СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СЕПАРАЦИИ ГАЗА С ТУРБОДЕТАНДЕРНЫМИ АГРЕГАТАМИ НА СЕВЕРЕ 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), с применением турбодетандерных агрегатов (ТДА), работающих 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 расходом газа, проходящего через теплообменник, что вызывает колебания температуры газа, подаваемого в магистральный газопровод (МГП). Также отсутствует контроль и поддержание необходимой температуры осушенного газа и нестабильного газового конденсата (НТК), подаваемых соответственно в МГП и магистральный конденсатопровод (МКП) с целью защиты вечномерзлых грунтов от размораживания при подземной прокладке трубопроводов на Севере [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.].

Известен способ автоматизации 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 обеспечивает автоматическое поддержание заданного значения температуры сепарации на установке путем поддержания необходимого перепада давления на штуцере-регуляторе, установленном на входе в низкотемпературный сепаратор, путем коррекции давления на выходе первой ступени сепарации редуцирования установки.

Недостатком данного способа является то, что поддержание температурного режима на установке осуществляется путем регулирования перепада давления на редуцирующем КР, установленном на входе в низкотемпературный сепаратор установки. Это в свою очередь, накладывает ограничения на входное давление и расход газа установки, а также этот способ не предусматривает контроль и поддержание необходимой температуры осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, с целью защиты вечномерзлых грунтов от размораживания при подземной прокладке трубопроводов на Севере [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.].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ автоматического поддержания температурного режима технологических процессов с применением ТДА на установке низкотемпературной сепарации газа в условиях Крайнего Севера [см. патент РФ №2680532]. Способ включает в себя предварительную очистку добытой газоконденсатной смеси от механических примесей и частичное отделение смеси НГК с водным раствором ингибитора (ВРИ) в сепараторе первой ступени сепарации. Эту смесь из кубовой части сепаратора отводят в разделитель жидкостей (РЖ), а газоконденсатную смесь, выходящую из сепаратора, разделяют на два потока и подают для предварительного охлаждения на вход первых секций рекуперативных теплообменников, далее (ТО), «газ-газ» и ТО «газ-конденсат». Распределение смеси по потокам осуществляет КР, установленный на входе первой секции ТО «газ-конденсат». Потоки газоконденсатной смеси с выходов первых секций этих теплообменников объединяют и подают на вход турбины ТДА, оснащенного датчиком скорости вращения ротора. Проходя ТДА газоконденсатная смесь расширяется, и ее температура понижается до значений, близких к предусмотренным технологическим регламентом установки. Далее охлажденная газоконденсатная смесь поступает в низкотемпературный сепаратор второй ступени сепарации, оснащенный датчиком температуры, в котором она окончательно разделяется на осушенный холодный газ и смесь НГК с ВРИ. Смесь НТК с ВРИ из кубовой части низкотемпературного сепаратора второй ступени сепарации отводят через вторую секцию ТО «газ-конденсат» в РЖ для дегазации и разделения на фракции. Далее НГК из РЖ направляют в МКП, ВРИ - в цех регенерации ингибитора, а газ выветривания - на утилизацию или закачку в МГП. Холодный газ 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 потоков охлажденного газа через вторую секцию этого ТО. Эти потоки газа на выходе из второй секции ТО «газ-газ» и байпаса объединяют и подают в компрессор ТДА, где газ дожимают до рабочего давления и далее направляют в МГП.

Существенным недостатком данного способа является то, что изменение режима работы установки в случаях, когда температура осушенного газа/НТК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, а также в низкотемпературном сепараторе достигнет своих предельных значений - верхнего либо нижнего, которые заданы в технологическом регламенте установки, осуществляется оператором вручную, что снижает качество управления технологическим процессом.

Целью изобретения является повышение качества управления технологическим процессом по поддержанию температурного режима установки с применением ТДА, работающих в условиях Севера РФ, в рамках норм и ограничений, предусмотренных технологическим регламентом установки, и снижения роли человеческого фактора при принятии управляющих решений по переводу установки на другие режимы работы для удержания заданных технологическим регламентом температур.

Техническим результатом, достигаемым от реализации заявляемого способа, является повышение качества управления технологическим процессом по поддержанию температурного режима установки с применением ТДА, работающих в условиях Севера РФ путем исключения человеческого фактора при принятии управленческих решений по управлению технологическим процессом и смене режимов работы установки с учетом норм и ограничений, предусмотренных ее технологическим регламентом, обеспечивая при этом:

- поддержание заданных температур в основных узлах установки, в том числе при смене ее режима эксплуатации, обеспечивая эффективное ведение технологических процессов;

- контроль и поддержание необходимой температуры осушенного газа/НГК, поступающих/подаваемых в МГП/МКП, с целью защиты вечномерзлых грунтов от размораживания при подземной прокладке газопроводов на Севере РФ.

Эффективность работы установки низкотемпературной сепарации газа определяется значением перепада давления между ее входом и выходом - чем выше перепад давления, тем легче получить путем дросселирования заданную (минусовую) температуру в низкотемпературном сепараторе установки. Очевидно, что на стадии жизненного цикла месторождений с нарастающей добычей газа, характеризуемой высоким давлением в газоносном пласте и, соответственно, на входе установки, заданный режим ее работы удается поддерживать за счет пластового давления (энергия пласта). На стадиях жизненного цикла месторождений с постоянной и падающей добычей газа, а таких на Севере РФ в настоящее время достаточно много, перепад давления между входом и выходом установки падает из-за снижения пластового давления. В этом случае обеспечить заданный температурный режим в низкотемпературном сепараторе установки удается за счет привлечения дополнительного источника холода. В природно-климатических условиях Севера РФ, где до восьми месяцев стоят устойчивые холода, в качестве дополнительного источника холода зимой используют аппараты воздушного охлаждения. В теплые месяцы эксплуатации установки, с конца весны и до наступления зимних холодов, их применение невозможно. В этот период используют ТДА как источник дополнительного холода.

Нежелательный перепад давления между входом и выходом установки может возникнуть на любой стадии эксплуатации месторождения при изменении расхода газа, связанного с колебаниями потребления газа потребителями, при нарушении нормального режима работы фонда скважин и т.д. Также в летней период эксплуатации установки температура окружающего воздуха может подниматься до 32°С. Все это напрямую влияет на температурный режим работы низкотемпературного сепаратора, для нивелирования которого требуется управлять работой установки с учетом динамики текущего перепада давления и всех упомянутых факторов. Соответственно, в таких условиях необходимо производить коррекцию температуры газоконденсатной смеси, поступающей в низкотемпературный сепаратор, которая достигается путем управления работой ТДА.

В случае подземной прокладки МГП и МКП, а на Севере РФ используется именно этот способ прокладки МГП и МКП, предусматривается круглогодичное охлаждение газа и газового конденсата до температуры не выше -2°С, чтобы исключить растепление многолетнемерзлых просадочных грунтов вокруг МГП и МКП. Благодаря этому значительно увеличивается надежность эксплуатации магистральных газо- и конденсатопроводов и снижается 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 реализует первый вид эксплуатации и обеспечивает автоматический контроль и поддержание заданного температурного режима на установках низкотемпературной сепарации газа с ТДА, работающих в условиях Севера РФ, включая поддержание необходимого значения температуры осушенного газа/НТК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, а также температуры в низкотемпературном сепараторе при автоматическом переключении технологического процесса на новый режим в случае возникновения такая 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 с ТДА на Севере РФ, включает предварительную очистку добытой газоконденсатной смеси от механических примесей и частичное отделение смеси НГК с ВРИ в сепараторе первой ступени сепарации. Смесь НГК с ВРИ из кубовой части этого сепаратора отводят в РЖ, а газоконденсатную смесь, выходящую из данного сепаратора, разделяют на два потока и подают для предварительного охлаждения на вход первых секций ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат». Смесь распределяют по потокам с помощью КР, который установлен на входе первой секции ТО «газ-конденсат». Эти потоки газоконденсатной смеси после выхода из первых секций ТО объединяют и подают на вход турбины ТДА, оснащенного датчиком скорости вращения ротора. Газоконденсатная смесь, проходя через турбину ТДА, расширяется и ее температура понижается до значений, близких к предусмотренным технологическим регламентом установки. С выхода турбины смесь подают в низкотемпературный сепаратор, оснащенный датчиком температуры. В сепараторе смесь окончательно разделяют на смесь НГК с ВРИ и осушенный холодный газ. Смесь НГК с ВРИ. из низкотемпературного сепаратора отводят через вторую секцию ТО «газ-конденсат» в РЖ для дегазации и разделения на фракции. Холодный 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. Этот КР изменяет соотношение потоков охлажденного газа через вторую секцию ТО «газ-газ» и байпас. Далее эти потоки газа на выходе из второй секции ТО «газ-газ» и байпаса объединяют и подают в компрессор ТДА, где газ дожимают до рабочего давления и направляют в МГП. НГК из РЖ направляют в МКП, ВРИ отправляют в цех регенерации ингибитора, а газ выветривания - на утилизацию или закачку 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. Она также следит за тем, чтобы актуальное на данный момент значение уставки V_{ycт_ТДА} скорости вращения ротора ТДА не вышло за верхнюю или нижнюю границу допустимых скоростей вращения. Но 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. Величину шага ΔQ_{ГКС_ПЛАН} задает обслуживающий персонал. АСУ ТП разрешают изменять значение уставки Q_{ГКС_ПЛАН} в интервале, определяемом неравенством где Q_{min_ГКС} минимально допустимое, a Q_{max_ГКС} максимально допустимое значение расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке. Величину ΔQ_{ГКС_ПЛАН} назначают из соотношения где n - число шагов изменения уставки Q_{ГКС_ПЛАН} перекрывающих весь диапазон допустимых вариаций расхода добываемой газоконденсатной смеси.

Изменение уставки АСУ ТП осуществляет в направлении, которое определяет возникшее нарушение. При этом АСУ ТП после каждого шага удерживает режим управления технологическими процессами установки с новым значением уставки Q_{ГКС_ПЛАН} в течение интервала времени не менее τ_const, являющегося индивидуальной характеристикой установки, определяемой экспериментально. И если значения контролируемых параметров технологических процессов за это время окажутся в пределах, установленных для них границ, то АСУ ТП фиксирует это значение новой уставки Q_{ГКС_ПЛАН} плана расхода добываемой газоконденсатной смеси как рабочее в своей базе данных (БД) и генерирует сообщение оператору о совершенном автоматическом переходе на новый режим работы. После этого АСУ ТП реализует вновь выбранный режим эксплуатации установки. В противном случае АСУ ТП изменяет значение уставки еще на один шаг в том же направлении.

Перед запуском установки в эксплуатацию обслуживающий персонал вводит в БД АСУ ТП значения уставок параметров и границы их возможных изменений. Это: план добычи газоконденсатной смеси Q_{ГКС_ПЛАН} значение шага его изменения ΔQ_{ГКС_ПЛАН} и границы интервала допустимых изменений от Q_{min_ГКС} до Q_{max_ГКС}. Вводит уставку температуры в низкотемпературном сепараторе и границы интервала допустимых изменений фактической температуры Т°С_НС от нее, заданных неравенством Вводит уставки температуры осушенного газа, подаваемого в МГП, и границы интервала допустимых изменений фактической температуры Т°С_0Г от нее, заданных неравенством Вводит уставку температуры НГК, поступающего в МКП, и границы интервала допустимых изменений фактической температуры Т°С_НГК от нее, заданных неравенством Одновременно устанавливают границы допустимых перемещений S_{КР 2} рабочего органа КР, управляющего расходом добытой газоконденсатной смеси по установке, от минимально допустимого открытого положения S_{min_КР2} до полностью открыт. Устанавливают границы допустимых перемещений S_КР11 рабочего органа КР, управляющего расходом осушенного газа, подаваемого в МГП, от минимально допустимого открытого положения S_{min_КР11} до полностью открыт, и максимальной и минимальной допустимой скорости вращения ротора ТДА. После ввода всех указанных параметров в БД АСУ ТП осуществляют запуск установки в эксплуатацию. После запуска все технологические процессы в установке ведет АСУ ТП используя построенные на ее базе ПИД-регуляторы, которые поддерживают значения: расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке; температуру осушенного газа, поступающего в МГП; температуру НГК, подаваемого в МКП; температуру в низкотемпературном сепараторе и скорости вращения ротора ТДА. При этом три ПИД-регулятор каждый по отдельности управляет с помощью подсоединенного к нему КР, согласно заданному алгоритму, своим параметром технологического процесса, а один каскад из двух ПИД-регуляторов управляет работой ТДА, в котором первый ПИД-регулятор вычисляет актуальное на данный момент значение уставки V_{ycт_ТДА} скорости вращения ротора ТДА, а второй ПИД-регулятор управляет с помощью подключенного к нему КР скоростью вращения ротора турбины ТДА, поддерживая заданную температуру в низкотемпературном сепараторе.

В случае, если в режиме коррекции уставки Q_{ГКС_ПЛАН} с помощью КР, установленного на входе установки и управляющего расходом добытой газоконденсатной смеси, 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 перейдет в состояние полностью открыт или достиг минимально допустимого открытого положения S_{min_КР2}, АСУ ТП формирует сообщение оператору установки для принятия решения по изменению режима работы кустов газодобывающих скважин, либо режима работы установки с подключением агрегатов воздушного охлаждения газа.

На фиг.1 приведена принципиальная технологическая схема установок низкотемпературной сепарации газа с ТДА, используемых на Севере РФ и в ней использованы следующие обозначения:

1 - входная линия установки;

2 - КР расхода добытой газоконденсатной смеси по установке;

3 - датчик расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке;

4 - сепаратор первой ступени сепарации;

5 - КР расхода газоконденсатной смеси, проходящей через первую секцию ТО «газ-конденсат» 9;

6 - АСУ ТП установки;

7 - ТО «газ-газ»;

8 - КР на байпасе второй секции ТО «газ-газ»;

9 - ТО «газ-конденсат»;

10 - РЖ;

11 - КР расхода осушенного газа, поступающего в МГП;

12 - датчик температуры осушенного газа, поступающего в МГП;

13 - ТДА;

14 - датчик скорости вращения ротора ТДА;

15 - датчик температуры в низкотемпературном сепараторе 16;

16 - низкотемпературный сепаратор;

17 - датчик температуры НГК, подаваемого в МКП;

18 - насосный агрегат.

На фиг.2 приведена структурная схема автоматического управления, обеспечивающего поддержание температур в базовых точках технологической линии установки. В ней использованы следующие обозначения:

19 - сигнал расхода добытой газоконденсатной смеси по установке, поступающий с датчика 3;

20 - сигнал уставки расхода добытой газоконденсатной смеси по установке;

21 - сигнал температуры осушенного газа, поступающего в МГП, измеряемой датчиком температуры 12;

22 - сигнал уставки температуры осушенного газа, поступающего в МГП;

23 - сигнал температуры НГК, подаваемого в МГП, поступающий с датчика температуры 17;

24 - сигнал уставки температуры НГК, подаваемого в МКП;

25 - сигнал скорости вращения ротора ТДА 13, поступающий с датчика 14;

26 - сигнал температуры в низкотемпературном сепараторе 16, поступающий с датчика температуры 15;

27 - сигнал уставки температуры в низкотемпературном сепараторе 16;

28 - ПИД-регулятор поддержания расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке;

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

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

31 - ПИД-регулятор поддержания температуры в низкотемпературном сепараторе 16;

32 - ПИД-регулятор поддержания скорости вращения ротора ТДА 13;

33 - сигнал управления КР 2;

34 - сигнал управления КР 8;

35 - сигнал управления КР 5;

36 - сигнал управления КР 11;

37 - сигнал задания скорости вращения ротора ТДА.

ПИД-регуляторы 28, 29, 30, 31 и 32 реализованы на базе АСУ ТП 6.

Способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа с ТДА на Севере РФ реализуют следующим образом.

Добытая газоконденсатная смесь через входную линию 1 установки, оснащенную датчиком расхода 3 и КР 2, поступает на вход сепаратора первой ступени сепарации 4, в котором происходит первичное очищение газоконденсатной смеси от механических примесей и отделение смеси НГК с ВРИ, которую по мере накопления в нижней части сепаратора 4, отводят в РЖ 10. Частично очищенную от капельной влаги и пластовой жидкости газоконденсатную смесь, выходящую из сепаратора 4 первой ступени сепарации, разделяют на два потока, которые подают на входы первых секций ТО 7 «газ-газ» и ТО 9 «газ-конденсат» для предварительного охлаждения. При этом газоконденсатная смесь поступает на вход ТО 9 «газ-конденсат» через КР 5, который регулирует ее расход, поддерживая необходимую температуру НГК, подаваемого в МКП. Далее потоки газоконденсатной смеси с выходов первых секций ТО 7 «газ-газ» и ТО 9 «газ-конденсат» объединяют и подают на вход турбины ТДА 13. Проходя рабочее колесо турбины ТДА 13 газоконденсатная смесь адиабатически расширяется, в результате чего ее температура понижается до значения, близкого к предусмотренному технологическим регламентом низкотемпературного сепаратора. Рабочее колесо турбины ТДА 13 соединено валом с рабочим колесом компрессора и оснащено датчиком скорости вращения 14. При этом возникающее отклонение фактической температуры газоконденсатной смеси от значения, предусмотренного технологическим регламентом установки для низкотемпературного сепаратора 16, компенсируют в реальном масштабе времени путем изменения скорости вращения ротора ТДА 13. Эту компенсацию производят путем регулирования степени расширения газа в ТДА 13, используя КР 11, установленный на выходе компрессора ТДА 13.

С выхода турбины ТДА 13 охлажденную смесь подают в низкотемпературный сепаратор 16, оснащенный датчиком температуры 15. В сепараторе происходит окончательное отделение газа от смеси НГК и ВРИ, которую по мере накопления в нижней части сепаратора 16 отводят через вторую секцию ТО 9 «газ-конденсат» в РЖ 10. Осушенный и охлажденный газ с выхода низкотемпературного сепаратора 16 подают на вход второй секции ТО 7 «газ-газ» с байпасом, оснащенным КР 8. С его помощью АСУ ТП 6 путем изменения расхода, проходящего через него охлажденного газа от низкотемпературного сепаратора 16, регулирует температуру газа, поступающего на вход компрессора ТДА 13. Благодаря этому поддерживается необходимая температура компримированного газа, подаваемого с выхода компрессора ТДА 13 в МГП.

Отводимая в РЖ 10 из сепараторов 4 и 16 смесь НГК и ВРИ подвергается разделению на фракции и дегазации. Поток выделенного газа (газ выветривания) из РЖ 10 транспортируют на утилизации или компримируют и подают в МГП. Поток НГК при помощи насосного агрегата 18 подают в МКП для дальнейшей транспортировки потребителям, а поток ВРИ отправляют на регенерацию в цех регенерации ингибитора.

Реализация данного способа позволяет решить следующие задачи: а) Автоматически поддерживает заданную температуру газоконденсатной смеси, поступающей в низкотемпературный сепаратор 16 с выхода турбины ТДА 13 за счет оперативной коррекции скорости вращения его ротора. Эту коррекцию осуществляют путем изменения перепада давления, создаваемого КР 11, установленного на выходе компрессора ТДА 13.

Скоростью вращения ротора ТДА 13 управляет ПИД-регулятор 32. Для этого АСУ ТП 6 подает на его вход обратной связи PV сигнал 25 текущего значения скорости вращения V_ТДА ротора ТДА 13, поступающий с датчика 14, а на вход задания SP ПИД-регулятора 32 АСУ ТП подают актуальное на данный момент значение уставки V_уст__ТДА скорости вращения ротора ТДА 13, которую формирует на своем выходе CV ПИД-регулятор 31. Актуальное на данный момент значение уставки V_{уст_ТДА} ПИД-регулятор 31 формирует на своем выходе CV в результате сравнения текущего значения температуры в низкотемпературном сепараторе 16, регистрируемой датчиком 15, с ее уставкой. Соответственно, текущее значение температуры в низкотемпературном сепараторе 16 АСУ ТП подает в виде сигнала 26 на вход PV обратной связи ПИД-регулятора 31, а на его вход задания SP подает сигнал 27 - значение уставки Т_{уст_НТС} температуры в низкотемпературном сепараторе 16.

В случае, когда температуру в низкотемпературном сепараторе 16 необходимо понизить, КР 11 приоткрывают, и тем самым уменьшают нагрузку на компрессор ТДА 13. А это приводит к увеличению скорости вращения его ротора и к снижению температуры газоконденсатной смеси на выходе турбины ТДА 13, т.е. на входе в низкотемпературный сепаратор 16. При необходимости повышения температуры в низкотемпературном сепараторе 16, КР 11 прикрывают, что приводит к понижению скорости вращения его ротора. В результате температура газоконденсатной смеси на выходе турбины ТДА 13, т.е. на входе в низкотемпературный сепаратор 16 повышается.

б) Автоматически поддерживает заданную температуру осушенного газа, поступающего в МГП. Задачу АСУ ТП решает, изменяя расход холодного газа, проходящего через вторую секцию ТО 7 «газ-газ». Для этого поток холодного газа, идущий от низкотемпературного сепаратора 16, разделяют на два, и один направляют во вторую секцию ТО «газ-газ», а второй через ее байпас с установленным на нем КР 8. Расход газа через байпас регулирует ПИД-регулятор 29, изменяя положение рабочего органа КР 8. Для этого АСУ ТП 6 подает на вход задания SP этого ПИД-регулятора сигнал 22 - значение уставки Т_{уст_МГП} температуры осушенного газа на выходе установки. На вход обратной связи PV этого же ПИД-регулятора 29 подают сигнал 21 температуры осушенного газа Т_МГП с датчика температуры 12, установленного на входе в МГП. В результате обработки этих сигналов ПИД-регулятор 29 на своем выходе CV формирует управляющий сигнал 34 для КР 8. Если температура в МГП должна быть повышена\понижена, то количество проходящего через байпас холодного газа будет уменьшено\увеличено. В результате температура в МГП будет поддерживаться в соответствии заданию.

в) Автоматически поддерживает заданную температуру НГК, подаваемого в МКП. Эту задачу АСУ ТП решает с помощью КР 5 путем изменения расхода газоконденсатной смеси, проходящей через первую секцию ТО 9 «газ-конденсат». Задание на изменение положения рабочего органа КР 5 выдает ПИД-регулятор 30. Для этого АСУ ТП 6 на его вход задания SP подает сигнал 24 - значение уставки температуры НГК Т_{уст_МКП}, которую необходимо поддерживать на выходе установки. На вход обратной связи PV этого же ПИД-регулятора подают сигнал 23 температуры НГК Т_МКП с датчика температуры 17, установленного на входе в МКП. В результате ПИД-регулятор 30 формирует на своем выходе CV управляющий сигнал 35 для КР 5. Если температура в МГП должна быть повышена/понижена, количество газоконденсатной смеси, проходящей через первую секцию ТО 9 «газ-конденсат», будет увеличено/уменьшено. В результате температура в МКП будет поддерживаться в соответствии заданию.

Обслуживающий персонал перед запуском установки в эксплуатацию вводит в БД АСУ ТП 6 первоначальные значения следующих параметров -степень открытия КР 2, КР 5, КР 8, КР 11 и нижнюю границу вариаций положения рабочего органа КР 2 - S_min__КР2 и КР 11 - S_{min KP11}, нижнее и верхнее предельно допустимое значение скорости вращения ротора ТДА, а также значения уставок для ПИД-регуляторов 28, 29, 30, 31:

- план расхода добытой газоконденсатной смеси по установке Q_{ГКС_ПЛАН};

- температура осушенного газа T^оС_{уставка}__ОГ, поступающего в МГП;

- температура НГК Т°С_{уставка_НГК}, подаваемого в МКП;

- температура в низкотемпературном сепараторе - Т°С_{уставка_НС.}

Кроме этого обслуживающий персонал вводит в БД АСУ ТП границы допустимых изменений и ограничения для ряда параметров, необходимых для ее работы:

а) уставка плана расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке Q_{ГКС_ПЛАН} и ее допустимые вариации от Q_{min_ГКС} - минимально допустимое значение, и до Q_{max_ГКС} - максимально допустимое значение уставки. При этом разрешают АСУ ТП производить изменение уставки Q_{ГКС_ПЛАН} 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 дополнение к этому вводят границы допустимых положений рабочего органа КР 2, которые могут варьироваться от полностью открыт до прикрыт до строго заданного, нижнего значения S_{min_КР2}. Интервал допустимых перемещений задается в виде неравенства где S_КР2 текущее положение рабочего органа КР 2. В результате АСУ ТП 6 ограничивает работу ПИД-регулятора 28 с КР 2 требованием одновременно соблюдать систему из двух неравенств с возможностью пошагового изменения уставки плана добычи газоконденсатной смеси

б) уставка температуры осушенного газа, поступающего в МГП, и границы, в которых должна находиться фактическая температура Т°С_0Г осушенного газа, которые задают неравенством

где T°C_min or минимально допустимое, а Т°С_{mах_ОГ} максимально допустимое значение температуры осушенного газа.

в) уставка температуры НГК, поступающего в МКП и границы, в которых должна находиться фактическая температура T°С_НГК НГК, которые задают неравенством

где T°C_{min_НГК} минимально допустимое, а Т°С_{mах_НГК} максимально допустимое значение температуры НГК.

г) уставка температуры в низкотемпературном сепараторе и границы, в которых должна находиться фактическая температура Т°С_НС в нем, которые задают неравенством

где T°C_{min_НС} минимально допустимое, a Т°C_{max_HC} максимально допустимое значение температуры в низкотемпературном сепараторе.

д) Вводят границы допустимых положений S_KP11 рабочего органа КР 11, которые могут варьироваться от полностью открыт до прикрыт до строго заданного, нижнего значения S_min__KP11.

В процессе эксплуатации установки, положение рабочих органов КР 5 и КР 8, в отличие от положения рабочих органов КР 2 и КР 11, может изменяться от полностью открыт до полностью закрыт, а ротор ТДА может вращаться со скоростью, ограниченной верхним и нижним предельно допустимым значением, заданными техническими условиями на ТДА и технологическим регламентом эксплуатации установки.

Уставка плана расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке Q_{ГКС_ПЛАН} в виде сигнала 20 поступает на вход задания SP ПИД-регулятора 28, а уставки температур в виде сигналов 22, 24 и 27 подают на вход задания SP ПИД-регуляторов 29, 30 и 31, соответственно, которые управляют температурами в МГП и МКП, а ПИД-регулятор 31 формирует значение актуальной на данный момент уставки V_{yст_ТДА} скорости вращения ротора ТДА 13, которую подает на вход задания SP ПИД-регулятора 32, который управляет скоростью вращения ротора ТДА 13, и тем самым управляет температурой в низкотемпературном сепараторе 16.

В процессе эксплуатации установки АСУ ТП 6 в реальном режиме времени осуществляет контроль положения рабочих органов КР 2, КР 5, КР 8 и КР 11, а также температуры в низкотемпературном сепараторе 16 с помощью датчика 15, температуры осушенного газа/НГК, поступающих/подаваемых в МГП/МКП, с помощью датчиков 12 и 17, соответственно.

Контролируя указанные параметры АСУ ТП 6 ведет управление технологическим процессом с учетом указанных выше ограничений и поддерживает стабильным выполнение планового задания по расходу добываемой газоконденсатной смеси - базовый (основной) режим. Если в процессе работы не удастся достичь заданной температуры в низкотемпературном сепараторе 16 или заданной температуры осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, либо рабочий орган КР 5 или КР 8 перейдет в одно из своих крайних положений - либо закрыт, либо открыт, либо рабочий орган КР 11 перейдет в одно из своих крайних положений - либо дойдет до минимально допустимого открытого положения S_min__KPll, либо открыт, то АСУ ТП 6 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 6 реализует с помощью ПИД-регулятора 28 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 6 формирует сообщение оператору установки об автоматическом переводе установки на следующий режим работы.

Данный режим АСУ ТП 6 реализует, увеличивая/уменьшая значение уставки плана расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке, в зависимости от сложившейся ситуации в ту или иную сторону, до значения

Это измененное значение АСУ ТП подает в виде сигнала 20 на вход задания SP ПИД-регулятора 28. Сравнивая ее значение с фактическим расходом добываемой газоконденсатной смеси ПИД-регулятор 28 на своем выходе CV формирует управляющий сигнал 33 и задает соответствующее значение степени открытия/закрытия КР 2. Это ведет к изменению расхода добываемой газоконденсатной смеси, проходящей через установку и тем самым, повышает/понижает значение перепада давления на ТДА, при этом изменяется температура в низкотемпературном сепараторе 16, 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 6 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 6 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 месторождения требуется время τ_const для завершения переходных процессов порядка 15 минут. Если при реализации первого или очередного шага удается устранить возникшее нарушение в ходе технологического процесса - достичь заданной температуры в низкотемпературном сепараторе 16 или заданной температуры осушенного газа/НГК, поступающего/подаваемого в МГП/МКП, либо рабочий орган КР 5 или КР 8 или КР 11 перейдет в одно из своих рабочих положений, то АСУ ТП 6 продолжает работать, зафиксировав значение этой уставки в качестве задания. В противном случае АСУ ТП продолжит поиск, изменив значение уставки еще на один шаг. При этом АСУ ТП следит за тем, чтобы актуальное на данный момент значение уставки V_{ycт_ТДА} скорости вращения ротора ТДА, формируемое ПИД-регулятором 31, не вышло за пределы границ разрешенных скоростей вращения ротора ТДА.

Такой режиме коррекции уставки Q_{ГКС_ПЛАН}, осуществляемый с помощью КР 2 в следствии изменения параметров технологического процесса - при гидратообразовании в оборудовании, при загрязнении внутренних стенок ТО и т.д., позволяет АСУ ТП 6 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 минимально допустимого открытого положения S_min__KP2, АСУ ТП 6 формирует об этом сообщение оператору установки для принятия решения по изменению режима работы кустов газодобывающих скважин, либо режима работы установки с подключением аппаратов воздушного охлаждения.

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

Способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа с ТДА на Севере РФ реализован в ПАО «Газпром» ООО «Газпром добыча Ямбург» на Заполярном нефтегазоконденсатном месторождении на УКПГ 1 В и УКПГ 2 В. 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:

- автоматически удерживать температурный режим технологических процессов установки в условиях динамически меняющихся внешних и внутренних параметров, обеспечивая ее эффективную работу с учетом ограничений на допустимые вариации значений контролируемых параметров;

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

- автоматически переводить эксплуатацию установки на другой, допустимый режим работы при выявлении средствами АСУ ТП необходимости такого перехода.

Изобретение относится к области добычи и подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту. Способ автоматического управления установкой низкотемпературной сепарации газа (далее – установкой) с турбодетандерными агрегатами (ТДА) включает предварительную очистку добытой газоконденсатной смеси от механических примесей и частичное отделение смеси нестабильного газового конденсата (НГК) с водным раствором ингибитора (ВРИ) в сепараторе первой ступени сепарации с последующим отводом этой смеси из кубовой части сепаратора в разделитель жидкостей (РЖ). Газожидкостную смесь, выходящую из сепаратора, разделяют на два потока и подают для предварительного охлаждения на вход первых секций рекуперативных теплообменников (ТО) «газ-газ» и «газ-конденсат», распределив эту смесь по потокам с помощью крана-регулятора (КР), который установлен на входе первой секции ТО «газ-конденсат», и эти потоки газожидкостной смеси с выходов первых секций этих ТО объединяют и подают на вход турбины ТДА, оснащенного датчиком скорости вращения ротора, проходя который газожидкостная смесь адиабатически расширяется, а ее температура понижается до значений, близких к предусмотренным технологическим регламентом установки, и эту охлажденную газожидкостную смесь подают в низкотемпературный сепаратор газа, оснащенный датчиком температуры, в котором ее окончательно разделяют на осушенный холодный газ и смесь НГК с ВРИ, которую из низкотемпературного сепаратора второй ступени сепарации отводят через вторую секцию ТО «газ-конденсат» в РЖ для дегазации и разделения на фракции, 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 потоков охлажденного газа через вторую секцию ТО «газ-газ». Далее эти потоки газа, выходящие из второй секции ТО «газ-газ» и байпаса, объединяют и подают в компрессор ТДА, который дожимает газ до рабочего давления, и направляют в магистральный газопровод (МГП), из РЖ НГК направляют в магистральный конденсатопровод (МКП), ВРИ – в цех регенерации ингибитора, а газ выветривания – на утилизацию или закачку в МГП. Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) с момента запуска установки в эксплуатацию реализует режим работы установки, используя первоначально заданные значения уставок контролируемых параметров, а также следит за тем, чтобы актуальное на данный момент значение уставки V_{ycт_ТДА} скорости вращения ротора ТДА не вышло за верхнюю или нижнюю границу допустимых скоростей вращения. 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 и это изменение уставки АСУ ТП осуществляет в направлении, которое определяет возникшее нарушение. АСУ ТП после каждого шага удерживает режим управления технологическими процессами установки с новым значением уставки Q_{ГКС_ПЛАН} в течение определенного интервала времени, и если значения остальных вышеперечисленных контролируемых параметров технологических процессов за это время окажутся в пределах установленных для них границ, то АСУ ТП фиксирует это значение новой уставки Q_{ГКС_ПЛАН} плана расхода добываемой газоконденсатной смеси как рабочее в своей базе данных (БД) и генерирует сообщение оператору о совершенном автоматическом переходе на новый режим работы и выводит его характеристики, после чего АСУ ТП реализует 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 с турбодетандерными агрегатами – ТДА на Севере РФ, включающий предварительную очистку добытой газоконденсатной смеси от механических примесей и частичное отделение смеси нестабильного газового конденсата – НГК с водным раствором ингибитора – ВРИ в сепараторе первой ступени сепарации с последующим отводом этой смеси из кубовой части сепаратора в разделитель жидкостей – РЖ, а газожидкостную смесь, выходящую из сепаратора, разделяют на два потока и подают для предварительного охлаждения на вход первых секций рекуперативных теплообменников, далее ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат», распределив эту смесь по потокам с помощью крана-регулятора – КР, который установлен на входе первой секции ТО «газ-конденсат», и эти потоки газожидкостной смеси с выходов первых секций этих ТО объединяют и подают на вход турбины ТДА, оснащенного датчиком скорости вращения ротора, проходя который газожидкостная смесь адиабатически расширяется, а ее температура понижается до значений, близких к предусмотренным технологическим регламентом установки, и эту охлажденную газожидкостную смесь подают в низкотемпературный сепаратор газа, оснащенный датчиком температуры, в котором ее окончательно разделяют на осушенный холодный газ и смесь НГК с ВРИ, которую из низкотемпературного сепаратора второй ступени сепарации отводят через вторую секцию ТО «газ-конденсат» в РЖ для дегазации и разделения на фракции, 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 потоков охлажденного газа через вторую секцию ТО «газ-газ», и далее эти потоки газа, выходящие из второй секции ТО «газ-газ» и байпаса, объединяют и подают в компрессор ТДА, который дожимает газ до рабочего давления, и направляют в магистральный газопровод – МГП, из РЖ НГК направляют в магистральный конденсатопровод – МКП, ВРИ – в цех регенерации ингибитора, а газ выветривания – на утилизацию или закачку в МГП, отличающийся тем, что автоматизированная система управления технологическими процессами – АСУ ТП с момента запуска установки в эксплуатацию реализует режим работы установки, используя первоначально заданные значения уставок контролируемых параметров, а также следит за тем, чтобы актуальное на данный момент значение уставки V_{ycт_ТДА} скорости вращения ротора ТДА не вышло за верхнюю или нижнюю границу допустимых скоростей вращения, 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 где Q_{min_ГКС} минимально допустимое, a Q_{max_ГКС} максимально допустимое значение уставки расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке, а величину ΔQ_{ГКС_ПЛАН} назначают из соотношения где n – число шагов изменения уставки Q_{ГКС_ПЛАН}, перекрывающих весь диапазон допустимых вариаций уставки расхода добываемой газоконденсатной смеси по установке, и это изменение уставки АСУ ТП осуществляет в направлении, которое определяет возникшее нарушение, при этом АСУ ТП после каждого шага удерживает режим управления технологическими процессами установки с новым значением уставки Q_{ГКС_ПЛАН} в течение интервала времени не менее τ_const, являющегося индивидуальной характеристикой установки, определяемой экспериментально, и если значения остальных вышеперечисленных контролируемых параметров технологических процессов за это время окажутся в пределах установленных для них границ, то АСУ ТП фиксирует это значение новой уставки Q_{ГКС_ПЛАН} плана расхода добываемой газоконденсатной смеси как рабочее в своей базе данных (БД), генерирует сообщение оператору о совершенном автоматическом переходе на новый режим работы и выводит его характеристики, после чего 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 БД АСУ ТП значения уставок по плану добычи газоконденсатной смеси Q_{ГКС_ПЛАН}, значение шага его изменения ΔQ_{ГКС_ПЛАН} и границы интервала допустимых изменений от Q_{min_ГКС} до Q_{min_ГКС}, а также вводит значение уставки температуры в низкотемпературном сепараторе и границы интервала допустимых изменений фактической температуры Т°С_НС от нее, заданных неравенством уставки температуры осушенного газа, подаваемого в МГП, и границы интервала допустимых изменений фактической температуры Т°С_ОГ от нее, заданных неравенством уставки температуры НГК, поступающего в МКП, и границы интервала допустимых изменений фактической температуры Т°С_НГК от нее, заданных неравенством а также устанавливают границы допустимого перемещения S_КР2 рабочего органа КР, управляющего расходом добытой газоконденсатной смеси по установке, от минимально допустимого открытого положения S_min__КР2 до полностью открыт, устанавливают границы допустимого перемещения S_КР11 рабочего органа КР, управляющего расходом осушенного газа, подаваемого в МГП, от минимально допустимого открытого положения S_{min_KP11} до полностью открыт, и скоростью вращения ротора ТДА, после чего осуществляют запуск установки в эксплуатацию, технологические процессы в которой ведет АСУ ТП, используя три ПИД-регулятора, каждый из которых по отдельности, с помощью подсоединенного к нему КР, управляет своим параметром технологического процесса, и один каскад из двух ПИД-регуляторов, в котором первый ПИД-регулятор вычисляет актуальное на данный момент значение уставки V_{yст_ТДА} скорости вращения ротора ТДА, а второй ПИД-регулятор управляет с помощью подключенного к нему КР скоростью вращения ротора турбины ТДА.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что АСУ ТП формирует сообщение оператору установки для принятия решения по изменению режима работы кустов газодобывающих скважин либо режима работы установки с подключением агрегатов воздушного охлаждения газа, если в режиме коррекции уставки Q_{ГКС_ПЛАН} с помощью КР, установленного на входе установки и управляющего расходом добытой газоконденсатной смеси, как только будет выявлено то, что достигнута одна из границ допустимых вариаций расхода добываемой газоконденсатной смеси Q_{min_ГКС} или Q_{mах_ГКС}, либо рабочий орган этого КР перейдет в состояние полностью открыт или достигнет минимально допустимого открытого положения S_min__КР2.