Способ автоматического управления производительностью газовых промыслов с учетом их энергоэффективности в условиях Севера РФ Российский патент 2024 года по МПК E21B43/00 F17D3/00 

Изобретение относится к области добычи природного газа, в частности к обеспечению регулирования производительностью (по товарному газу) газодобывающего предприятия (ГДП) на Крайнем Севере РФ.

Известен способ регулирования производительностью ГДП, включающий разработку плана распределении заданного директивно объема добычи товарного газа между установками комплексной подготовки газа (УКПГ) [см., например, стр. 160, Маргулов Р.Д., Тагиев В.Г., Гергедава Ш.К. Организация управления газодобывающим предприятием. - М., Недра, 1981. - 239 с.]. Способ включает регулирование производительностью ГДП путем определения нового, отличного от ранее выработанного плана распределения заданной добычи газа в условиях директивного изменения производительности ГДП или отдельного (отдельных) газовых промыслов (ГП).

Недостатком указанного способа является то, что при распределении заданной добычи газа между ГП их производительность корректируют в условиях директивного изменения плана по решению руководства предприятия диспетчером без учета энергоэффективности эксплуатируемого оборудования, в частности не учитывается энергоэффективность дожимных компрессорных станций (ДКС), имеющихся на ГП.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ оптимального управления производительностью ГДП, включающий разработку плана распределения заданного директивно объема добычи газа ГДП между ГП [см., например, стр. 154. Кулиев A.M., Тагиев В.Г. Оптимизация процессов газопромысловой технологии. - М.: Недра, 1984, 200 с.].

В указанном способе управление производительностью объектов газопромысловой технологии предполагает оптимальное распределение производительности ГДП по ГП. При этом задача оптимального распределения заданной производительности ГДП по ГП решается как в нормальной производственной ситуации, т.е. путем поддержания соответствия заданной и текущей производительности ГДП, также и в экстремальной ситуации, в случае возникновения рассогласования между заданной и текущей производительностью. В нормальной производственной ситуации для проверки соответствия заданной и текущей производительностей ГДП потребность в решении указанной задачи не превышает одного раза за смену. Решение задач в экстремальной ситуации производится при поступлении данных об изменении задания по производительности ГДП или изменении текущей производительности ГДП вследствие изменения текущей производительности одного или нескольких ГП (в случае возникновения непредвиденных ситуаций, в том числе аварий) на газопромысловых объектах. В нормальной производственной ситуации или при поступлении из системы автоматизации ГП информации об экстремальной ситуации на газопромысловом объекте (объектах) на верхний уровень управления, на нем начинается сравнение текущей производительности ГДП с заданной. Если текущая производительность соответствует заданной, то нагрузки на ГП сохраняются на прежнем уровне. В случае несоответствия текущей и заданной производительности определяется величина и знак рассогласования между ними, и система автоматизации на верхнем уровне управления формирует рекомендации для производственно-диспетчерской службы по восстановлению производительности ГДП.

Существенным недостатком указанного способа является то, что производительность ГДП корректирует диспетчер либо в условиях директивного изменения плана по поручению руководства предприятия, либо вследствие изменения текущей производительности одного или нескольких ГП (при нарушении технологического процесса в них, в том числе при возникновении аварий). Причем, оптимальные управляющие воздействия для управления производительностью ГДП по газу формируются не в автоматическом режиме в реальном масштабе времени, а производственно-диспетчерской службой, на основе рекомендаций системы автоматизации [см., стр. 41, Кулиев A.M., Тагиев В.Г. Оптимизация процессов газопромысловой технологии. - М.: Недра, 1984, 200 с.], что значительно снижает скорость, точность, эффективность и качество принятия решений по управлению ГП. Кроме этого, при распределении заданного уровня добычи газа между ГП не учитывается энергоэффективность их оборудования, в частности оборудования ДКС, участвующих в процесс добыч и подготовки газа к дальнему транспорту.

Одним из основных факторов, влияющих на технико-экономические показатели ГП, является избыточное давление газа, под которым, применительно к ГП, подразумевают разность давлений газа между точкой его входа в УКПГ и его выходом в магистральный газопровод (МГЦ).

В процессе эксплуатации ГП происходит снижение давления газа на устье скважин и, следовательно, на входе в УКПГ, что обуславливает необходимость ввода ДКС, которая позволит поддерживать отборы газа на ГП в соответствии проектом разработки, так как в обратном случае было бы невозможным поддержание производительности ГП и МГП на проектном уровне [см., например, стр. 531, Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата. М.: ООО «недра-Бизнесцентр», 1999. - 596 с.]. Однако ввод ДКС в эксплуатацию, осуществляющих компримирование добываемого природного газа на ГП, значительно увеличивает энергоемкость технологических процессов на газопромысловых объектах. Необходимо отметить, что газоперекачивающие агрегаты (ГПА) компрессорных станций на ГП потребляют 80-85% общих затрат газа на собственные технологические нужды. В частности, затраты на топливный газ для ГПА промысловых ДКС в период падающей добычи могут достигать 50% в общей структуре эксплуатационных затрат [см., например, М.А. Воронцов, Энергоэффективность компримирования природного газа на промысле при неравномерности показателей эксплуатации основного газоперекачивающего оборудования, Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы в нефтяной и газовой промышленности. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2012 [электронный ресурс] Режим доступа: https://pandia.ru/text/79/534/57745.php (дата обращения 07.10.2021)].

Как правило, ДКС работают на нерасчетных режимах вследствие различия проектных и фактических показателей разработки, несовпадения фактических характеристик оборудования и принятых при проектировании, неравномерности режимов работы (сезонной, суточной) и др. Все это не позволяет в полной мере реализовать потенциал эффективности проектных решений и приводит к перерасходу топливного газа (энергопотребления) относительно принятых проектных значений.

Кроме этого, размещение ДКС перед УКПГ, а именно этот вариант широко используется на большинстве нефтегазоконденсатных месторождений (НГКМ), расположенных в районах Севера РФ, например, на Ямбургском и Заполярном НГКМ, позволяет поддерживать оптимальный гидравлический режим оборудования установки. Однако, такое размещение ДКС вызывает ряд негативных последствий, одним из которых является снижения эффективности работы ГПА из-за:

- изменения режима работы скважин, приводящего к попаданию капельной жидкости, механических примесей и т.д. в добываемый природный газ;

- ухудшения состояния эксплуатируемых скважин по причине образования гидратных и иных отложений в их стволах и в газосборных шлейфах и т.д.

Влияние перечисленных факторов на эффективность работы ГПА разных ГП и на разных этапах их жизненного цикла проявляется по-разному, что приводит к значительным колебаниям значений энергоэффективности ДКС.

Кроме этого, при внеплановой или плановой реконструкции и модернизации ДКС проводится их адаптация к изменившимся условиям работы (объектно-ориентированный подход). Так как эти работы на разных ДКС ГП проводятся не одновременно, то очевидно, что все ДКС по своей энергоэффективности будут отличаться от друга - т.е. ДКС, которые только что прошли реконструкцию или модернизацию, будут иметь лучшую энергоэффективность, а те ДКС, которые не прошли реконструкцию или модернизацию, будут иметь более низкую энергоэффективность.

Поэтому одной из главных задач в производственной деятельности ГДП, эксплуатирующего НГКМ на Крайнем Севере, является оптимизация загрузки ДКС на ГП с учетом их энергоэффективности в рамках заданных границ, регламентируемых технологическим регламентом ДКС.

Для решения этой задачи ДКС, компримирующие добываемый газ, загружают с учетом потребления топливного газа их ГПА с газотурбинным приводом (ГГПА) - чем меньше потребление топливного газа ГГПА ДКС, тем больше ее загружают, и наоборот, чем больше потребление топливного газа ГГПА ДКС, тем меньше ее загружают.

Под энергоэффективностью - E_i i-ой ДКС подразумевают отношение расхода - осушаемого газа в единицу времени i-ой УКПГ на расход - топливного газа в единицу времени, потребляемый i-ой ДКС, который определяют из следующего выражения:

где i - идентификационный номер ГП в составе ГДП.

Значение фактического расхода товарного газа в единицу времени, подготавливаемого ГДП и подаваемого в МГП, определяют из соотношения:

где - фактический расход товарного газа, подаваемого УКПГ i-ого ГП в МГП; n - число УКПГ, равное числу ГП эксплуатируемых ГДП. Кроме этого, каждая УКПГ обеспечивает ДКС, стоящую перед ней, топливным газом, расход которого определен объемом - и все остальные объекты ГП, потребляющие газ на собственные нужды, получают его в объеме - необходимом для функционирования их технологического оборудования и узлов. Соответственно, каждая i-ая ДКС обеспечивает перекачку добываемого газа (валовую добычу газа) в объеме, определяемом соотношением:

Валовая добыча газа всеми промыслами ГДП определяется по формуле:

Информационно-управляющая система диспетчерского управления (ИУС ДУ) в реальном масштабе времени контролирует фактический расход товарного газа подаваемого ГДП в МГП, валовую добычу газа потребление топливного газа каждой ДКС и потребление газа на собственные нужды каждым ГП

Одновременно ИУС ДУ формирует и подает задание текущего значения подачи потребителям товарного газа в АСУ ТП УКПГ каждого ГП.

Целью заявляемого технического решения является автоматическое управление производительностью ГДП и перераспределение задания по добыче газа между всеми его ГП с учетом энергоэффективности их ДКС.

Техническим результатом, достигаемым от реализации заявляемого способа, является автоматическое перераспределение заданного директивно плана объема добычи товарного газа ГДП между его ГП в режиме реального времени путем управления производительностью ДКС при различных режимах эксплуатации с учетом изменения их энергоэффективности и снижения углеродного следа процесса добычи.

Заявляемый способ обеспечивает оптимальное распределение заданного директивно плана объема добычи товарного газа ГДП между его ГП с учетом текущей энергоэффективности их ДКС, что обеспечивает снижение себестоимости подготовки газа к дальнему транспорту и снижению углеродного следа.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ автоматического управления производительностью газовых промыслов, с учетом их энергоэффективности, в условиях Севера РФ включает распределение заданного директивно плана по объему добычи газа диспетчерской службой ГДП между его ГП. План добычи ИУС ДУ передает в виде задания в автоматизированную систему управления технологическими процессами (АСУ ТП) i-ой УКПГ на подачу осушенного газа в МГП, где i - номер ГП в составе ГДП. Получив плановое задание АСУ ТП i-ой УКПГ вместе с АСУ ТП ДКС i-ого ГП обеспечивают валовую подготовку осушенного газа в объеме часть которого поступает на технологические потребности самой УКПГ как газ на собственные нужды в объеме а другая его часть в объеме поступает в ДКС как топливный газ для ее ГПА с ГГПА, а оставшуюся часть, в объеме i-ая УКПГ подает в МГП.

ИУС ДУ ГДП непрерывно формирует в автоматическом режиме индивидуальное текущее задание каждому i-му ГП по подаче товарного газа в МГП с учетом энергоэффективности E_i его ДКС, используя индивидуальный для каждого i-го ГП ПИД-регулятор. Эти ПИД-регуляторы построены на базе ИУС ДУ и функционируют в одном из двух режимов: основном - штатном и вспомогательном - ручном, назначаемом ИУС ДУ в зависимости от ситуации. В штатном режиме ПИД-регулятор автоматически формирует текущее задание для АСУ ТП i-ой УКПГ по производительности контролируемого им i-го ГП, а во вспомогательном режиме управления ПИД-регулятор переходит на трансляцию пошагово меняющееся задания по производительности контролируемому им i-му ГП, которое формирует ИУС ДУ при итерационном поиске максимальной энергоэффективности ГДП. В обоих режимах функционирования с выхода i-ого ПИД-регулятора сигнал задания поступает в АСУ ТП i-ой УКПГ управляемого им ГП. При этом на вход задания SP всех ПИД-регуляторов, формирующих план добычи промыслам ГДП, ИУС ДУ устанавливает сигнал плана добычи товарного газа по ГДП, а на вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов ИУС ДУ подает сигнал фактической добычи всеми УКПГ товарного газа поступающего в МГП.

При запуске системы в работу все эти ПИД-регуляторы работают в основном режиме с индивидуальным значением коэффициента пропорциональности который для каждого из них рассчитывает подключенный к нему блок расчета коэффициента пропорциональности, также реализованный на базе ИУС ДУ, используя соотношение:

Где - максимально и минимально значение коэффициента пропорциональности соответственно; максимально и минимально значения энергоэффективности i-ой ДКС, соответственно; E_i - текущее значение энергоэффективности i-ой ДКС.

Коэффициенты обслуживающий персонал определяет экспериментально для режима с максимальной производительности ДКС и учетом допустимого уровня перерегулирования, а величину - для режима с минимальной производительности ДКС с учетом технологических норм и ограничений, предусмотренных ее технологическим регламентом.

обслуживающий персонал определяет экспериментально при запуске ГП в эксплуатацию, а так же после каждого профилактического ремонта и периодически, по графику, на основе проверки работы ДКС.

Энергоэффективность i-ой ДКС E_i ИУС ДУ непрерывно вычисляет по фактически измеряемым данным, используя формулу:

где - валовая добыча газа по i-му ГП; - расход топливного газа в единицу времени, потребляемый i-ой ДКС.

Как только ГДП после запуска системы в эксплуатацию выйдет на плановую добычу товарного газа ИУС ДУ начинает регулярно, через заданный интервал времени ζ задаваемый обслуживающим персоналом перед запуском установки в эксплуатацию, определять общую энергоэффективность ГДП из соотношения

и ранжировать все эксплуатируемые ГП по их текущей энергоэффективности. По результатам ранжирования ИУС ДУ определяет ГП, который работает с наименьшим значением энергоэффективности и ГП, который работает с наибольшим значением энергоэффективности Далее ИУС ДУ производит их сравнение на соответствие условию где Δ - допустимое отклонение между указанными величинами, которое задает обслуживающий персонал перед запуском системы в эксплуатацию. Если это условие для всех ГП выполняется, то все ПИД регуляторы продолжают работать в штатном режиме. А если это условие не выполняется, то ИУС ДУ приступает к итерационному поиску максимальной энергоэффективности ГДП для текущих условий эксплуатации всех ГП ГДП, по окончании которого ИУС ДУ вновь переводит оперативное формирование задания по производительности каждого ГП его индивидуальному ПИД-регулятору.

ИУС ДУ в режиме поиска максимальной энергоэффективности ГДП переводит i-ый ПИД-регулятор, управляющий производительностью ГП, с наименьшей энергоэффективностью во вспомогательный режим функционирования. В этом режиме ПИД-регулятор в неизменной форме транслирует сигнал задания текущей производительности i-го ГП в его АСУ ТП УКПГ, которую формирует ИУС ДУ. Формирование этого задания заключается в том, что ИУС ДУ начинает пошагово снижать с заданным уровнем квантования и дискретизаций по времени с шагом τ, учитывающем инерционность технологических процессов. После каждого шага снижения задания для этого ГП ИУС ДУ выжидает перераспределения задания по подаче газа в МГП между остальными ГП, задание которым непрерывно формируют в автоматическом режиме их ПИД-регуляторы ИУС ДУ. После завершения переходных процессов ИУС ДУ снова определяет общую энергоэффективность ГДП и энергоэффективность всех его ГП. И если после очередного шага снижения задания по производительности для АСУ ТП i-ой УКПГ с наименьшей энергоэффективностью ГДП перестает возрастать, то ИУС ДУ останавливает процесс снижения задания и возвращает его значение на предыдущий шаг. При этом ПИД-регулятор i-ой УКПГ ИУС ДУ оставляет в ручном режиме управления и одновременно фиксирует в своей базе данных (БД) вновь найденное значение и проверяет все остальные ГП на выполнение условия с новым значением И если это условие выполняется, то ИУС ДУ переводит ПИД-регулятор i-ой УКПГ, для которой был снижен план добычи, на штатный режим управления. Но если проверка вновь выявит ГП, у которого это условие не выполняется, то ИУС ДУ приступает к разгрузке вновь выявленного ГП с нарушением указанного условия, как следующего, не энергоэффективного промысла. После этого процесс поиска максимальной энергоэффективности ГДП повторяется. И так продолжается до тех пор, когда указанное условие будет выполняться для всех ГП с последним найденным значением либо процесс итерационного поиска дойдет до предпоследнего ГП, после чего ИУС ДС переводит все ПИД-регуляторы на штатный режим работы автоматического формирования текущего задания добычи газа для каждого ГП.

На фиг. 1 приведена структурная схема ГДП в периоде компрессорной добычи газа. В этой схеме использованы следующие обозначения:

1_i -коллектор сырого газа;

2_i - i- ый ГП, i=1, …, n;

3_i - АСУ ТП i-ой ДКС;

4_i - АСУ ТП i-ой УКПГ;

5_i - i-ая ДКС;

6_i - i-аяУКПГ;

7 - ИУС ДУ ГДП;

8 - МГП.

На фиг. 2 приведена структурная схема автоматического управления всеми ДКС 5_i, обеспечивающая распределение нагрузки между ГП 2_i и оптимизирующая расход топливного газа по ГДП в компрессорный период добычи газа. В ней использованы следующие обозначения:

9_i - сигнал логическая «единица»/логический «ноль», подаваемый на вход «Auto/Man» ПИД-регулятора 19_i, который разрешает/запрещает его работу;

10_i - сигнал энергоэффективности - E_i ДКС 5_i;

11_i - сигнал - минимальное значение коэффициента пропорциональности ПИД-регулятора 19_i;

12_i - сигнал - максимальное значение коэффициента пропорциональности ПИД-регулятора 19_i;

13_i - сигнал уставки минимального значения энергоэффективности ДКС 5_i;

14_i - сигнал уставки максимального значения энергоэффективности ДКС 5_i;

15_i - сигнал установки текущей производительности для ГП 2_i по товарному газу, поступающий от ИУС ДУ 7 на вход «Step» ПИД-регулятора 19_i;

16 - сигнал уставки плана добычи товарного газа Q_план ГДП;

17 - сигнал фактического расхода товарного газа Q_факт по ГДП;

18_i - блок расчета коэффициента пропорциональности ПИД-регулятора 19_i;

19_i - ПИД-регулятор, формирующий значение задания текущей производительности ГП 1_i по товарному газу;

20_i - сигнал задания производительности ГП 2_i по товарному газу подаваемый на вход АСУ ТП 4_i управляющей УКПГ 6_i.

Блоки расчета коэффициента пропорциональности 18 и ПИД-регуляторы 19 реализованы на базе ИУС ДУ 7 ГДП.

Способ автоматического управления производительностью газовых промыслов, с учетом их энергоэффективности, в условиях Севера РФ реализуют следующим образом.

АСУ ТП ДКС 3_i и АСУ ТП УКПГ 4_i функционируют автономно, управляя своими технологическими объектами. В рамках ГДП они для ИУС ДУ 7 являются нижними уровнями управления.

ИУС ДУ 7 формирует индивидуальное текущее задание каждому ГП 2_i по подаче товарного газа и подает его в АСУ ТП УКПГ 4_i.

Соответственно, АСУ ТП УКПГ 4_i выдает задание в АСУ ТП ДКС 3_i, которое в автоматическом режиме поддерживает выполнение i-ым ГП 2_i по подаче товарного газа в МГП 8, а так же контролирует подачу осушенного газа на собственные нужды и одновременно обеспечивает необходимую величину расхода топливного газа исходя из потребностей, определяемых фактическим состоянием и возможностями потребляющего оборудования ДКС 5_i.

Для определения значения валового расхода газа по i-ому ГП 2_i его АСУ ТП УКПГ 4_i запрашивает значение у своей АСУ ТП ДКС 3_i и определяет по формуле (2). Вычисленное значение она передает в ИУС ДУ 7 для оперативного контроля соответствия разработки эксплуатируемого объекта месторождения утвержденной модели его разработки.

Для функционирования блоков расчета коэффициента пропорциональности 18_i, значения необходимых параметров из АСУ ТП ДКС 3_i и АСУ ТП УКПГ 4_i поступают в БД ИУС ДУ 7. Значение плана добычи товарного газа Q_план ГДП в БД ИУС ДУ 7 вводит диспетчерская служба ГДП. Фактический расход товарного газа Q_факт ИУС ДУ 7 определяет путем суммирования фактического расхода товарного газа по всем ГП 2_i, значения которого поступают от всех АСУ ТП УКПГ 4_i.

Добытый природный газ из коллектора сырого газа 1 подают на вход ДКС 5_i, где он подвергается компримированию до заданного давления, предусмотренного ее технологическим регламентом. После этого компримированный газ подают на вход УКПГ 6_i, где он подвергается очистке и осушке в соответствии с требованиями и нормами СТО Газпром 089-2010. Из осушенного газа в объеме часть поступает как газ на собственные нужды в объеме на УКПГ 6_i, другая часть в объеме поступает в ДКС 5_i как топливный газ, и оставшуюся часть в объеме подают в МГП 8.

Запуск и выход на плановую производительность ГДП по товарному газу ИУС ДУ 7 осуществляет в автоматическом режиме с помощью ПИД-регуляторов 19_i, управляющих выдачей задания АСУ ТП 4_i на подготовку осушенного газа УКПГ 6_i в объеме соответственно их i-ым номерам.

ПИД-регулятор 19_i функционирует в двух режимах - «Auto» (автомат) и «Man» (ручной), которые ему задает ИУС ДУ 7, подавая на его вход «Auto/Man» соответствующий сигнал 9_i;

- если на его вход «Auto/Man» установлен сигнал логическая «единица», то ПИД-регулятор 19_i работает в основном - штатном режиме, т.е. как обычный ПИД-регулятор;

- если на его вход «Auto/Man» установлен сигнал логический «ноль», то ПИД-регулятор 19_i переходит в ручной режим управления - «Man» и транслирует на свой выход CV сигнал 15_i, поступающий из ИУС ДУ 7 на его вход «Step» в неизменной форме. В этом режиме ИУС ДУ 7 корректирует задание на подготовку осушенного газа УКПГ 6_i в объеме для оптимизации энергоэффективности ГДП.

Перед запуском в эксплуатацию ИУС ДУ 7 определяет значения коэффициентов пропорциональности блоков расчета коэффициента пропорциональности 18_i ПИД-регуляторов 19_i по следующей формуле:

Значения коэффициентов, входящих в формулу (3), определяет обслуживающий персонал и вносит в БД ИУС ДУ.

Значение коэффициента определяют для режима минимальной производительности ДКС 5_i с учетом технологических норм и ограничений, предусмотренных их технологическим регламентом, а значение коэффициента - с учетом допустимого значения перерегулирования при работе ДКС 5_i с максимальной нагрузкой.

Значения для ДКС 5_i ГП 2_i определяют при его запуске в эксплуатацию, а также после каждого профилактического ремонта и периодически, по графику, на основе проверки работы ДКС 5_i. Они соответствуют минимально допустимой и максимально возможной энергоэффективности ДКС 5_i и заносятся в БД ИУС ДУ 7 для реализации объектно-ориентированного подхода к управлению работой ГДП.

При запуске системы в эксплуатацию все блоки расчета коэффициента пропорциональности 18 производят расчет коэффициента по формуле (3) и подают его на вход К_р своего ПИД-регулятора 19.

Расчет значения по формуле (3) показывает, что:

- оно будет ближе к значению для той ДКС 5_i, у которой значение E_i будет ближе к

- оно будет ближе к значению для той ДКС 5_i, у которой значение E_i будет ближе к

Следовательно, ДКС 5_i, обладающая самой высокой энергоэффективностью, примет на себя большую часть задания на приращение подачи товарного газа в МГП по сравнению с ДКС 5_i, имеющими меньшую энергоэффективность.

Запуск и вывод ГП 2_i на выполнение плана по добыче товарного газа с учетом энергоэффективности ДКС 5_i производят следующим образом. Перед запуском ИУС ДУ 7 на вход задания SP всех ПИД-регуляторов 19_i устанавливает значение плана добычи товарного газа - сигнал 16, а на их вход «Auto/Man» подает сигнал 9_i логическая «единица». Одновременно с этого момента ИУС ДУ 7 на вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов 19_i подает сигнал 17 - значение фактической подачи товарного газа всеми УКПГ в МГП 8. В результате на выходе CV каждый из ПИД-регуляторов 19, формирует задание для своей УКПГ, которое в виде управляющего сигнала 20_i подает в АСУ ТП i-ой УКПГ.

В результате заданный объем добычи товарного газа по месторождению будут распределен на все работающие в данный момент ГП ГДП, с учетом энергоэффективности E_i их ДКС 5_i по топливному газу.

После окончания переходного режима, длительность которого задается обслуживающим персоналом перед запуском системы в эксплуатацию, ИУС ДУ 7 в непрерывном режиме определяет энергоэффективность E_i каждого ГП 2_i по формуле (1), а также общую энергоэффективность всех ГП 2_i месторождения по формуле:

В процессе работы ИУС ДУ 8 регулярно, через заданный интервал времени ζ, задаваемый обслуживающим персоналом перед запуском установки в эксплуатацию, ранжирует все эксплуатируемые ГП 2_i по их энергоэффективности и определяет ГП 2_i, который работает с наименьшим значением энергоэффективности и ГП 2_i который работает с наибольшим значением энергоэффективности . Далее ИУС ДУ 7 производит сравнение этих величин на соответствие условию , где Δ - допустимое отклонение между указанными величинами, которое задается обслуживающим персоналом перед запуском системы. Опыт эксплуатации ГП ООО «Газпром добыча Ямбург» показал, что для его ГП оптимальным является значение Δ≤2% от И если указанное условие не выполняется, то ИУС ДУ 7 приступает к разгрузке ГП 2_i с минимальной энергоэффективностью

С этой целью ИУС ДУ 7 подает сигнал 9_i - логический «ноль» на вход «Auto/Man» ПИД-регулятора 19_i ГП 2_i с минимальной энергоэффективностью и переводит его на режим работы «Man». В этом режиме ПИД-регулятор 19_i транслирует сигнал 15_i - задание текущей производительности для ГП 2_i по товарному газу, который поступает от ИУС ДУ 7 на его вход «Step», в неизменной форме. Соответственно, транслируемый на выход CV этого ПИД-регулятора 19_i сигнал 15_i, уже как сигнал задания 20_i, поступает в АСУ ТП 4 i-ой УКПГ.

Далее, ИУС ДУ 7, с учетом инерционности технологических процессов, с заданным шагом квантования и дискретизации по времени с шагом т уменьшает текущее задание для ГП 2_i, которое транслирует на выход CV ПИД-регулятора 19_i, и в виде сигнала 20_i подает в АСУ ТП 4 i-ой УКПГ с наименьшим значением энергоэффективности Поскольку на каждом шаге корректировки производительность ГП 2_i снижается, выпадающая нагрузка по товарному газу автоматически перераспределяется между остальными ГП ГДП, управляемыми своими ПИД-регуляторами 19, с учетом зависимости от текущей энергоэффективности их ДКС по топливному газу.

Одновременно ИУС ДУ 7 отслеживает изменения общей энергоэффективности всех ГП месторождения, вычисляемое по формуле (4) через временной интервал τ после очередного шага снижения производительности, управляемого в режиме работы «Man». Если в результате очередного шага снижения производительности для АСУ ТП 4 i-ой УКПГ с наименьшим значением энергоэффективности значение общей энергоэффективности перестает возрастать, то процесс снижения останавливают. После этого ИУС ДУ 7 возвращает значение на предыдущий шаг, а ПИД-регулятор 19_i оставляет в режиме «Man», т.е. на его входе «Auto/Man» по-прежнему остается установленный сигнал 9_i логический «ноль».

Далее ИУС ДУ 7 фиксирует в своей БД вновь найденное значение и проверяет все остальные ГП 2_i на выполнение условия с новым значением Если это условие выполняется, то ИУС ДУ 7 переводит этот ПИД-регулятор 19_i на штатный режим работы «Auto», подав на его вход «Auto/Man» сигнал 9_i логическая «единица». Но если проверка вновь выявит ГП, у которого это условие не выполняется, то ИУС ДУ 7 приступает к его разгрузке как следующего, не энергоэффективного ГП, вышеописанным образом. Это процесс протекает до тех пор, пока ИУС ДУ 7 не убедится, что указанное условие выполняется для всех ГП для последнего найденного значения либо дойдет до предпоследнего ГП, перераспределив его нагрузку. На этом процесс перераспределения нагрузки между ГГПА завершается.

После завершения перераспределения ИУС ДУ 7 возвращает все ПИД-регуляторы 19_i в штатный автоматический режим работы «Auto», установив на их входах «Auto/Man» сигнал 9_i логическая «единица» и продолжает в непрерывном режиме следить за вновь установленным значением

Если в процессе эксплуатации месторождения ИУС ДУ 7 вновь выявит отклонение от условия она вновь приступает к перераспределению производительности ГДП между ГП вышеуказанным способом.

В итоге заданный объем добычи товарного газа по месторождению будут поддерживать все работающие в данный момент ГП ГДП, но каждое изменении их производительности будет происходить в зависимости от энергоэффективности их ДКС по топливному газу, и только в направлении понижения потребления топливного газа. Благодаря такой процедуре управления добычей товарного газа практически реализует итерационный процесс снижения затрат топливного газа всеми ДКС, сводящий к минимально возможному его потребление для этого ГДП в реально существующих на данный момент условиях.

Настройку используемых в ИУС ДУ 7 ПИД-регуляторов 19 проводит обслуживающий персонал в момент запуска системы в работу под конкретный режим работы установок согласно методу, изложенному, например, в «Энциклопедии АСУ ТП», п. 5.5, ПИД-регулятор, ресурс: http://www.bookasutp.ru/Chapter5_5.aspx#HandTuning.

Способ автоматического управления производительностью газовых промыслов, с учетом их энергоэффективности, в условиях Севера РФ реализован в ПАО «Газпром» ООО «Газпром добыча Ямбург» на Заполярном нефтегазоконденсатном месторождении, на УКПГ 1С, УКПГ 2С и УКПГ 3С. Результаты эксплуатации показали его высокую эффективность. Заявляемое техническое решение может широко использоваться и на других действующих и вновь осваиваемых газоконденсатных месторождениях, расположенных в районах Севера РФ.

Применение данного способа позволяет автоматически распределять заданный директивно план объема добычи товарного газа ГДП в режиме реального времени путем управления производительностью ГП при различных режимах эксплуатации ДКС с учетом их энергоэффективности по потреблению топливного газа, и обеспечивать минимизацию углеродного следа функционирующих ГДП.

Изобретение относится к области добычи природного газа, в частности к обеспечению регулирования производительности газодобывающего предприятия (ГДП). Способ включает распределение заданного директивно плана по объему добычи газа диспетчерской службой между его газовыми промыслами (ГП), который информационно-управляющая система диспетчерского управления - ИУС ДУ передает в виде задания в автоматизированную систему управления технологическими процессами - АСУ ТП i-й установки комплексной подготовки газа - УКПГ на подачу осушенного газа в магистральный газопровод. АСУ ТП i-й УКПГ вместе с АСУ ТП дожимной компрессорной станции - ДКС i-го ГП обеспечивают подготовку осушенного газа в объеме часть которого поступает на технологические потребности самой УКПГ как газ на собственные нужды в объеме а другая его часть в объеме поступает в ДКС как топливный газ для ее газоперекачивающих агрегатов. ИУС ДУ ГДП непрерывно формирует индивидуальное текущее задание каждому i-му ГП по подаче товарного газа с учетом энергоэффективности его ДКС, используя индивидуальный для каждого i-го ГП ПИД-регулятор, функционирующий в штатном или вспомогательном режиме. В штатном режиме ПИД-регулятор автоматически формирует текущее задание для АСУ ТП i-й УКПГ по производительности контролируемого им i-го ГП. Во вспомогательном режиме ПИД-регулятор переходит на трансляцию пошагово меняющегося задания по производительности, которое формирует ИУС ДУ при итерационном поиске максимальной энергоэффективности ГДП. В обоих режимах с выхода i-го ПИД-регулятора сигнал задания поступает в АСУ ТП i-й УКПГ управляемого им ГП. На вход задания SP всех ПИД-регуляторов ИУС ДУ устанавливает сигнал плана добычи товарного газа , а на вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов подает сигнал фактической добычи всеми УКПГ товарного газа поступающего в МГП. При запуске системы в работу все эти ПИД-регуляторы работают в основном режиме с индивидуальным значением коэффициента пропорциональности . Как только ГДП после запуска системы в эксплуатацию выйдет на плановую добычу ИУС ДУ начинает определять общую энергоэффективность и ранжировать все ГП по их текущей энергоэффективности, по результатам которой ИУС ДУ определяет ГП, который работает с наименьшим и с наибольшим значением энергоэффективности, и производит их сравнение. Обеспечивается оптимальное распределение плана объема добычи между ГП в режиме реального времени, снижается углеродный след. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматического управления производительностью газовых промыслов с учетом их энергоэффективности в условиях Севера РФ, включающий распределение заданного директивно плана по объему добычи газа диспетчерской службой ГДП между его газовыми промыслами - ГП, который информационно-управляющая система диспетчерского управления - ИУС ДУ передает в виде задания в автоматизированную систему управления технологическими процессами - АСУ ТП i-й установки комплексной подготовки газа - УКПГ на подачу осушенного газа в магистральный газопровод - МГП, где i - номер ГП в составе ГДП, и АСУ ТП i-й УКПГ вместе с АСУ ТП дожимной компрессорной станции - ДКС i-го ГП обеспечивают валовую подготовку осушенного газа в объеме часть которого поступает на технологические потребности самой УКПГ как газ на собственные нужды в объеме а другая его часть в объеме поступает в ДКС как топливный газ для ее газоперекачивающих агрегатов - ГПА с газотурбинным приводом - ГГПА, а оставшуюся часть, в объеме i-я УКПГ подает в МГП, отличающийся тем, что ИУС ДУ ГДП непрерывно формирует в автоматическом режиме индивидуальное текущее задание каждому i-му ГП по подаче товарного газа в МГП с учетом энергоэффективности его ДКС, используя индивидуальный для каждого i-го ГП ПИД-регулятор, построенный на базе ИУС ДУ и функционирующий в одном из двух режимов: основном - штатном и вспомогательном - ручном, назначаемом ИУС ДУ в зависимости от ситуации, а именно в штатном режиме ПИД-регулятор автоматически формирует текущее задание для АСУ ТП i-й УКПГ по производительности контролируемого им i-го ГП, а во вспомогательном режиме управления ПИД-регулятор переходит на трансляцию пошагово меняющегося задания по производительности контролируемому им i-му ГП, которое формирует ИУС ДУ при итерационном поиске максимальной энергоэффективности ГДП, и в обоих режимах функционирования с выхода i-го ПИД-регулятора сигнал задания поступает в АСУ ТП i-й УКПГ управляемого им ГП, при этом на вход задания SP всех ПИД-регуляторов, формирующих план добычи промыслам ГДП, ИУС ДУ устанавливает сигнал плана добычи товарного газа по ГДП, а на вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов ИУС ДУ подает сигнал фактической добычи всеми УКПГ товарного газа поступающего в МГП, и при запуске системы в работу все эти ПИД-регуляторы работают в основном режиме с индивидуальным значением коэффициента пропорциональности который для каждого из них рассчитывает подключенный к нему блок расчета коэффициента пропорциональности, используя соотношение

где - максимальное и минимальное значения коэффициента пропорциональности соответственно, которые определяют экспериментально, при этом значение коэффициента определяют для режима минимально допустимой производительности ДКС, с учетом технологических норм и ограничений, предусмотренных ее технологическим регламентом, а значение коэффициента - с учетом допустимого значения перерегулирования при работе ДКС, с максимальной нагрузкой;

- максимальное и минимальное значения энергоэффективности i-й ДКС, соответственно, которые определяют экспериментально при запуске ГП в эксплуатацию, а также после каждого профилактического ремонта и периодически, по графику, на основе проверки работы ДКС;

E_i - текущее значение энергоэффективности i-й ДКС, непрерывно вычисляемое ИУС ДУ по фактически измеряемым данным по формуле

где - валовая добыча газа по i-му ГП;

- расход топливного газа в единицу времени, потребляемый i-й ДКС,

и как только ГДП после запуска системы в эксплуатацию выйдет на плановую добычу товарного газа ИУС ДУ начинает регулярно, через заданный интервал времени ζ, задаваемый обслуживающим персоналом перед запуском установки в эксплуатацию, определять общую энергоэффективность ГДП из соотношения

и ранжировать все эксплуатируемые ГП по их текущей энергоэффективности, по результатам которой ИУС ДУ определяет ГП, который работает с наименьшим значением энергоэффективности и ГП, который работает с наибольшим значением энергоэффективности и производит их сравнение на соответствие условию , где Δ - допустимое отклонение между указанными величинами, которое задает обслуживающий персонал перед запуском системы в эксплуатацию, и если это условие для всех ГП выполняется, то все ПИД-регуляторы продолжают работать в штатном режиме, а если это условие не выполняется, то ИУС ДУ приступает к итерационному поиску максимальной энергоэффективности ГДП для текущих условий эксплуатации всех ГП ГДП, по окончании которого ИУС ДУ вновь переводит оперативное формирование задания по производительности каждого ГП его индивидуальному ПИД-регулятору.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ИУС ДУ в режиме поиска максимальной энергоэффективности ГДП переводит i-й ПИД-регулятор, управляющий производительностью ГП с наименьшей энергоэффективностью во вспомогательный режим функционирования, в котором он в неизменной форме транслирует сигнал задания текущей производительности i-го ГП в его АСУ ТП УКПГ, формируемого ИУС ДУ, и с этого момента ИУС ДУ начинает пошагово снижать текущее задание с заданным уровнем квантования и дискретизаций по времени с шагом τ, учитывающим инерционность технологических процессов, и после каждого шага ИУС ДУ выжидает перераспределения задания по подаче газа в МГП между ГП, задание которым непрерывно формируют в автоматическом режиме остальные ПИД-регуляторы ИУС ДУ, после чего ИУС ДУ снова определяет общую энергоэффективность ГДП и энергоэффективность всех его ГП, и если после очередного шага снижения задания по производительности для АСУ ТП i-й УКПГ с наименьшей энергоэффективностью энергоэффективность ГДП перестает возрастать, то ИУС ДУ останавливает процесс снижения задания и возвращает его значение на предыдущий шаг, при этом ПИД-регулятор i-й УКПГ ИУС ДУ оставляет в ручном режиме управления, после чего ИУС ДУ фиксирует в своей базе данных - БД вновь найденное значение и проверяет все остальные ГП на выполнение условия с новым значением и если это условие выполняется, то ИУС ДУ переводит ПИД-регулятор i-й УКПГ, для которой был снижен план добычи, на штатный режим управления, но если проверка вновь выявит ГП, у которого это условие не выполняется, то ИУС ДУ приступает к разгрузке вновь выявленного ГП с нарушением указанного условия, как следующего, не энергоэффективного промысла, и процесс поиска максимальной энергоэффективности ГДП повторяется, и так продолжается до тех пор, когда указанное условие будет выполняться для всех ГП с последним найденным значением либо процесс итерационного поиска дойдет до предпоследнего ГП, после чего ИУС ДС переводит все ПИД-регуляторы на штатный режим работы автоматического формирования текущего задания добычи газа для каждого ГП.