СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛОТНОСТИ НЕСТАБИЛЬНОГО ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА, ПОДАВАЕМОГО В МАГИСТРАЛЬНЫЙ КОНДЕНСАТОПРОВОД, С ПРИМЕНЕНИЕМ ТУРБОДЕТАНДЕРНОГО АГРЕГАТА, НА УСТАНОВКАХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СЕПАРАЦИИ ГАЗА В РАЙОНАХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
METHOD FOR AUTOMATIC MAINTENANCE OF DENSITY OF UNSTABLE GAS CONDENSATE SUPPLIED TO MAIN CONDENSATE LINE, USING TURBOEXPANDER UNIT, IN INSTALLATIONS OF LOW-TEMPERATURE GAS SEPARATION IN AREAS OF EXTREME NORTH

Изобретение относится к области добычи и подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту на Крайнем Севере, в частности, к автоматическому поддержанию на установке низкотемпературной сепарации газа (далее установка) плотности нестабильного газового конденсата (НГК), подаваемого в магистральный конденсатопровод (МКП).
Известен способ автоматизации установки низкотемпературной сепарации газа, включающий автоматическое поддержание температуры сепарации, расхода газа и давлений на установке. [См., например, стр. 112, Б.Ф. Тараненко, В.Т. Герман. Автоматическое управление газопромысловыми объектами. М., "Недра", 1976 г., 213 с.],
Недостатком данного способа является то, что в нем не предусмотрено управление степенью дегазации и, соответственно, поддержание плотности НГК при подаче его в МКП. А это может вызвать ряд проблем, связанных с появлением газовых пробок и их скоплений в конденсатопроводе. Наличие таких пробок может стать причиной серьезных осложнений и аварий, приводящих к материальным, людским и экологическим потерям. [См. например, А.А. Коршак, А.И. Забазнов, В.В. Новоселов и др. Трубопроводный транспорт нестабильного газового конденсата. - М.: ВНИИОЭНГ, 1994.].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ автоматизации установки низкотемпературной сепарации газа, включающий автоматическое поддержание заданных значений температур и давлений на установке. [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.]. Степень дегазации НГК в данном способе поддерживается путем его нагрева, используя змеевик-подогреватель, установленный в емкости дегазатора-разделителя.
Существенным недостатком данного способа является то, что из-за инерционности процесса нагрева и отсутствия контроля значения плотности НГК, подаваемого в МКП, степень дегазации и поддержание плотности НГК при подаче его в МКП осуществляется практически «вслепую», без точного управления процессом.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является автоматическое поддержание плотности НГК, подаваемого в МКП, с учетом норм и ограничений, предусмотренных технологическим регламентом установки для условий Крайнего Севера.
Техническими результатами, достигаемыми от реализации изобретения, является автоматическое поддержание плотности НГК в рамках норм и ограничений, предусмотренных технологическим регламентом установки для различных режимов ее работы. Заявляемый способ обеспечивает контроль и подержание заданной плотности НГК, подаваемого в МКП, с целью предотвращения образования газовых пробок и их скоплений в конденсатопроводе. Благодаря чему повышается надежность эксплуатации МКП и снижение вероятности рисков осложнений и аварий, которые могут привести к серьезным экологическим, людским и материальным потерям.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ автоматического поддержания плотности НГК, подаваемого в МКП, с применением турбодетандерного агрегата (ТДА), на установках низкотемпературной сепарации газа в районах Крайнего Севера, включает очистку поступающей газоконденсатной смеси в установку от механических примесей и разделение его на НГК, газ и водный раствор ингибитора (ВРИ), с последующим отводом НГК и ВРИ в разделитель жидкостей для дегазации. Из разделителя жидкостей ВРИ отводят на регенерацию ингибитора в цех регенерации ингибитора, а НГК подается насосом в МКП. Газ - газ выветривания из разделителя жидкости отправляют для использования на собственные нужды, на компремирование с последующей закачкой в магистральный газопровод (МГП), или на утилизацию.
Для достижения поставленной цели осуществляют контроль датчиком плотности плотность НГК, подаваемого в МКП. Одновременно контролируют датчиком температуры температуру газа на выходе низкотемпературного сепаратора, величина которой автоматически поддерживается путем управления скоростью вращения ротора ТДА, которая задается каскадом из двух пропорционально-интегрально-дифференцирующих (ПИД) регуляторов, реализованных на базе автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) установки.
Для этого на вход задания SP ПИД-регулятора поддержания плотности НГК на выходе разделителя жидкостей подают сигнал уставки плотности НГК, значение которой задает обслуживающий персонал. А на вход обратной связи PV этого же ПИД-регулятора подают сигнал значения фактической плотности НГК с датчика, установленного на выходе разделителя жидкостей. Сравнивая эти сигналы, ПИД-регулятор формирует на своем выходе CV сигнал уставки частоты вращения ротора ТДА, обеспечивающей необходимое охлаждение газожидкостной смеси, поступающей на вход низкотемпературного сепаратора, и гарантирующей достижение необходимой плотности НГК на выходе разделителя жидкостей. Сигнал этой уставки АСУ ТП подает на вход задания SP ПИД-регулятора управления скоростью вращения ротора ТДА. Одновременно на вход обратной связи PV этого ПИД-регулятора с датчика частоты вращения ротора ТДА подается сигнал фактической скорости вращения ротора ТДА. Сравнивая поступающие на свои входы сигналы, ПИД-регулятор управления скоростью вращения ротора ТДА формирует на своем выходе CV сигнал управления клапаном-регулятором, установленном на выходе турбины ТДА. Благодаря этому осуществляется управление объемом осушенного газа, выходящего из низкотемпературного сепаратора и прокачиваемого через компрессор ТДА. При этом АСУ ТП одновременно контролирует и давление в разделителе жидкостей, автоматически поддерживая его заданное значение с помощью клапана-регулятора, установленного на выводе газа из разделителя жидкостей.
В процессе решения задачи поддержания заданной плотности НГК, температура в низкотемпературном сепараторе может достигнуть своих предельных значений - верхнего либо нижнего. Их значения обозначены в технологическом регламенте установки. Так же рабочий орган клапана-регулятора, управляющего объемом осушенного газа, выходящего из низкотемпературного сепаратора и прокачиваемого через компрессор ТДА, может достигать своего крайнего положения - закрытого или открытого. Во всех этих случаях АСУ ТП формирует сообщение оператору о невозможности достижения заданной плотности НГК, подаваемого в МГП, и необходимости принятия решения об изменении режима работы установки.
На фиг. 1 приведена принципиальная технологическая схема установки и в ней использованы следующие обозначения:
1 - входная линия установки;
2 - сепаратор первой ступени сепарации;
3 - АСУ ТП установки;
4 - рекуперативный теплообменник «газ-газ»;
5 - рекуперативный теплообменник «газ-конденсат»;
6 - датчик давления, установленный в разделителе жидкостей;
7 - разделитель жидкостей;
8 - клапан-регулятор давления;
9 - датчик плотности НГК, установленный на выходе разделителя жидкостей 7;
10 - насосный агрегат;
11 - МКП;
12 - низкотемпературный сепаратор;
13 - датчик температуры, установленный в низкотемпературном сепараторе 12;
14 - ТДА;
15 - датчик частоты вращения ротора ТДА;
16 - МГП;
17- клапан-регулятор расхода газа;
На фиг. 2 приведена структурная схема автоматического управления поддержания плотности на установке и в ней использованы следующие обозначения:
18 - сигнал с датчика 15 частоты вращения ротора ТДА 14, поступающий на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 22;
19 - сигнал с датчика 9 плотности НГК, поступающий на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 21;
20 - сигнал уставки плотности НГК, подаваемого в МКП 11, поступающий на вход задания SP ПИД-регулятора 21;
21 - ПИД-регулятор поддержания плотности НГК, подаваемого в МКП 11;
22 - ПИД-регулятор поддержания частоты вращения ротора ТДА 14;
23 - управляющий сигнал, подаваемый на клапан-регулятор расхода газа 17.
Способ автоматического поддержания плотности НГК, подаваемого в МКП, с применением ТДА, на установках низкотемпературной сепарации газа в районах Крайнего Севера, реализуют следующим образом.
Газожидкостная смесь через входную линию 1 подается на вход сепаратора первой ступени сепарации 2, в котором происходит ее очищение от механических примесей, частичное выделение НГК и водного раствора ингибитора (ВРИ), которые по мере накопления в нижней части сепаратора 2 отводят в разделитель жидкостей 7. Частично очищенную от капельной влаги и пластовой жидкости газожидкостную смесь с выхода сепаратора первой ступени сепарации 2 разделяют на две части и подают на входы первых секций рекуперативных теплообменников 4 «газ-газ» и 5 «газ-конденсат» для предварительного охлаждения. Далее с выходов первых секций теплообменников 4 и 5 потоки газожидкостной смеси объединяют и подают на вход турбины ТДА 14, где в результате процесса адиабатического расширения происходит понижение температуры газожидкостной смеси. Рабочее колесо турбины ТДА 14 соединено валом с рабочим колесом компрессора и оснащено датчиком частоты вращения 15. Необходимая температура в низкотемпературном сепараторе 12 автоматически поддерживается путем изменения холодопроизводительности ТДА 14, достигаемой управлением частотой вращения его ротора. Управление частотой вращения ротора производится путем регулирования степени расширения газа в ТДА с помощью клапана-регулятора расхода газа 17, установленного на выходе компрессора ТДА 14. С выхода турбины ТДА 14 охлажденную смесь подают в низкотемпературный сепаратор 12, оснащенный датчиком температуры 13. В сепараторе происходит окончательное отделение газа от НГК и ВРИ. Осушенный и охлажденный газ с выхода низкотемпературного сепаратора 12 через вторую секцию рекуперативного теплообменника 4 «газ-газ» подают на вход компрессора ТДА 14. С выхода компрессора ТДА 14 газ через клапан-регулятор 17 подают в МГП и далее потребителю. НГК и ВРИ, по мере накопления в нижней части сепаратора 12, отводят через вторую секцию рекуперативного теплообменника 5 «газ-конденсат» в разделитель жидкостей 7, оснащенный датчиком давления 6. Поступающая в разделитель жидкости 7 из сепараторов смесь НГК и ВРИ подвергается разделению и дегазации. Поток выделенного газа (выветренный газ) из разделителя жидкости 7 отводят через клапан-регулятор давления 8 для использования на собственные нужды, на компремирование для подачи в МГП 16 или на утилизацию. ВРИ отправляют на регенерацию. НГК отводят по трубопроводу, оснащенному датчиком плотности 9, на вход насосного агрегата 10 и дальнейшей транспортировки по МКП 11 потребителям.
Плотность НГК, подаваемого в МКП 11, автоматически поддерживается путем изменения степени извлечения легких фракций НГК из газожидкостной смеси в низкотемпературном сепараторе 12. Это достигается корректировкой в нем температуры, реализуемой путем изменяя холодопроизводительности ТДА 14, осуществляемого управлением частотой вращения его ротора.
Для этого значение плотности НГК, подаваемого в МКП 11, задается обслуживающим персоналом в виде уставки - сигнал 20, которой подают на вход задания SP ПИД-регулятора 21 поддержания плотности НГК в МКП. На вход 19 обратной PV связи этого ПИД-регулятора подают значение фактической плотности НГК с датчика измерения плотности 9. В результате их обработки ПИД-регулятор 21 на своем выходе CV формирует значение уставки частоты вращения ротора ТДА 14, которую необходимо поддерживать. Эта уставка подается на вход задания SP ПИД-регулятора 22 поддержания частоты вращения ротора ТДА 14, а на вход обратной связи PV этого же ПИД-регулятора подают сигнал 18 значения частоты вращения ротора ТДА с датчика 15. В результате обработки входных сигналов ПИД-регулятор 22 на своем выходе CV будет формироваться сигнал 23 управления степенью открытия/закрытия клапана-регулятора 17, управляя тем самым скоростью вращения ротора ТДА 14, и, следовательно, температурой в сепараторе 12.
В случае, когда текущее значение плотности НГК превысит значение заданной уставки, то ПИД-регулятор 21 поддержания плотности НГК повышает значение уставки частоты вращения для ПИД-регулятора 22 поддержания частоты вращения ротора ТДА 14. В результате этого ПИД-регулятор 22 формирует соответствующий управляющий сигнал 23, который подается на исполнительный механизм клапана-регулятора 17. Клапан приоткроется, что приведет к повышению частоты вращения ротора ТДА 14, и, соответственно, температура в низкотемпературном сепараторе 12 понизится. А это приведет к увеличению выделения «легких» фракций из газожидкостной смеси, и плотность НГК понизится. В случае, когда плотность должна быть повышена, операция произойдет в обратном направлении.
Возможны случаи, когда рабочий орган клапана-регулятора 17 достигнет своего крайнего положения (закрытого либо открытого), или температура в низкотемпературном сепараторе 12, контролируемая датчиком 13, достигнет предельных значений (верхнего либо нижнего) обозначенных в технологическом регламенте установки. В этих случаях АСУ ТП 3 установки формирует сообщение оператору о невозможности достижения заданной плотности НГК в МКП и рекомендует принять решение об изменении режима работы установки.
Так же АСУ ТП 3 в реальном масштабе времени поддерживает определенное технологическим регламентом установки и заданное обслуживающим персоналом в виде уставки значение давления в разделитель жидкостей 7. Для этого она контролирует его текущее значение, сигнал которого поступает с датчика давления 6, и осуществляет управление им путем изменения степени открытия КР 8. Благодаря этому обеспечивается требуемый подпор давления в разделитель жидкостей 7 с целью предотвращения образования вакуума и поддержания требуемого уровня конденсата.
Настройку данных ПИД-регуляторов проводит обслуживающий персонал в момент запуска системы в работу под конкретные условия добычи согласно методу, изложенному, например, в «Энциклопедии АСУ ТП», п. 5.5, ПИД-регулятор. Ресурс: http://www.bookasutp.ru/Chapter5_5.aspx#HandTuning.
Способ автоматического поддержания плотности НГК, подаваемого в МКП, с применением ТДА, на установках низкотемпературной сепарации газа в районах Крайнего Севера, реализован в ПАО «Газпром» ООО «Газпром добыча Ямбург» на Заполярном газоконденсатном месторождении на установках комплексной подготовки газа 1В и 2В.
Реализация способа наиболее эффективна в период, когда пластовой энергии месторождения уже не достаточно для эксплуатации месторождения с использованием эффекта дросселирования Джоуля-Томпсона и требуется подвод дополнительной энергии для выделения конденсата из газожидкостной смеси.
Результаты эксплуатации показали его высокую эффективность. Заявляемое изобретение может широко использоваться и на других действующих и вновь осваиваемых газоконденсатных месторождениях Крайнего Севера РФ.
Применение данного способа позволяет автоматически контролировать и поддерживать заданную плотность НГК, подаваемого в МКП, с целью предотвращения образования газовых пробок и их скоплений, благодаря чему появляется возможность увеличить надежность эксплуатации конденсатопровода и снизить вероятность возникновения осложнений и аварий, которые могли бы привести к серьезным экологическим, людским и материальным потерям.