Способ снижения потребления топливного газа последовательно работающими очередями газоперекачивающих агрегатов дожимной компрессорной станции на Крайнем Севере РФ 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), 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 на выходе компрессорного цеха (давления или расхода) сравнивают с заданной величиной - уставкой 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. Приэтом 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. Так же исключается возможность автоматической корректировки работы системы управления расходом топливного газа в случае изменения условий эксплуатации ГКЦ или дрейфа параметров управляемых настроек.

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 группыодновременно 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 оптимизировать режим в условиях функционирования ДКС просто невозможно, т.е. этот способ можно реализовать только на компрессорных станциях магистральных газопроводов со стабильными характеристиками перекачиваемого газа. Так же исключается возможность автоматической корректировки работы системы управления расходом топливного газа в случае изменения условий эксплуатации ГКЦ или дрейфа параметров управляемых настроек.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ оптимизации режима совместной последовательной работы очередей ГГПА [см., Ванчин А.Г. Оптимизациярежима 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 систематическими ошибками, задаваемыми непрерывно меняющимися параметрами газоносного пласта в процессе его разработки и флуктуациями характеристик добываемого сырого газа. В результате эффективный режим в условиях функционирования ДКС быстро становится не эффективным, т.е. этот способ можно реализовать только на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Так же исключается возможность автоматической корректировки работы системы управления расходом топливного газа в случае изменения условий эксплуатации ГКЦ или дрейфа параметров управляемых настроек.

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 магистральный газопровод (МГП).

В процессе эксплуатации ГП происходит снижение давления газа на устье скважин и, следовательно, на входе 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 сырого газа на входе УКГТГ, 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 районахКрайнего Севера РФ, например, на Ямбургском и Заполярном НГКМ, позволяет поддерживать заданный 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 добываемый природный (сырой) газ;

- 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 друг 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 ГГПА ДКС с учетом их энергоэффективности в рамках заданных границ, регламентируемыми ее технологическим регламентом, таким образом, чтобы максимально 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 еезагружают, и наоборот, чем выше относительное потребление топливного газа очередью, тем меньше ее загружают. Однако при таком подходе к управлению процессом компримирования сырого газа ДКС в течение некоторого времени происходит самопроизвольное изменение условий эксплуатации ГГПА. Может наблюдаться дрейф параметров управляемых настроек, а это требует своевременной автоматической корректировки работы системы управления снижением расхода топливного газа.

Особенностью работы ДКС с последовательно работающими очередями ГГПА является то, что каждая очередь группы ГГПА перекачивает один и тот же объем сырого газа, поступающий на вход ДКС из коллектора сырого газа УКПГ. Задача ДКС последовательно, ступенчато, поднять его давление до уровня Р_вход и подать на вход УКПГ в объеме, достаточном для подготовки осушенного газа в объеме, обеспечивающем потребность в нем внешних и внутренних потребителей.

Поддержание этих параметров требуется для обеспечения штатного функционирования технологического оборудования УКПГ, производящего осушенный газ в объеме, необходимом для выполнения плана его поставки внешним потребителям, а также обеспечения им своих потребителей и газотурбинные приводы нагнетателей ГГПА ДКС. Именно поэтому АСУ ТП ДКС, контролирует давление на своем выходе (на входе УКПГ) Р_вход, чтобы оно находилось в допустимом диапазоне значений, и ведет технологический процесс, регулируя объем перекачиваемого очередями ГГПА сырого газа так, чтобы обеспечить всех потребителей осушенным газом в требуемых ими объемах.

Энергоэффективность E_i ГГПА i-ой очереди ДКС, т.к. все ее очереди перекачивают один и тот же объем сырого газа, определяют как отношение перепада давления ΔP_i, измеряемого дифференциальным манометром, которое получают при сжатии газа, перекачиваемого этой очередью, к расходу топливного газа в единицу времени потребляемого этой же очередью:

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

где Р_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, поступающего из УКПГ в МГП, соответствующего плану подготовки осушенного газа Q_план по УКПГ, подаваемого потребителям, т.е. Q_факт=Q_план одновременно с этим, удовлетворять непрерывно потребность в осушенном газе своих внутренних потребителей ГП, и при этом обеспечивать максимально низкое потребление топливного газа всеми очередями ГГПА ДКС для текущих условий эксплуатации.

Техническим результатом, достигаемым от реализации заявляемого способа, является автоматическое перераспределение перепада давления сырого газа, создаваемого ДКС для его подачи на вход УКПГ в требуемом объеме, между очередями ГГПА в режиме реального времени с учетом их энергоэффективности.

Заявляемый способ обеспечивает в реальном режиме времени распределение перепада давления газа между очередями ГГПА ДКС с учетом их текущей энергоэффективности, снижая потребление топливного газа и, соответственно, себестоимость подготовки осушенного газа к дальнему транспорту, а также 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 ГПА дожимной компрессорной станции, включает управление АСУ ТП ДКС работой очередей ГПА с газотурбинным приводом, подключенных последовательно. АСУ ТП УКПГ осуществляет непрерывный контроль своими измерительными средствами в реальном масштабе времени соответствие фактического объема осушенного газа Q_факт, подаваемого УКПГ в МГП, плану добычи осушенного газа, задаваемого уставкой Q_план. Одновременно с этим УКПГ обеспечивает осушенным газом, используемым в качестве топливного газа, все функционирующие очереди ДКС в объеме где i - номер очереди, - объем топливного газа, потребляемый i-ой очередью ГГПА, а n - число очередей ГГПА. Так же УКПГ обеспечивает других потребителей ГП осушенным газом на собственные нужды в требуемом ими объеме Q_CH. Для обеспечения этого процесса ДКС компримирует сырой газ, поступающий на ее вход от давления Р_ксг во входном коллекторе сырого газа до требуемого давления Р_вход на входе УКПГ, обеспечивая подачу сырого газа в объеме, достаточном для подготовки осушенного газа в объеме Q_вал, удовлетворяющем потребности всех его потребителей.

Для снижения потребления топливного газа АСУ ТП УКПГ через АСУ ТП ДКС подает на вход задания SP всех ПИД-регуляторов, управляющих производительностью очередей ГГПА, сигнал уставки плана подготовки осушенного газа Q_план для внешних потребителей, подаваемого в МГП. Одновременно на вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов подается сигнал значения фактической подачи осушенного газа Q_факт в МГП. Обрабатывая эти сигналы каждый из ПИД-регуляторов в штатном режиме формирует сигнал задания на изменение перепада давления ДР; сырого газа при его компримировании i-ой очередью ГГПА с учетом ее энергоэффективности, определяемой из соотношения Этот сигнал задания формирует коэффициент пропорциональности значение которого в реальном масштабе времени вычисляет i-ый блок расчета коэффициента пропорциональности и подает его на вход Кр i-ого ПИД-регулятора, к которому он подключен. Расчет коэффициента пропорциональности блок осуществляют по формуле:

где - значения уставок максимального и минимального значения коэффициента пропорциональности, соответственно, для каждого i-ого ПИД-регулятора. Эти уставки определяет обслуживающий персонал на основе паспортных данных оборудования соответствующей очереди ГГПА и вводит их значения в базу данных (БД) АСУ ТП ДКС перед запуском системы в работу. Значения уставок - максимальное и минимальное значение энергоэффективности i-ой очереди ГГПА ДКС, соответственно, обслуживающий персонал определяет для каждой очереди ГГПА экспериментально, при вводе установки в эксплуатацию, а так же после каждого профилактического ремонта, при замене проточных частей нагнетателей и/или периодически по графику, на режимах с максимально и минимально возможным перепадом давления сырого газа, компримируемого этой очередью ГГПА, и заносит их в БД АСУ ТП ДКС. В результате АСУ ТП ДКС автоматически перераспределяет задание на изменение перепада давления компримируемого сырого газа между очередями ГГПА ДКС пропорционально их энергоэффективности E_i. Это задание формируют ПИД-регуляторы, построенные на базе АСУ ТП ДКС. Каждый из этих ПИД-регуляторов формирует текущее значение задания на изменение перепада давления сырого газа ΔP_i, создаваемого i-ой очередью ГГПА, и подает сигнал этого задания в систему автоматического управления (САУ) этой очереди ГГПА. Все вместе очереди ГГПА обеспечивают подъем давления на входе УКПГ до значения при котором будет обеспечена подача сырого газа в объеме, гарантирующем подготовку осушенного газа в объеме и выполнение условия Q_факт=Q_план

Кроме этого АСУ ТП ДКС регулярно, через заданный интервал времени ς, назначаемый обслуживающим персоналом, производит расчет фактической энергоэффективности каждой очереди ГГПА, ранжирует полученные значения E_i очередей ГГПА по величине их энергоэффективности. По результатам ранжирования АСУ ТП ДКС определяет очередь ГГПА, которая работает в этот момент с наименьшим значением энергоэффективности minE_i, и очередь ГГПА, которая работает с наибольшим значением энергоэффективности maxE_i. После этого АСУ ТП ДКС производит сравнение этих величин на соответствие условию (maxE_i-minE_i)≤Δ, где Δ - допустимое значение отклонения между указанными величинами, которое задает обслуживающий персонал перед запуском системы в работу на основании опыта ее эксплуатации. И если указанное условие не выполняется, то АСУ ТП ДКС переводит ПИД-регулятор, формирующий задание на изменение перепада давления сырого газа ΔP_i; для очереди с наименьшим значением энергоэффективности minE_i штатного режима работы в режим трансляции сигнала управления, генерируемого АСУ ТП ДКС для реализации пошаговой разгрузки этой очереди до момента принятия решения АСУ ТП ДКС о переводе ПИД-регулятора этой очереди на штатный режим работы. Это решение определяется возвратом функционирования ДКС к выполнению условия (maxE_i - minE_i)≤Δ.

Далее АСУ ТП ДКС реализует режим пошаговой разгрузки очереди ГГПА с наименьшей энергоэффективностью minE_i через САУ этой очереди ГГПА, зафиксировав текущее значения ΔP_i в своей БД как значение перепада давления i-ой очереди, с которого АСУ ТП ДКС осуществляет первый шаг снижения нагрузки на заданную техническим персоналом относительную величину, как правило не более 5%. После каждого шага снижения вновь полученную величину АСУ ТП ДКС фиксирует как и сохраняет ее в своей БД. Это пошаговое снижение АСУ ТП ДКС реализует с дискретизацией по времени, учитывающей инерционность процесса. После каждого шага снижения производительности этой очереди ГГПА АСУ ТП ДКС вычисляет величину общей энергоэффективности ДКС иоценивает ее приращение относительно предыдущего значения, и так до тех пор, пока не прекратится рост энергоэффективности ДКС E^ДСК_. После этого АСУ ТП ДКС возвращает значение перепада давления ΔP_i, создаваемого этой очередью ГГПА на предыдущий шаг, но оставляет ПИД-регулятор, управляющий ее производительностью в режиме трансляции сигнала, сформированного АСУ ТП ДКС для ее нагрузки на этом шаге, после чего снова вычисляет все значения E_i и Е^ДСК, фиксирует значение Е^ДСК в своей БД и проверяет выполнение условия (maxE_i - minE_i)≤Δ для всех очередей ГГПА. И если оно выполняется, то переводит этот ПИД-регулятор в штатный режим работы, установив на его входе «Auto/Man» сигнал логическая «единица». А если вновь выявит очередь ГГПА, для которой указанное условие не выполняется, то АСУ ТП ДКС приступает к ее разгрузке как следующей, не энергоэффективной очереди ГГПА, вышеописанным образом. И это процесс протекает до тех пор, пока АСУ ТП ДКС не убедится, что указанное условие выполняется для всех очередей ГГПА с последним наиденным значением E^дкс, либо дойдет до предпоследней очереди ГГПА, перераспределив ее нагрузку. На этом АСУ ТП ДКС завершает процесс перераспределения нагрузки между очередями ГГПА, добившись этим итерационным процессом снижение потребляемого ДКС объема топливного газа для выполнения плана добычи осушенного газа и обеспечения им собственных потребителей при сложившихся на данный момент условиях эксплуатации газодобывающего комплекса ДКС.

При запуске установки в эксплуатацию АСУ ТП УКПГ через АСУ ТП ДКС реализует штатный режим работы всех ПИД-регуляторов, формирующих задание по производительности соответствующих им очередей ГГПА, установив на их вход «Auto/Маn» сигнал логическая «единица». И этот режим их работы поддерживается до момента выхода установки на плановую добычу газа Q_план.

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;

3_i - САУ i-ой очереди;

4_i - i-ая очередь ГГПА ДКС;

5_i - датчик перепада давления, создаваемого i-ой очередью ДКС;

6 - АСУ ТП ДКС;

7 - АСУ ТП УКПГ;

8 - УКПГ;

9 - датчик расхода осушенного газа, подаваемого в МГП 10;

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 логическая «единица»/логический «ноль», подаваемый на вход «Auto/Man» ПИД-регулятора 21_i, который разрешает/запрещает его работу;

12_i - сигнал энергоэффективности - E_i i-ой очереди 4_i ГГПА ДКС;

13_i - сигнал - уставка минимального значения коэффициента пропорциональности для ПИД-регулятора 21_i;

14_i - сигнал - уставка максимального значения коэффициента пропорциональности для ПИД-регулятора 21_i;

15_i - сигнал - уставка минимального значения энергоэффективности i-ой очереди 4_i- ГГПА ДКС;

16_i - сигнал - уставка максимального значения энергоэффективности i-ой очереди 4_i ГГПА ДКС;

17_i - сигнал пошаговой разгрузки i-ой очереди 4_i ГГПА с низкой энергоэффективностью, формируемый АСУ ТП ДКС 6 в режиме поиска оптимальной энергоэффективности ДКС для текущих условий эксплуатации;

18 - сигнал уставки Q_план - план подготовки осушенного газа УКПГ, подаваемого внешним потребителям, поступающего в МГП 10;

19 - сигнал фактического расхода осушенного газа Q_факт, подаваемого УКПГ в МГП 10;

20_i - блок расчета коэффициента пропорциональности для ПИД-регулятора 21_i;

21_i - ПИД-регулятор, формирующий задание на изменение перепада давления, создаваемого i-ой очередью ГГПА ДКС;

22_i - сигнал задания на изменение перепада давления, создаваемого i-ой очередью ГГПА ДКС.

Блоки расчета коэффициента пропорциональности 20_i и ПИД-регуляторы 21_i реализованы на базе АСУ ТП ДКС 6.

Способ снижения потребления топливного газа последовательно работающими очередями газоперекачивающих агрегатов дожимной компрессорной станции реализуют следующим образом.

Сырой газ через коллектор сырого газа 1 подают на вход ДКС, где он подвергается компримированию до давления Р_вход, обеспечивающего подачу сырого газа на вход УКПГ 8 в объеме, достаточном для выполнения плана по подаче осушенного газа внешним потребителям, а также обеспечения своих внутренних потребителей осушенного газа, включая ДКС (т.е. УКПГ непрерывно подготавливает осушенный газ в объеме Q_вал=Q_вал(t), являющемся функцией времени, изменяющейся в зависимости от текущего расхода осушенного газа всеми подключенными к УКПГ его потребителями).

В начале вводимая в эксплуатацию ДКС имеет всего одну очередь ГГПА. Далее, по мере понижения давления на устье добывающих скважин, производят необходимую замену проточных частей нагнетателей, повышая их степень сжатия, ДКС расширяют, вводя в эксплуатацию вторую очередь ГГПА, затем третью очередь и т.д., при необходимости.

Давление добытого сырого газа, поступающего в требуемом объеме через коллектор сырого газа 1 на вход первой очереди ГГПА, повышается до определенного для нее уровня на ее выходе. Далее этот сырой газ по трубопроводу подают на вторую очередь ГГПА, где он подвергается компримированию до следующего, определенного для этой очереди уровня давления. С ее выхода газ по трубопроводу подают на третью очередь ГГПА, где он также подвергается компримированию до определенного для нее уровня давления, и т.д., до достижения требуемого давления Р_вход на входе в УКПГ.

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 газа. С выхода последней очереди ГГПА сырой газ сразу подают на вход УКПГ 8, где его подвергают очистке и осушке в соответствии с требованиями и нормами СТО Газпром 089-2010. Далее осушенный газ подают в МГП 10 по трубопроводу, оснащенному датчиком расхода 9, измеряющим его фактический расход Q_факт. Осушенный газ, используемый на собственные нужды потребителями ГП, и топливный газ для газотурбинных приводов очередей ГГПА ДКС, отбирают с выхода УКПГ 8 до точки установки датчика расхода 9. Поток топливного газа разделяют и по отдельным трубопроводам, каждый из которых оснащен датчиком расхода 2_i подают в ДКС для питания приводов i-ой очереди ГГПА 4 г. Соответственно, датчик расхода 2_i регистрирует расход топливного газа который потребляет i-ая очередь ГГПА 4_i. Осушенный газ на собственные нужды ГП в объеме Q_CH используют такие потребители, как цех регенерации ингибитора, цех регенерации осушителя, котельные и т.д. Таким образом УКГП в каждую единицу времени обеспечивает валовую подготовку 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, подаваемого внешним потребителям, т.е. в МГП, и фактическим значением расхода осушенного газа Q_факт, подаваемого в МГП 10, т.е. внешним потребителям. Одновременно с этим УКПГ 8 обеспечивает топливным газом все функционирующие очереди ДКС в объеме и других потребителей осушенного газа на собственные нужды в объеме Q_CH. Их потребность в осушенном газе удовлетворяется полностью, т.к. в противном случае ГП просто остановится. Но эти потребители могут включать и отключать отбор осушенного газа на собственные нужды, либо менять его потребление достаточно случайным образом. Естественно, все это не должно сказываться на объеме подачи осушенного газа Q_факт в МГП 10. Именно поэтому АСУ ТП УКПГ 7 должна непрерывно и строго соблюдать условие соответствия фактического расхода осушенного газа Q_факт, подаваемого в МГП 10, уставке плана его подготовки Q_план. 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 подготовкой осушенного газа в объеме Q_вал по УКПГ. Соответственно, для этого АСУ ТП УКПГ 7 выдает задание АСУ ТП ДКС 6 на изменение подачи объема сырого газа на вход УКПГ 8, добиваясь подготовки осушенного газа в объеме Q_вал, ориентируясь лишь на необходимость соответствия друг другу текущихзначений Q_план и Q_факт, т.е. добиваясь равенства Q_факт=Q_план. Очевидно, что изменение валового объема подготовки осушенного газа Q_вал ведет к изменению перепада давления между коллектором сырого газа и входом УКПГ, т.е. между входом и выходом ДКС.А это, в свою очередь, требует решения задачи перераспределения создаваемого ею перепада давления между ее очередями, и таким образом, чтобы обеспечить снижение энергопотребления, т.е. повышения энергоэффективности функционирования ДКС. Управление этим процессом, реализующим заявляемый способ, происходит следующим образом.

Запуск и выход УКПГ 8 на плановую производительность по осушенному газу Q_план, а также автоматическое поддержание соответствия текущих значений Q_план и Q_факт осуществляет АСУ ТП 7 через АСУ ТП ДКС 6 с помощью ПИД-регуляторов 21_i, учитывая энергоэффективность очередей ГГПА 4_i ее ДКС. При этом каждый ПИД-регулятор 21_i задействован и работает в штатном режиме, управляя производительностью своей очереди ГГПА 4_i. Этот режим АСУ ТП ДКС 6 реализует, установив сигнал 11_i логическая «единица» на вход «Auto/Man» каждого ПИД-регулятора 21_i. Поскольку очереди 4, ДКС состоят из однотипных ГГПА, работающих практически в одинаковых условиях, то их энергоэффективность определяется лишь текущим состоянием оборудования (а в идеале они имеют одинаковую энергоэффективность). Именно оно, состояние оборудования, и определяет рамки, в которых можно добиваться снижения потребления топливного газа ДКС. Учитывая то, что изменение перепада давления, создаваемого очередью ГГПА 4_i связано с развиваемой мощностью ее приводов нелинейно, то ее энергоэффективность будет изменяться также не линейно. Поэтому, чтобы добиться удовлетворительных результатов по снижению потребления топливного газа ДКС, необходимо одновременно следить и за тем, чтобы разность энергоэффективности ее очередей ГГПА 4_i не выходила за определенные рамки. Для этого АСУ ТП ДКС 6 определяет значение текущей энергоэффективности E_i каждой i-ой очереди ГГПА 4_i по формуле (1), производя необходимые расчеты и осуществляет необходимые действия, описанные ниже.

Перед запуском системы обслуживающий персонал определяет значения уставок, необходимых для оперативного расчета значения коэффициентов пропорциональности K_i каждым блоком расчета коэффициента пропорциональности 20_i для его ПИД-регулятора 21_i, который они осуществляют по следующей формуле:

Значение вычисляют для каждого ПИД-регулятора 21_i наоснове паспортных данных оборудования соответствующей очереди ГГПА 4, и вводят в базу данных (БД) АСУ ТП ДКС 6 перед запуском системы в работу.

При этом величину определяют для режима с максимально возможным значением перепада давления на очереди ГГПА 4_i и учетом допустимого уровня перерегулирования, а величину - для режима с минимально возможным значением перепада давления на очереди ГГПА 4, с учетом технологических норм и ограничений, предусмотренных техническим паспортом ГГПА, используемых в этой очереди (объектно-ориентированный подход) и заносят их в БД АСУ ТП ДКС 6.

Значения 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/или периодически по графику, на режимах с максимально и минимально возможным перепадом давления, соответственно (объектно-ориентированный подход) и заносят их в БД АСУ ТП ДКС 6.

С момента запуска системы каждый блок расчета коэффициента пропорциональности 20_i непрерывно или в рамках утвержденных циклов измерений, производит расчет коэффициента по формуле (2) и подает его значение на вход К_р своего ПИД-регулятора 21_i.

УКПГ 8, для выполнения плана по подготовке осушенного газа Q_план, должна обеспечить подготовку осушенного газа в объеме Q_вал=Q_факт+Эту работу она выполняет с учетом энергоэффективности ДКС следующим образом. При запуске системы на вход задания SP всех ПИД-регуляторов 21_i АСУ ТП УКПГ 7 подает сигнал 18 - уставка плана подготовки осушенного газа Q_план, а на вход «Auto/Man» каждого ПИД-регулятора 21_i АСУ ТП ДКС 6 подает сигнал 11_i - логическая «единица». Одновременно, на вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов, АСУ ТП УКПГ 7 подает сигнал 19 - значение фактической подачи осушенного газа в МГП 10 Q_факт. В результате на выходе CV каждого ПИД-регулятора 21_i формируется управляющий сигнал 22,, который поступает в САУ 3, соответствующей очереди ГГПА в качестве задания перепада давления ДР;, на который она должна поднять давление сырого газа, поступающего на ее вход. Благодаря этому происходит перераспределение объема потребления топливного газа между очередями ДКС так, чтобы при подготовке осушенного газа по месторождению в объеме Q_вал значение было минимально возможным для всех работающих в данный момент очередей ГГПА 4_i.

АСУ ТП ДКС 6 распределяет суммарное повышение давления сырого газа, поступающего на вход ДКС, между очередями ГГПА в зависимости от текущего значения энергоэффективности E_i каждой из них. Это распределение базируется на значениях вычисленного по формуле (2) коэффициента пропорциональности для каждой очереди ГГПА 4,-. Соответственно, очередь ГГПА 4,-, у которой будет ближе к а это та очередь, у которой значение энергоэффективности E_i будет ближе к получит самое большое задание на подъем давления сырого газа ΔР_i, т.е. самая большая нагрузка будет у самой энергоэффективной очереди ГГПА. Таким образом достигается снижение потребления топливного газа ДКС.

Для купирования потенциального влияния нелинейности характеристик приводов ГПА на потребление топливного газа ДКС, ее АСУ ТП 6 следит затем, чтобы разность вычисляемых по формуле (1) значений энергоэффективности ее очередей ГГПА 4_i-, не выходила за определенные рамки. Для этого, в процессе работы АСУ ТП ДКС 6 через заданный интервал времени ς назначаемый обслуживающим персоналом перед запуском установки в эксплуатацию, вычисляет энергоэффективность E_i каждой очереди ГГПА 4_i ДКС и ранжирует их значения по уровню. В результате АСУ ТП ДКС 6 каждый раз определяет очередь ГГПА 4_i которая работает в этот момент с наименьшим значением энергоэффективности minEi, и очередь ГГПА 4_i, которая работает с наибольшим значением энергоэффективности maxE_i. Далее АСУ ТП ДКС 6 производит сравнение этих величин на соответствие условию (maxE_i-minE_i)≤Δ, где Δ - значение допустимого отклонения между указанными величинами, которое задает обслуживающий персонал перед запуском системы в эксплуатацию. Опыт эксплуатации ГГПА на ДКС ООО «Газпром добыча Ямбург» показал, что допустимое отклонение А не должно превышать 5% от значения maxE_i. И если указанное условие не выполняется, то АСУ ТП ДКС 6 переходит в режим снижения потребления топливного газа, т.е. повышения энергоэффективности ДКС, который реализует путем разгрузки очереди ГГПА 4_i с минимальной энергоэффективностью minE_i.

При переходе на этот режим управления АСУ ТП ДКС 6 фиксирует в своей БД значение фактического задания перепада давления для САУ i-ой очереди ГГПА4_i с наименьшим значением энергоэффективности minE_i После этого АСУ ТП ДКС 6 подает сигнал 11_i- логический «ноль» на вход «Auto/Man» ПИД-регулятора 21,-, управляющего производительностью i-ой очереди ГГПА 4_i и переводит его в режим трансляции сигнала 17_i, т.е. берет управление работой этой очереди ГГПА 4_i на себя и реализует указанный режим. Сигнал 17_i АСУ ТП ДКС 6 формирует для пошаговой разгрузки очереди ГГПA4_i с учетом инерционности процесса, т.е. с заданным шагом относительного снижения его уровня и дискретизации по времени. Шаг относительного снижения уровня нагрузки подбирается обслуживающимперсоналом экспериментально, и, как правило, на первом шаге не превышает 5% от зафиксированного фактического значения , и фиксируется в БД АСУ ТП ДКС 6. Следующий шаг производится с таким же относительным снижением от зафиксированного на предыдущем шаге нового значения В результате нагрузка на i-ую очередь ГГПА 4_i будет пошагово уменьшаться, и эта выпадающая нагрузка будет автоматически перераспределяться между другими очередями ГГПА 4_i, управляемыми остальными ПИД-регуляторами 21_i пропорционально текущей энергоэффективности их агрегатов по топливному газу.

Одновременно, на каждом шаге АСУ ТП ДКС 6 отслеживает изменения общей энергоэффективности ДКС и E_i каждой очереди ГГПА 4_i. Если в результате очередного снижения перепада давления на i-ой очереди ГГПА 4_i с наименьшим значением энергоэффективности minE_i значение Е^ДКС перестает расти, то АСУ ТП ДКС 6 процесс перераспределения нагрузки между очередями ГГПА 4_i останавливает. После этого АСУ ТП ДКС 6 возвращает значение перепада давления на предыдущий шаг, но оставляет ПИД-регулятор 21_i в режиме трансляции сигнала 17_i т.е. на его входе «Auto/Man» установлен сигнал 11_i логический «ноль».

Далее АСУ ТП ДКС 6 фиксирует в своей БД вновь найденное значение E^ДСК, рассчитывает новые значения энергоэффективности E_i очередей ГГПА, ранжирует их по уровню и проверяет на выполнение условия (maxE_i-minE_i)≤Δ с новым значением E^ДСК.Если это условие выполняется, то АСУ ТП ДКС 6 переводит ПИД-регулятор 21, на штатный режим работы, установив на его вход «Auto/Man» сигнал 11_i логическая «единица».

Но если проверка вновь выявит очередь ГГПА, для которой условие (maxE_i-minE_i)≤Δ не выполняется, то АСУ ТП ДКС 6 приступает к ее разгрузке как следующей, не энергоэффективной очереди ГГПА, вышеописанным образом. Это процесс протекает до тех пор, пока АСУ ТПДКС 6 не убедится, что указанное условие выполняется для всех очередей ГГПА с последним найденным значением E^ДСК, либо дойдет до предпоследней очереди ГГПА, перераспределив ее нагрузку. На этом процесс перераспределения нагрузки между очередями ГГПА завершается.

Завершив перераспределение нагрузки между очередями ГГПА 4_i АСУ ТП ДКС 6 возвращает все ПИД-регуляторы 21_i в автоматический, штатный режим работы, установив на их вход «Auto/Man» сигнал 11_i логическая «единица», и продолжает в непрерывном режиме следить за вновь установившимся значением удельного расхода топливного газа энергоэффективностью ДКС E^ДСК и ее очередей ГГПА E_i и при обнаружении отклонений выше допустимого значения Δ вновь произведет перераспределение нагрузки вышеуказанным способом.

В итоге заданный объем подготовленного осушенного газа по УКПГ 8 будут поддерживать все очереди ГГПА 4_i в автоматическом режиме, в том числе и в случае выявления необходимости перераспределения нагрузки между ними для уточнения энергоэффективности ДКС с учетом индивидуальной энергоэффективности каждой очереди ГГПА и технического состояния оборудования агрегатов (объектно-ориентированный подход), а так же с учетом фактического объема поступающего сырого газа на вход ДКС, обеспечивая снижение затрат топливного газа на компримирование сырого газа и подачу осушенного газа внешним потребителям. Это минимизирует затраты топливного газа на компримирование сырого газа, то это автоматически ведет к снижению углеродного следа в процессе добычи газа.

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.bookasiitp.ru/Chapter5_5.aspx#l[andTuning.

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

Применение данного способа позволяет автоматически перераспределять перепад давления газа между очередями ДКС в режиме реального времени при различных режимах ее эксплуатации с учетом текущей энергоэффективности работающих последовательно очередей ГГПА, что обеспечивает ГП снижение себестоимости подготовки газа к дальнему транспорту и уменьшение углеродного следа 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), обеспечивающей механизированную добычу природного газа. Способ снижения потребления топливного газа последовательно работающими очередями ГПА дожимной компрессорной станции включает управление автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУ ТП) ДКС работой очередей ГПА с газотурбинным приводом (ГГПА), подключенных последовательно. АСУ ТП установки комплексной подготовки газа (УКПГ) осуществляет непрерывный контроль своими измерительными средствами в реальном масштабе времени соответствие фактического объема осушенного газа Q_факт, подаваемого УКПГ в магистральный газопровод МГП, плану добычи осушенного газа, задаваемого уставкой Q_план. Цель изобретения - обеспечить автоматическое поддержание заданного плана подготовки объема осушенного газа Q_план по ГП, обеспечить осушенным газом внутренних потребителей и добиться распределения перепада давления сырого газа, создаваемого очередями ДКС с учетом их энергоэффективности, обеспечив снижение объема потребления ими топливного газа. Положительный эффект - заявляемый способ позволяет автоматически перераспределять перепад давления сырого газа между очередями ДКС в режиме реального времени при различных режимах ее эксплуатации с учетом текущей энергоэффективности работающих последовательно очередей ГГПА, обеспечивая ГП снижение себестоимости подготовки осушенного газа к дальнему транспорту и уменьшение углеродного следа при добыче природного газа. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ снижения потребления топливного газа последовательно работающими очередями газоперекачивающих агрегатов - ГПА дожимной компрессорной станции - ДКС на Крайнем Севере РФ, включающий управление автоматизированной системой управления технологическими процессами - АСУ ТП ДКС работой очередей ГПА с газотурбинным приводом - ГГПА, подключенных последовательно, непрерывный контроль измерительными средствами АСУ ТП установки комплексной подготовки газа - УКПГ в реальном масштабе времени соответствия фактического объема осушенного газа Q_факт, подаваемого УКПГ в магистральный газопровод - МГП, плану добычи осушенного газа, задаваемого уставкой Q_план, и одновременно с этим обеспечение осушенным газом, используемым в качестве топливного газа, всех функционирующих очередей ДКС в объеме , где i - номер очереди, - объем топливного газа, потребляемый i-й очередью ГГПА, а n - число очередей ГГПА, а также обеспечение других потребителей газового промысла - ГП осушенным газом на собственные нужды в требуемом ими объеме Q_CH, ДКС компримирует сырой газ, поступающий на ее вход от давления Р_ксг во входном коллекторе сырого газа до требуемого давления Р_вход на входе УКПГ, обеспечивая подачу сырого газа в объеме, достаточном для подготовки осушенного газа в объеме Q_вал, удовлетворяющем потребности всех его потребителей, отличающийся тем, что АСУ ТП УКПГ через АСУ ТП ДКС подает на вход задания SP всех ПИД-регуляторов, управляющих производительностью очередей ГГПА, сигнал уставки плана подготовки осушенного газа Q_план для внешних потребителей, подаваемого в МГП, а на вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов - сигнал значения фактической подачи осушенного газа Q_факт в МГП, обрабатывая которые каждый из ПИД-регуляторов в штатном режиме формирует сигнал задания на изменение перепада давления ДР; сырого газа при его компримировании i-й очередью ГГПА с учетом ее энергоэффективности, определяемой из соотношения используя для этого коэффициент пропорциональности K_i, значение которого в реальном масштабе времени вычисляет i-й блок расчета коэффициента пропорциональности и подает его на вход Кр i-го ПИД-регулятора, к которому он подключен, и этот блок расчета осуществляют по формуле:

где значения уставок - максимальное и минимальное значения коэффициента пропорциональности, соответственно, для каждого i-го ПИД-регулятора определяет обслуживающий персонал на основе паспортных данных оборудования соответствующей очереди ГГПА и вводит их значения в базу данных - БД АСУ ТП ДКС перед запуском системы в работу, а значения уставок - максимальное и минимальное значения энергоэффективности i-й очереди ГГПА ДКС, соответственно, обслуживающий персонал определяет для каждой очереди ГГПА экспериментально, при вводе установки в эксплуатацию, а также после каждого профилактического ремонта, при замене проточных частей нагнетателей и/или периодически по графику, на режимах с максимально и минимально возможным перепадом давления сырого газа, компримируемого этой очередью ГГПА, и заносит их в БД АСУ ТП ДКС, в результате АСУ ТП ДКС автоматически перераспределяет задание на изменение перепада давления компримируемого сырого газа между очередями ГГПА ДКС пропорционально их энергоэффективности E_i, и это задание формируют ПИД-регуляторы, построенные на базе АСУ ТП ДКС, каждый из которых формирует текущее значение задания на изменение перепада давления сырого газа ΔP_i, создаваемого i-й очередью ГГПА, и подает сигнал этого задания в систему автоматического управления - САУ этой очереди ГГПА, обеспечивая подъем давления на входе УКПГ до значения при котором будет обеспечена подача сырого газа в объеме, гарантирующем подготовку осушенного газа в объеме и выполнение условия Q_факт=Q_план, при этом АСУ ТП ДКС регулярно, через заданный интервал времени ς, назначаемый обслуживающим персоналом, производит расчет фактической энергоэффективности каждой очереди ГГПА, ранжирует полученные значения E_i очередей ГГПА по величине их энергоэффективности и по результатам ранжирования определяет очередь ГГПА, которая работает в этот момент с наименьшим значением энергоэффективности minE_i, и очередь ГГПА, которая работает с наибольшим значением энергоэффективности maxE_i, после чего АСУ ТП ДКС производит сравнение этих величин на соответствие условию (maxE_i-minE_i)≤Δ, где Δ - допустимое значение отклонения между указанными величинами, которое задает обслуживающий персонал перед запуском системы в работу на основании опыта ее эксплуатации, и если указанное условие не выполняется, то АСУ ТП ДКС переводит ПИД-регулятор, формирующий задание на изменение перепада давления сырого газа ΔР_i; для очереди с наименьшим значением энергоэффективности minE_i из штатного режима работы в режим трансляции сигнала управления, генерируемого АСУ ТП ДКС для реализации пошаговой разгрузки этой очереди до момента принятия решения АСУ ТП ДКС о переводе ПИД-регулятора этой очереди на штатный режим работы, которое определяется возвратом функционирования ДКС к выполнению условия (maxE_i-minE_i)≤Δ, далее АСУ ТП ДКС реализует режим пошаговой разгрузки очереди ГГПА с наименьшей энергоэффективностью minE_i через САУ этой очереди ГГПА, зафиксировав текущее значение ΔP_i в своей БД как значение перепада давления i-й очереди, с которого АСУ ТП ДКС осуществляет первый шаг снижения нагрузки на заданную техническим персоналом относительную величину, как правило, не более 5% ее значения, фиксируя после каждого шага снижения вновь полученную величину как , и сохраняет ее в своей БД, и это пошаговое снижение АСУ ТП ДКС реализует с дискретизацией по времени, учитывающей инерционность процесса, и после каждого шага снижения производительности этой очереди ГГПА АСУ ТП ДКС вычисляет величину общей энергоэффективности ДКС и оценивает ее приращение относительно предыдущего значения, и так до тех пор, пока не прекратится рост энергоэффективности ДКС Е^ДСК, после чего АСУ ТП ДКС возвращает значение перепада давления ΔP_i, создаваемого этой очередью ГГПА, на предыдущий шаг, но оставляет ПИД-регулятор, управляющий ее производительностью в режиме трансляции сигнала, сформированного АСУ ТП ДКС для ее нагрузки на этом шаге, после чего снова вычисляет все значения E_i и E^ДСК, фиксирует значение Е^ДСК в своей БД и проверяет выполнение условия (maxE_i-minE_i)≤Δ для всех очередей ГГПА, и если оно выполняется, то переводит этот ПИД-регулятор в штатный режим работы, установив на его входе «Auto/Маn» сигнал логическая «единица», а если вновь выявит очередь ГГПА, для которой указанное условие не выполняется, то АСУ ТП ДКС приступает к ее разгрузке как следующей, не энергоэффективной очереди ГГПА, вышеописанным образом, и это процесс протекает до тех пор, пока АСУ ТП ДКС не убедится, что указанное условие выполняется для всех очередей ГГПА с последним найденным значением E^ДСК, либо дойдет до предпоследней очереди ГГПА, перераспределив ее нагрузку, и на этом процесс перераспределения нагрузки между очередями ГГПА завершает, добившись этим итерационным процессом снижения потребляемого ДКС объема топливного газа для выполнения плана добычи осушенного газа и обеспечения им собственных потребителей при сложившихся на данный момент условиях эксплуатации газодобывающего комплекса ДКС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что АСУ ТП УКПГ при запуске установки в эксплуатацию через АСУ ТП ДКС реализует штатный режим работы ПИД-регуляторов, формирующих задание по производительности соответствующих им очередей ГГПА, установив на их вход «Auto/Маn» сигнал логическая «единица» до момента выхода установки на плановую добычу осушенного газа Q_план.