АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КОМПАУНДИРОВАНИЯ НЕФТЕЙ Российский патент 2000 года по МПК G05D11/02 

Предложение относится к средствам автоматизации и может быть использовано в трубопроводном транспорте при перекачке нефти из нескольких трубопроводов в общую магистраль, по которой смесь нефтей транспортируется к потребителю. Система предназначена для контролирования и регулирования процесса кампаундирования - смешения нескольких потоков нефтей с целью обеспечения необходимых качественных характеристик смешанного потока нефти.

Нефти различных месторождений отличаются по химическому и физическому составу. По химическому составу все нефти довольно близки между собой и состоят из двух основных элементов - углерода и водорода, на долю которых приходится 97-99% всего состава. Содержание в нефти других элементов - серы, кислорода, азота - обычно не превышает 1-2%, и лишь в виде исключения достигает 3-5% преимущественно за счет серы, которая присутствует в нефти в виде органических соединений - сульфиды, меркаптаны и др. и частично - в свободном состоянии. По содержанию серы нефти подразделяются на три класса: малосернистые (содержание серы от 0 до 0,5%), сернистые (содержание серы от 0,51 до 2%) и высокосернистые (серы более 2%) (Н.М. Байков и др. Сбор, транспорт и подготовка нефти. - М.: Недра, 1975, стр. 14-16). Содержание в нефти сернистых соединений ухудшает качество нефти и вызывает серьезные осложнения в процессах добычи, переработки нефти из-за коррозии внутренних поверхностей нефтепроводов и другого оборудования.

Одной их важных физических характеристик нефти является ее плотность. Как правило, нефть легче воды, плотность ее составляет от 0,750 до 0,940 т/м². Однако бывают нефти плотностью боле 1 т/м³ и менее 0,750 т/м³. Нефти плотностью менее 0,900 т/м³ относятся к легким, а более 0,900 т/м³ - к тяжелым. Содержание серы в легких нефтях относительно мало.

Физико-химические характеристики нефти, в том числе процентное содержание серы, плотность нефти определяют ее качество. По существующим нормам при экспорте нефти массовая доля содержание серы в нефти, отпускаемой потребителю, должна быть не более 1,8%, а плотность - не более 0,865 т/м³.

Себестоимость сдаваемой продукции и прибыль нефтеперерабатывающих станций - поставщиков продукции находятся в прямой зависимости от показателей качества и количества (объема) принятых на переработку нефтей и сданной потребителю смеси нефтей. Так, например, передозировка подкачки высокосернистой нефти в поток сернистой нефти в процессе смешивания этих потоков приводит к ухудшению качества смеси, а поставка потребителю смеси нефти с меньшим, чем оговорено в договоре между поставщиком и потребителем, содержанием серы, приводит к уменьшению количества подкачиваемой высокосернистой нефти, что влияет на величину выручки поставщика за услуги по компаундированию.

При безрезервуарной сдаче нефти учет количества перекачиваемой по нефтепроводам определяют по показаниям расходомера. Данные о физико-химическом составе нефти получают на основе лабораторного анализа средней нефти пробы, отбираемой пробоотборником в потоке. (Н.М.Байков и др. Сбор, транспорт и подготовка нефти. - М.: Недра, 1975, стр. 255-257).

Для обеспечения поддержания заданных показателей качества и количества сдаваемой потребителю продукции на нефтеперерабатывающих станциях используются автоматизированные системы управления.

Известна система для регулирования соотношения расходов нефтепродуктов, в котором осуществляется регулирование процесса смешивания потоков нефтепродуктов, поступающих по магистралям в буферные емкости, откуда они выбираются на смешение. Необходимое соотношение содержания каждого из потоков в смеси регулируется посредством регулирующих органов, управляемых регуляторами соотношения расходов, соединенных с выходами датчиков расхода, установленных на каждой из магистралей до и после буферных емкостей, в которых производится смешение нефтепродуктов (SU, 570029, G 05 D 11/02, 23.11.77). В известном устройстве осуществляется регулирование процесса смешения высокосернистого прямогонного дизельного топлива, содержащего 1,2% серы, с потоком гидроочищенного дизельного топлива с содержанием серы 0,1% для получения смеси с содержанием серы не более 0,2%.

Регулирование осуществляется по соотношению расходов потоков, поступающих на смешение.

Недостатком данного устройства является отсутствие контроля давления в потоках, поступающих на смешение, а также контроль процентного содержания серы и плотности в смешанном потоке, что, в случае увеличения процентного содержания серы в одном и/или другом потоке, не позволяет обеспечить заданные качественные показатели компаундированного потока, сдаваемого потребителю. В системе не производится учет количества смешиваемых продуктов и количества смеси.

Известна автоматизированная система для управления потоком жидкости, полученной в результате смешения потоков нефтепродуктов, поступающих по трубопроводам в емкость для смешения, содержащая устройство регулирования потока, блок управления, управляющий выход которого взаимосвязан с устройством регулирования потока, блок измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль, взаимосвязанный с информационными входами блока управления, управляющий сигнал блока управления предназначен для регулирования расхода смешиваемых потоков (GB, 1073951, G 05 D 11/02, 28.06.67). Указанная система выбрана в качестве ближайшего аналога. Известная система позволяет осуществлять контроль таких качественных показателей, как вязкость, вес смешанного потока нефти путем регулирования соотношения расходов смешиваемых потоков, поступающих в емкость для смешения. Однако в данной системе не обеспечивается контроль плотности и концентрации серы в смешанном потоке. В известной системе не производится учет количества смешиваемых продуктов и количества смеси.

Техническим результатом предложения является обеспечение поддержания заданных показателей качества компаундированной нефти за счет непрерывного контроля качественных показателей этого потока и регулирования расхода потока нефти с высоким содержанием серы, обеспечение контроля давления в нефтепроводе с высокосернистой нефтью, поступающей в общую магистраль, с целью поддержания давления в этом трубопроводе выше давления, соответствующего режиму испарения - порогу кавитации, обеспечение учета количества нефти, направляемой потребителю по общей магистрали и количества высокосернистой нефти.

Целью регулирования процесса компаундирования является получение продукта с требуемыми физико-химическими свойствами. Регулирование процесса проводят как по косвенному показателю качества смешанного потока - давлению, так и по прямым показателям качества - физико-химическим свойствам продукта - концентрации в нем серы и его плотности.

Технический результат достигается тем, что автоматизированная система управления процессом компаундирования нефтей, содержащая блок измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль, полученной в результате смешения потока высокосернистой нефти с потоком сернистой нефти, поступающих по трубопроводам в емкость для смешения, устройство регулирования потока, блок управления, управляющий выход которого взаимосвязан с устройством регулирования потока, а информационные входы - с блоком измерения показателей качества потока нефти, дополнительно содержит по крайней мере один блок измерения параметра потока высокосернистой нефти, измеритель расхода потока высокосернистой нефти и измеритель расхода потока нефти, подаваемой в общую магистраль, при этом выходы блока измерения параметра потока высокосернистой нефти, измерителя расхода потока высокосернистой нефти, измерителя расхода потока нефти, подаваемой в общую магистраль, взаимосвязаны с соответствующими информационными входами блока управления, блок измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль, снабжен датчиком концентрации серы, устройство регулирования потока предназначено для регулирования давления и расхода потока высокосернистой нефти и снабжено регуляторами давления и расхода.

В качестве датчика концентрации серы может быть использован поточный анализатор серы, например, спектрометр на радиоактивных изотопах.

Блок измерения показателей параметра потока высокосернистой нефти может быть снабжен датчиком давления.

В качестве емкости для смешения целесообразно использовать приемный коллектор подпорной насосной нефтепровода с сернистой нефтью.

Устройство регулирования потока может быть электрическим или электрогидравлическим, в котором регулятор расхода выполнен в виде исполнительного органа, управляющего электрическими или электроприводными заслонками.

Для оперативного оповещения персонала диспетчерских станций об отклонениях, обнаруженных блоком измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль, и/или блоком измерения параметра потока высокосернистой нефти, измеренных показателей указанных потоков от заданных значений в блоке управления может быть предусмотрена световая или звуковая сигнализация.

Для обеспечения показателя плотности потока компаундированной нефти заданным значениям блок измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль, может быть снабжен датчиком плотности.

Для учета количества высокосернистой нефти и нефти, подаваемой в общую магистраль, система содержит вычислительное устройство, взаимосвязанное с измерителем расхода потока высокосернистой нефти и измерителем расхода потока нефти, подаваемой в общую магистраль.

На чертеже изображена блок-схема автоматизированной системы управления процессом компаундирования нефтей.

Система содержит блок 4 измерения параметра потока высокосернистой нефти, поступающей по трубопроводу 1 в емкость 6 для смешения с потоком сернистой нефти, поступающей по трубопроводу 2, устройство 3 регулирования потока, установленное на трубопроводе 1 и снабженное регуляторами давления и расхода (на чертеже не показаны), измеритель 5 расхода потока высокосернистой нефти, измеритель 7 расхода потока нефти, подаваемой в общую магистраль 11, блок 8 измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль 11 из емкости 6, блок управления 9, информационные входы которого взаимосвязаны с блоками 4 и 8, а управляющий выход - с устройством 3, вычислительное устройство 10, взаимосвязанное с измерителями 5 и 7. Блок 4 измерения параметра потока высокосернистой нефти снабжен датчиком давления (на чертеже не показаны). Блок 8 измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль 11, снабжен датчиком концентрации серы и датчиком плотности (на чертеже не показаны). Из блоков 4 и 8 измеренные датчиками, входящими в состав этих блоков, значения подаются на соответствующие информационные входы блока управления 9.

В блоке 8 в качестве датчика концентрации серы используется поточный анализатор серы, например, спектрометр на радиоактивных изотопах (Машиностроение и автоматика, серия 1, Автоматизация и оборудование в нефтяной и газовой промышленности. - М.: ЦБТИ, 1961, стр. 186), в котором содержание серы в нефти находится путем измерения степени поглощения нефтепродукта мягкого γ- излучения изотопа Fe55, которое поглощается серой значительно сильнее, чем углеродом и водородом, составляющими основную массу нефтепродукта. Излучаемые лучи, проходящие через поток, регистрируются специальным счетчиком. Источник излучения такого спектрометра содержит небольшое количество радиоактивного изотопа и может действовать до распада в течение трех лет.

Регулятор расхода потока устройства 3 выполняется электрическим или электрогидравлическим и содержит исполнительный орган (на чертеже не показан), регулирующий по сигналу, поступающему с блока управления 9 приводами заслонок (на чертеже не показаны), изменяя таким образом расход потока жидкости в трубопроводе 1. Для достижения высокой точности автоматической регулировки расхода потока время срабатывания исполнительного органа должно быть минимальным.

Блок управления 9 размещается в местном диспетчерском пункте, выполнен на базе контроллеров, снабжен монитором, на экране которого оператор может наблюдать за диаграммой значений регулируемых параметров: значением концентрации серы и/или плотности в потоке смеси, поступающей в общую магистраль 11, давлением потока нефти в трубопроводе 1. Блок 9 выполнен на базе контроллеров, содержит ячейки памяти (на чертеже не показаны), в которых хранятся данные о заданных требуемых значениях показателей качества смешанного потока, средства для сравнения данных (на чертеже не показаны), поступающих с блоков 4 и 8, с данными, хранящимися в ячейках памяти, вычислитель (на чертеже не показан) соотношения расхода потока высокосернистой нефти к расходу потока смешанной нефти измерителей 5, 7, связанный со средством для сравнения данных и снабженный ячейками памяти (на чертеже не показаны) для хранения данных о соотношении расходов потоков, при которых качество смеси соответствует требуемым значениям. В блоке 9 предусмотрена световая и/или звуковая сигнализация для оповещения персонала диспетчерской станции об обнаруженных блоком 8 и блоком 4 превышениях заданных предельных значений соответственно показателя концентрации серы и/или плотности в общей магистрали 11 и давления в трубопроводе 1.

Вычислительное устройство 10 предназначено для подсчета количества высокосернистой нефти и нефти, направляемой потребителю.

Блок управления 9 и вычислительное устройство 10 могут быть объединены в единое устройство - ЭВМ.

Система работает следующим образом.

Потоки высокосернистой и сернистой нефти поступают соответственно по трубопроводу 1 и 2 в емкость 6 для смешения, например приемный коллектор подпорной насосной нефтепровода с сернистой нефтью, где осуществляется их смешение, после чего поток смешанной нефти подается в общую магистраль 11 для дальнейшей транспортировки ее потребителю. В процессе смешения датчик давления, входящий в состав блока 4 производит измерение давления потока высокосернистой нефти в трубопроводе 1, а датчики концентрации серы и плотности потока, входящие в состав блока 8, производят непрерывное измерение процентного содержания серы в смешанном потоке и плотность этого потока. Результаты измерений с выходов блоков 3 и 8 подаются в блок 9 управления, где они сравниваются с заранее заданными предельными значениями (в смешанном потоке содержание серы не более 1,8%, плотность - не более 0, 865 т/м³, давление в потоке высокосернистой нефти должно быть выше давления, соответствующего режиму испарения - порогу кавитации), хранящимися в соответствующей ячейке памяти (на чертеже не показана) блока 9. Одновременно в блок 9 поступают с измерителя 5 и измерителя 7 сигналы о величине расхода соответственно потока высокосернистой нефти в трубопроводе 1 и расхода потока нефти в общей магистрали 11. В блоке 9 на основании данных, поступивших с измерителей 5, 7, производится вычисление отношения расхода потока высокосернистой нефти к расходу потока смешанной нефти в установленные интервалы времени, а вычисленные данные, при которых качество смеси соответствует требуемым значениям, запоминаются.

В том случае, когда в процессе смешения изменяются качественные показатели потока высокосернистой нефти и/или смешанной нефти, т.е. значения давления в трубопроводе 1, значения концентрации серы в смешанном потоке, плотность смешанного потока превышают предельно допустимые значения, блок 9 управления осуществляет регулирование процессом компаундирования.

При снижении давления в трубопроводе 1, блок управления 9 путем подачи управляющего сигнала воздействует на регулятор и давления устройства 3, изменяющего давление потока высокосернистой нефти. Указанное воздействие производится блоком 9 с использованием измеряемых датчиком давления блока 4 значений, до установления величины давления в трубопроводе 1 выше значения, соответствующего режиму испарения - порогу кавитации.

При превышении показателя концентрации серы в смешанном потоке заданного предельно допустимого значения блок 9 управления воздействует на регулятор расхода устройства 3 регулирования потока высокосернистой нефти путем подачи управляющего сигнала на его исполнительный орган, регулирующий положение заслонок, уменьшая расход потока нефти в трубопроводе 1. Изменение расхода потока в трубопроводе 1 приводит к изменению концентрации серы в смешанном потоке нефти, поступающей в общую магистраль 11, что регистрируется датчиком серы блока 8, осуществляющего непрерывный контроль состава потока в общей магистрали 11. Результаты измерений с выхода блока 8 подаются в блок 9 управления, где они сравниваются с заранее заданными предельными значениями. Процесс регулирования производится блоком 9 управления до тех пор, пока процентное содержание серы в смешанном потоке не достигнет заданного значения.

Аналогичным образом осуществляется процесс регулирования состава нефти, подаваемой в общую магистраль 11, по показателю заданного значения плотности нефти, измеряемой посредством датчика плотности, входящего в состав блока 8.

В процессе компаундирования возникают ситуации, когда происходит изменение расходов потоков в трубопроводах 1 и 2, что связано с производительностью подкачки нефти, поступающей на смешение по этим трубопроводам. В том случае, когда качество смешанного потока удовлетворяет требуемым показателям, т.е. процентное содержание серы и плотность этого потока соответствуют заданным значениям, в системе предусмотрено осуществление регулирование процессом смешения по показателям соотношения расходов потоков высокосернистой нефти и смешанного потока.

Первая ситуация: при неизменном расходе потока нефти в трубопроводе 1 расход нефти в магистрали 11 увеличился. Это свидетельствует о том, что количество сернистой нефти в смеси увеличилось, и смесь будет иметь запас по качеству. Ситуация вторая: расход потока нефти в трубопроводе 1 уменьшился, а расход потока в магистрали 11 остался неизменным, т.е. смесь также будет иметь запас по качеству. В обоих случаях наличие запаса показателей качества смешанной нефти позволяет изменить производительность подкачки высокосернистой нефти, что позволит, в свою очередь, увеличить выручку за компаундирование нефтей, зависящую как от качества и количества смешанной нефти, так и от количества поступающей на смешение высокосернистой нефти. Это обеспечивается за счет регулирования расхода поступления потока высокосернистой нефти в емкость 6 для смешения посредством блока 9, который, воздействуя на регулятор расхода потока устройства 3, увеличивает (в первой ситуации) или уменьшает (во второй ситуации) расход потока нефти в трубопроводе 1. При осуществлении указанного регулирования используются данные, хранящиеся в ячейках памяти блока 9, о соотношении расходов потоков, при которых качество смеси (концентрация серы и плотность) соответствует требуемым значениям (сера - не более 1,8%, плотность - не более 0,865 т/м³). Уменьшение или увеличение расхода потока в трубопроводе 1 производят до тех пор, пока соотношение расходов потоков в магистралях не будет соответствовать значениям, хранящимся в ячейках памяти блока 9.

Вычислительное устройство 10 обрабатывает данные о расходе потока в трубопроводе 1, поступающие с блока 5, и данные о расходе потока в общей магистрали 11, поступающие с блока 7, и на их основании производится подсчет выручки за услуги по компаундированию.

Заявленная система позволяет осуществлять контроль состава потока нефти, отпускаемой потребителю, регулирование процесса компаундирования потоков нефти, состав которых отличается по показателям плотности и концентрации серы, обеспечить поддержание заданных показателей качества компаундированной нефти, вести учет количества высокосернистой нефти и количества нефти, направляемой потребителю.

Изобретение относится к средствам автоматизации и может быть использовано в трубопроводном транспорте при перекачке нефти из нескольких трубопроводов в общую магистраль, по которой смесь нефтей транспортируется к потребителю. Технический результат - обеспечение поддержания заданных показателей качества компаундированной нефти, обеспечение контроля давления в нефтепроводе с высокосернистой нефтью, поступающей в общую магистраль, обеспечение учета количества нефти, направляемой потребителю по общей магистрали, и количества высокосернистой нефти. Технический результат достигается за счет введения в автоматизированную систему управления процессом компаундирования нефтей блока измерения параметра потока высокосернистой нефти, измерителя расхода потока высокосернистой нефти и измерителя расхода потока нефти, подаваемой в общую магистраль. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Автоматизированная система управления процессом компаундирования нефтей, содержащая блок измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль, полученной в результате смешения потока высокосернистой нефти с потоком сернистой нефти, поступающих по трубопроводам в емкость для смешения, устройство регулирования потока, блок управления, управляющий выход которого взаимосвязан с устройством регулирования потока, а информационные входы - с блоком измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль, отличающаяся тем, что она содержит по крайней мере один блок измерения параметра потока высокосернистой нефти, измеритель расхода потока высокосернистой нефти и измеритель расхода потока нефти, подаваемой в общую магистраль, при этом выходы блока измерения параметра потока высокосернистой нефти, измерителя расхода потока высокосернистой нефти и измерителя расхода потока нефти, подаваемой в общую магистраль, взаимосвязаны с соответствующими информационными входами блока управления, блок измерения показателей качества потока
нефти, подаваемой в общую магистраль, снабжен датчиком концентрации серы, устройство регулирования потока предназначено для регулирования давления и расхода потока высокосернистой нефти и снабжено регуляторами давления и расхода. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве датчика концентрации серы используют поточный анализатор серы. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что в качестве поточного анализатора серы используют спектрометр на радиоактивных изотопах. 4. Система по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что блок измерения параметра потока высокосернистой нефти снабжен датчиком давления. 5. Система по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что в качестве емкости для смешения используют приемный коллектор подпорной насосной нефтепровода с сернистой нефтью. 6. Система по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что устройство регулирования потока выполнено электрическим или электрогидравлическим. 7. Система по п.6, отличающаяся тем, что регулятор расхода устройства регулирования потока содержит исполнительный орган, управляющий электрическими или электроприводными заслонками. 8. Система по любому из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что блок измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль, снабжен датчиком плотности. 9. Система по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что в блоке управления предусмотрена световая или звуковая сигнализации для оповещения персонала об отклонениях, обнаруженных блоком измерения показателей качества потока нефти, подаваемой в общую магистраль, и/или блоком измерения параметра потока высокосернистой нефти, измеренных показателей указанных потоков от заданных значений. 10. Система по любому из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что она содержит вычислительное устройство, взаимосвязанное с измерителем расхода потока высокосернистой нефти и измерителем расхода потока нефти, подаваемой в общую магистраль.