СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СЕПАРАЦИИ ГАЗА, РАБОТАЮЩЕЙ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА РФ Российский патент 2022 года по МПК E21B43/34 F17D3/01 F25J3/08 

Изобретение относится к области добычи и подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту, в частности, к автоматическому поддержанию температурного режима технологических процессов установки низкотемпературной сепарации газа (далее установка), работающей в условиях севера РФ.

Известен способ автоматизации установки низкотемпературной сепарации газа [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.], который обеспечивает поддержание температуры сепарации на установке с помощью клапана-регулятора (КР), изменяющего расход холодного газа, отводимого от низкотемпературного сепаратора через теплообменник.

Недостатком данного способа является то, что поддержание температурного режима на установке регулируется количеством проходящего холодного газа через теплообменник, что может вызвать значительные колебания температуры осушенного газа, подаваемого в магистральный газопровод (МГП). Соответственно, отсутствует контроль и поддержание необходимой температуры осушенного газа и нестабильного газового конденсата (НГК), подаваемых в МГП и магистральный конденсатопровод (МКП) с целью защиты вечномерзлых грунтов от размораживания при подземной прокладке трубопроводов на севере РФ [см., например, стр. 33-34, Ананенков А.Г., Ставкин Г.П., Андреев О.П., Арабский А.К., Салихов З.С., Талыбов Э.Г. АСУ ТП газопромысловых объектов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. - 343 с.: ил.; стр. 19; Дмитриев В.М., Ганджа Т.В. и др. Интеллектуализация управления технологическими процессами на углеводородных месторождениях. Томск: В-Спектр, 2012. - 212 с.]. Кроме этого, изменение режима работы установки осуществляется вручную, что увеличивает вероятность принятия обслуживающим персоналом ошибочных действий, также возрастает инерционность реакции управления процессом на возмущающие факторы, влияющие на ход процесса подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту.

Известен способ автоматического поддержания температурного режима технологических процессов установки низкотемпературной сепарации газа с применением аппаратов воздушного охлаждения в условиях Крайнего Севера [см., патент РФ на изобретения №2685460], включающий в себя предварительную очистку добытой газоконденсатной смеси от механических примесей, отделение НГК и водного раствора ингибитора (ВРИ) в сепараторе первой ступени сепарации. НГК и ВРИ из кубовой части этого сепаратора отводят в РЖ. Выходящую из сепаратора газоконденсатная смесь разделяют на два потока и охлаждают их в первых секциях рекуперативных теплообменников, далее ТО, «газ-газ» и ТО «газ-конденсат». При этом поток, поступающий в ТО «газ-конденсат» идет через КР расхода газоконденсатной смеси, который регулирует ее расход, обеспечивая поддержание заданной температуры НГК на выходе второй секции ТО «газ-конденсат». Далее потоки объединяют и подают на штуцер-регулятор, проходя который объединенный поток охлаждается за счет адиабатического расширения. Этот поток подают в низкотемпературный сепаратор, в котором осуществляют его окончательное разделение на осушенный газ и смесь НГК с ВРИ, которую отводят в разделитель жидкостей (РЖ) через вторую секцию ТО «газ-конденсат» для дегазации и разделения на фракции. НГК из РЖ подают насосом в МКП, а поток выделенного газа - газ выветривания из РЖ транспортируют для утилизации или компримирования и подачи в МГП, а ВРИ направляют в цех регенерации ингибитора. Холодный осушенный газ, выходящий из низкотемпературного сепаратора, разделяют на два потока, один из которых подают на вход второй секции ТО «газ-газ», а второй - на байпас этой секции, оснащенный КР расхода газа, который изменяет соотношение проходящих потоков газа через ТО и байпас, обеспечивая в реальном масштабе времени коррекцию температуры осушенного газа, поступающего в МГП.

Недостатком данного способа является то, что его используют на стадии необходимости применения дополнительных источников холода для ведения технологических процессов на установке, когда не хватает энергии пласта.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ автоматического поддержания температурного режима установки низкотемпературной сепарации газа [см., например, стр. 112, Б.Ф. Тараненко, В.Т. Герман. Автоматическое управление газопромысловыми объектами. М., "Недра", 1976 г., 213 с.], который включает автоматическое поддержание заданного значения температуры сепарации на установке путем управления перепадом давления на КР, играющего роль штуцера, установленного на входе в низкотемпературный сепаратор. Управление перепадом давления осуществляют путем коррекции давления на выходе первой ступени редуцирования установки.

Существенным недостатком данного способа является то, что этот способ не предусматривает контроль и поддержание заданной температуры осушенного газа/НТК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, с целью защиты вечномерзлых фунтов от размораживания при подземной прокладке трубопроводов на севере РФ [см. например, стр. 33-34, Ананенков А.Г., Ставкин Г.П., Андреев О.П., Арабский А.К., Салихов З.С., Талыбов Э.Г. АСУ ТП газопромысловых объектов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. - 343 с.: ил.; стр. 19, Дмитриев В.М., Ганджа Т.В. и др. Интеллектуализация управления технологическими процессами на углеводородных месторождениях. Томск: В-Спектр, 2012. - 212 с.]. Кроме этого, изменение режима работ установки осуществляют вручную, что не позволяет оперативно реагировать на динамически изменяющийся температурный режим технологических процессов установки и обеспечивать ее эффективную работу с учетом текущих вариаций внешних и внутренних возмущающих факторов, влияющих на ход процесса подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту. Также увеличивается вероятность принятия оперативным персоналом ошибочных действий, которые могут привести к возникновению аварийных ситуаций.

Целью изобретения является повышение качества управления технологическим процессом по поддержанию температурного режима установки, работающей в условиях севера РФ, в рамках норм и ограничений, предусмотренных технологическим регламентом установки, и снижения роли человеческого фактора при управлении технологическим процессом по поддержанию температурного режима установки.

Техническими результатами, достигаемыми от реализации изобретения, является автоматическое поддержание температурного режима технологических процессов установки, работающей в условиях севера РФ с соблюдением технологических норм и ограничений, предусмотренных ее технологическим регламентом, с учетом различных режимов ее работы, при котором обеспечивается:

- поддержание заданного температурного режима технологических процессов установки, обеспечивающего ее эффективную работу;

- контроль и поддержание необходимой температуры осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, с целью защиты вечномерзлых грунтов от размораживания при подземной прокладке трубопроводов.

Эффективность работы установки определяется значением перепада давления между ее входом и выходом - чем выше перепад давления, тем легче получить в результате дросселирования заданную (минусовую) температуру в низкотемпературном сепараторе установки. Очевидно, что на стадии нарастающей добычи газа месторождения (начальный период его эксплуатации), как правило, наличие высокого давления газа на входе установки позволяет поддерживать заданный режим ее работы за счет пластового давления (энергия пласта). Нежелательное изменение перепада давления между входом и выходом установки может возникать при изменении расхода газа, связанного с колебаниями потребления газа потребителями, при нарушении нормального режима работы фонда скважин, при образовании гидратов в теплообменниках и т.д.

Изменение перепада давления между входом и выходом установки напрямую влияет на температурный режим работы низкотемпературного сепаратора, для нивелирования отрицательных последствий которого требуется управлять работой установки, регулируя расход газоконденсатной смеси, проходящей через нее с учетом всех упомянутых факторов. В результате можно обеспечить поддержание необходимого температурного режима в низкотемпературном сепараторе.

Как правило, на севере РФ используется подземная прокладка МГП и МКП. При такой прокладке на выходе установки предусматривается круглогодичное охлаждение газа и газового конденсата до температуры -2°С, что исключает растепление многолетнемерзлых просадочных грунтов вокруг МГП и МКП. Такое решение значительно увеличивает надежность эксплуатации магистральных газо- и конденсатопроводов, а также снижает вероятность возникновения аварийных ситуаций, способных привести к серьезным экологическим, людским и материальным потерям.

Установки, расположенные на севере РФ, в зависимости от складывающейся ситуации по подаче добываемой продукции потребителям, реализуют один из трех возможных видов их эксплуатации:

1. Поддерживает расход добываемой газоконденсатной смеси по установке, если нет пиковых нагрузок по осушенному газу или НГК.

2. Поддерживает расход осушенного газа по установке при пиковых нагрузках по его подаче потребителям, например, из-за наступления сильных холодов.

3. Поддерживает расход НГК по установке при пиковых нагрузках по подаче НГК, например, из-за аварий на других промыслах или из-за необходимости увеличения поставок потребителю.

Заявляемый способ обеспечивает автоматический контроль и поддержание заданного температурного режима на установках низкотемпературной сепарации газа, работающих в условиях севера РФ и реализующих первый вид эксплуатации, который предусматривает поддержание расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке. Способ включает поддержание необходимых значений температуры осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, а также температуры в низкотемпературном сепараторе при автоматическом переключении технологического процесса на новый режим работы в случае возникновения такой потребности. Это повышает надежность эксплуатации установки и эффективность процесса подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа, работающей в условиях севера РФ, включает в себя предварительную очистку добытой газоконденсатной смеси от механических примесей и отделение смеси НГК и ВРИ в сепараторе первой ступени сепарации. Эту смесь НГК и ВРИ из кубовой части сепаратора отводят в РЖ. Газоконденсатную смесь, выходящую из сепаратора, разделяют на два потока и охлаждают их в первых секциях ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат». Поток, поступающий в ТО «газ-конденсат» идет через КР расхода газоконденсатной смеси, который регулирует ее расход, обеспечивая поддержание заданной температуры смеси НГК и ВРИ на выходе второй секции ТО «газ-конденсат». Далее потоки, выходящие из первых секций ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат» объединяют и подают на вход КР, выполняющий роль управляемого редуктора. На этом редукторе осуществляют адиабатическое расширение газоконденсатной смеси и направляют ее в низкотемпературный сепаратор. В нем осуществляют окончательное разделение газоконденсатной смеси на осушенный холодный газ и смесь НГК с ВРИ. Смесь НГК с ВРИ из кубовой части низкотемпературного сепаратора подают на вход второй секции ТО «газ-конденсат» и далее, в РЖ. В РЖ происходит ее дегазация и разделение на фракции, после чего НГК из РЖ подают насосом в МКП, поток выделенного газа - газ выветривания из РЖ транспортируют для утилизации или компримирования и подачи в МГП, а ВРИ направляют в цех регенерации ингибитора.

Холодный осушенный газ, выходящий из низкотемпературного сепаратора, разделяют на два потока, один из которых подают на вход второй секции ТО «газ-газ», а второй - на байпас этой секции, оснащенный КР расхода газа, который изменяет соотношение проходящих потоков газа через ТО и байпас. С помощью этого КР автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) регулирует соотношение потоков осушенного газа, проходящих через вторую секцию ТО «газ-газ» и байпас, обеспечивая в реальном масштабе времени коррекцию температуры осушенного газа до заданных значений, требуемых технологическим регламентом установки при подаче газа в МГП.

АСУ ТП с момента запуска установки в эксплуатацию реализует режим ее работы используя первоначально заданные значения уставок контролируемых параметров, которые вводят в базу данных (БД) АСУ ТП перед запуском установки в эксплуатацию. Но как только АСУ ТП обнаружит выход одного из контролируемых параметров за пределы установленных для него границ, нарушающий технологический регламент работы установки, АСУ ТП изменяет на один шаг значение уставки плана расхода добываемой газоконденсатной смеси Q_{гкс_план} по установке. Изменять значение уставки плана добычи разрешается в интервале, определяемом неравенством Q_{min_ГКС}≤Q_{гкс_план}≤Q_{max_ГКС}, где Q_{min_ГКС} минимально допустимое, а Q_{max_ГКС} максимально допустимое значение расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке. Величину шага изменения ΔQ_{гкс_план} назначают из соотношения где n - число допустимых шагов изменения уставки Q_{гкс_план}. Само изменение уставки АСУ ТП осуществляет в направлении, которое определяет возникшее нарушение для его устранения. При этом, после каждого шага АСУ ТП удерживает режим управления технологическими процессами установки с новым значением уставки в течение интервала времени не менее τ_const. Этого времени достаточно для завершения переходных процессов в системе, и оно является индивидуальной характеристикой установки, определяемой экспериментально. И если остальные контролируемые параметры технологического процесса за это время окажутся в пределах установленных им границ, то АСУ ТП фиксирует это значение в качестве новой уставки плана добычи газоконденсатной смеси по установке и продолжает работать с ней.

Одновременно АСУ ТП генерирует сообщение оператору об автоматической смене режима работы установки и его новых характеристиках.

Перед запуском установки в эксплуатацию обслуживающий персонал вводит в АСУ ТП значения уставок контролируемых параметров. Среди них уставка плана добычи газоконденсатной смеси по установке Q_{гкс_план} и значение шага ее изменения ΔQ_{гкс_план}. Одновременно вводят границы интервала допустимых изменений уставки от Q_{min_ГКС} до Q_{max_ГКС}. Так же вводят уставку температуры в низкотемпературном сепараторе и границы допустимых вариаций ее фактического значения T_нс. Вводят уставку температуры осушенного газа, поступающего в МГП, и границы допустимых вариаций ее фактического значения Т_ог. Вводят уставку температуры НГК, подаваемого в МКП, и границы допустимых вариаций ее фактического значения T_нгк. Вместе с ними вводят значения предельно допустимого положения рабочих органов КР, управляющего расходом добытой газоконденсатной смеси по установке, и КР, управляющего давлением газоконденсатной смеси, поступающей в низкотемпературный сепаратор, разрешив их перемещение от установленных нижних значений до полностью открыт. И только после этого осуществляют запуск установки в эксплуатацию, технологические процессы которой ведет АСУ ТП. Для этого она использует четыре ПИД-регулятора, построенных на ее базе, каждый из которых с помощью подключенного к нему КР управляет своим параметром.

АСУ ТП формирует сообщение оператору установки для принятия решения по изменению режима работы кустов газодобывающих скважин, либо перехода на режим работы установки с подключением аппаратов воздушного охлаждения, либо турбодетандерных агрегатов, в зависимости от сезона года, чтобы обеспечить поступление в систему дополнительного холода, если в режиме коррекции уставки Q_{гкс_план} с помощью КР, установленного на входе установки и управляющего расходом добытой газоконденсатной смеси по установке, будет выявлено то, что: достигнута одна из границ допустимых вариаций расхода добываемой газоконденсатной смеси Q_{min_ГКС} или Q_{max_ГКС}; либо рабочий орган этого КР перешел в состояние полностью открыт или достиг минимально допустимого положения.

На фиг. 1 приведена принципиальная технологическая схема установки и в ней использованы следующие обозначения:

1 - входная линия установки;

2 - КР расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке;

3 - датчик расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке;

4 - сепаратор первой ступени сепарации;

5 - АСУ ТП установки;

6 - КР расхода газоконденсатной смеси, проходящий через ТО 8 «газ-конденсат»;

7 - ТО «газ-газ»;

8 - ТО «газ-конденсат»;

9 - КР расхода осушенного газа, проходящий через ТО 7 «газ-газ»;

10 - редуцирующий КР;

11 - РЖ;

12 - насосный агрегат;

13 - датчик температуры НГК, подаваемого в МКП;

14 - низкотемпературный сепаратор;

15 - датчик температуры, установленный в низкотемпературном сепараторе 14;

16 - датчик температуры осушенного газа, поступающего в МГП;

На фиг. 2 приведена структурная схема автоматического управления поддержания температурного режима на установке, и в ней использованы следующие обозначения:

17 - сигнал с датчика расхода 3 добытой газоконденсатной смеси по установке, поступающий на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 25;

18 - сигнал уставки расхода добытой газоконденсатной смеси по установке, поступающий на вход задания SP ПИД-регулятора 25;

19 - сигнал с датчика температуры 16 осушенного газа, поступающего в МГП, подаваемый на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 26;

20 - сигнал уставки температуры осушенного газа, поступающего в МГП, подаваемый на вход задания SP ПИД-регулятора 26;

21 - сигнал с датчика температуры 13 НГК, подаваемого в МКП, поступающий на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 27;

22 - сигнал уставки температуры НГК, подаваемого в МКП, поступающий на вход задания SP ПИД-регулятора 27;

23 - сигнал с датчика температуры 15, установленного в низкотемпературном сепараторе 14, поступающий на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 28;

24 - сигнал уставки температуры в низкотемпературном сепараторе 14, поступающий на вход задания SP ПИД-регулятора 28;

25 - ПИД-регулятор поддержания расхода добытой газоконденсатной смеси по установке;

26 - ПИД-регулятор поддержания температуры осушенного газа, поступающего в МГП;

27 - ПИД-регулятор поддержания температуры НГК, подаваемого в МКП;

28 - ПИД-регулятор поддержания температуры в низкотемпературном сепараторе 14;

29 - сигнал управления КР 2;

30 - сигнал управления КР 9;

31 - сигнал управления КР 6;

32 - сигнал управления КР 10.

ПИД-регуляторы 25, 26, 27 и 28 реализованы на базе АСУ ТП.

Способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа, работающей в условиях севера РФ, реализуют следующим образом.

Добытая газоконденсатная смесь по входной линии 1 установки, оснащенной датчиком расхода 3 и КР 2 поступает на вход сепаратора 4 первой ступени сепарации, в котором происходит очищение газоконденсатной смеси от механических примесей и первичное отделение НГК и ВРИ, смесь которых по мере накопления в его нижней части отводят в РЖ 11. Частично очищенную от капельной влаги и пластовой жидкости газоконденсатную смесь с выхода сепаратора 4 первой ступени сепарации газа разделяют на два потока. Первый поток направляют в трубное пространство первой секции ТО 7 «газ-газ», где происходит его предварительное охлаждение встречным потоком осушенного газа, поступающего из низкотемпературного сепаратора 14 и проходящего через вторую секцию ТО 7 «газ-газ». Второй поток через КР 6 подают в трубное пространство первой секции ТО 8 «газ-конденсат», который охлаждают встречным потоком смеси НГК и ВРИ, отводимой из низкотемпературного сепаратора газа 14 и проходящей через вторую секцию ТО 8 «газ-конденсат».

Потоки газоконденсатной смеси, поступающие с выходов первых секций ТО 7 «газ-газ» и ТО 8 «газ-конденсат», объединяют и подают на вход редуцирующего КР 10. Проходя его, за счет дроссель-эффекта, температура газоконденсатной смеси резко снижается до значения, при котором происходит максимально возможная конденсация углеводородов. Эта смесь далее поступает на вход низкотемпературного сепаратора газа 14. Вследствие изменения термодинамических условий и снижения скорости потока газоконденсатной смеси в сепараторе 14 происходит финальное выделение из нее осушенного газа и смеси НГК с ВРИ, которая собирается в нижней части низкотемпературного сепаратора 14.

Отсепарированный холодный осушенный газ на выходе из низкотемпературного сепаратора 14 разделяют на два потока, один из которых проходит через вторую секцию ТО 7 «газ-газ», где отдает холод встречному потоку добытой газоконденсатной смеси. Второй поток направляют по байпасной линии второй секции ТО 7 «газ-газ», на которой установлен КР 9, управляемый ПИД-регулятором 26. Далее эти оба потока холодного осушенного газа объединяют и он поступает в МГП, оснащенный датчиком температуры 16.

Такая схема управления степенью рекуперации холода в ТО 7 «газ-газ» совместно с параллельной рекуперацией холода в ТО 8 «газ-конденсат» обеспечивает оптимальную работу низкотемпературного сепаратора 14 с учетом всех технологических норм и ограничений, предусмотренных технологическим регламентом установки.

Смесь НГК и ВРИ, выходящая из нижней части низкотемпературного сепаратора 14, проходит через вторую секцию ТО 8 «газ-конденсат», где нагревается, отдавая свой холод встречному потоку добытой газоконденсатной смеси, и поступает в РЖ 11, где происходит ее разделение на компоненты и их дегазация. Газ выветривания отправляют либо на факел, либо используют на собственные нужды промысла. ВРИ, выводимый из нижней части РЖ 11, направляют на регенерацию в цех регенерации ингибитора. Отделенный НГК подают насосом 12 в МКП, оснащенный датчиком температуры 13, и отправляют потребителям.

Расход добываемой газоконденсатной смеси по установке, поступающей в сепаратор первой ступени сепарации 4, поддерживают с помощью ПИД-регулятора 25. Для этого АСУ ТП 5 на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 25 подает сигнал 17 с датчика расхода 3 - значение фактического расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке. Одновременно АСУ ТП 5 на вход задания SP этого же ПИД-регулятора подает сигнал 18 - значение уставки расхода добытой газоконденсатной смеси по установке. Ее величину устанавливает диспетчерская служба газодобывающего Предприятия. Сравнивая эти два сигнала ПИД-регулятор 25 на своем выходе CV формирует сигнал 29, который управляет степенью открытия/закрытия КР 2, поддерживая установленный заданием расход (план) газоконденсатной смеси, поступающей на вход сепаратора 4 первой ступени сепарации.

Для поддержания температуры осушенного газа, поступающего в МГП, АСУ ТП 5 использует ПИД-регулятор 26. Для этого АСУ ТП 5 на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 26 подает сигнал 19 - значение фактической температуры осушенного газа, которую измеряет датчик температуры 16 установленный на входе в МГП. Одновременно АСУ ТП 5 на вход задания SP этого же ПИД-регулятора подает сигнал 20 - значение уставки температуры осушенного газа, поступающего в МГП, заданной в соответствие с технологическим регламентом установки. В результате на выходе CV ПИД-регулятор 26 формирует сигнал 30, управляющий степенью открытия/закрытия КР 9, который поддерживает температуру осушенного газа, поступающего в МГП.

Для поддержания температуры НГК, подаваемого в МКП, АСУ ТП 5 использует ПИД-регулятор 27. Для этого АСУ ТП 5 на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 27 подает сигнал 21 - значение фактической температуры НГК, которую измеряет датчик температуры 13 установленный на входе в МКП. Одновременно АСУ ТП 5 на вход задания SP этого же ПИД-регулятора подает сигнал 22 - значение уставки температуры НГК, подаваемого в МКП, заданной в соответствие с технологическим регламентом установки. В результате на выходе CV ПИД-регулятор 27 формирует сигнал 31, управляющий степенью открытия/закрытия КР 6, осуществляющего регулирование количества газоконденсатной смеси, проходящей через первую секцию ТО 8 «газ-конденсат», поддерживая требуемую температуру НГК, поступающего в МКП.

Для поддержания температуры газоконденсатной смеси в низкотемпературном сепараторе 14 АСУ ТП 5 использует ПИД-регулятор 28. Для этого АСУ ТП 5 на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 28 подает сигнал 23 - значение фактической температуры, измеряемой датчика температуры 15, установленным в низкотемпературном сепараторе 14. Одновременно АСУ ТП 5 на вход задания SP этого же ПИД-регулятора подает сигнал 24 - значение уставки температуры в низкотемпературном сепараторе 14, заданной в соответствие с технологическим регламентом установки. В результате на выходе CV ПИД-регулятор 28 формирует сигнал 32, управляющий степенью открытия/закрытия КР 10, который поддерживает температуру в низкотемпературном сепараторе 14 путем изменения степени дросселирования газоконденсатной смеси, поступающей на вход этого сепаратора.

Перед запуском установки в работу обслуживающий персонал задает и вводит в БД АСУ ТП 5 уставку плана расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке - Q_{гкс_план}, уставки и границы возможных вариаций ряда контролируемых параметров:

а) положение рабочего органа КР 2, которое может варьироваться от полностью открыт до прикрыт до строго заданного нижнего значения S_{min_КР2}. Интервал допустимых перемещений этого КР задают в виде неравенства S_{min_КР 2}≤S_{КР 2}, где S_{КР 2} текущее положение рабочего органа КР 2.

б) положение рабочего органа КР 10, которое может варьироваться от полностью открыт до прикрыт до строго заданного нижнего значения S_{min_КР 10}. Интервал допустимых перемещений этого КР задают в виде неравенства S_{min_КР 10}≤S_{КР 10}, где S_{КР 10} текущее положение рабочего органа КР 10.

в) допустимые вариации уставки расхода добываемой газоконденсатной смеси Q_{гкс_план}, проходящей через установку, задают в виде неравенства

Q_{min_ГКС}≤Q_{ГКС_ПЛАН}≤Q_{max_ГКС},

где Q_{min_гкс} минимально допустимое, a Q_{max_ГКС} максимально допустимое значение уставки расхода добываемой газоконденсатной смеси, проходящей через установку. При этом изменение уставки Q_{гкс_план} АСУ ТП 5 производит только в случае необходимости и пошагово, на величину ΔQ_{гкс_план}, которую назначают из соотношения где n - число допустимых шагов изменения уставки Q_{гкс_план}. В результате АСУ ТП 11 с помощью КР 2 управляет расходом добываемой газоконденсатной смеси, поступающей на вход установки, соблюдая ограничения, заданные системой двух неравенств

и требованием пошагового изменения уставки плана добычи только в случае выявления такой необходимости.

В процессе эксплуатации установки, положение рабочих органов КР 6 и КР 9, в отличие от положения КР 2 и КР 10, может изменяться от полностью открыт до полностью закрыт.

г) уставку температуры осушенного газа, поступающего в МГП, и допустимые вариации фактической температуры T°C_ОГ от значения уставки, которые задают неравенством

T°C_{min_ОГ}≤T°C_ОГ≤T°C_{max_ог},

где T°C_min__ОГ минимально допустимое, а Т°C_{max_ОГ} максимально допустимое значение температуры осушенного газа.

д) уставку температуры НГК, и допустимые вариации фактической температуры Т°С_НГК от значения уставки, которые задают неравенством

T°C_{min_НГК}≤T°C_НГК≤T°C_{max_НГК},

где Т°C_min__нгк минимально допустимое, а Т°C_{max_НГк} максимально допустимое значение температуры НГК.

е) уставку температуры в низкотемпературном сепараторе, и допустимые вариации фактической температуры Т°С_НС от значения уставки, которые задают неравенством

T°C_{min_НС}≤T°C_НС≤T°C_{max_НС},

где T°C_{min_НС} минимально допустимое, а T°C_{max_НС} максимально допустимое значение температуры в низкотемпературном сепараторе.

Обслуживающий персонал перед запуском установки в эксплуатацию также вводит в БД АСУ ТП 5 первоначальные значения следующих параметров - степень открытия КР 2, КР 6, КР 9 и КР 10 и нижнюю границу вариаций положения рабочего органа КР 2 - S_{min_КР2} и КР 10 - S_{min_кр10}.

После запуска установки в работу АСУ ТП 5 в реальном режиме времени осуществляет контроль положения рабочих органов КР 2, КР 6, КР 9 и КР 10, а также температуры в низкотемпературном сепараторе 14 с помощью датчика 15, температуры осушенного газа/НТК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, с помощью датчиков 16 и 13, соответственно.

Контролируя указанные параметры АСУ ТП 5 ведет управление технологическим процессом с учетом указанных выше ограничений и поддерживает выполнение планового задания по расходу добываемой газоконденсатной смеси в рамках допустимых вариаций - первый вид эксплуатации. Если в процессе работы не удастся достичь заданной температуры в низкотемпературном сепараторе 14 или заданной температуры осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, либо рабочий орган КР 6 или КР 9 или КР 10 перейдет в одно из своих крайних положений, то АСУ ТП 5 автоматически переходит на следующий режим, предусматривающий управление планом расхода добываемой газоконденсатной смеси Q_{гкс_план} по установке в рамках допустимых вариаций. Этот режим АСУ ТП 5 реализует с помощью ПИД-регулятора 25 и управляемого им КР 2 в рамках ограничений, установленных системой неравенств (1), изменив значение первоначально заданной уставки по плану добычи на один шаг. Одновременно АСУ ТП 5 формирует сообщение оператору установки об автоматическом переводе установки на следующий режим работы и значения его новых параметров.

Этот вид эксплуатации установки АСУ ТП 5 реализует, увеличивая/уменьшая значение уставки плана расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке, в зависимости от сложившейся ситуации в ту или иную сторону, до значения

Q_{гкс_план}±ΔQ_{гкс_план}=Q_{гкс_план}±(Q_{max_ГКС}-Q_{min_ГКС})/n.

Это измененное значение плана добычи АСУ ТП 5 подает в виде сигнала 18 на вход SP ПИД-регулятора 25. Сравнивая его значение с фактическим расходом добываемой газоконденсатной смеси ПИД-регулятор 25 на своем выходе CV формирует управляющий сигнал 29, который задает необходимую степень открытия/закрытия КР 2. Это ведет к изменению расхода добываемой газоконденсатной смеси, проходящей через установку, и тем самым, повышает/понижает перепад давления между ее входом и выходом, а также температуру в низкотемпературном сепараторе 14, что, в свою очередь, ведет к повышению/понижению температуры газа/НГК, поступающих/подаваемых в МГП/МКП.

Корректировку значения уставки плана расхода добываемой газоконденсатной смеси Q_{гкс_план} по установке АСУ ТП 5 производит пошагово в зависимости от направления возникшего нарушения и с учетом инерционности технологических процессов установки. Количество шагов n, перекрывающих весь интервал допустимых вариаций изменения уставки расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке Q_{гкс_план}, как правило, назначают равным 10, по 5 шагов в каждую сторону от первоначально заданного значения. При этом на каждом шаге АСУ ТП 5 реализует режим управления технологическими процессами установки с новым значением уставки в течение интервала времени не менее τ_const, являющегося индивидуальной характеристикой установки, определяемой экспериментально. В частности, для установок Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения требуется время τ_const для завершения переходных процессов порядка 10 минут. Если при реализации очередного шага, начиная от первого удается устранить возникшее нарушение в ходе технологического процесса - достичь заданной температуры в низкотемпературном сепараторе 14 или заданной температуры осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, либо рабочий орган КР 6 или КР 9 или КР 10 перейдет в одно из своих рабочих положений, то АСУ ТП 5 продолжает работать, зафиксировав значение этой уставки в качестве задания. В противном случае АСУ ТП продолжит поиск, изменив значение уставки еще на один шаг.

Такой режиме коррекции уставки Q_{гкс_план} с помощью КР 2 осуществляют в следствии изменения потребления газа потребителями и иных причин. Поэтому такой подход позволяет АСУ ТП 5 многократно возвращаться к ранее реализованным режимам работы, в том числе и к первоначальному.

Если в режиме коррекции уставки Q_{гкс_план} с помощью КР 2 будет достигнута одна из границ допустимых вариаций расхода добываемой газоконденсатной смеси Q_{min_гкс} или Q_{max_гкс}, либо рабочий орган КР 2 перейдет в состояние полностью открыт или S_{min_КР2}, но температура осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, или температура в низкотемпературном сепараторе не войдет в рамки заданных ограничений, АСУ ТП 5 формирует об этом сообщение оператору установки для принятия решения по изменению режима работы кустов газодобывающих скважин, либо режима работы установки с подключением турбодетандерных агрегатов и/или аппаратов воздушного охлаждения.

Настройку используемых ПИД-регуляторов проводит обслуживающий персонал в момент запуска системы в работу под конкретный режим работы установки согласно методу, изложенному, например, в «Энциклопедии АСУ ТП», п. 5.5, ПИД-регулятор, ресурс:

http://www.bookasutp.ru/Chapier5_5.aspx#HandTuning.

Способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа, работающей в условиях севера РФ, реализован в ПАО «Газпром» ООО «Газпром добыча Ямбург» на Заполярном нефтегазоконденсатном газоконденсатном месторождении на УКПГ 1В и УКПГ 2В. Результаты эксплуатации показали его высокую эффективность. Заявляемое изобретение может широко использоваться и на других действующих и вновь осваиваемых газоконденсатных месторождениях РФ.

Применение данного способа позволяет автоматически поддерживать температурный режим на установках, расположенных в районах севера РФ, в рамках технологических норм и ограничений, предусмотренных их технологическими регламентами, благодаря чему появляется возможность:

- удерживать в автоматическом режиме динамически изменяющийся температурный режим технологических процессов установки в рамках установленных границ, обеспечивая ее эффективную работу с учетом динамики текущих значений внешних и внутренних параметров;

- осуществлять контроль и поддержание необходимой температуры осушенного газа/НГК, поступающих/подаваемых в МГП и МКП, с целью защиты вечномерзлых грунтов от размораживания при подземной прокладке газо- и конденсатопроводов на севере РФ;

- практически минимизировать роль «человеческого фактора» при принятии управленческих решений в процессе эксплуатации установки.

Изобретение относится к области добычи и подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту. Способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа (далее – установка), работающей в условиях севера РФ, включает предварительную очистку добытой газоконденсатной смеси от механических примесей с отделением нестабильного газового конденсата (НГК) и водного раствора ингибитора (ВРИ) в сепараторе первой ступени сепарации, после чего смесь НГК и ВРИ из кубовой части этого сепаратора отводят в разделитель жидкостей (РЖ), а газоконденсатную смесь с выхода сепаратора первой ступени сепарации разделяют на два потока и охлаждают их в первых секциях рекуперативных теплообменников (ТО) «газ-газ» «газ-конденсат». Поток, поступающий в ТО «газ-конденсат», идет через клапан-регулятор (КР) расхода газоконденсатной смеси, который регулирует ее расход, обеспечивая поддержание заданной температуры НГК на выходе второй секции ТО «газ-конденсат», и далее потоки, выходящие из первых секций ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат», объединяют и подают через КР, выполняющий роль управляемого редуктора, на котором осуществляют адиабатическое расширение газоконденсатной смеси, и направляют ее в оснащенный датчиком температуры низкотемпературный сепаратор, где осуществляют окончательное разделение газоконденсатной смеси на осушенный газ и смесь НГК с ВРИ, которую из кубовой части низкотемпературного сепаратора подают на вход второй секции ТО «газ-конденсат» и далее в РЖ, в котором выделяют НГК, ВРИ и газ выветривания, после чего НГК с помощью насосного агрегата подают в магистральный конденсатопровод – МКП, поток выделенного газа – газ выветривания из РЖ транспортируют для утилизации или компримирования и подачи в магистральный газопровод – МГП, ВРИ направляют в цех регенерации ингибитора, а холодный осушенный газ, выходящий из низкотемпературного сепаратора, разделяют на два потока, один из которых подают на вход второй секции ТО «газ-газ», а второй – на байпас этой секции, оснащенный КР расхода газа, который изменяет соотношение проходящих потоков газа через ТО и байпас, обеспечивая в реальном масштабе времени коррекцию температуры газа до заданных значений, требуемых технологическим регламентом установки при подаче газа в МГП. Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) с момента запуска установки в эксплуатацию реализует режим ее работы, используя первоначально заданные значения уставок контролируемых параметров, которые вводят в базу данных – БД АСУ ТП перед запуском установки в эксплуатацию. Как только АСУ ТП обнаружит выход одного из контролируемых параметров за пределы установленных границ, нарушающий технологический регламент работы установки, АСУ ТП пошагово изменяет значение уставки плана расхода добываемой газоконденсатной смеси Q_{ГКС_ПЛАН} по установке на величину ΔQ_{ГКС_ПЛАН} в интервале, определяемом неравенством Q_min__гкс≤Q_{ГКС_ПЛАН}≤Q_{max_гкс}, где Q_{min_гкс} - минимально допустимое, a Q_{max_гкс} - максимально допустимое значение расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке. Это изменение уставки АСУ ТП осуществляет в направлении, обеспечивающем устранение выявленного нарушения, и после каждого шага удерживает режим управления технологическими процессами установки с новым значением уставки в течение определенного интервала времени. Если значения остальных контролируемых параметров технологического процесса за это время вернутся в пределы установленных для них границ допустимых вариаций, то АСУ ТП фиксирует это значение новой уставки плана расхода добываемой газоконденсатной смеси как рабочее и генерирует сообщение оператору об автоматической смене режима работы и его новых характеристиках, и далее АСУ ТП реализуют вновь выбранный режим эксплуатации установки. В противном случае АСУ ТП изменяет значение уставки еще на один шаг в том же направлении. Технический результат заключается в повышении надежности эксплуатации установки и эффективности процесса подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа (далее – установка), работающей в условиях севера РФ, включающий предварительную очистку добытой газоконденсатной смеси от механических примесей с отделением нестабильного газового конденсата – НГК и водного раствора ингибитора – ВРИ в сепараторе первой ступени сепарации, после чего смесь НГК и ВРИ из кубовой части этого сепаратора отводят в разделитель жидкостей – РЖ, а газоконденсатную смесь с выхода сепаратора первой ступени сепарации разделяют на два потока и охлаждают их в первых секциях рекуперативных теплообменников, далее ТО, «газ-газ» и ТО «газ-конденсат», при этом поток, поступающий в ТО «газ-конденсат», идет через клапан-регулятор – КР расхода газоконденсатной смеси, который регулирует ее расход, обеспечивая поддержание заданной температуры НГК на выходе второй секции ТО «газ-конденсат», и далее потоки, выходящие из первых секций ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат», объединяют и подают через КР, выполняющий роль управляемого редуктора, на котором осуществляют адиабатическое расширение газоконденсатной смеси, и направляют ее в оснащенный датчиком температуры низкотемпературный сепаратор, где осуществляют окончательное разделение газоконденсатной смеси на осушенный газ и смесь НГК с ВРИ, которую из кубовой части низкотемпературного сепаратора подают на вход второй секции ТО «газ-конденсат» и далее в РЖ, в котором выделяют НГК, ВРИ и газ выветривания, после чего НГК с помощью насосного агрегата подают в магистральный конденсатопровод – МКП, поток выделенного газа – газ выветривания из РЖ транспортируют для утилизации или компримирования и подачи в магистральный газопровод – МГП, ВРИ направляют в цех регенерации ингибитора, а холодный осушенный газ, выходящий из низкотемпературного сепаратора, разделяют на два потока, один из которых подают на вход второй секции ТО «газ-газ», а второй – на байпас этой секции, оснащенный КР расхода газа, который изменяет соотношение проходящих потоков газа через ТО и байпас, обеспечивая в реальном масштабе времени коррекцию температуры газа до заданных значений, требуемых технологическим регламентом установки при подаче газа в МГП, отличающийся тем, то автоматизированная система управления технологическими процессами – АСУ ТП с момента запуска установки в эксплуатацию реализует режим ее работы, используя первоначально заданные значения уставок контролируемых параметров, которые вводят в базу данных – БД АСУ ТП перед запуском установки в эксплуатацию, и как только АСУ ТП обнаружит выход одного из контролируемых параметров за пределы установленных границ, нарушающий технологический регламент работы установки, АСУ ТП пошагово изменяет значение уставки плана расхода добываемой газоконденсатной смеси Q_{ГКС_ПЛАН} по установке на величину ΔQ_{ГКС_ПЛАН} в интервале, определяемом неравенством Q_min__гкс≤Q_{ГКС_ПЛАН}≤Q_{max_гкс}, где Q_{min_гкс} - минимально допустимое, a Q_{max_гкс} - максимально допустимое значение расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке, а величину ΔQ_{ГКС_ПЛАН} назначают из соотношения где n – число допустимых шагов изменения уставки Q_{ГКС_ПЛАН}, и это изменение уставки АСУ ТП осуществляет в направлении, обеспечивающем устранение выявленного нарушения, и после каждого шага удерживает режим управления технологическими процессами установки с новым значением уставки в течение интервала времени не менее τ_const, достаточного для завершения переходных процессов в системе и являющегося индивидуальной характеристикой установки, определяемой экспериментально, и если значения остальных контролируемых параметров технологического процесса за это время вернутся в пределы установленных для них границ допустимых вариаций, то АСУ ТП фиксирует это значение новой уставки плана расхода добываемой газоконденсатной смеси как рабочее и генерирует сообщение оператору об автоматической смене режима работы и его новых характеристиках, и далее АСУ ТП реализует вновь выбранный режим эксплуатации установки, а в противном случае АСУ ТП изменяет значение уставки еще на один шаг в том же направлении.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед запуском установки в эксплуатацию обслуживающий персонал вводит в АСУ ТП значения уставок контролируемых параметров, а для уставки плана добычи газоконденсатной смеси по установке Q_{ГКС_ПЛАН} дополнительно вводят значение шага ее изменения ΔQ_{ГКС_ПЛАН} и границы интервала ее допустимых изменений от Q_min__гкс до Q_{max_гкс}, в которых АСУ ТП установки может ее менять в случае выявления такой необходимости, а также границы допустимых вариаций относительно уставок фактических значений температуры T_нс в низкотемпературном сепараторе, температуры Т_ог осушенного газа, поступающего в МГП, температуры T_нгк НГК, подаваемого в МКП, и вместе с ними вводят значения предельно допустимого положения рабочих органов КР, управляющего расходом добытой газоконденсатной смеси по установке, и КР, управляющего давлением газоконденсатной смеси, поступающей в низкотемпературный сепаратор, разрешив их перемещение от установленных нижних значений до полностью открыт, и после ввода всех указанных параметров в БД АСУ ТП осуществляют запуск установки в эксплуатацию, которую она ведет, используя четыре ПИД-регулятора, построенных на ее базе, каждый из которых с помощью подключенного к нему КР управляет своим параметром.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что АСУ ТП формирует сообщение оператору установки для принятия решения по изменению режима работы кустов газодобывающих скважин, либо перехода на режим работы установки с подключением аппаратов воздушного охлаждения, либо турбодетандерных агрегатов, в зависимости от сезона года, обеспечивающих поступление в систему дополнительного холода, если в режиме коррекции уставки Q_{ГКС_ПЛАН} с помощью КР, установленного на входе установки и управляющего расходом добытой газоконденсатной смеси по установке, как только будет выявлено то, что достигнута одна из границ допустимых вариаций расхода добываемой газоконденсатной смеси Q_{min_ПЛАН} или Q_{max_ПЛАН}, либо рабочий орган этого КР перейдет в состояние полностью открыт или достигнет минимально допустимого положения.