЕТРАМ КАЧЕСТВА

Заявленная группа полезных моделей относится к средствам автоматизации процессов транспортирования нефти по различным трубопроводам с разным качеством нефти и объединения потоков нефти с контролированием в смеси нефти показателей ее качества.
Наиболее близкой к заявленной группе полезных моделей является система для управления процессом компаундирования нефтей по нескольким параметрам качества, по содержанию серы, и/или по плотности нефти, и/или по содержанию хлористых солей, и/или по содержанию воды, а также по расходу продуктов (Свидетельство на полезную модель РФ №28930, опубл. 20 апреля 2003 г.).
В известной системе обеспечивается контроль и ведение регулирования компаундирования нефти по нескольким параметрам качества.
Известная система управления процессом компаундирования нефти, содержащая, по крайней мере, два нефтепровода, предназначенных для транспортирования потоков нефти и нефтепровод, предназначенный для смешанного потока нефти, заслонки, установленные в нефтепроводах и предназначенные для регулирования соответствующих потоков нефти, измерители расхода нефти, а также измерители плотности нефти, и/или измерители содержания серы в нефти, и/или измерители содержания хлористых солей в нефти, и/или измерители содержания воды в нефти, предназначенные для измерения указанных параметров нефти в соответствующих потоках нефти, дополнительно содержит измеритель расхода нефти, а также измеритель плотности нефти, и/или измеритель содержания серы в нефти, и/или измеритель содержания хлористых солей в нефти, и/или измеритель содержания воды в нефти, предназначенные для
измерения указанных параметров нефти в смешанном потоке, вычислитель коэффициентов соотношения величины расхода нефти в каждом потоке к величине расхода нефти в смешанном потоке, вычислитель коэффициентов соотношения величины плотности нефти в каждом потоке к величине плотности нефти в смешанном потоке, и/или вычислитель коэффициентов соотношения величины содержания серы в нефти в каждом потоке к величине содержания серы в нефти в смешанном потоке, и/или вычислитель коэффициентов соотношения величины содержания хлористых солей в нефти в каждом потоке к величине содержания хлористых солей в нефти в смешанном потоке, и/или вычислитель коэффициентов соотношения величины содержания воды в нефти в каждом потоке к величине содержания воды в нефти в смешанном потоке, входы каждого из указанных вычислителей связаны с выходами соответствующих измерителей, а выходы соединены с соответствующими входами микропроцессора, предназначенного для сравнения измеренных и вычисленных параметров с заданными и формирования сигналов регулирования положения заслонок в соответствующих потоках по результатам сравнения.
Однако известная система регулирования компаундирования может эффективно работать, когда на каждом потоке установлены средства измерения показателей качества, например, измерителей содержания серы, плотности, хлористых солей, воды. Указанные измерители показателей качества - дорогостоящее оборудование, поэтому экономически целесообразно ограничить количество некоторых измерителей показателей качества во входящих на компаундирование потоках и в то же время обеспечить эффективное компаундирование смешиваемых потоков.
Техническим результатом заявленной полезной модели является упрощение процесса и системы регулирования процесса компаундирования нефти по нескольким параметрам качества, поскольку оно позволяет обойтись без установки во входящих потоках некоторых
дорогостоящих измерителей качества, например измерителя содержания серы, измерителя содержания воды.
Технический результат достигается тем, что система управления процессом компаундирования нефти, содержащая установленные в каждом из нефтепроводов для транспортирования нефти измеритель расхода, измеритель плотности нефти и средство регулирования расхода нефти, установленные в нефтепроводе для смешанного потока измеритель расхода нефти и измеритель содержания серы и/или измеритель содержания воды, а также вычислитель коэффициентов соотношения расходов нефти в каждом транспортируемом потоке и в смешанном потоке, вычислитель коэффициентов соотношения содержаний серы в нефти в каждом транспортируемом потоке и в смешанном потоке и/или вычислитель коэффициентов соотношения содержаний воды в нефти в каждом транспортируемом потоке и в смешанном потоке, входы первого из указанных вычислителей связаны с измерителями расхода, а выходы каждого из указанных вычислителей соединены с соответствующими входами блока сравнения, выходы которого связаны со средствами регулирования расхода нефти, снабжена вычислителем содержания серы в нефти и/или вычислителем содержания воды в нефти, выполненным с возможностью расчета содержания соответствующего компонента с учетом корреляционной зависимости между плотностью нефти и содержанием этого компонента, входы каждого из этих вычислителей связаны с соответствующими измерителями плотности нефти транспортируемых потоков, а выходы соединены с соответствующими входами соответствующего вычислителя коэффициентов соотношений.
В заявленной системе исключение установки вышеназванных измерителей качества во входящих потоках достигается за счет использования корреляционной зависимости между содержанием серы и плотностью, корреляционной зависимости между содержанием воды и плотностью при регулировании компаундирования. На практике
наблюдается тенденция, что при увеличении содержания серы в нефти увеличивается значение плотности, при этом необходимо иметь ввиду то обстоятельство, что увеличение содержания воды также приводит к увеличению плотности.
Корреляционную зависимость между значениями содержания серы и плотности можно установить из статистических данных диспетчерской службы или по экспериментальным данным за определенный период времени (месяц, квартал и т.д.)
Для установления зависимости между значениями серы и плотности используем теорию линейной регрессии [1].
где -  - предсказанное значение содержания серы (или расчетное значение);
ρ - плотность;
0
1
b, b - коэффициенты, определяются из экспериментальных данных.
Используя метод наименьших квадратов, получаем оцениваемое уравнение (2) регрессии
где ,  - математическое ожидание значения содержания серы и плотности соответственно;
Используя вышеприведенные соотношения, получено уравнение регрессии для описания зависимости между содержанием серы по УУН №17 ЛПДС «Юргамыш»
Оценка расчетных данных по полученному уравнению (4) от экспериментальных значений показывает, что расхождение между ними не
превышает 1,6%, что вполне приемлемо для использования уравнения регрессии на практике при компаундировании.
Зависимость между значениями содержания воды и плотности также определяется на основании опытных данных, используя теорию линейной регрессии, уравнение имеет вид:
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена функциональная схема заявленной системы.
Заявленная система отличается от известной системы возможностью работы при отсутствии дорогостоящего оборудования измерителя содержания серы и/или измерителя содержания воды, дополнительно включает вычислитель содержания серы и/или вычислитель содержания воды.
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
2
3
1
3
Система содержит нефтепроводы 1-3, емкость 4 для смешения, предназначенную для смешивания потоков нефти и передачи смешанного потока в соединенный с ней нефтепровод 5, установленные в нефтепроводах 1-3 измерители 6-6 расхода нефти, измерители 7-7 плотности. В нефтепроводах 1-3 могут также быть установлены измерители 9-9 содержания хлористых солей, а также установлены заслонки 10-10. Насосный агрегат 12 с системой автоматического регулирования (CAP) 13 установлен в нефтепроводе 5 смешанного потока нефти, в котором также установлены измеритель 6 расхода нефти смешанного потока нефти, измеритель 7 плотности смешанного потока, измеритель 8 содержания серы в смешанном потоке, измеритель 9 содержания хлористых солей в смешанном потоке, измеритель 11 содержания воды в смешанном потоке, связанные с соответствующими измерителями 6-6 и 6 вычислитель 14 коэффициентов соотношения расхода KQ, KQ, КQ в каждом потоке по отношению к величине расхода нефти в смешанном потоке нефтепровода 5, связанный с соответствующими измерителями 7-7 и 7 вычислитель 15 коэффициентов
1
2
3
1
3
1
3
соотношения величины плотности Kp, Kp, Кр в каждом потоке по отношению к величине плотности нефти в смешанном потоке нефтепровода 5, связанный с выходом соответствующего вычислителя 22 содержания серы и измерителя 8 вычислитель 16 коэффициентов соотношения содержания серы в каждом из потоков к величине содержания серы в смешанном потоке, связанный с соответствующими измерителями 9-9 и 9 вычислитель 17 коэффициентов соотношения хлористых солей в каждом из потоков к величине содержания хлористый солей в смешанном потоке, связанный с выходом соответствующего вычислителя 23 содержания воды измерителя 11 вычислитель 18 коэффициентов соотношения содержания воды в каждом из потоков к величине содержания воды в смешанном потоке, каждый из указанных вычислителей связан с соответствующими входами блока сравнения - микропроцессора 20 (с шиной данных микропроцессора), предназначенного для сравнения вышеуказанных измеренных и вычисленных параметров с заданными и между собой по алгоритмам, приведенным ниже, и формирования сигналов регулирования положения заслонок 10-10, связанных с выходами микропроцессора 20 по результатам сравнения.
Система для управления процессом компаундирования работает следующим образом.
Пусть необходимо осуществить смешение потоков нефти различного качества, поступающих по нескольким нефтепроводам 1-3, отличающихся по параметрам плотности (Р), и/или содержанию хлористых солей (Сl), и/или содержанию серы (S), и/или воды (В).
Индексы в приведенных ниже уравнениях предназначены для указания принадлежности номеру потока в соответствующем трубопроводе 1, 2, 3 или смешанному потоку, Q - показатель расхода.
Пусть требуется осуществление контроля и ведение регулирования компаундирования по нескольким параметрам качества, например, по
содержанию серы, и/или по плотности, и/или по содержанию хлористых солей, и/или содержанию воды.
При смешивании потоков нефти из разных нефтепроводов в нефтепроводе 15 параметры качества подчиняются закону аддитивности
см
см
P - плотность, а Q - расход смешанной нефти в нефтепроводе 10.
см
Поделив правую и левую части уравнения на Q, имеем
1
2
3
см
Q1
Q2
Q3
см
1
2
3
см
При этом очевидно, что Q+Q+Q=О, а коэффициенты K, K, К - соотношение расходов по нефтепроводам потоков 1, 2, 3 к общему расходу Q в смешанном потоке нефтепровода 15, полученные в результате деления величин Q, Q, Q на величину Q соответственно.
Аналогично можно получить уравнение по содержанию серы
см
при этом, поделив правую и левую части на Q, получаем
Q1
Q2
Q3
Q1
Таким образом, в формулах участвует соотношение расходов K, K, K, в общем случае K, где i=1÷n (число нефтепроводов или число смешиваемых потоков).
Q
Q
i
см
Q
1
2
3
см
Исходя из соотношения вышеуказанных показателей K для автоматического регулирования, задают эти соотношения расходов, например, исходя из плановых объемов; в зависимости от содержания серы или плотности нефти и т.п. Т.о., измеряя расход Q в каждом потоке и в потоке смеси нефтепровода 15 с измерителей 6 и определяя в вычислителе 14 K как отношение расхода Q/Q, получают K для каждого потока. Кроме того, в вычислителе 14 осуществляют суммирование величин Q+Q+Q для получения величины Q, полученные величины пересылают в соответствующий элемент памяти 21 для использования при работе микропроцессора 20.
В известной системе, а также и в заявленной системе поддержание заданных параметров при компаундировании потоков нефти для случая регулирования по показателю плотности не отличаются и осуществляются следующим образом.
1
3
Устанавливают в каждом нефтепроводе 1-3 каждого потока измерители 7-7 плотности. При этом для регулирования по плотности уравнение (7) запишем в виде:
P1
P2
Р3
1
3
1
см
2
cм
3
см
где K, K, К - соотношение плотностей в нефтепроводах 4-4 к плотности смеси в нефтепроводе 5, полученное как отношение P/Р, P/P, Р/Р.
2
Осуществляют определение этих коэффициентов в вычислителе 15 и запоминают полученные величины в элементе памяти 21.
Q1
Q2
Q3
Q1
Q2
Q3
Р1зад
Р2зад
Р3зад
Р
см
зад
Рi
Рi-зад
i
см
зад
Микропроцессор 20 сравнивает величины K, K, К с заданными. Пусть микропроцессор 20 определил, что соотношение расходов не изменилось, т.е. K, K и К находятся в диапазоне заданных значений. Однако он выявил изменение соотношения плотностей, полученных в вычислителе 15, от заданных значений К, К, К. Микропроцессор осуществляет сравнение полученных К из вычислителя 15 и плотностей из измерителей 7 с заданными значениями. При этом пусть выявлено, что Р>Р, тогда и выявляется, что К>К и микропроцессор 20 формирует сигнал регулирования данного потока путем прикрытия заслонки 10 системы автоматического регулирования (задвижки), т.е. изменяя соотношение расхода до тех пор, пока Р=P.
Указанное соотношение расходов запоминается в элементе памяти 21.
см
зад
Рi
Рi-зад
Рассмотрим вариант, когда предыдущее соотношение расходов не изменилось, т.е. микропроцессор 20 определил, что указанное соотношение расходов находится в пределах заданных значений, однако он выявил, что Р<Р, и что К<К, тогда микропроцессор 20
i
формирует сигнал на регулирование по данному потоку путем приоткрывания заслонки 10 CAP, т.е. изменяя соотношение расходов.
Р1
Р1-зад
Р2
Р2-зад
Р3
Р3-зад
cм
зад
Qi
Qi-зад
i
Qi
Qi-зад
см
см-зад
i
cм
см-зад
Пусть микропроцессор 20 выявил, что соотношение плотностей К≤К; К≤К; К≤К, а Р>Р. Определяют соотношение расходов в вычислителе 14 и микропроцессор 20 контролирует соотношение расхода, при выявлении К>К, микропроцессор 20 формирует сигнал регулирования на прикрытие соответствующей заслонки 10 на потоке i (i=1, 2, 3), т.е., уменьшая соотношение расходов. Наоборот, если выявляется К<К и имеется запас качества Р<Р, то микропроцессор формирует сигнал на приоткрывание заслонки 10 и регулирование проводится до тех пор, пока Р≈Р.
Рассмотрим процесс компаундирования при регулировании по параметру серы.
1
3
В известной системе на всех потоках (нефтепроводы 1-3) предусмотрена установка измерителей 8-8 содержания серы. Регулирование осуществляют аналогично регулированию по параметру плотности. При этом применяют формулу (9).
см
или, поделив все части уравнения на S, получим:
1
3
1
3
1
3
S1
1
cм
S2
2
cм
S3
3
см
Таким образом, установив в каждом из потоков нефти (нефтепроводы 1-3 и нефтепровод 5) измерители 8, 8-8 содержания серы, соединив измерители 8-8 и 8 с вычислителем 16, получают соотношения содержания серы в каждом потоке по отношению к смешанному потоку, т.е. K=S/S, K=S/S и К=S/S. Выходы вычислителя 16 связаны с блоком 20 сравнения (микропроцессором) для осуществления регулирования по содержанию серы аналогично как и по плотности или по расходу.
1
3
Однако, измерители 8, 8-8 содержания серы - дорогостоящее оборудование, поэтому желательно ограничить их количество. Поэтому в заявленной системе в отличие от известной для удешевления регулирования по показателю серы предлагается установить один измеритель 8 содержания серы на общем потоке (т.е. на потоке смеси нефти). А на потоках сернистой и высокосернистой нефти, входящих для смешения, измерители содержания серы не устанавливать.
Q1
Q2
Q3
cм
зaд
По заявленной системе регулирование содержания серы (фиг.1) осуществляется следующим образом. Определяют содержание серы в потоках для данного момента времени и по формуле (9) в вычислителе 14 вычисляется соотношение расходов K, K, К при которых S<S. Эти соотношения расходов запоминаются в ячейке памяти микропроцессора.
см
зад
i
Qi
Qзад
Предположим, что микропроцессор 20 выявил, что S≤S, тогда он формирует сигнал на прикрывание заслонки 10 в потоке высокосернистой нефти в нефтепроводе, например, в нефтепроводе 1, в котором нарушилось соотношение расхода, т.е. в котором микропроцессор 20 установил, что K>K.
см
зад
Qi
Qзад
i
cм
зaд
Если микропроцессор 20 сравнения выявил, что S<S, то он осуществляет алгоритм регулирования, аналогичный для нефтепровода, в котором K>К, только заслонка 10 в соответствующем потоке приоткрывается до тех пор, пока микропроцессор 20 не определит, что S≈S.
cм
зaд
i
Рассмотрим случай, когда соотношение расходов, определяемое микропроцессором 20, не изменилось, однако он выявил, что S>S. Следовательно, в одном из потоков увеличилось содержание серы. Поскольку в нефтепроводах высокосернистой нефти не установлены в целях экономии измерители 8 содержания серы, то для определения (вычисления) содержания серы в нефтепроводе высокосернистой нефти можно воспользоваться корреляционной зависимостью между
содержанием серы и плотностью по формуле (1). В практике наблюдается, что при увеличении содержания серы увеличивается значение плотности.
i
i
i
i
В этом случае проверяют поток с повышенным содержанием серы на предмет изменения его плотности с помощью измерителей 7 плотности. В систему вводят вычислитель 22 значения содержания серы по формуле (1). На вход вычислителя подается измеренное значение плотности, а полученное расчетное значение (выход вычислителя 22) подается в блок сравнения 20. Если микропроцессор 20 выявил увеличение плотности и содержания серы в этом потоке, он выдает сигнал на прикрытие заслонки 10 и система вновь становится уравновешенной. Если вычисленное значение содержания серы в потоках высокосернистой нефти не изменилось, а увеличилось содержание серы (или плотности) в потоке с малосернистой или сернистой нефти, то тогда при выявлении этой ситуации микропроцессор формирует сигнал на прикрывание заслонки 10 на одном из потоков с высокосернистой нефтью или на всех примерно на одинаковую величину. Степень прикрытия заслонки 10 больше в нефтепроводе с большим содержанием серы.
cм
зaд
i
В случае, если микропроцессор 20 выявил, что соотношение расходов не изменилось, но обнаружено, что S<S, т.е. на одном из потоков уменьшилось содержание серы, микропроцессор 20 определяют поток, в котором уменьшилась плотность и расчетное значение содержания серы по сравнению с заданной, и формирует сигнал на приоткрывание заслонки 10 и устанавливается новое (другое) соотношение расходов.
1
3
Регулирование или ограничение потока по содержанию воды в известной системе осуществляют путем установки влагомеров (измерители 11-11 в потоках 1-3 и измерителя 11 в смешанном потоке), процесс регулирования аналогичен процессу регулирования по плотности.
При этом используют следующее соотношение:
при этом приводят это уравнение к виду
B1
1
cм
B2
2
cм
B3
3
cм
где K=B/B, K=B/B, K=B/B.
В заявленной системе для удешевления регулирования по показателю содержания воды предлагается установить один измеритель содержания воды на общем потоке (т.е. на потоке смеси нефти).
А на потоках сернистой и высокосернистой нефти, входящих для смешения, измерители содержания воды не устанавливать.
см
зад
Система для случая регулирования содержания воды (фиг.1) работает следующим образом. (В>В).
Q1
Q2
Q3
см
зад
Определяют содержание воды в потоках для данного момента времени и по формуле (13) в вычислителе 14 вычисляется соотношение расходов K, K, К при которых В<В Эти соотношения расходов запоминаются в ячейке памяти микропроцессора.
см
зад
i
Qi
Qзад
Предположим, что микропроцессор 20 выявил, что В>В, тогда он формирует сигнал на прикрывание заслонки 10 в потоке высокосернистой нефти в нефтепроводе, например, в нефтепроводе 1, в котором нарушилось соотношение расхода, т.е. в котором микропроцессор 20 установил, что K>К.
см
зад
Qi
Qзад
i
cм
зaд
Если микропроцессор 20 сравнения выявил, что В<В, то он осуществляет алгоритм регулирования, аналогичный для нефтепровода, в котором K>К, только заслонка 10 в соответствующем потоке приоткрывается до тех пор, пока микропроцессор 20 не определит, что B≈B.
см
зад
Рассмотрим случай, когда соотношение расходов, определяемое микропроцессором 20, не изменилось, однако он выявил, что В>В. Следовательно, в одном из потоков увеличилось содержание воды.
i
Поскольку в нефтепроводах высокосернистой нефти не установлены в целях экономии измерители 11 содержания воды, то для определения (вычисления) содержания воды в нефтепроводе высокосернистой нефти можно воспользоваться корреляционной зависимостью между содержанием воды и плотностью по формуле (5). В практике наблюдается, что при увеличении содержания воды увеличивается и значение плотности.
i
i
i
i
В этом случае проверяют поток с повышенным содержанием воды на предмет изменения его плотности с помощью измерителей 7 плотности. В систему вводят вычислитель 23 значения содержания воды по формуле (5). На вход вычислителя подается измеренное значение плотности, а полученное расчетное значение воды (выход вычислителя 23) подается в блок сравнения 20. Если микропроцессор 20 выявил увеличение плотности и содержания воды в этом потоке, он выдает сигнал на прикрытие заслонки 10 и система вновь становится уравновешенной. Если вычисленное значение содержания воды в потоках высокосернистой нефти не изменилось, а увеличилось содержание воды (или плотности) в потоке с малосернистой или сернистой нефти, то тогда при выявлении этой ситуации микропроцессор формирует сигнал на прикрывание заслонки 10 на одном из потоков с высокосернистой нефтью или на всех примерно на одинаковую величину. Степень прикрытия заслонки 10 больше в нефтепроводе с большим содержанием воды.
см
зад
i
В случае, если микропроцессор 20 выявил, что соотношение расходов не изменилось, но обнаружено, что В<В, т.е. на одном из потоков уменьшилось содержание воды, микропроцессор 20 определяют поток, в котором уменьшилась плотность и расчетное значение содержания воды по сравнению с заданной, и формирует сигнал на приоткрывание заслонки 10 и устанавливается новое (другое) соотношение расходов.
Примечание: При регулировании по параметру серы и по параметру содержания воды необходимо иметь ввиду следующее.
При неизменных показаниях измерителя содержания воды 11 и при изменении показания измерителя содержания серы 8 на смешанном потоке изменение плотности на каждом входящем потоке и на смешанном потоке обусловлено изменением содержания серы. В данном случае регулирование ведется по параметру серы через вычислитель значения серы по измеренным значениям плотности.
В случае, когда показание измерителя содержания воды на смешанном потоке изменяется, а показание измерителя содержания серы не меняется существенно, тогда изменение содержания воды приводит к изменению плотности нефти на входящих потоках (и как следствие и на смешанном потоке). В этом случае с помощью вычислителя содержания воды 23 по измеренным значениям плотности ведется регулирование при необходимости содержания воды в смешанном потоке.
На практике в настоящее время при компаундировании нефтей путем их смешения более актуальным является, как правило, регулирование по параметру содержания серы.
В заявленной системе регулирование или ограничение потока по содержанию хлористых солей осуществляется также, как и по известной системе.