СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ ГАЗОВОГО ПРОМЫСЛА
CONTROL METHOD OF TECHNOLOGICAL MODES OF GAS FIELD

Способ управления технологическими режимами газового промысла предназначен для использования в области газовой и нефтегазовой промышленности и относится к способам управления технологическими режимами, а также определения и оперативного анализа отдельных показателей эффективности технологического комплекса. Способ позволяет провести оценку эффективности и корректировку режимов работы промыслового технологического комплекса в целом.
Газовые промыслы (ГП) эксплуатируются в условиях снижения пластового давления, что приводит к увеличению удельного показателя расхода топливного газа на компримирование (отношение затрат топливного газа к объемам, поступающим для компримирования). Данное обстоятельство иллюстрируют графики, представленные на Фиг. 1 и Фиг. 2: на Фиг. 1 показан пример динамики давления газа на входе в дожимную компрессорную станцию (ДКС) и производительности ДКС, на Фиг. 2 показан пример динамики удельного показателя расхода топливного газа для ДКС. Как видно из Фиг. 2, по мере снижения добычи и пластового давления, удельные топливные затраты возрастают. Это приводит к ухудшению показателей энергоэффективности ГП в течение всего жизненного цикла месторождения, так как основные затраты топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на газовых промыслах (более 90%) приходятся на топливный газ, который затрачивается при компримировании добываемого газа на ДКС. Поэтому, управление технологическими режимами промысла с целью повышения его энергоэффективности, в основном, осуществляется путем повышения энергетической эффективности работы ДКС.
Удельный показатель расхода топливного газа на компримирование ДКС определяется показателями эксплуатации технологического объекта (т.е. внешними условиями относительно рассматриваемого технологического объекта) и эффективностью технологического оборудования (т.е. внутренними параметрами технологического объекта). Причем возрастающий характер удельного показателя расхода топливного газа, в основном, предопределен спецификой изменения условий эксплуатации промысловых технологических систем по мере разработки месторождения, т.е. внешними условиями.
Проблема, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в сложности оперативного выявления причин изменения удельного показателя расхода топливного газа на промысловой ДКС и в оперативном принятии обоснованного решения об изменении режимов работы ГП для улучшения (снижения) данного показателя. Таким образом, задачей заявленного технического решения является формирование способа управления технологическими режимами газового промысла, при реализации которого можно оценивать влияние основных факторов эксплуатации на энергоэффективность процесса компримирования газа на ДКС, что в свою очередь оказало бы существенное влияние на оперативность и корректность оценки удельного показателя расхода топливного газа, на основании чего можно сделать вывод о необходимости изменения технологического режима ГП.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, состоит в повышении энергоэффективности газового промысла на основе комплексного анализа динамики показателей энергоэффективности и параметров режимов работы.
Указанный технический результат достигается за счет разработки способа управления технологическими режимами газового промысла (ГП), в ходе которого сначала проводят измерение термобарических параметров, параметров расхода газа, характеризующих объемы газа, поступающего для компримирования; параметров, характеризующих режим работы ступеней сжатия дожимной компрессорной станции (ДКС) и режим работы газоперекачивающих агрегатов (ГПА), параметров характеристик установленного компрессорного оборудования, расхода топливного газа каждого ГПА в каждой из ступеней сжатия ДКС, после определения всех вышеперечисленных параметров результаты фиксируют в заранее разработанной базе данных, выполняют расчеты удельных показателей расхода топливного газа в рассматриваемый период, относительных отклонений показателей эксплуатации и удельных показателей расхода топливного газа в рассматриваемый и предыдущий периоды, после чего осуществляют сравнение показателей удельного расхода топливного газа (ТГ) в предыдущий период и рассматриваемый период с учетом приведения к условиям эксплуатации предыдущего периода, а затем на основании результатов сравнения делают вывод о необходимости изменения технологических режимов работы ГП, причем в качестве измеряемых термобарических параметров берут давление компримируемого природного газа на входе и выходе каждой из ступеней сжатия промысловой ДКС и температуру компримируемого природного газа на входе для каждой из ступеней сжатия промысловой ДКС, в качестве измеряемых параметров расходов берут расход компримируемого газа, передаваемого с промысла потребителю, массовый расход газа, компримируемого в газовых центробежных компрессорах (ЦБК), входящих в состав ГПА, а также дополнительные объемы газа, поступающего для компримирования на каждую ступень сжатия ДКС, в качестве параметра, характеризующего режим работы ступеней сжатия ДКС, берут степень открытия перепускного клапана на байпасной линии ступени сжатия, в качестве параметра, характеризующего режим работы ГПА, берут частоту вращения ротора ГПА, а в качестве параметров характеристики установленного компрессорного оборудования берут максимальную и минимальную объемные производительности газового ЦБК ГПА при фактических термобарических условиях на входе в него и при номинальной частоте вращения ротора, при этом значения максимальной и минимальной производительностей определяют в результате проведения помпажных тестов и газодинамических испытаний ЦБК в эксплуатационных условиях.
Сущность заявленного изобретения поясняется ниже.
Для обоснования необходимости оценки каждого параметра, оказывающего существенное влияние на энергоэффективность ДКС, представлено описание основных элементов ДКС и показано влияние параметров режимов ее работы на показатели энергоэффективности на основе анализа соответствующих расчетных зависимостей.
ДКС включает в себя несколько ступеней сжатия, на каждой из которых установлены ГПА, в состав которых входят газовые ЦБК, оснащенные индивидуальными сужающими расходомерными устройствами (конфузорами).
компр
ГИС
На Фиг. 3 представлена схема газотурбинного ГПА с ЦБК в составе ДКС (ГТУ - газотурбинные установки). На Фиг. 4 представлена структурная схема трехступенчатой ДКС, на которой показаны: 1, 2, 3 - ступени сжатия ДКС, 4 - газовые измерительные станции (ГИС), 5 - перепускные клапана, Q - объем компримируемого газа, поступающего на вход в ступени сжатия ДКС,  - дополнительный объем компримируемого газа, поступающего на ступени сжатия ДКС, Q - объем компримируемого газа, передаваемого с газового промысла потребителю, измеряемый на газо-измерительной станции.
В общем случае, ступени ДКС могут работать с различной производительностью, т.к. на них могут, как показано на Фиг. 4, подавать дополнительные объемы компримируемого газа вследствие индивидуальных технологических особенностей технологического объекта.
Уровень потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на ДКС в основном определяется потреблением топливного газа (ТГ), в качестве показателя энергоэффективности ДКС используют удельный показатель расхода ТГ.
3
Значение расхода ТГ дожимной компрессорной станции , тыс. м, рассчитывают по формуле:
где
i - порядковый номер ступеней сжатия ДКС;
j - порядковый номер ГПА в ступени сжатия ДКС;
- количество ступеней сжатия ДКС;
- количество рабочих ГПА в i-ой ступени сжатия ДКС;
3
-расход топливного газа одного j-го ГПА в i-ой ступени сжатия ДКС, тыс.м/сут, который определяется по формуле:
где:
- массовый расход газа, компримируемого в газовых ЦБК, входящих в состав ГПА, кг/с;
3
- низшая теплота сгорания топливного газа, кДж/м;
- КПД работы газоперекачивающего оборудования в ступени сжатия, которое зависит от КПД газотурбинного привода ГПА, политропного КПД газового ЦБК и механического КПД газоперекачивающего агрегата.
- удельная полезная политропная работа, кДж/кг, которую
рассчитывают по формуле:  где:
R - газовая постоянная, кДж/(кг⋅К);
H
z - коэффициент сжимаемости газа;
-температура газа на входе в ступень сжатия, К;
v
m - объемный показатель политропного процесса;
i
ε - отношение давлений в ступени сжатия вычисляют по формуле:
где:
- давление компримируемого природного газа на выходе ступени сжатия ДКС, МПа;
- давление компримируемого природного газа на входе ступени сжатия ДКС, МПа;
3
3
Удельный показатель расхода топливного газа  (м / тыс.ст.м - кубометры ТГ, затраченного для компримирования тысячи кубометров газа) на единицу добычи газа определяется по формуле:
где  - коэффициент перепуска газового ЦБК, который определяет количество газа, перепускаемого со стороны нагнетания - выхода из ступени сжатия - на вход в нее, определяют по формуле:
3
где  - объем компримируемого газа, поступающего на вход в ступень сжатия ДКС, определяется как сумма показаний индивидуальных расходомерных устройств ГПА в ступени, млн м:
где  - объем газа, компримируемого в центробежном компрессоре j-го ГПА, определенного по показаниям конфузора;
3
- объем компримируемого газа на выходе ступени сжатия ДКС, млн м, рассчитывают по формуле:
ГИС
где  - объем компримируемого газа, перепускаемого со стороны нагнетания - выхода из ступени сжатия - на вход в нее. Значение  может быть определено, когда известны объемы компримируемого газа, передаваемого с газового промысла потребителю, измеряемый на газо-измерительной станции Q, и дополнительные объемы газа, поступающего для компримирования на вход последующих ступеней сжатия. Расчет осуществляют по формуле:
где
- количество ступеней сжатия на ДКС;
i - порядковый номер ступени сжатия ДКС;
- дополнительные объемы компримируемого газа, подаваемого на вход i-ой ступени.
Для реализации разработанного способа выделяют основные параметры режимов работы ступеней ДКС и ГПА, на основании которых оценивают основные показатели энергоэффективности (формулы (1) и (3)) промысловой ДКС, разрабатывают базу данных для фиксации результатов измерений, фиксируют результаты измерений в базе данных. Базу данных разрабатывают с учетом особенностей рассматриваемой ДКС (количество ступеней сжатия, количество ГПА, наличие дополнительных потоков газа для компримирования).
Из формул (1)-(9) следует перечень параметров, которые необходимо измерить для оценки энергетической эффективности ДКС, так прежде всего необходимо измерить:
а) параметры расхода газа, характеризующие объемы газа для компримирования:
ГИС
- объем компримируемого газа, передаваемого с промысла потребителю (измеряют на газовых измерительных станциях промысла), Q;
- массовый расход газа, компримируемого в газовых ЦБК в составе ГПА  (измеряют на индивидуальных сужающих расходомерных устройствах ГПА, входящих в состав каждого ГПА);
- все дополнительные объемы газа, поступающего для компримирования на каждую ступень ДКС,  (измеряют сужающими расходомерными устройствами).
Указанные величины расходов газа учитывают вследствие их необходимости для определения объемов природного газа, который компримируют в отдельно взятой ступени сжатия, что в свою очередь определяет значения расхода топливного газа  и удельного показателя расхода топливного газа  (формулы (1), (2) и (5));
б) термобарические параметры - давление ,  компримируемого газа на входе и выходе каждой из ступеней сжатия промысловой ДКС, и температура  компримируемого газа на входе каждой из ступеней сжатия промысловой ДКС, измерения проводятся с использованием штатных средств измерения ГПА.
Указанные выше термобарические параметры, измеряемые на каждой из ступеней сжатия промысловой ДКС, важны потому, что определяют значение удельной политропной работы  сжатия (формула (3)), которая в свою очередь влияет на значения расхода топливного газа  и удельного показателя расхода топливного газа  (формулы (1), (2) и (5));
в) расход  топливного газа каждого газоперекачивающего агрегата (ГПА) в каждой ступени сжатия ДКС (измеряют расходомерными устройствами в составе топливной системы ГПА).
Этот параметр необходим для определения суммарного потребления  топливного газа на ДКС (формула (1));
г) параметр, характеризующий режим работы ступеней сжатия ДКС -степень открытия перепускного клапана,
причем, величина открытия перепускного клапана определяется значением коэффициента  перепуска газового ЦБК (формула (6)), который влияет на удельный показатель  расхода топливного газа (формула (5)). В проектных условиях эксплуатации, данный перепускной клапан должен быть полностью закрыт, но на практике неизбежно возникают отклонения от проектных условий, при которых это невозможно обеспечить, поэтому необходимо следить за поддержанием минимально-необходимого процента раскрытия перепускного клапана (Фиг. (4)) в результате мониторинга значения коэффициента ;
д) параметр, характеризующий режим работы ГПА - частота вращения ротора газоперекачивающего аппарата, измерение проводится с использованием штатных средств измерения ГПА,
причем, значение частоты вращения ротора ГПА необходимо для того, чтобы определить, какой области газодинамической характеристики соответствует текущий режим работы агрегата. Традиционный вид газодинамической характеристики представлен на Фиг. 5;
е) параметры характеристик установленного компрессорного оборудования - максимальная  и минимальная  объемная производительности газового ЦБК ГПА при фактических термобарических условиях на входе в него и при номинальной частоте вращения ротора. Значения максимальной и минимальной производительностей определяют в результате проведения помпажных тестов и газодинамических испытаний ЦБК в эксплуатационных условиях.
В ходе эксплуатации проводят газодинамические испытания для определения фактического вида газодинамической характеристики (ГДХ) и специализированные помпажные тесты для определения минимальной производительности ЦБК, при которой обеспечивается его устойчивая работа без ярко выраженной вибрации элементов оборудования. Это необходимо для того, чтобы объективно оценивать показатели энергоэффективности текущего режима работы ГПА и область параметров, при которых обеспечивается безопасность эксплуатации, а также для того, чтобы определить значения минимальной  и максимальной  объемных производительностей газа на входе в ЦБК газоперекачивающего агрегата при фактических термобарических условиях на входе в ЦБК и при номинальной частоте вращения ротора ЦБК (ГПА). Газодинамическая характеристика (ГДХ) ЦБК - это графическая зависимость, описывающая взаимосвязь основных технологических показателей работы газового ЦБК, ее наиболее распространенный вид в координатах «объемный расход-отношение давлений на выходе и на входе в ЦБК» представлен на Фиг. 5. Получив ГДХ в таком виде по результатам газодинамических испытаний, по ней определяют значения  и  при номинальной частоте вращения ротора ЦБК (значение номинальной частоты вращения указывают в технической документации). Как показано на Фиг. 5:  определяют для крайней левой точки при номинальной частоте вращения ротора ЦБК, а  для крайней правой точке при номинальной частоте вращения ротора ЦБК. Определение указанных выше значений  и  необходимо для оперативной оценки эффективности фактического режима работы ДКС. По величине максимальной производительности  оценивают минимально необходимое количество рабочих ГПА и оперативно выявляют «лишний» включенный агрегат. По величине минимальной производительности  оценивают минимальную степень открытия перепускного «байпасного» клапана (Фиг. 4), необходимую для реализации текущего режима работы ступени сжатия.
Измерив (определив) указанные выше параметры, результаты заносят в заранее разработанную базу данных.
Разработанный способ позволяет определить степень влияния внешних и внутренних показателей эксплуатации на показатель удельного расхода топливного газа. Структура и характер влияния показателей эксплуатации становятся очевидным из рассмотрения основных расчетных зависимостей для расхода топливного газа и удельного показателя расхода топливного газа промысловой ДКС с газотурбинными ГПА. Из анализа формул (1)-(4) следует, что к внешним параметрам, определяющими расход топливного газа и удельный показатель  расхода топливного газа, относятся температура  компримируемого газа на входе каждой ступени ДКС (см. 3), давления ,  компримируемого газа на входе и на выходе каждой ступени сжатия ДКС (4). К внутренним - коэффициент  полезного действия (2), который зависит как от режима, так и от технического состояния оборудования.
Для количественного анализа влияния каждого из параметров режима работы ДКС, оказывающих существенное влияние на показатели энергоэффективности, рассчитывают значения относительных отклонений удельных показателей расхода топливного газа и относительных отклонений параметров режимов работы ДКС в рассматриваемый (текущий) период относительно предыдущего периода. Расчет осуществляют по формулам вида:
где
T
X - значение параметра, для текущего периода;
П
Х - значение параметра, для предыдущего периода. При этом продолжительность сравниваемых периодов должна быть одинаковой.
Удельный показатель расхода топливного газа в рассматриваемый период рассчитывают по формуле (5). Для сравнения удельных показателей расхода топливного газа их приводят к сопоставимым условиям эксплуатации предыдущего периода. Процесс определения удельных показателей расхода топливного газа в рассматриваемый период, приведенных к условиям эксплуатации предыдущего периода осуществляется следующим образом: из общего изменения удельного показателя расхода топливного газа (в текущий период эксплуатации относительно предыдущего) вычитается доля изменения, обусловленная влиянием внешних параметров эксплуатации. После этого выполняется оценка возможности влияния на внутренние параметры. Физический смысл данного приведения проиллюстрируем, используя формулу для изменения удельного показателя расхода топливного газа (в текущий период эксплуатации относительно предыдущего) в ступени сжатия  в виде относительных отклонений:
где:
- относительное изменение значения низшей теплоты сгорания топливного газа в текущий период эксплуатации относительно предыдущего, %;
δR - относительное изменение значения газовой постоянной в текущий период эксплуатации относительно предыдущего, %;
- относительное изменение значения КПД работы газоперекачивающего оборудования в ступени сжатия в текущий период эксплуатации относительно предыдущего, %;
- относительное изменение значения удельной полезной политропной работы в текущий период эксплуатации относительно предыдущего, %;
n
δK - относительное изменение значения удельной полезной политропной работы в текущий период эксплуатации относительно предыдущего, %;
n
Расчет отклонений параметров в формуле (11) , δR, , δK осуществляют по формулам вида (10), а изменение  осуществляется на основании оценки изменения показателей эксплуатации, указанных ранее (объемы компримируемого газа и термобарические параметры, параметры, характеризующие режим работы ГПА и ступени сжатия) по формуле:
где ,  , - коэффициенты влияния соответствующих показателей эксплуатации на политропную работу сжатия, которые определяются в зависимости от вида оборудования и параметров режимов работы данного оборудования в предыдущий период работы ступени сжатия ДКС.
В формуле (11) четко прослеживается влияние внешних и внутренних показателей эксплуатации ступени сжатия ДКС на удельный показатель расхода топливного газа: значения , δR,  обусловлены изменением внешних показателей эксплуатации ДКС, а  и  - внутренних. Таким образом, оценку влияния внешних параметров на изменение удельного показателя расхода ТГ можно рассчитать по формуле:
где:
- относительное изменение значения низшей теплоты сгорания топливного газа в текущий период эксплуатации относительно предыдущего, %;
δR - относительное изменение значения газовой постоянной в текущий период эксплуатации относительно предыдущего, %;
- относительное изменение значения удельной полезной политропной работы в текущий период эксплуатации относительно предыдущего, %;
n
δK - относительное изменение значения удельной полезной политропной работы в текущий период эксплуатации относительно предыдущего, %;
- относительное изменение значения удельного показателя расхода топливного газа в текущий период эксплуатации относительно предыдущего, обусловленное изменением внешних показателей эксплуатации, %.
В условиях промысловых ДКС эксплуатационный персонал в основном имеет возможность воздействовать только на внутренние параметры системы, т.к. внешние во многом обусловлены условиями более высоких технологических уровней - потребностью в природном газе, геологическими особенностями месторождений и т.п.
Объективность оценки показателей энергоэффективности, а следовательно, возможность управлением технологическими режимами, обеспечивается сравнением показателей удельного расхода ТГ с учетом приведения к условиям эксплуатации предыдущего периода, что позволяет количественно оценить влияние изменения внешних параметров эксплуатации на изменение удельных показателей расхода топливного газа в рассматриваемый период относительно предыдущего. Кроме того, такое сравнение позволяет сделать вывод о наличии потенциала энергосбережения и принять решение о необходимости изменения режимов работы промысла.
Сравнение удельных показателей расхода топливного газа в рассматриваемый период, приведенных к условиям предыдущего периода выполняется следующим образом - проверяется выполнение неравенства:
3
3
где ,  - фактическое значение удельного расхода топливного газа ступени ДКС в текущем и предыдущем периодах, м/тыс. м.  рассчитывают по формуле (5),  принимается по отчетным данным за предыдущий период,  рассчитывают по формуле (12).
Физический смысл сравнения параметров пояснен на Фиг. 6, где показан графический пример сравнения показателей удельного расхода ТГ с учетом приведения к условиям эксплуатации предыдущего периода.
В случае выполнения неравенства (14) делается вывод о нормальной работе ГП с точки зрения энергоэффективности, а в случае невыполнений делают вывод о необходимости регулирующего воздействия.
Решение о виде регулирующего воздействия определяют по результатам расчета критериев:
1. Критерия необходимого количества рабочих ГПА:
где  - фактическое количество рабочих ГПА, определяется по фактическим данным о режиме работы ДКС;
- количество ГПА, рассчитывают по формуле:
3
где  - объем компримируемого газа, поступающего на вход в ступень сжатия ДКС, млн м;
3
- максимальный объем газа, компримируемого ЦБК, млн м (см. Фиг. 5);
⎡ ⎤ - математический символ, обозначающий процедуру округления
«вверх» до большего целого числа.
2. Критерия необходимого коэффициента перепуска ступени (рассчитывается для режимов работы с открытым перепускным клапаном ступени сжатия):
где  - фактический коэффициент перепуска определяют по фактическим данным по формуле (6);
- минимально необходимое значение коэффициента перепуска рассчитывают по формуле:
3
где  - минимальный объем газа, компримируемого ЦБК, млн м (см. Фиг. 5).
В случае невыполнения критерия необходимого количества рабочих ГПА (условие формулы (15)) делают вывод о необходимости останова одного из рабочих ГПА для повышения энергоэффективности процесса компримирования. Останов производят при отсутствии ограничений по соображениям надежности и/или безопасности функционирования ДКС.
В случае невыполнения критерия необходимого коэффициента перепуска ступени (условие формулы (17)) делают вывод о необходимости изменения (уменьшения) степени открытия перепускного байпасного клапана. Уменьшение степени открытия производят при отсутствии ограничений по соображениям надежности и/или безопасности функционирования ДКС.
В случае невыполнения указанных выше критериев (условия формул (15) и (17)) делается вывод о рассмотрении изменения режимов на более высоком технологическом уровне - уровне промысла и/или газодобывающего общества (изменение фонда работающих скважин, отборов по добычным объектам для обеспечения плановых объемов добычи и т.п.).
Реализация заявленного способа управления технологическими режимами газового промысла позволяет выявить причины изменения энергоэффективности режимов работы ДКС, что позволяет осуществлять более точную оценку эффективности и корректировку режимов работы газового промыслового технологического комплекса.