Способ снижения потребления топливного газа последовательно работающими очередями газоперекачивающих агрегатов дожимной компрессорной станции Российский патент 2024 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к области управления последовательно работающими очередями газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом (ГГПА) газокомпрессорного цеха (ГКЦ) дожимной компрессорной станции (ДКС) газового промысла (ГП) нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ) Крайнего Севера РФ, обеспечивающей механизированную добычу природного газа.

Известен способ управления работой комплекса агрегатов ГКЦ, включающий измерение давления и температуры транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателей, его расход, частоты вращения роторов нагнетателей [Патент РФ №2181854]. Значение основного параметра газа компрессорного цеха (давления или расхода) сравнивают с заданной величиной основного параметра и формируют управляющее воздействие на системы подачи топлива приводов ГГПА, входящих в состав ГКЦ. Необходимые величины частот вращения роторов нагнетателей определяют с использованием статистических функций. При этом по давлениям технологического газа на входе и выходе параллельно работающих нагнетателей, температуре на входах и выхода нагнетателей и частотам вращения роторов нагнетателей определяют объемную производительность, политропический коэффициент полезного действия и требуемую для обеспечения заданного давления на выходе политропическую мощность сжатия ГКЦ. Так же для каждого агрегата определяют механическую мощность на валу привода нагнетателя, по которой рассчитывают расход топливного газа приводов и общий расход топливного газа ГКЦ. Путем неоднократного повторения этих действий с перебором значений частот вращения роторов нагнетателей при условии сохранения постоянной политропической мощности сжатия ГКЦ получают ряд значений частот вращения роторов нагнетателей, из которых выбирают тот, который считают оптимальным по критерию минимума расхода топливного газа с учетом ограничений на частоты вращения роторов нагнетателей. Задание подают в системы управления ГГПА в качестве управляющего воздействия.

Недостатком данного способа является то, что контроль за расходом топливного газа осуществляется не в реальном режиме работы комплекса агрегатов ГКЦ, а на базе использования статистических функций с последующей подстройкой по реально измеряемым параметрам ГГПА, что снижает эффективность использования способа, в частности из-за большого времени запаздывания, связанного с необходимостью набора статистки и потенциальными ошибками, задаваемыми непрерывно меняющимися параметрами газоносного пласта в процессе его разработки.

Известен способ регулирования ГКЦ, включающий контроль расхода топливного газа, при котором поочередно изменяют нагрузки групп ГГПА, работающих в трассу [Патент РФ №2591984]. Для этого двум ГГПА группы одновременно меняют частоты вращения роторов турбин низкого давления в противоположных направлениях на одинаковую величину. Для нейтрализации влияния шумов на измерение коэффициента полезного действия (КПД) применяют программные фильтры с большими постоянными времени. Измерение измененного КПД производят после выдержки времени, превышающей не менее чем в 3...5 раз наибольшую постоянную времени фильтров. Направление каждого шага изменения частот вращения роторов турбин низкого давления определяют по знаку приращения КПД, полученного на предыдущем шаге, при этом окончанием оптимизации группы считают малое приращение КПД либо приближение рабочей точки ГГПА к технологическому ограничению, что позволяет снизить расход топливного газа и повышать КПД ГКЦ к потенциально возможному.

Недостатком данного способа является значительная трудность в его практическом применении, так как для обеспечения реализации технического решения требуется изменять частоту вращения роторов двух турбин низкого давления у двух параллельно работающих агрегатов, а это может привести к отклонениям режима работы ДКС, что крайне нежелательно. К тому-же использование способа ограничено потенциальными ошибками, задаваемыми непрерывно меняющимися параметрами газоносного пласта в процессе его разработки. В результате этот способ снижения потребления топливного газа можно реализовать только на компрессорных станциях магистральных газопроводов (МГП), а в условиях функционирования ДКС он практически не применим.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ оптимизации режима совместной последовательной работы очередей ГГПА [см., Ванчин А.Г. Оптимизация режима совместной последовательной работы газоперекачивающих агрегатов // Нефтегазовое дело: электрон, науч. журн. 2013. №2, с. 279-297]. Способ включает принцип оптимизации последовательно работающих однотипных ГГПА с приоритетной загрузкой до максимума возможностей очередей (ступеней) с меньшими порядковыми номерами. Такой подход дает возможность оптимизировать технологические схемы с параллельной работой нескольких последовательных групп, состоящих из однотипных ГГПА

Существенным недостатком данного способа является то, что он не учитывает фактического состояния оборудования ГГПА, участвующих в процессе перекачки газа, что приводят к перерасходу топливного газа (энергопотребления) на ДКС относительно проектных значений. К тому-же использование способа ограничено потенциальными ошибками, задаваемыми непрерывно меняющимися параметрами газоносного пласта в процессе его разработки. В результате этот способ снижения потребления топливного газа можно реализовать только на компрессорных станциях МГП, а в условиях функционирования ДКС он практически не применим.

Одним из основных факторов, влияющих на технико-экономические показатели ГП, является избыточное давление газа, под которым применительно к ГП, подразумевают разность давления газа между точкой его входа в ГП и точкой выхода его в МГП.

В процессе эксплуатации ГП происходит снижение давления газа на устье скважин и, следовательно, на входе в установки комплексной подготовки газа (УКПГ), что обуславливает необходимость ввода ДКС. Это позволяет ГП поддерживать отборы газа в соответствии с проектом разработки [см. например, стр. 531, Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - 596 с].

Компрессорный период эксплуатации НГКМ, в зависимости от динамики снижения давления газа на входе УКПГ, характеризуется поэтапным вводом на ДКС очередей ГГПА, которые между собой соединены последовательно, да и в самих очередях ГГПА периодически (по мере надобности), производят замену проточных частей нагнетателей газа, изменяя их степень компримирования.

Однако ввод в эксплуатацию каждой новой очереди в ДКС значительно увеличивает энергоемкость технологических процессов на газопромысловых объектах, а смена проточных частей нагнетателей приводит к существенному изменению энергоэффективности как ГГПА, так и, соответственно, ДКС.

Необходимо отметить, что ГГПА компрессорных станций на ГП потребляют 80-85% общих затрат газа на собственные технологические нужды. В частности, на промысловых ДКС затраты на топливный газ для ГГПА в период падающей добычи могут достигать 50% в общей структуре эксплуатационных затрат газодобывающего предприятия (ГДП) [см., например, М.А. Воронцов, Энергоэффективность компримирования природного газа на промысле при неравномерности показателей эксплуатации основного газоперекачивающего оборудования. 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. Это не позволяет в полной мере реализовать потенциал эффективности проектных решений и приводит к перерасходу топливного газа (энергопотребления) относительно проектных значений.

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

- изменения режима работ скважин, приводящий к попаданию капельной жидкости, механических примесей и т. д. в сыром газе, поступающем на вход УКПГ;

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

Влияния перечисленных факторов на эффективность работы ГГПА на разных этапах эксплуатации месторождения проявляются по-разному, что приводит к значительным колебаниям значений их энергоэффективности.

Кроме этого, при внеплановой или плановой реконструкциях и модернизациях ГГПА проводится их адаптация к изменившимся условиям работы. Так как эти работы для разных ГГПА на ДКС проводятся не одновременно, то очевидно, что ГГПА по своей энергоэффективности отличаются от друга. ГГПА, которые только что прошли реконструкцию или модернизацию, имеют лучшие показатели энергоэффективности, чем ГГПА, которые еще не прошли реконструкцию или модернизацию.

Поэтому в настоящее время одной из главных задач в производственной деятельности ГДП, осваивающих НГКМ на Крайнем Севере РФ, является загрузка очередей ДКС с учетом их энергоэффективности в рамках заданных границ, регламентируемыми ее технологическим регламентом. Это позволяет снизить расход топливного газа при сложившихся на данный момент характеристиках как разрабатываемой залежи, таки и с учетом фактического состояния оборудования ДКС и ГП. Для решения указанной задачи при компримировании газа очереди ДКС загружают с учетом относительного потребления ими топливного газа - чем ниже относительное потребление топливного газа очередью, тем больше ее загружают, и наоборот, чем выше относительное потребление топливного газа очередью, тем меньше ее загружают.

Особенностью работы ДКС является то, что каждая очередь группы ГГПА перекачивает один и тот же объем добытого сырого газа, последовательно, ступенчато, поднимая его давление на входе в УКПГ до уровня P_вход. Поддержание этих параметров требуется для функционирования ее технологического оборудования, производящего осушенный газ в объеме, необходимом для выполнения плана добычи осушенного газа, обеспечения им своих потребителей и газотурбинные приводы нагнетателей ДКС. Именно поэтому АСУ ТП ДКС, контролируя давление на своем выходе (на входе УКПГ) P_вход ведет технологический процесс, добиваясь обеспечения всех потребителей осушенным газом в требуемых объемах.

Энергоэффективность E_i ГГПА i-й очереди ДКС определяют как отношение перепада давления ΔP_i, который получают при сжатии газа, перекачиваемого этой очередью, к расходу топливного газа в единицу времени Q_{ТГ_i}, потребляемого этой же очередью:

Величина подъема давления P_вход, который должна реализовать ДКС определяется из соотношения:

где P_ксг - давление газа во входном коллекторе сырого газа ДКС; n - число очередей компримирования газа в ДКС.

Целью заявляемого технического решения является автоматическое поддержание фактического расхода осушенного газа Q_факт, подаваемого в МГП внешним потребителям, соответствующего плану подготовки осушенного газа Q_план по УКПГ, т. е. автоматическое соблюдение равенства Q_факт = Q_план, и обеспечить осушенным газом своих внутренних потребителей. Одновременно с этим реализовать распределение перепада давления сырого газа между очередями ДКС, обеспечивая его подачу на вход УКПГ в необходимом объеме для подготовки суммарного количества осушенного газа, снижая при этом потребление приводами ГПА топливного газа благодаря учету фактической энергоэффективности каждой очереди ГГПА.

Техническим результатом, достигаемым от реализации заявляемого способа, является автоматическое распределение перепада давления газа между очередями ДКС в режиме реального времени при различных режимах ее эксплуатации с учетом их энергоэффективности.

Заявляемый способ обеспечивает в реальном режиме времени распределение перепада давления газа между очередями ДКС с учетом текущей энергоэффективности их ГГПА, снижая себестоимость подготовки газа к дальнему транспорту и уменьшая углеродный след при добыче природного газа.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ снижения потребления топливного газа последовательно работающими очередями газоперекачивающих агрегатов дожимной компрессорной станции включает загрузку очередей параллельно работающих газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. ДКС повышает давление P_вход на входе УКПГ до уровня, обеспечивающего поступление на ее вход объема сырого газа, необходимого для выполнения плана Q_план по подаче осушенного газа в МГП.

УКПГ производит подготовку осушенного газ в объеме . Одну часть из этого осушенного газа расходуют как топливный газ для ГГПА ДКС в объеме , где i - порядковый номер очереди ГГПА ДКС, n - число очередей ГГПА ДКС, а - объем топливного газа, потребляемый газотурбинными приводами ГПА i-ой очереди ГГПА. Другую часть осушенного газа в объеме ГП расходует на собственные нужды (снабжение котельных, цеха регенерации и других потребителей). Третью, основную часть подготавливаемого осушенного газа, в объеме Q_факт направляют в МГП.

Реализуя этот процесс, АСУ ТП УКПГ в реальном масштабе времени непрерывно контролирует соответствие значения Q_факт уставке Q_план, добиваясь выполнение обязательного условия Q_факт = Q_план, где Q_план - план подготовки осушенного газа, подаваемого УКПГ в МГП.

Величину уставки Q_план задает диспетчерская служба газодобывающего предприятия (ГДП) и обслуживающий персонал вводит ее в базу данных (БД) АСУ ТП УКПГ.

В случае выявления разницы между Q_факт и Q_план АСУ ТП УКПГ выдает задание АСУ ТП ДКС на изменение объема подачи сырого газа на вход УКПГ. АСУ ТП ДКС реализует задание путем управления создаваемым ДКС перепадом давления для подготовки осушенного газа в объеме , обеспечивающего ликвидацию не соответствия текущих значений Q_план и Q_факт АСУ ТП ДКС реализует поставленную задачу изменяя расход сырого газа, проходящего через ДКС и одновременно перераспределяет создаваемый перепад давления между входом и выходом ДКС между ее очередями параллельно работающих ГГПА. Это перераспределение перепада давления АСУ ТП ДКС осуществляет с помощью ПИД-регуляторов и блоков расчета коэффициента пропорциональности для них, реализованных на базе АСУ ТП ДКС. Перераспределение перепада давления АСУ ТП ДКС осуществляет в направлении снижения потребления топливного газа, т. е. повышения общей энергоэффективности ДКС. Для этого АСУ ТП ДКС непрерывно контролирует энергоэффективность E_i каждой i-ой очереди ГГПА ДКС, которую она определяет путем вычисления отношения перепада давления ΔP_i, который получают при сжатии газа, перекачиваемого этой очередью, к расходу топливного газа в единицу времени Q_{ТГ_i} потребляемого этой же очередью, из соотношения:

И если в результате сравнения значений Q_план и Q_факт АСУ ТП УКПГ выявит, что (Q_план - Q_факт)>0, то АСУ ТП ДКС устанавливает на вход I₁ блоков расчета коэффициента пропорциональности сигнал логическая «единица», что означает необходимость увеличить подготовку осушенного газа . А если АСУ ТП УКПГ выявит, что (Q_план - Q_факт)<0, то АСУ ТП ДКС устанавливает на вход I₂ блоков расчета коэффициента пропорциональности сигнал логическая «единица», что означает необходимость уменьшить подготовку осушенного газа . При этом каждый i-ый блок расчета определяет значение коэффициента пропорциональности К_{п_i} для своего i-ого ПИД-регулятора, управляющего производительностью i-ой очереди ГГПА по следующим формулам:

если (Q_план - Q_факт)>0, то:

а если (Q_план - Q_факт)<0, то:

В этих формулах используют значения и , которые вычисляют для каждого i-ого ПИД-регулятора на основе паспортных данных оборудования i-ой очереди ГГПА и введенных в БД АСУ ТП ДКС перед запуском системы в работу. При этом величину определяют для режима с максимальным значением перепада давления на i-ой очереди ГГПА и учетом допустимого уровня перерегулирования. Величину определяют для режима с минимальным значением перепада давления на i-ой очереди ГГПА с учетом технологических норм и ограничений, предусмотренных технологическим регламентом ГГПА, используемых в этой очереди. Значения определяют для каждой i-ой очереди ГГПА экспериментально, при вводе ее в эксплуатацию, а также после каждого профилактического ремонта и периодически по графику, на режимах с максимальным и минимальным перепадом давления, соответственно. Значение текущей энергоэффективности E_i i-ой очереди ГГПА АСУ ТП ДКС определяет в реальном режиме времени по формуле (1). После запуска УКПГ в эксплуатацию изменение и подержание требуемого перепада давления между входом и выходом ДКС АСУ ТП ДКС производит с помощью всей группы ПИД-регуляторов, каждый из которых управляет изменением перепада давления газа, создаваемого управляемой им очередью ГГПА. Для реализации этого АСУ ТП ДКС на вход задания SP всех ПИД-регуляторов подает сигнал уставки Q_план - план подготовки осушенного газа по УКПГ, подаваемого в МГП внешним потребителям. Одновременно с этим АСУ ТП УКПГ на вход обратной связи PV всех ПИД-регуляторов подает сигнал фактического расхода осушенного газа Q_факт по УКПГ, подаваемого в МГП внешним потребителям. Также, одновременно с этим, каждый блок расчета коэффициента пропорциональности подает на вход Kp своего ПИД-регулятора сигнал значения коэффициента пропорциональности К_{п_i}, который рассчитан блоком либо по формуле (2), либо по формуле (3). И только если одновременно с этим на вход start\stop ПИД-регулятора i-ой очереди ГГПА поступит разрешающий сигнал, который формирует система автоматического управления (САУ) этой очереди ГГПА при условии отсутствия технологических ограничений на разрешение изменить перепад давления на i-ой очереди ГГПА. Вот в этом случае ПИД-регулятор на своем выходе CV формирует управляющий сигнал на увеличение, либо на уменьшение перепада давления газа между входом и выходом очереди, и подает его в САУ очереди ГГПА как задание на увеличение, либо на уменьшение создаваемого ей перепада давления ΔP_i.

В результате последовательно работающие очереди ГГПА ДКС обеспечивают подачу на вход УКПГ сырой газ в объеме, необходимом для подготовки валового объема осушенного газа , и при этом реализуют процесс снижения величины этого соотношения

На фиг. 1 приведена укрупненная структурная схема ГП в период компрессорной добычи газа (для простоты изложения сути заявки в каждой очереди показано по одному ГГПА). В этой схеме использованы следующие обозначения:

1 - коллектор сырого газа;

2_i - датчик расхода топливного газа i-ой очереди;

3i - САУ i-ой очереди;

4_i - ГГПА i-ой очереди ДКС;

5_i - датчик перепада давления на i-ой очереди ДКС;

6 - АСУ ТП ДКС;

7 - АСУ ТП УКПГ;

8 - УКПГ;

9 - датчик расхода осушенного газа на УКПГ;

10 - МГП.

На фиг. 2 приведена структурная схема автоматического распределения перепада давления газа между очередями ДКС в период компрессорной добычи газа на ГП. В ней использованы следующие обозначения:

11_i - сигнал, поступающий с САУ ГГПА 3_i на вход start\stop ПИД-регулятора 22_i, разрешающий/запрещающий изменить перепад давления газа i-ой очереди ДКС;

12 - сигнал, разрешающий повысить перепад давления газа, создаваемый i-ой очередью ДКС;

13 - сигнал, разрешающий понизить перепад давления газа, создаваемый i-ой очередью ДКС;

14_i - сигнал - минимальное значение коэффициента пропорциональности для ПИД-регулятора 22_i;

15_i - сигнал - максимальное значение коэффициента пропорциональности для ПИД-регулятора 22_i;

16_i - сигнал фактической энергоэффективности E_i i-ой очереди ДКС;

17_i - сигнал уставки минимального значения энергоэффективности i-ой очереди ДКС;

18_i - сигнал уставки максимального значения энергоэффективности i-ой очереди ДКС;

19 - сигнал уставки плана подготовки УКПГ осушенного газа Q_план, подаваемого в МГП;

20 - сигнал фактического расхода осушенного газа Q_факт, подаваемого УКПГ в МГП;

21_i - блок расчета коэффициента пропорциональности для ПИД-регулятора 22_i;

22_i - ПИД-регулятор, формирующий задание на изменение перепада давления, создаваемого i-ой очередью ДКС;

23_i - сигнал задания на изменение перепада давления, создаваемого i-ой очередью ДКС.

Блоки расчета коэффициента пропорциональности 21 и ПИД-регуляторы 22 реализованы на базе АСУ ТП ДКС 6.

Сырой газ через коллектор сырого газа 1 подают на вход ДКС, где он подвергается компримированию до давления P_вход, обеспечивающего подачу сырого газа на вход УКПГ в объеме, достаточном для выполнения плана Q_план по подаче осушенного газа внешним потребителям и обеспечения своих внутренних потребителей осушенного газа. При вводе в эксплуатацию ДКС имеет всего одну очередь ГГПА. Далее, по мере понижения давления на устье скважин, производят необходимую замену проточных частей нагнетателей, повышая их степень сжатия, вводят в эксплуатацию вторую очередь ГГПА, затем третью очередь и т. д., при необходимости.

Способ снижения потребления топливного газа последовательно работающими очередями (две и более) газоперекачивающих агрегатов дожимной компрессорной станции реализуют следующим образом.

Давление сырого газа, поступившего через коллектор сырого газа 1 на вход первой очереди ГГПА, повышается до заданного для нее уровня на ее выходе. Далее газ по трубопроводу подают на вторую очередь ГГПА, где он подвергается компримированию до следующего заданного уровня давления. С ее выхода газ по трубопроводу подают на третью очередь ГГПА, где он также подвергается компримированию до заданного уровня давления, и т. д. В результате ДКС повышает давление сырого газа на своем выходе до уровня, обеспечивающего подачу сырого газа на вход УКПГ в объеме, достаточном для подготовки осушенного газа, обеспечивающего потребности как внешних, так и внутренних потребителей

В настоящее время ДКС на НГКМ Крайнего Севера РФ используют не более трех очередей ГГПА. Каждая очередь оснащена датчиком перепада давления газа 5_i, регистрирующего ΔP_i, создаваемого ею в результате компримирования. С выхода последней очереди ГГПА сырой газ сразу подают на вход УКПГ 8, где его подвергают очистке и осушке в соответствии с СТО Газпром 089-2010. Далее осушенный газ подают по трубопроводу, оснащенному датчиком расхода 9, измеряющим его фактический расход Q_факт, в МГП 10. В качестве газа на собственные нужды и топливного газа для очередей ГГПА используют осушенный газ, отбор которого осуществляют с выхода УКПГ 8 до точки установки датчика расхода 9. Поток топливного газа разделяют и по отдельным трубопроводам, оснащенным датчиком расхода 2_i, подают в ДКС для питания приводов i-ой очереди ГГПА 4_i. Соответственно, датчик расхода 2_i регистрирует расход топливного газа , который потребляет i-ая очередь ГГПА 4_i. Кроме этого, на ГП работают: цех регенерации ингибитора, цех регенерации осушителя, котельные и т. д., постоянно потребляющие осушенный газ - газ на собственные нужды в объеме . Таким образом ГП в каждую единицу времени обеспечивает подготовку осушенного газа в объеме, определяемом соотношением: , со строгим соблюдением условия Q_факт = Q_план.

Для этого АСУ ТП УКПГ 7 в реальном масштабе времени непрерывно контролирует разность значений между уставкой Q_план - план подготовки осушенного газа по УКПГ 8, который должны подавать внешним потребителям, т. е. в МГП, и фактическим значением расхода осушенного газа Q_факт, подаваемого в МГП 10. Одновременно с этим УКПГ 8 обеспечивает топливным газом все функционирующие очереди ДКС и потребителей газа на собственные нужды. Их потребность в осушенном газе удовлетворяется полностью, т. к. в противном случае ГП просто остановится. Но эти потребители могут включать и отключать отбор газа на собственные нужды, либо менять его потребление достаточно случайным образом. Естественно, это не должно сказывается на объеме подачи осушенного газа Q_факт в МГП. Именно поэтому АСУ ТП УКПГ 7 должна непрерывно обеспечивать соответствие фактического расхода осушенного газа Q_факт, подаваемого в МГП, уставке плана подготовки осушенного газа Q_план по УКПГ. А это достигается путем воздействия на клапаны регуляторы, стоящие в конце газосборных шлейфов в здании пункта переключающей арматуры (ЗПА) УКПГ 8, и изменением мощности очередей ГГПА, т. е. путем управления объемом подачи сырого газа на вход УКПГ. Соответственно, для этого АСУ ТП УКПГ 7 выдает задание АСУ ТП ДКС 6 на изменение объема подачи сырого газа на вход УКПГ, которое достигается путем управления перепадом давления, создаваемым ДКС. В результате этих операций добиваются подготовки осушенного газа в объеме , ориентируясь лишь на необходимость четкого соответствия друг другу текущих значений Q_план и Q_факт, т. е. равенства Q_факт = Q_план. Очевидно, что подготовка осушенного газа в объеме осуществляется путем изменения перепада давления между коллектором сырого газа и входом УКПГ, т. е. между входом и выходом ДКС. А это, в свою очередь, требует решения задачи эффективного перераспределения перепада давления между ее очередями, реализуемого в направлении снижении их энергопотребления. Управление этим процессом происходит следующим образом.

АСУ ТП УКПГ, поддерживая план добычи Q_план осушенного газа, подаваемого в МГП, через АСУ ТП ДКС подает на вход задания SP всех ПИД-регуляторов, управляющих производительностью очередей ГГПА, сигнал уставки плана добычи товарного газа Q_план. На вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов АСУ ТП УКПГ одновременно подает сигнал значения фактической подачи товарного газа Q_факт в МГП. Обрабатывая эти сигналы каждый из ПИД-регуляторов в штатном режиме формирует сигнал задания на перепад давления ΔP_i добываемого газа при его компримировании i-ой очередью ГГПА с учетом ее энергоэффективности, используя для этого коэффициент пропорциональности K_i значение которого в реальном масштабе времени вычисляет i-ый блок расчета коэффициента пропорциональности. Блок расчета подает его на вход Kp i-ого ПИД-регулятора, к которому он подключен.

Если в результате сравнения выяснится, что (Q_план - Q_факт)>0, то АСУ ТП ДКС 6 устанавливает на вход I₁ блоков расчета коэффициента пропорциональности 21 сигнал логическая «единица». Это означает необходимость увеличить поступление сырого газа на вход УКПГ. А если (Q_план - Q_факт)<0, то АСУ ТП ДКС 6 устанавливает на вход I₂ блоков расчета коэффициента пропорциональности сигнал логическая «единица». Это означает необходимость уменьшить поступление сырого газа на вход УКПГ.

Блок расчета 21_i определяет значение коэффициента пропорциональности K_{п_i} для ПИД-регулятора 22_i, управляющего перепадом давления между очередями ГГПА 4_i, по следующим формулам:

если (Q_план - Q_факт)>0, то:

а если (Q_план - Q_факт)<0, то:

Значение и вычисляют для каждого ПИД-регулятора 22_i на основе паспортных данных оборудования очереди ГГПА 4_i и вводят в БД АСУ ТП ДКС 6 перед запуском системы в работу. При этом величину определяют для режима с максимальным значением перепада давления на очереди ГГПА 4, и учетом допустимого уровня перерегулирования, а величину - для режима с минимальным значением перепада давления на очереди ГГПА 4_i с учетом технологических норм и ограничений, предусмотренных техническими условиями на ГГПА, используемых в этой очереди.

Значения и определяют для каждой очереди ГГПА 4_i экспериментально, при вводе ее в эксплуатацию, при замене проточных частей нагнетателей, а также после каждого профилактического ремонта и периодически по графику, при режимах с максимальным и минимальным перепадом давления, соответственно (объектно-ориентированный подход).

Значение текущей энергоэффективности Е_i очереди ГГПА 4_i АСУ ТП ДКС 6 определяет в реальном режиме времени, производя необходимые расчеты по формуле (1).

Изменение и подержание требуемого расхода осушенного газа по УКПГ АСУ ТП ДКС 6 производит с помощью всей группы ПИД-регуляторов 22, каждый из которых управляет изменением перепада давления газа, создаваемого управляемой им очередью ГГПА. Для этого АСУ ТП ДКС 6 на вход задания SP всех ПИД-регуляторов 22 подает сигнал 19 - уставка плана подачи осушенного газа Q_план УКПГ 8 в МГП 10. Одновременно с этим АСУ ТП ДКС 6 на вход обратной связи PV всех ПИД-регуляторов 22 подает сигнал 20 - фактический расход осушенного газа Q_факт по УКПГ 8, подаваемого в МГП 10. Также одновременно с этим каждый блок расчета коэффициента пропорциональности 21_i подает на вход Kp своего ПИД-регулятора 22_i сигнал коэффициента пропорциональности К_{п_i}, рассчитанный блоком либо по формуле (2), либо по формуле (3). И если одновременно с этим на вход start\stop ПИД-регулятора 22_i поступит разрешающий сигнал 11_i который формирует САУ ГГПА 3_i при условии отсутствия технологических ограничений на разрешение изменить перепад давления на очереди ГГПА 4_i, то ПИД-регулятор 22_i на своем выходе CV формирует управляющий сигнал на увеличение, либо на уменьшение перепада давления газа между входом и выходом очереди, и подает его в САУ i-ой очереди ГГПА, тем самым выдавая задание на увеличение, либо на уменьшение создаваемого ей перепада давления, т. е. на увеличение или уменьшение подачи сырого газа в УКПГ для производства осушенного газа в объеме , гарантирующего выполнение обязательного условия Q_факт = Q_план.

Повышение и понижение расхода сырого газа по УКПГ 8 для гарантированного выполнения обязательного условия Q_факт = Q_план производят следующим образом:

Если расход газа УКПГ 8 необходимо повысить, т. е. (Q_план - Q_факт)>0, то АСУ ТП ДКС 6 распределяет это повышение расхода в зависимости от текущего значения энергоэффективности E_i каждой очереди ГГПА 4_i. Это распределение базируется на значениях вычисленного по формуле (2) коэффициента пропорциональности К_{п_i} для каждой очереди ГГПА 4_i.

Если значение вычисленного коэффициента К_{п_i} по формуле (2) будет ближе к значению уставки , тогда значение энергоэффективности ГГПА 4_i Е_i, будет ближе к максимальному значению уставки , а если значение К_{п_i} будет ближе к уставке , тогда энергоэффективность Е_i ГГПА 4_i будет ближе к минимальному значению уставки , т. е. при повышении расхода сырого газа по УКПГ 8 самое большое повышение перепада давления газа будет у самой энергоэффективной очереди ГГПА 4_i.

Если расход сырого газа по УКПГ 8 необходимо понизить, т. е. (Q_план - Q_факт)<0, то АСУ ТП ДКС 6 распределяет это понижение расхода в зависимости от текущего значения энергоэффективности Е_i каждой очереди ГГПА 4_i. Это распределение зависит от вычисленного по формуле (3) коэффициента пропорциональности К_{п_i} для каждой очереди ГГПА 4_i. Если значение вычисленного коэффициента К_{п_i} по формуле (3) будет ближе к уставке , тогда значение энергоэффективность ГГПА 4_i Е_i будет ближе к максимальному значению уставки , а если значение К_{п_i} будет ближе к уставке , тогда энергоэффективность Е_i ГГПА 4_i будет ближе к минимальному значению уставки , т. е. при понижении расхода сырого газа по УКПГ 8 самое большое снижение перепада давления газа будет у самой не энергоэффективной очереди ГГПА 4_i.

В итоге необходимый объем подачи сырого газа в УКПГ 8, необходимый для выполнения обязательного условия Q_факт = Q_план, будут поддерживать все очереди ГГПА. При этом, по факту, организован непрерывный итерационный процесс, связанный с индивидуальной энергоэффективностью каждой очереди агрегатов (объектно-ориентированный подход), приводящий к снижению затрат топливного газа на компримирование сырого газа, объем которого обеспечит потребность в осушенном газе и внутренних потребителей ГП, и выполнение плана подачи осушенного газа в МГП. Это также снижает углеродный след в процессе подготовки газа к дальнему транспорту.

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/Chapter5_5.aspx#HandTuning.

Способ снижения потребления топливного газа последовательно работающими очередями газоперекачивающих агрегатов дожимной компрессорной станции частично апробирован и готовится к внедрению на действующих НГКМ ООО «Газпром добыча Ямбург».

Применение данного способа позволяет в реальном режиме времени обеспечить перераспределение перепада давления сырого газа между очередями ГГПА ДКС, подаваемого на вход УКПГ, чтобы обеспечить подготовку необходимого объема осушенного газа для удовлетворения потребности в нем внешних и внутренних потребителей. Это перераспределение перепада давления производится с учетом текущей энергоэффективности каждой очереди ГГПА, снижая при этом потребление топливного газа ДКС с учетом текущих параметров разработки месторождения и состояния оборудования ДКС. В результате обеспечивается снижение себестоимости подготовки осушенного газа к дальнему транспорту и уменьшается углеродный след при добыче природного газа.

Изобретение относится к области управления последовательно работающими очередями газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом (ГГПА) газокомпрессорного цеха (ГКЦ) дожимной компрессорной станции (ДКС) газового промысла (ГП) нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ) Крайнего Севера РФ, обеспечивающей механизированную добычу природного газа. Способ снижения потребления топливного газа последовательно работающими очередями газоперекачивающих агрегатов дожимной компрессорной станции включает загрузку очередей параллельно работающих газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Положительный эффект. Заявляемый способ позволяет в реальном режиме времени обеспечить перераспределение перепада давления сырого газа между очередями ГГПА ДКС, подаваемого на вход УКПГ, чтобы обеспечить подготовку необходимого объема осушенного газа для удовлетворения потребности в нем внешних и внутренних потребителей. Это перераспределение перепада давления производится с учетом текущей энергоэффективности каждой очереди ГГПА, снижая при этом потребление топливного газа ДКС с учетом текущих параметров разработки месторождения и состояния оборудования ДКС. В результате обеспечивается снижение себестоимости подготовки осушенного газа к дальнему транспорту и уменьшается углеродный след при добыче природного газа. 2 ил.

Способ снижения потребления топливного газа последовательно работающими очередями газоперекачивающих агрегатов - ГПА дожимной компрессорной станции - ДКС, включающий загрузку очередей параллельно работающих газоперекачивающих агрегатов - ГПА с газотурбинным приводом - ГГПА, повышающих давление Р_вход на входе установки комплексной подготовки газа - УКПГ до уровня, обеспечивающего поступление на ее вход объема сырого газа, необходимого для выполнения плана Q_план по подаче осушенного газа в магистральный газопровод - МГП, отличающийся тем, что на установке комплексной подготовки газа - УКПГ производят подготовку осушенного газа в объеме , одну часть которого расходуют в качестве топливного газа для ГГПА ДКС в объеме , где i - порядковый номер очереди ГГПА ДКС, n - число очередей ГГПА ДКС, а - объем топливного газа, потребляемый газотурбинными приводами ГПА i-й очереди ГГПА, другую часть, в объеме , газовый промысел - ГП расходует на собственные нужды, а третью, основную часть подготавливаемого осушенного газа, в объеме Q_факт, ГП направляет в магистральный газопровод - МГП, непрерывно контролируя в реальном масштабе времени средствами автоматизированной системы управления технологическими процессами - АСУ ТП УКПГ соответствие значения Q_факт уставке Q_план, добиваясь выполнения условия Q_факт = Q_план, Q_план - план подготовки осушенного газа, подаваемого УКПГ в МГП, который задает диспетчерская служба газодобывающего предприятия - ГДП, и введенный в базу данных - БД АСУ ТП УКПГ, и при выявлении разницы между ними АСУ ТП УКПГ выдает задание АСУ ТП ДКС на изменение объема подачи сырого газа на вход УКПГ путем управления создаваемого ДКС перепада давления для подготовки осушенного газа в объеме , обеспечивающего ликвидацию несоответствия текущих значений Q_план и Q_факт, и АСУ ТП ДКС реализует поставленную задачу, изменяя расход сырого газа, проходящего через ДКС, и одновременно перераспределяет создаваемый перепад давления между входом и выходом ДКС между ее очередями параллельно работающих ГГПА с помощью ПИД-регуляторов и блоков расчета коэффициента пропорциональности для них, реализованных на базе АСУ ТП ДКС, в направлении снижения потребления топливного газа, т. е. повышения общей энергоэффективности ДКС, и для этого АСУ ТП ДКС непрерывно контролирует энергоэффективность E_i каждой i-й очереди ГГПА ДКС, которую она определяет как отношение перепада давления ΔP_i, который получают при сжатии газа, перекачиваемого этой очередью, к расходу топливного газа в единицу времени Q_{ТГ_i}, потребляемого этой же очередью, из соотношения:

,

и если в результате сравнения значений Q_план и Q_факт АСУ ТП УКПГ выявит, что (Q_план - Q_факт)>0, то АСУ ТП ДКС устанавливает на вход I₁ блоков расчета коэффициента пропорциональности сигнал логическая «единица», что означает необходимость увеличить подготовку осушенного газа , а если АСУ ТП УКПГ выявит, что (Q_план - Q_факт)<0, то АСУ ТП ДКС устанавливает на вход I₂ блоков расчета коэффициента пропорциональности сигнал логическая «единица», что означает необходимость уменьшить подготовку осушенного газа , при этом каждый i-й блок расчета определяет значение коэффициента пропорциональности К_{п_i} для своего i-го ПИД-регулятора, управляющего производительностью i-й очереди ГГПА по следующим формулам:

если (Q_план - Q_факт)>0, то:

а если (Q_план - Q_факт)<0, то:

в которых используют значения и , вычисленные для каждого i-го ПИД-регулятора на основе паспортных данных оборудования i-й очереди ГГПА и введенные в БД АСУ ТП ДКС перед запуском системы в работу, при этом величину определяют для режима с максимальным значением перепада давления на i-й очереди ГГПА и учетом допустимого уровня перерегулирования, а величину - для режима с минимальным значением перепада давления на i-й очереди ГГПА с учетом технологических норм и ограничений, предусмотренных технологическим регламентом ГГПА, используемых в этой очереди, а значения и определяют для каждой i-й очереди ГГПА экспериментально, при вводе ее в эксплуатацию, а также после каждого профилактического ремонта и периодически по графику, на режимах с максимальным и минимальным перепадом давления соответственно, а значение текущей энергоэффективности E_i i-й очереди ГГПА АСУ ТП ДКС определяет в реальном режиме времени по формуле (1), и после запуска УКПГ в эксплуатацию изменение и подержание требуемого перепада давления между входом и выходом ДКС АСУ ТП ДКС производит с помощью всей группы ПИД-регуляторов, каждый из которых управляет изменением перепада давления газа, создаваемого управляемой им очередью ГГПА, и для этого АСУ ТП ДКС на вход задания SP всех ПИД-регуляторов подает сигнал уставки Q_план - план подготовки осушенного газа по УКПГ, одновременно с этим АСУ ТП УКПГ на вход обратной связи PV всех ПИД-регуляторов подает сигнал фактического расхода осушенного газа Q_факт по УКПГ, а также одновременно с этим каждый блок расчета коэффициента пропорциональности подает на вход Kp своего ПИД-регулятора сигнал значения коэффициента пропорциональности К_{п_i}, который рассчитан этим блоком либо по формуле (2), либо по формуле (3), и если одновременно с этим на вход start/stop ПИД-регулятора i-й очереди ГГПА поступит разрешающий сигнал, который формирует система автоматического управления - САУ этой очереди ГГПА при условии отсутствия технологических ограничений на разрешение изменить перепад давления на i-й очереди ГГПА, то в этом случае ПИД-регулятор на своем выходе CV формирует управляющий сигнал на увеличение либо на уменьшение перепада давления газа между входом и выходом очереди и подает его в САУ очереди ГГПА как задание на увеличение либо на уменьшение создаваемого ей перепада давления ΔPi, и в результате последовательно работающие очереди ГГПА ДКС обеспечивают подачу на вход УКПГ сырого газа в объеме, необходимом для подготовки осушенного газа , снижая составляющую этого соотношения .