УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ ЗАГИДРАЧИВАНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РАБОТАЮЩЕГО ГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Полезная модель относится к устройствам, применяемым при добыче и подготовке природного газа, предназначена для автоматического контроля степени загидрачивания и изменения технического состояния работающего газового оборудования (газопроводов, теплообменников, запорной и регулирующей арматуры и т.п.) и может быть использована в газовой и нефтегазовой промышленности.
Загидрачивание газового оборудования приводит к авариям и является одной из основных причин его останова. Так, основной причиной останова и продувки газовых шлейфов и технологических линий низкотемпературной сепарации газа является необходимость удаления гидратных пробок. Это приводит к прекращению процесса добычи и подготовки газа и необходимости сжигания выдуваемого газа. Общие затраты на предупреждение образования гидратных пробок и их ликвидацию могут достигать 30% промысловой себестоимости газа [Макогон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. - М.: Недра, 1985].
Имеется множество технических решений для автоматического контроля гидратов в работающем газовом оборудовании, однако эта задача до сих пор полностью не решена.
8
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков и принятым в качестве прототипа является «Способ контроля степени загидрачивания и технического состояния работающего газового оборудования» [RU №2556482 C2; МПК: E21B 43/00, F17D 5/00; опубл. 27.06.2014], согласно которому периодически измеряют давление газа до и после газового оборудования, температуру газа внутри или до и после газового оборудования, расход газа через газовое оборудование или перепад давления газа на замерном сужающем устройстве, находящемся в потоке газа, проходящем через газовое оборудование, а для газового оборудования, регулирующего поток газа, дополнительно используют относительную площадь или степень открытия его проходного сечения. По полученным значениям формируют показатель загидрачивания газового оборудования и по степени отклонения текущего значения этого показателя от базового, определенного при заведомо безгидратном режиме работы, судят о степени загидрачивания газового оборудования. А определяемые в безгидратном режиме работы газового оборудования базовые значения показателя загидрачивания используют в качестве показателя технического состояния газового оборудования.
Однако в описании данного способа не раскрыта техника его осуществления. В частности, не показано, каким образом создают заведомо безгидратные режимы работы газового оборудования и как определяют и используют базовые значения показателя загидрачивания в качестве показателя технического состояния газового оборудования.
Полезная модель решает задачу практической реализации указанного выше способа в виде устройства для автоматического контроля степени загидрачивания и изменения технического состояния работающего газового оборудования, обеспечивая при этом следующий технический результат:
- автоматический контроль степени загидрачивания работающего газового оборудования;
- автоматический контроль степени изменения технического состояния работающего газового оборудования.
Достижение названного технического результата обеспечивается совокупностью существенных признаков полезной модели, выражающих ее сущность как технического решения.
Существенные признаки полезной модели, имеющиеся в указанном выше способе, принятом в качестве прототипа:
- учет влияния всех основных технологических параметров, связанных с отложением гидратов, за счет использования информации от совокупности датчиков измерения технологических параметров газового оборудования (давления газа до и после газового оборудования, температуры газа внутри или до и после газового оборудования, расхода газа через газовое оборудование или перепада давления газа на замерном сужающем устройстве в потоке проходящего газа, а для регулирующего поток газа газового оборудования еще и относительной площади или степени открытия его проходного сечения);
- определение текущего значения показателя загидрачивания работающего газового оборудования по совокупности его основных периодически измеряемых технологических параметров в вычислителе текущего значения показателя загидрачивания;
- независимость определения текущего значения степени загидрачивания и изменения технического состояния газового оборудования от процесса регулирования расхода газа через данное газовое оборудование благодаря учету влияния этого расхода наряду с другими параметрами в указанной совокупности основных технологических параметров газового оборудования;
- создание заведомо безгидратного режима работы газового оборудования с целью определения базового значения показателя загидрачивания;
- определение степени загидрачивания газового оборудования по степени отклонения текущего значения показателя загидрачивания от его базового значения в первом вычислителе относительной степени отклонения (элементе сравнения);
- использование базового значения показателя загидрачивания, определяемого в безгидратном режиме работы газового оборудования, в качестве показателя технического состояния газового оборудования.
Существенные признаки полезной модели, отличительные от указанного выше способа, принятого в качестве прототипа:
- создание безгидратного режима работы газового оборудования путем переключения штатного исполнительного устройства, впрыскивающего ингибитор гидратообразования в поток газа, на сигнал-команду полного его открытия посредством переключателя, управляемого переключающим реле (контактами этого реле);
- инициирование периодического срабатывания переключающего реле посредством генератора прямоугольных импульсов;
- автоматическое запоминание текущего значения показателя загидрачивания работающего газового оборудования через первый нормально разомкнутый ключ в запоминатель (память) базового безгидратного значения показателя загидрачивания по окончании каждой подачи ударной дозы ингибитора гидратообразования;
- использование в качестве первого нормально разомкнутого ключа функционального элемента типа "аналоговый ключ" с аналоговыми входом и выходом и управляющим цифровым входом;
- управление первым нормально разомкнутым ключом по сигналу от первого ждущего мультивибратора (одновибратора), связанного через логический элемент HE с генератором прямоугольных импульсов.
Дополнительные существенные признаки, характеризующие полезную модель в случае ее использования лишь для контроля технического состояния работающего газового оборудования:
- автоматическое копирование значения из запоминателя (памяти) базового безгидратного значения показателя загидрачивания работающего газового оборудования через второй нормально разомкнутый ключ в запоминатель (память) предыдущего базового безгидратного значения показателя загидрачивания в начале каждой подачи ударной дозы ингибитора гидратообразования;
- управление вторым нормально разомкнутым ключом по сигналу от второго ждущего мультивибратора (одновибратора), связанного с генератором прямоугольных импульсов;
- использование второго вычислителя относительной степени отклонения (элемента сравнения) для определения степени изменения технического состояния газового оборудования.
В случае использования полезной модели лишь для контроля технического состояния работающего газового оборудования ингибитор гидратообразования в поток газа не подается, а для повышения эффективности такого контроля генератор прямоугольных импульсов должен генерировать достаточно длительные (многочасовые) импульсы с короткими паузами между ними.
Полезная модель поясняется чертежом, где приведена функциональная схема ее устройства.
На схеме обозначены:
1 - регулирующее или не регулирующее поток газа газовое оборудование, в котором могут откладываться газовые гидраты;
1
2 - датчик давления потока газа P перед газовым оборудованием;
2
3 - датчик давления потока газа P после газового оборудования;
4 - датчик температуры газа T в газовом оборудовании;
5 - датчик расхода потока газа F через газовое оборудование (или датчик перепада давления газа ΔP на замерном сужающем устройстве, находящемся в потоке газа, проходящем через это газовое оборудование);
6 - датчик относительной площади (или степени) открытия S проходного сечения для газового оборудования, регулирующего поток газа;
7 - вычислитель текущего значения показателя загидрачивания;
8 - исполнительное устройство (например, клапан) на трубопроводе ввода ингибитора гидратообразования в поток газа, проходящий через газовое оборудование, в котором могут образовываться гидраты;
9 - переключатель источника сигнала управления исполнительным устройством ввода ингибитора гидратообразования (управление от сигнала внешней системы или устройства, или от сигнала «Открыть на 100%»);
10 - переключающее реле, управляющее переключателем источника сигнала управления исполнительным устройством ввода ингибитора гидратообразования;
11 - генератор прямоугольных импульсов, инициирующий периодическую ударную подачу ингибитора гидратообразования;
12 - логический элемент НЕ (инвертор);
13 - первый ждущий мультивибратор (одновибратор);
14 - первый нормально разомкнутый ключ (аналоговый ключ) в линии передачи информации;
15 - запоминатель (память) базового (безгидратного) значения показателя загидрачивания;
16 - первый вычислитель относительной степени отклонения (элемент сравнения);
17 - второй ждущий мультивибратор (одновибратор);
18 - второй нормально разомкнутый ключ (аналоговый ключ) в линии передачи информации;
19 - запоминатель (память) предыдущего базового (безгидратного) значения показателя загидрачивания;
20 - второй вычислитель относительной степени отклонения (элемент сравнения). Пунктирными линиями обозначены связи, посредством которых между элементами передаются управляющие сигналы или механические усилия.
Полезная модель может быть выполнена в виде отдельного устройства на элементах жесткой логики с использованием микропроцессорного вычислителя или в рамках АСУ ТП на базе программируемого логического контроллера в подсистеме управления подачей ингибитора гидратообразования в поток газа, проходящий через газовое оборудование, в котором могут откладываться гидраты.
Полезная модель осуществляется в соответствии со схемой, показанной на чертеже, и работает следующим образом.
Основные технологические параметры газового оборудования 1, которое может регулировать или не регулировать расход газа, периодически (например, раз в 5 секунд) измеряются совокупностью датчиков 2-6.
В вычислителе 7 с периодом опроса совокупности датчиков 2-6 рассчитывается текущее значение показателя загидрачивания работающего газового оборудования 1. Для газового оборудования, не регулирующего поток газа, показатель загидрачивания вычисляется по формуле
а для газового оборудования, регулирующего поток газа, показатель загидрачивания вычисляется по формуле
2
2
где P, P - давление газа до и после газового оборудования;
T - температура газа в газовом оборудовании;
F - расход газа через газовое оборудование;
z - z(P, T) - коэффициент сжимаемости данного газа, зависящий от его давления P и температуры T;
1
P - среднее давление газа в газовом оборудовании, P=(P+P2)/2;
s - относительная площадь (или степень) открытия газового оборудования, регулирующего поток газа.
Коэффициент сжимаемости газа «z» рассчитывается по среднему давлению P и температуре T газа с использованием известных методик или стандартов, например, по формулам из [ГОСТ 30319.2-96 «Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости»]. В случае мало изменяющихся P и T с целью упрощения в качестве коэффициента сжимаемости z может использоваться некоторое его условно-постоянное значение.
1
2
При вычислении показателя загидрачивания газового оборудования (как не регулирующего, так и регулирующего поток газа) в формулах (1) и (2) вместо расхода газа F через газовое оборудование может использоваться корень квадратный из перепада давления ΔP на замерном сужающем устройстве, находящемся в потоке газа, проходящем через данное газовое оборудование (как известно, такой перепад давления прямо пропорционален расходу газа). А вместо температуры газа T в газовом оборудовании может использоваться среднее арифметическое температур газа на его входе и выходе T=(T+T)/2. В обоих случаях такой замены порядок значений показателя загидрачивания изменится, однако общий характер поведения показателя загидрачивания останется прежним: по мере загидрачивания газового оборудования значение показателя загидрачивания будет уменьшаться от некоторого «безгидратного» значения вплоть до нуля при полном загидрачивании.
Вместо датчиков 2-6 с вычислителем 7 текущего значения показателя загидрачивания в полезной модели в качестве измерителя загидрачивания газового оборудования может использоваться любое иное устройство («датчик гидратов»), на выходе которого будет формироваться значение, эквивалентное текущему загидрачиванию газового оборудования. Принцип работы рассматриваемой полезной модели от этого не изменится.
В трубопроводе ввода ингибитора гидратообразования в поток газа находится исполнительное устройство 8, регулирующее подачу ингибитора.
Управление исполнительным устройством 8 с помощью переключателя 9 может переключаться с штатного управления по сигналу от внешней системы или устройства на принудительный сигнал «Открыть на 100%».
Переключателем 9 источника сигнала управления исполнительным устройством 8 управляет переключающее реле 10.
Исполнительное устройство 8 может быть, например, соленоидным клапаном, осуществляющим периодический впрыск метанола в поток газа. Периодичность открытия такого клапана обычно находится в диапазоне от 100 до 600 с, а длительность его периодического открытия варьируется внешней системой или устройством управления в диапазоне от 0 до соответственно 100-600 с, чем и регулируется некоторая усредненная подача ингибитора. При переключении управления такого клапана на сигнал «Открыть на 100%» он полностью открывается или остается полностью открытым (если был открыт) до переключения переключателя 9 посредством переключающего реле 10 обратно на штатное управление от внешней системы или устройства.
Генератор прямоугольных импульсов 11 периодически (например, через каждые несколько часов) генерирует прямоугольный импульс длительностью, достаточной для гарантированного удаления гидратов вводимой ударной дозой ингибитора гидратообразования (например, одна-две минуты).
В течение длительности импульса от генератора прямоугольных импульсов 11 переключающее реле 10 переключателем 9 переключает управление исполнительным устройством 8 на сигнал «Открыть на 100%». По этому сигналу исполнительное устройство 8 полностью открывается и в поток газа, проходящий через газовое оборудование 1, вводится ударная доза ингибитора гидратообразования, приводящая к разложению и удалению образовавшихся гидратов.
По заднему фронту импульса от генератора прямоугольных импульсов 11 выход логического элемента HE (инвертор) 12 переключается с логического "0" в логическую "1" и первый ждущий мультивибратор (одновибратор) 13 формирует короткий прямоугольный импульс (доли секунды), по которому первый ключ 14 кратковременно замыкает линию передачи информации, и значение текущего значения показателя загидрачивания, получаемое на выходе вычислителя 7, запоминается в запоминатель (память) базового безгидратного значения показателя загидрачивания 15. Таким образом по окончании каждой подачи ударной дозы ингибитора гидратообразования текущее безгидратное значение показателя загидрачивания запоминается как новое базовое. Так осуществляется периодическая автоподстройка базового (безгидратного) значения показателя загидрачивания газового оборудования - ведь кроме загидрачивания оборудование может изнашиваться, засоряться, постепенно внутренне разрушаться.
На выходе первого вычислителя относительной степени отклонения (элемента сравнения) 16 формируется относительная степень отклонения текущего значения показателя загидрачивания от его базового безгидратного значения, то есть степень загидрачивания (СЗ), %, работающего газового оборудования, которая может оцениваться, например, в относительных процентах по формуле
где  - последнее базовое безгидратное значение показателя загидрачивания газового оборудования (не регулирующего или регулирующего поток газа - индекс "н" или "р" для простоты опущен);
Г
П - текущее значение показателя загидрачивания газового оборудования (не регулирующего или регулирующего поток газа - индекс "н" или "р" для простоты опущен).
По мере загидрачивания газового оборудования значение степени загидрачивания СЗ будет увеличиваться от 0% (отсутствие гидратов) до 100% (полное загидрачивание оборудования) и может использоваться в качестве обратной связи при управлении подачей ингибитора гидратообразования в поток газа, проходящий через газовое оборудование.
По переднему фронту импульса от генератора прямоугольных импульсов 11 второй ждущий мультивибратор (одновибратор) 17 формирует короткий прямоугольный импульс (доли секунды), по которому второй ключ 18 кратковременно замыкает линию передачи информации, и значение базового безгидратного значения показателя загидрачивания из запоминателя 15 копируется в запоминатель (память) предыдущего базового безгидратного значения показателя загидрачивания 19. Таким образом в начале подачи каждой ударной дозы ингибитора гидратообразования имеющееся базовое безгидратное значение показателя загидрачивания запоминается как предыдущее.
На выходе второго вычислителя относительной степени отклонения (элемента сравнения) 20 формируется относительная степень отклонения нового базового безгидратного значения показателя загидрачивания от его предыдущего базового безгидратного значения, то есть степень изменения технического состояния СИТС, %, работающего газового оборудования, которая может оцениваться, например, в относительных процентах по формуле
где  - предыдущее базовое безгидратное значение показателя загидрачивания газового оборудования (не регулирующего или регулирующего поток газа - индекс "н" или "р" для простоты опущен);
- новое (последнее) базовое безгидратное значение показателя загидрачивания газового оборудования (не регулирующего или регулирующего поток газа - индекс "н" или "р" для простоты опущен).
По знаку и характеру изменения значения степени изменения технического состояния (СИТС) газового оборудования можно судить об изменении технического состояния работающего газового оборудования. Так, существенный рост значения СИТС может говорить о засорении газового оборудования, например, отложениями песка, а отрицательные значения СИТС могут свидетельствовать о существенном износе или, например, внутреннем разрушении газового оборудования.
При реализации полезной модели целиком и полностью в контроллере АСУ ТП алгоритм его работы может быть следующим.
1: Включить «таймер ингибитора» (например, 1 минута).
2: Выдать клапану 8 ввода ингибитора в поток газа команду на полное открытие и заблокировать штатное управление этим клапаном от других алгоритмов АСУ ТП.
3: Скопировать значение из памяти 15 (базовое значение показателя загидрачивания газового оборудования) в память 19 (предыдущее базовое значение этого показателя).
4: Включить «таймер опроса датчиков» (например, 5 секунд).
5: Выполнить подалгоритм «Вычисление текущего значения показателя загидрачивания и оценка степени загидрачивания газового оборудования».
6: Если истек «таймер ингибитора», то к п. 8, иначе далее.
7: Если истек «таймер опроса датчиков», то к п. 4, иначе ожидание и к п. 4.
8: Включить «таймер паузы» (например, 1 час).
9: Разблокировать штатное управление клапаном 8 ввода ингибитора в поток газа от других алгоритмов АСУ ТП.
10: Запомнить в памяти 15 последнее текущее значение показателя загидрачивания газового оборудования, рассчитанное вычислителем 7, как новое базовое значение этого показателя.
11: Вычислить по формуле (4) в вычислителе 20 степень изменения технического состояния (СИТС) газового оборудования, используя базовое значение показателя загидрачивания газового оборудования из памяти 15 и предыдущее базовое значение этого показателя из памяти 19.
12: Если СИТС больше нормы, то сигнализировать оператору о возможном засорении газового оборудования, а если СИТС больше нормы по модулю, но имеет отрицательное значение, то сигнализировать оператору о возможном износе или внутреннем разрушении газового оборудования.
13: Включить «таймер опроса датчиков» (например, 5 секунд).
14: Выполнить подалгоритм «Вычисление текущего значения показателя загидрачивания и оценка степени загидрачивания газового оборудования».
15: Если истек «таймер паузы», то к п. 1, иначе далее.
16: Если истек «таймер опроса датчиков», то к п. 13, иначе ожидание и к п. 13.
Здесь «таймер опроса датчиков» - это периодичность опроса датчиков 2-6 и вычисления текущего значения показателя загидрачивания в вычислителе 7.
«Таймер ингибитора» - это эквивалент длительности импульсов от генератора импульсов 11, инициирующего подачу ударной дозы ингибитора гидратообразования (значение «таймер ингибитора» должно быть достаточным для полного удаления возможных гидратоотложений в газовом оборудовании в течение подачи ударной дозы ингибитора гидратообразования).
«Таймер паузы» - это эквивалент паузы между импульсами от генератора импульсов 11, то есть пауза между заведомо безгидратными режимами работы газового оборудования (эта пауза должна быть меньше интервала времени, в течение которого может произойти опасное загидрачивание газового оборудования).
Разумеется, должно соблюдаться соотношение «таймер паузы»>«таймер ингибитора»>«таймер опроса датчиков», а для полной согласованности «таймер паузы» и «таймер ингибитора» должны быть кратны «таймеру опроса датчиков».
Подалгоритм «Вычисление текущего значения показателя загидрачивания и оценка степени загидрачивания газового оборудования»
1: Опросить показания датчиков 2-6.
2: Вычислить в вычислителе 7 по полученным показаниям датчиков 2-6 текущее значение показателя загидрачивания работающего газового оборудования 1 по формуле (1), если газовое оборудование не регулирует поток газа, или по формуле (2), если газовое оборудование регулирует поток газа.
3: Вычислить по формуле (3) в вычислителе 16 степень загидрачивания (СЗ) газового оборудования, используя текущее значение показателя загидрачивания газового оборудования от вычислителя 7 и базовое "безгидратное" значение этого показателя из памяти 15. Если СЗ больше допустимого значения (например, больше 5%), то сигнализировать оператору об опасности загидрачивания газового оборудования.
Загидрачивание газового оборудования происходит на фоне его постепенного засорения или износа, однако в интервале времени между заведомо безгидратными режимами работы газового оборудования полезная модель контролирует именно степень загидрачивания работающего газового оборудования, а не какую-либо иную причину отклонения текущего значения показателя загидрачивания от его базового значения.
3
3
3
Во многих источниках, например в работе [Вяхирев Р.И., Коротаев Ю.П. Теория и опыт разработки месторождений природных газов. – М.: Недра, 1999], говорится о недопустимости песка в потоке транспортируемого газа. Песок приводит к ускоренному износу трубопроводов, прорыву газа и возникновению огнеопасных аварийных ситуаций. Режим с выносом песка является недопустимым, а его предотвращению посвящен ряд специальных технических решений, например работа [патент №2285909 на «Способ контроля выноса песка из газовой скважины», опубл. 10.07.2006]. Но какие-то мельчайшие частицы песка и продукты внутренней коррозии и эрозии газопровода в потоке газа все-таки имеются. Данные, позволяющие оценить интенсивность накопления твердых примесей (песка) в газовом оборудовании, приведены в работе [патент №2454535 на «Способ определения параметров работы скважины в газосборную сеть», опубл. 27.06.2012]. При дебите скважины 563 тыс. м/сут и выявленных 0,6 мм твердых примесей на 1 м газа интенсивность выноса с газом твердых примесей получается равной 0,3378 литров в сутки.
О скорости внутреннего истирания (эрозии) газового оборудования сказано в работе [Рекомендации по оценке работоспособности дефектных участков газопроводов. – P 51-31323949-42-99. - Москва, 1998], отмечающей, что эрозионный износ стенок труб на криволинейных участках, вызванный высокими скоростями твердых частиц, переносимых газом, является одним из факторов, снижающих остаточный ресурс трубопроводов, а опыт применения нормативного документа [Инструкция по контролю толщин стенок надземных газопроводов, технологической обвязки КС, ДКС, ГРС и гребенок подводных переходов магистральных газопроводов. - ВНИИГАЗ, 1987] показал, что скорость эрозионного износа составляет до 0,3 мм в год.
Скорость отложения гидратов намного выше скорости засорения или износа газового оборудования. Этот факт отражен в ряде источников [Макогон Ю.Ф., Саркисьянц Г.А. Предупреждение образования гидратов при добыче и транспорте газа. - М.: Недра, 1966, с. 41-44; Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. - М.: Недра, 1974, с. 77-78]. В работе [Гидраты: монография / Е.П. Запорожец, Н.А. Шостак. - Краснодар: Издательский Дом - Юг, 2014, с. 259] отмечается, что при образовании гидратов и накоплении их в скважинах сплошная пробка может образоваться за 5-10 ч. Особенно быстро образуются гидратные отложения при газодинамических исследованиях скважин на приток по затрубному кольцевому пространству, иногда достаточно 1-2 ч для получения сплошной пробки.
Таким образом, скорость роста гидратов в газовом оборудовании (полное загидрачивание в течение нескольких часов) намного превышает скорость притока твердых примесей (до 0,4 л/сутки) и, тем более, скорость внутренней абразивной эрозии газового оборудования (до 0,3 мм в год). Поэтому на интервале времени между заведомо безгидратными режимами работы газового оборудования полезная модель оценивает именно степень загидрачивания газового оборудования, а не степень отложения песка или эрозии внутренних стенок.
Краткосрочные изменения состояния газового оборудования, вызываемые внезапными наносами песка, поломками или неожиданными внешними механическими воздействиями (вмятинами), обнаруживаются полезной моделью по изменению смежных базовых значений показателя загидрачивания, определяемых в смежных заведомо безгидратных режимах.
Долгосрочные плавные изменения состояния газового оборудования, вызываемые постепенными отложениями песка или постепенной внутренней эрозией, могут быть обнаружены по тенденции изменения ряда базовых значений показателя загидрачивания (определяемых в заведомо безгидратных режимах) лишь на достаточно длительном временном интервале.