Способ снижения потребления топливного газа параллельно работающими газоперекачивающими агрегатами дожимной компрессорной станции на Крайнем Севере РФ Российский патент 2024 года по МПК F04D27/00 

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

Известен способ управления работой комплекса агрегатов ГКЦ [Патент РФ №2181854], включающий измерение давления и температуры транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателей, частоты вращения ротора каждого нагнетателя, значения давления или расхода газа, которое сравнивают с заданной величиной давления или расхода, и формируют управляющее воздействие на системы подачи топлива приводов ГГПА, входящих в состав ГКЦ. Определяют необходимую величину частоты вращения ротора каждого нагнетателя с использованием статических функций. При этом по давлению технологического газа на входе и выходе параллельно работающих нагнетателей, температуре на входах и выходах 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 определяют механическую мощность на валу привода каждого 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 в рамках их допустимых значений, при условии сохранения постоянной политропической мощности сжатия ГКЦ, получают ряд значений частот вращения роторов нагнетателей, который удовлетворяет критерию минимума расхода топливного газа. Полученный ряд считают оптимальным значением задания на этом шаге и подают в системы управления ГГПА в качестве управляющего воздействия. При этом функциональные параметрические зависимости для каждого нагнетателя непрерывно настраивают с использованием величин давления транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателя, температуры транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателя и расхода топливного газа, получаемых прямыми или косвенными измерениями в процессе работы агрегата.

Недостатком данного способа является то, что контроль за расходом топливного газа осуществляют не в реальном режиме работы комплекса агрегатов ГКЦ, а требуется использование статических функций с их подстройкой по реально измеряемым параметрам ГГПА, что снижает эффективность использования способа и приводит к существенным ошибкам из-за запаздывания в связи с длительным процессом обработки большого объема косвенных данных. По этим же причинам способ практически не применим для ДКС, т.к. давление природного газа, поступающего на ее вход, непрерывно меняется в соответствие с 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.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ регулирования ГКЦ [Патент РФ №RU 2591984], включающий контроль расхода топливного газа, поочередное изменение нагрузки групп ГГПА, работающих в трассу, для чего 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.

Существенным недостатком данного способа является значительная трудность в его практическом применении, так как для реализации способа требуется изменять частоту вращения ротора турбины низкого давления в каждой группе агрегатов для оптимизации ее работы, организовав непрерывный цикл перехода от одной группы агрегатов к другой после завершения оптимизации в предыдущей группе, а это может привести к отклонениям режима работы ДКС в целом, что крайне нежелательно, т.е. этот способ можно реализовать только на компрессорных станциях магистральных газопроводов (МГП) со стабильными характеристиками перекачиваемого газа.

По этим же причинам способ практически не применим для ДКС, т.к. давление природного газа на ее входе непрерывно меняется по мере его извлечения из недр. Так же исключается возможность автоматической корректировки работы системы управления расходом топливного газа в случае изменения условий эксплуатации ГКЦ или дрейфа параметров управляемых настроек.

В процессе эксплуатации ГП происходит снижение давления природного газа на устье скважин. Далее этот газ по газосборным шлейфам поступает на вход установки комплексной подготовки газа (УКПГ), теряя свое давление. Естественное снижение давления добываемого газа обуславливает необходимость ввода ДКС. Это позволяет поддерживать отборы газа на ГП 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]. Однако ввод ДКС в эксплуатацию, осуществляющих компримирование природного, далее, сырого газа на ГП, значительно увеличивает энергоемкость технологических процессов на газопромысловых объектах. Действительно, эти ГГПА потребляют 80-85% общих затрат подготавливаемого, т.е. осушенного газа на УКПГ, который расходуется на собственные технологические нужды ГП. В частности, затраты на топливный газ для ГГПА 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. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2012 [электронный ресурс, режим доступа: htlps://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 проектных значений, а также увеличивает углеродный след в добыче природного газа.

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

- изменения режима работы скважин, приводящий к попаданию капельной жидкости, механических примесей и т.д. в сырой газ;

- ухудшения условий эксплуатации скважин по причине образований гидратных и иных отложений в их стволах и в газосборных шлейфах и т.д.

Все перечисленные факторы влияют на работу ГГПА и ведут к значительным, зачастую случайным колебаниям их энергоэффективности.

Кроме этого, при внеплановой или плановой реконструкции и модернизации ГГПА, включающей также замену проточных частей для повышения степени компримирования сырого газа, требуется их адаптация к изменившимся условиям работы. Так как эти работы проводятся не одновременно на всех ГГПА, то они по своей энергоэффективности отличаются от друга. Те ГГПА, которые только что прошли реконструкцию или модернизацию, имеют лучшую энергоэффективность по сравнению с теми, которые еще не прошли эти процедуры.

Поэтому одной из главных задач в производственной деятельности ГДП, эксплуатирующих НГКМ на Крайнем Севере, является снижение потребления топливного газа ГГПА с учетом их энергоэффективности в рамках заданных границ, регламентируемых технологическим регламентом ДКС и утвержденной моделью разработки месторождения. Для реализации указанной задачи параллельно работающие ГГПА должны нагружаться с учетом потребления ими топливного газа таким образом, чтобы его суммарное потребление снижалось по возможности при заданной планом объеме подготовки осушенного газа, подаваемого в МГП, и обеспечения осушенным газом внутренних потребителей в требуемом ими объеме, т.е. ДКС - топливным газом, а цеха регенерации УКПГ, котельные и пр. объекты ГП - газом на собственные нужды. Решение этой задачи требует распределения нагрузки в реальном режиме работы между эксплуатируемыми ГГПА с учетом их индивидуальной текущей энергоэффективности.

Под энергоэффективностью i-ого ГГПА - E_i подразумевается отношение расхода - Q_i сырого газа в единицу времени, перекачиваемого i-ым ГГПА, на расход - осушенного газа в единицу времени, используемый в качестве топлива, потребляемого i-ым ГГПА, который определяют из следующего выражения:

Целью заявляемого технического решения является снижение потребления топливного газа ДКС путем автоматического перераспределения нагрузки между ее параллельно работающими ГГПА с учетом их индивидуальной энергоэффективности E_i непосредственно в процессе эксплуатации.

Техническим результатом, достигаемым от реализации заявляемого способа, является автоматическое перераспределение расхода сырого газа между параллельно работающими ГГПА ДКС в режиме реального времени при различных режимах эксплуатации с учетом их энергоэффективности E_i для снижения потребления топливного газа ДКС, т.е. для повышения ее энергоэффективности.

Заявляемый способ обеспечивает в реальном режиме работы перераспределение расхода сырого газа между параллельно работающими ГГПА ДКС с учетом их энергоэффективности E_i, в объеме достаточном для подготовки планового объема Q_план осушенного газа к дальнему транспорту на УКПГ, подаваемого в МГП, и обеспечения внутренних потребителей осушенного газа ГП. В результате достигается снижение себестоимости подготовки осушенного газа и значения углеродного следа при подготовке указанных объемов осушенного газа на УКПГ с учетом фактического состояния оборудования УКПГ и ДКС.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ снижения потребления топливного газа параллельно работающими ГПА ДКС на Крайнем Севере РФ, включает управление работой параллельно работающих ГГПА посредством АСУ ТП ДКС. При этом АСУ ТП УКПГ в реальном масштабе времени непрерывно контролирует разность значений между уставкой - планом подготовки Q_план осушенного газа по УКПГ для подачи в МГП, и его фактическим значением Q_факт. Одновременно с этим УКПГ обеспечивает осушенным газом, используемым в качестве топливного газа все параллельно работающие ГГПА ДКС в объеме где i - номер ГГПА, - расход топливного газа, потребляемый i-ым ГГПА, а также обеспечивает других потребителей промысла осушенным газом на собственные нужды в объеме Q^CH. Для реализации этого ДКС компримирует сырой газ от его давления Р_ксг во входном коллекторе сырого газа до требуемого давления Р_вход на входе УКПГ, при котором ДКС обеспечивает подачу сырого компримированного газа на вход УКПГ в объеме Q^КСГ, необходимом для подготовки осушенного газа в объеме Q_вал=(Q_факт+Q^TГ+Q^CH), удовлетворяющем потребности всех его потребителей.

Для этого АСУ ТП УКПГ через АСУ ТП ДКС подает на вход задания SP всех ПИД-регуляторов, построенных на базе АСУ ТП ДКС и управляющих производительностью параллельно работающих ГГПА, сигнал уставки плана подготовки осушенного газа Q_план для подачи в МГП. На вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов АСУ ТП УКПГ подает сигнал значения фактической подачи осушенного газа Q_факт в МГП. Обрабатывая эти сигналы каждый из ПИД-регуляторов в штатном режиме формирует сигнал задания на компримирование сырого газа в объеме Q_i своему i-ому ГГПА с учетом его энергоэффективности. Для учета энергоэффективности ПИД-регуляторы используют коэффициент пропорциональности К_{п_i}, значение которого в реальном масштабе времени вычисляет i-ый блок расчета коэффициента пропорциональности и подает его на вход К^р своего i-ого ПИД-регулятора, к которому он подключен. Этот расчет коэффициента K_{n_i} блок осуществляет по формуле:

где - уставки максимального и минимального значения коэффициента пропорциональности, соответственно, для каждого i-ого ПИД-регулятора. Величину этих уставок определяет обслуживающий персонал на основе паспортных данных оборудования соответствующего ГГПА и вводит их значения в базу данных (БД) АСУ ТП ДКС перед запуском системы в работу; - уставки максимального и минимального значения энергоэффективности i-ого ГГПА, соответственно. Величину этих уставок определяет обслуживающий персонал для каждого ГГПА экспериментально, при вводе установки в эксплуатацию, а также после каждого профилактического ремонта и/или периодически по графику, на режимах с максимально и минимально возможным расходом компримируемого сырого газа i-ым ГГПА, и заносит их в БД АСУ ТП ДКС.

В результате АСУ ТП ДКС в штатном режиме эксплуатации с помощью этих ПИД-регуляторов, автоматически перераспределяет задание на компримирование требуемого объема сырого газа Q^КСГ между параллельно работающими ГГПА ДКС пропорционально их энергоэффективности Е_i, подавая это задание в систему автоматического управления - САУ этих ГГПА. Соответственно, поступающий от них объем сырого газа на вход УКПГ обеспечивает объем подготовки осушенного газа Q_вaл, гарантирующий подачу в МГП запланированный объем осушенного газа Q_план и потребность внутренних потребителей - топливного газа для ДКС Q^ТГ и осушенного газа для собственных нужд Q^CH. При этом АСУ ТП ДКС регулярно, через заданный интервал времени ζ, назначаемый обслуживающим персоналом, производит расчет энергоэффективности каждого из параллельно работающих ГГПА, определяемой из соотношения ранжирует полученные значения E_i ГГПА по величине их энергоэффективности и по результатам ранжирования определяет ГГПА, который работает в этот момент с наименьшим значением энергоэффективности minE_i, и ГГПА, который 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 отклонение между указанными величинами, которое задает обслуживающий персонал перед запуском системы в эксплуатацию. И если указанное условие не выполняется, то АСУ ТП ДКС переходит на режим коррекции энергоэффективности ДКС и переводит ПИД-регулятор, формирующий задание ГГПА на компримирование сырого газа в объеме Q_i с наименьшим значением энергоэффективности minE_i, из штатного режима работы в режим трансляции сигнала управления, реализующего пошаговую разгрузку этого ГГПА до момента принятия решения о переводе ПИД-регулятора этого ГГПА на штатный режим работы.

АСУ ТП ДКС реализует штатный режим работы ПИД-регуляторов, формирующих задание по производительности параллельно работающим ГГПА, установив на их вход «Auto/Man» сигнал логическая «единица». В случае, когда не выполняется условие (maxE_i - minE_i) ≤ Δ, она переводит ПИД-регулятор, формирующий задание ГГПА с наименьшей энергоэффективностью minE_i, со штатного режима работы на режим трансляции специально формируемого АСУ ТП ДКС сигнала управления, реализующего через САУ этого ГГПА его пошаговую разгрузку с текущего значения объема компримируемого сырого газа Для этого АСУ ТП ДКС предварительно фиксирует в своей БД этот расход как значение объема компримируемого сырого газа i-ого ГГПА, с которого АСУ ТП ДКС начинает пошаговое снижение нагрузки на заданную техническим персоналом относительную величину, как правило не более 5%. После каждого шага снижения расхода АСУ ТП ДКС фиксирует вновь полученную величину как и сохраняет ее в своей БД. Это пошаговое снижение АСУ ТП ДКС реализует с дискретизацией по времени, учитывающей инерционность процесса, и после каждого шага снижения производительности этого ГГПА АСУ ТП ДКС вычисляет величину общей энергоэффективности ДКС и оценивает ее приращение относительно предыдущего значения. И этот процесс АСУ ТП ДКС ведет до тех пор, пока не прекратится рост энергоэффективности ДКС E^ДКС. После этого АСУ ТП ДКС возвращает значение объема компримируемого сырого газа Q_i, перекачиваемого этим ГГПА на предыдущий шаг, но оставляет ПИД-регулятор, управляющий его производительностью в режиме трансляции сигнала, формируемого АСУ ТП ДКС для его пошаговой разгрузки. Далее АСУ ТП ДКС вычисляет все значения E_i и Е^ДКС, фиксирует значение E^ДКС в своей БД и проверяет выполнение условия (maxE_i - minE_i) ≤ Δ. И если оно выполняется, то переводит этот ПИД-регулятор в штатный режим работы, установив на его входе «Auto/Man» сигнал логическая «единица». Но если АСУ ТП ДКС вновь выявит ГГПА, для которого указанное условие не выполняется, то она приступает к его разгрузке как следующего, не энергоэффективного ГГПА, вышеописанным образом, и это процесс протекает до тех пор, пока АСУ ТП ДКС не убедится, что указанное условие выполняется для всех параллельно работающих ГГПА с последним найденным значением Е^ДКС, либо дойдет до предпоследнего ГГПА, перераспределив его нагрузку, и на этом процесс перераспределения нагрузки между параллельно работающими ГГПА завершает.

АСУ ТП ДКС в режиме коррекции энергоэффективности ДКС E^ДКС переводит ПИД-регулятор, формирующий задание по производительности ГГПА с наименьшей энергоэффективностью minE_i на режим трансляции специально формируемого ею сигнала управления, установив сигнал логический «ноль» на его входе «Auto/Man».

АСУ ТП УКПГ при запуске установки в эксплуатацию через АСУ ТП ДКС реализует штатный режим работы ПИД-регуляторов, формирующих задание по производительности управляемых ими ГГПА. Для этого она устанавливает на вход «Auto/Man» всех этих ПИД-регуляторов сигнал логическая «единица», и одновременно с этим на вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов АСУ ТП ДКС подает сигнал значения фактической подачи осушенного газа Q_факт в МГП. На вход К_р каждого из этих ПИД-регуляторов их блок расчета в момент запуска установки в эксплуатацию подает среднее ожидаемое значение коэффициента пропорциональности и удерживает его значение до момента выхода установки на плановую подготовку осушенного газа Q_план, подаваемого в МГП.

На фиг. 1 приведена структурная схема ГП в период компрессорной добычи газа. Для простоты изложения сути заявки в тексте кусты скважин и газосборные шлейфы в ней не указаны и использована группа из п параллельно работающих ГГПА одной очереди ДКС.Каждый ГГПА группы имеет свой идентификационный номер i, где i=1, … n. В этой схеме использованы следующие обозначения:

1 - коллектор сырого газа;

2 - АСУ ТП ДКС;

3_i - датчик расхода топливного газа, потребляемого i-ым ГГПА;

4_i - САУ i-го ГГПА;

5_i - i-ый ГГПА;

6_i - датчики расхода компримированного сырого газа i-ым ГГПА;

7 - УКПГ;

8 - датчик расхода осушенного газа, подаваемого УКПГ в МГП;

9 - МГП.

На фиг. 2 приведена структурная схема автоматического распределения расхода сырого газа между параллельно работающими ГГПА одной очереди ДКС в компрессорный период добычи газа на ГП. В ней использованы следующие обозначения:

10_i - сигнал логическая «единица»/логический «ноль», подаваемый на вход «Auto/Man» ПИД-регулятора 20_i, который разрешает/запрещает его работу;

11_i - сигнал энергоэффективности - E_i ГГПА 5_i;

12_i - сигнал уставки - минимальное значение коэффициента пропорциональности К_{п_i} ПИД-регулятора 20_i;

13_i - сигнал уставки - максимальное значение коэффициента пропорциональности К_{п_i} ПИД-регулятора 21_i;

14_i - сигнал уставки - минимальное значение энергоэффективности E_i ГГПА 5_i;

15_i - сигнал уставки- максимальное значение энергоэффективности E_i ГГПА 5_i;

16_i - сигнал пошаговой разгрузки ГГПА 5; с минимальной энергоэффективностью minE_i, формируемый АСУ ТП ДКС 2 в режиме повышения энергоэффективности очереди параллельно работающих ГГПА;

17 - сигнал уставки Q_план - план подготовки осушенного газа, подаваемого в МГП;

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

19_i - блок расчета коэффициента пропорциональности К_{п_i} ПИД-регулятора 20_i;

20_i - ПИД-регулятор, формирующий значение задания производительности для i-го ГГПА по перекачке сырого газа;

21_i- сигнал задания производительности для ГГПА 5_i по перекачке сырого газа.

Блоки расчета коэффициента пропорциональности 19_i и ПИД-регуляторы 20_i реализованы на базе АСУ ТП ДКС 2.

Способ снижения потребления топливного газа параллельно работающими ГПА ДКС на Крайнем Севере РФ рассмотрим для ДКС с одной очередью ГГПА для упрощения описания заявки.

Сырой газ, поступающий по газосборным шлейфам на вход УКПГ, через коллектор сырого газа 1 подают на вход ДКС и его поток распределяется между параллельно работающими ГГПА 5_i которые его компримируют до давления Р_вход, обеспечивающего подачу сырого газа на вход УКПГ 7 в объеме, достаточном для выполнения плана по подаче осушенного газа в МГП Q_план, а также обеспечения своих внутренних потребителей осушенного газа, включая ДКС (т.е. УКПГ 7 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). Далее, по трубопроводу, оснащенному датчиком расхода 6, компримированный сырой газ, выходящий из каждого ГГПА 5_i объединяют в один поток и подают на вход УКПГ 7, где он подвергается очистке и осушке в соответствии с требованиями и нормами СТО Газпром 089-2010. На выходе УКПГ осушенный газ разделяют на три потока, один из которых обеспечивает топливным газом ДКС, второй - потребителей газа ГП на собственные нужды (для простоты на фиг.1 они не показаны), и третий поток - фактический расход осушенного газа Q_факт, который направляют по трубопроводу, оснащенному датчиком расхода 8, в МГП 9. Таким образом объем подготовки осушенного газа по УКПГ Q_вал=Q_факт+Q^ТГ+Q^СН). Соответственно, каждый ГГПА 5_i управляемый своей САУ 4_i компримирует сырой газ в объеме Q_i так, чтобы суммарный объем компримированного сырого газа по ДКС обеспечивал подготовку на УКПГ 7 осушенный газ в объеме Q_вал и строго выполнялось условие - подача в МГП запланированного объема осушенного газа, т.е. Q_факт=Q_план.

Топливный газ для ДКС с выхода УКПГ 7 отбирают до точки установки датчика расхода 8 осушенного газа, подаваемого УКПГ в МГП 9, и по трубопроводам, оснащенным датчиками расхода 3_i, подают в ГГПА 5, обеспечивая работу газотурбинной установки.

Сигнал значения текущего задания на подачу в МГП 9 осушенного газа Q_план в АСУ ТП ДКС 2 поступает из АСУ ТП УКПГ (для простоты на фиг. 1 АСУ ТП УКПГ не указан).

Запуск и выход на плановую производительность по осушенному газу Q_план, подаваемого в МГП 9, АСУ ТП ДКС 2 осуществляют с помощью ПИД-регуляторов 20_i в зависимости от уровня потребления топливного газа каждым из ГГПА 5_i, т.е. от их энергоэффективности

Каждый из ПИД-регуляторов 20_i работает в одном из двух режимов по выбору АСУ ТП ДКС 2, которая подает на его вход «Auto/Man» соответствующий сигнал 10_i. Если на входе «Auto/Man» установлен сигнал логическая «единица», то ПИД-регулятор 20_i задействован и работает в штатном режиме, т.е. в автоматическом режиме управления.

Если на входе «Auto/Man» установлен сигнал логический «ноль», то ПИД-регулятор 20_i переключается на трансляцию сигнала 16_i пошаговой разгрузки ГГПА 5_i с минимальной энергоэффективностью minE_i. Этот сигнал формирует АСУ ТП ДКС 2 в режиме повышения энергоэффективности очереди параллельно работающих ГГПА и подает его на вход «Step» ПИД-регулятора 20/, который транслирует его в неизменной форме на свой выход CV, и далее, как сигнал задания 21_i он поступает в САУ 4_i i-го ГГПА.

В штатном режиме эксплуатации каждый ПИД-регулятор 20_i формирует сигнал задания для САУ 4_i управляющей работой ГГПА 5_i. Формирование задания осуществляет ПИД-регулятор 20_i в результате обработки сигналов: уставки плана подготовки УКПГ 7 осушенного газа Q_план, поступающей в виде сигнала задания 17 на его вход SP; фактического расхода осушенного газа Q_факт, подаваемого УКПГ 7 в МГП 9, и поступающего в виде сигнала 18 на вход PV ПИД-регулятора 20_i; коэффициента пропорциональности K_{п_i}, поступающего на вход К_р ПИД-регулятора 20_i с выхода блока 19_i, рассчитывающего значение К_{п_i} в зависимости от текущей энергоэффективности E_i ГГПА 5_i.

Расчет коэффициента пропорциональности К_{п_i} для ПИД-регулятора 20_i блок 19_i осуществляет по следующей формуле:

Для реализации расчетов, перед запуском системы в эксплуатацию, обслуживающий персонал определяет значения уставок, входящих в формулу (2), и вносит их в БД АСУ ТП ДКС 2.

Уставку определяют для режима минимальной производительности ГГПА 5i_u с учетом технологических норм и ограничений, предусмотренных технологическим регламентом, а уставку определяют с учетом допустимого значения перерегулирования при работе ГГПА 5_i с максимальной нагрузкой.

Значения уставок - минимальная и максимальная энергоэффективность i-го ГГПА определяют при его запуске в эксплуатацию, а также после каждого профилактического ремонта, смены проточных частей и периодически по графику на основе проверки работы ГГПА как минимально допустимая и максимально возможная энергоэффективность именно этого ГГПА (объектно-ориентированный подход).

При запуске системы в эксплуатацию, все блоки расчета коэффициента пропорциональности 19_i производят расчет коэффициента K_{п_i} для каждого ПИД-регулятора 20_i по формуле (2), который поступает на их вход К_р.

Если значение коэффициента K_{п_i}, вычисленное по формуле (2), будет ближе к уставке тогда значение энергоэффективности E_i ГГПА 5_i будет ближе к максимальному значению уставки а если значение К_{п_i} будет ближе к уставке тогда энергоэффективность E_i ГГПА 5_i будет ближе к минимальному значению уставки т.е. при понижении расхода перекачиваемого сырого газа ГГПА самое большое снижение расхода газа будет у самого не энергоэффективного ГГПА 5_i.

Запуск и загрузку ДКС для выполнения плана по подготовке осушенного газа Q_план на УКПГ с учетом энергоэффективности E_i ГГПА 5_i, производят следующим образом. Перед запуском системы на вход задания SP всех ПИД-регуляторов 20_i АСУ ТП ДКС 2 подает сигнал 17 - уставка план подготовки осушенного газа Q_план, а на вход «Auto/Man» этих ПИД-регуляторов она подает сигнал 10_i - логическая «единица». Одновременно с этим АСУ ТП ДКС 2 на вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов подает сигнал 18 -значение фактической подачи осушенного газа Q_факт в МГП 9. На вход К_р каждого ПИД-регулятора 20, его блок расчета 19_i подает среднее ожидаемое значение коэффициента пропорциональности В результате обработки этих сигналов каждый ПИД-регулятор 20_i формирует сигнал задания 21_i, который с его выхода CV подается в САУ 4_i i-го ГГПА. Все ГГПА 5_i выходят на штатный режим работы и одновременно все средства измерения начинают регистрировать значения контролируемых ими параметров, которые поступают в АСУ ТП ДКС 2 и в блоки расчета 19_i коэффициентов пропорциональности К_{п_i} для ПИД-регуляторов 20_i. Соответственно, блоки расчета 19_i тут же начинают вычислять реальные значения коэффициентов пропорциональности К_{п_i} для своих ПИД-регуляторов 20_i.

В результате, при запуске системы в эксплуатацию, заданный объем подготовки осушенного газа по месторождению Q_план будет распределен между всеми включенными в эксплуатацию ГГПА 5_i, в зависимости от их энергоэффективности E_i по топливному газу.

После окончания переходного режима, связанного с запуском установки в эксплуатацию (длительность которого определяется обслуживающим персоналом), АСУ ТП ДКС 2 регулярно, через заданный интервал времени ζ, задаваемый обслуживающим персоналом перед запуском установки в эксплуатацию, производит расчет энергоэффективности E_i каждого ГГПА 5_i по формуле (1) и общую энергоэффективность параллельно работающих ГГПА одной очереди ДКС по формуле:

Далее АСУ ТП ДКС 2 ранжирует ГГПА 5_i по их энергоэффективности и определяет ГГПА 5_i, который работает с наименьшим значением энергоэффективности minE_i, и ГГПА 5_i, который работает с наибольшим значением энергоэффективности тахЕ_i. Далее АСУ ТП ДКС 2 производит сравнение этих величин на соответствие условию (maxE_i - minE_i) ≤ Δ, где Δ - допустимое отклонение между указанными величинами, которое задает обслуживающий персонал перед запуском системы и вводит в БД АСУ ТП ДКС 2. Опыт эксплуатации ГГПА на ДКС ООО «Газпром добыча Ямбург» показал, что наиболее приемлемое значение Δ=5% от maxE_i. И если указанное условие не выполняется, то АСУ ТП ДКС 2 приступает к разгрузке ГГПА 5_i с минимальной энергоэффективностью minE_i.

Реализацию разгрузки АСУ ТП ДКС 2 осуществляет, установив логический «ноль» на входе «Auto/Man» (сигнал 10_i) ПИД-регулятора 20_i и переводит его в режим трансляции сигнала 16_i пошаговой разгрузки ГГПА 5_i с минимальной энергоэффективностью Этот сигнал 16_i АСУ ТП ДКС 2 специально формирует именно для этого, конкретного случая, обеспечивая повышение энергоэффективности группы параллельно работающих ГГПА 5_i. Сигнал 16_i поступает от АСУ ТП ДКС 2 на вход «Step» ПИД-регулятора 20_i, который транслирует его в неизменной форме на свой выход CV и далее направляет его в САУ 4_i как сигнал 21_i задания производительности для ГГПА 5_i.

При переходе на режим повышения энергоэффективности (снижению потребления топливного газа) параллельно работающих ГГПА АСУ ТП ДКС 2 фиксирует в своей БД фактическое значение расхода компримируемого сырого газа ГГПА 5_i с наименьшим значением энергоэффективности minE_i Далее АСУ ТП ДКС 2, с учетом инерционности процесса, производит пошаговое снижение задания на расход компримируемого сырого газа этим ГГПА 5_i на заданную относительную величину. Шаг относительного снижения расхода подбирается обслуживающим персоналом экспериментально, и, как правило, не превышает 5% от значения Следующий шаг производится с таким же относительным снижением от зафиксированного на предыдущем шаге нового значения Величина шага относительного снижения расхода подбирается так, чтобы процесс итераций повышения энергоэффективности ДКС по ГГПА 5_i не превышал 10 шагов. В результате нагрузка на ГГПА 5_i будет пошагово уменьшаться, и эта выпадающая нагрузка будет автоматически перераспределена между ГГПА, оставшимися под управлением остальных ПИД-регуляторов, в зависимости от их текущей энергоэффективности по топливному газу.

Одновременно, на каждом шаге АСУ ТП ДКС 2 отслеживает изменения энергоэффективности ДКС E^ДКС и E_i каждого ГГПА. Если в результате очередного снижения расхода сырого газа ГГПА 5_i с наименьшим значением энергоэффективности minE_i значение Е^ДКС перестает расти, то процесс перераспределения нагрузки между ГГПА останавливают. После этого АСУ ТП ДКС 2 возвращает значение расхода сырого газа через ГГПА 5_i на предыдущий шаг, но оставляет ПИД-регулятор 20_i в режиме трансляции сигнала 16_i, т.е. на входе «Auto/Man» продолжает присутствовать сигнал логический «ноль».

Далее АСУ ТП ДКС 2 фиксирует в своей БД вновь найденное значение Е^ДКС, рассчитывает новые значения энергоэффективности E_i ГГПА, ранжирует их по уровню и проверяет на выполнение условия (maxE_i - minE_i) ≤ Δ с новым значением Е^ДКС. Если это условие выполняется, то АСУ ТП ДКС 2 переводит ПИД-регулятор 20_i, находящийся в режиме трансляции сигнала 16_i, на штатный режим работы, подав на его вход «Auto/Man» сигнал 10_i логическая «единица». Но если проверка вновь выявит ГГПА, у которой это условие (maxE_i - minE_i) ≤ Δ, не выполняется, то АСУ ТП ДКС 2 приступает к его разгрузке как следующего, не энергоэффективного ГГПА, вышеописанным образом. Это процесс протекает до тех пор, пока АСУ ТП ДКС 2 не убедится, что указанное условие выполняется для всех ГГПА с последним найденным значением E^ДКС, либо дойдет до предпоследнего ГГПА, перераспределив его нагрузку. На этом процесс перераспределения нагрузки между ГГПА завершается.

После завершения перераспределения нагрузки АСУ ТП ДКС 2 возвращает все ПИД-регуляторы 20_i в автоматический, штатный режим работы, подав на их вход «Auto/Man» сигнал 10_i логическая «единица», и продолжает в непрерывном режиме следить за вновь установившимся значением энергоэффективности ДКС E^ДКС и всех ГГПА Е_i, и при обнаружении отклонений выше допустимого значения GGGA вновь произведет перераспределение нагрузки вышеуказанным способом.

В итоге заданный объем подготовленного осушенного газа по УКПГ 7 будут поддерживать все ГГПА, и при этом, по факту, организован непрерывный итерационный процесс, связанный с индивидуальной энергоэффективностью и техническим состоянием оборудования каждого ГГПА (объектно-ориентированный подход), обеспечивая снижение затрат топливного газа на компримирование сырого газа и подаваемого осушенного газа в МГП, а так же обеспечивая снижение 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.bookasutp.ru/Chapter5_5.aspx#HandTuning.

Способ снижения потребления топливного газа параллельно работающими ГПА ДКС на Крайнем Севере РФ реализован в ПАО «Газпром» ООО «Газпром добыча Ямбург» на Заполярном НГКМ на УКПГ 1С, УКПГ 2С и УКПГ 3С.Результаты эксплуатации показали его высокую эффективность. Заявляемое изобретение может широко использоваться и на других действующих и вновь осваиваемых газоконденсатных месторождениях, расположенных в районах Крайнего РФ.

Применение данного способа позволяет автоматически распределять расход газа между ГГПА ДКС в режиме реального времени при различных режимах эксплуатации с учетом их энергоэффективности.

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 параллельно работающими ГПА дожимной компрессорной станции на Крайнем Севере РФ включает управление работой параллельно работающих ГГПА автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУ ТП) ДКС. При этом АСУ ТП установки комплексной подготовки газа (УКПГ) в реальном масштабе времени непрерывно контролирует разность значений между уставкой - планом подготовки Q_план осушенного газа по УКПГ для подачи в магистральный газопровод (МГП) - и его фактическим значением Q_фaкт. 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 требуемый объем компримируемого сырого газа, подаваемого на вход УКПГ для подготовки необходимого объема осушенного газа, между параллельно работающими ГГПА ДКС в режиме реального времени при различных режимах ее эксплуатации с учетом текущей энергоэффективности параллельно работающих ГГПА, что обеспечивает ГП снижение себестоимости подготовки газа к дальнему транспорту и уменьшение углеродного следа при добыче природного газа. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ снижения потребления топливного газа параллельно работающими газоперекачивающими агрегатами - ГПА дожимной компрессорной станции - ДКС на Крайнем Севере РФ, включающий управление работой параллельно работающих ГПА с газотурбинным приводом - ГГПА автоматизированной системой управления технологическими процессами - АСУ ТП ДКС, при этом АСУ ТП установки комплексной подготовки газа - УКПГ в реальном масштабе времени непрерывно контролирует разность значений между уставкой - планом подготовки Q_план осушенного газа по УКПГ для подачи в магистральный газопровод - МГП, и его фактическим значением Q_факт, и одновременно с этим УКПГ обеспечивает осушенным газом, используемым в качестве топливного газа, все параллельно работающие ГГПА ДКС в объеме где i - номер ГГПА, - расход топливного газа, потребляемый i-м ГГПА, а также обеспечивает других потребителей промысла осушенным газом на собственные нужды в объеме Q^СН, при этом ДКС компримирует сырой газ от его давления Р_КСГ во входном коллекторе сырого газа до требуемого давления Р_вход на входе УКПГ, при котором ДКС обеспечивает подачу сырого газа на вход УКПГ в объеме Q^КСГ, необходимом для подготовки осушенного газа в объеме Q_вал=Q_факт+Q^ТГ+Q^CH, удовлетворяющем потребности всех его потребителей, отличающийся тем, что АСУ ТП УКПГ через АСУ ТП ДКС подает на вход задания SP всех ПИД-регуляторов, построенные на базе АСУ ТП ДКС и управляющих производительностью параллельно работающих ГГПА, сигнал уставки плана подготовки осушенного газа Q_план для подачи 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 компримирование сырого газа в объеме Q_i i-му ГГПА с учетом его энергоэффективности, используя для этого коэффициент пропорциональности К_{п_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 расчет блок осуществляет по формуле

где значения уставок - максимальное и минимальное значение коэффициента пропорциональности соответственно, для каждого i-го ПИД-регулятора определяет обслуживающий персонал на основе паспортных данных оборудования соответствующего ГГПА и вводит их значения в базу данных - БД АСУ ТП ДКС перед запуском системы в работу, а значения уставок - максимальное и минимальное значение энергоэффективности i-го ГГПА обслуживающий персонал определяет экспериментально, при вводе установки в эксплуатацию, а также после каждого профилактического ремонта и/или периодически по графику, на режимах с максимально и минимально возможным расходом компримируемого сырого газа и заносит их в БД АСУ ТП ДКС, в результате АСУ ТП ДКС в штатном режиме эксплуатации с помощью этих ПИД-регуляторов, автоматически перераспределяет задание на компримирование требуемого объема сырого газа Q^КСГ между параллельно работающими ГГПА ДКС пропорционально их энергоэффективности, подавая это задание в систему автоматического управления - САУ этих ГГПА, и поступающий от них объем сырого газа на вход УКПГ обеспечивает объем подготовки осушенного газа Q_вал, гарантирующий подачу в МГП запланированный объем осушенного газа Q_план и потребность внутренних потребителей - топливного газа для ДКС Q^ТГ и осушенного газа для собственных нужд Q^CH, при этом АСУ ТП ДКС регулярно, через заданный интервал времени ζ, назначаемый обслуживающим персоналом, производит расчет энергоэффективности каждого из параллельно работающих ГГПА, определяемой из соотношения ранжирует полученные значения Е_i ГГПА по величине их энергоэффективности и по результатам ранжирования определяет ГГПА, который работает в этот момент с наименьшим значением энергоэффективности minE_i, и ГГПА, который 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 отклонение между указанными величинами, которое задает обслуживающий персонал перед запуском системы в эксплуатацию, и если указанное условие не выполняется, то АСУ ТП ДКС переходит на режим коррекции энергоэффективности ДКС и переводит ПИД-регулятор, формирующий задание ГГПА на компримирование сырого газа в объеме Q_i с наименьшим значением энергоэффективности minE_i, из штатного режима работы в режим трансляции сигнала управления, реализующего пошаговую разгрузку этого ГГПА до момента принятия решения о переводе ПИД-регулятора этого ГГПА на штатный режим работы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что АСУ ТП ДКС реализует штатный режим работы ПИД-регуляторов, формирующих задание по производительности параллельно работающим ГГПА, установив на их вход «Auto/Матт» сигнал логическая «единица», а в случае, когда не выполняется условие (maxE_i - minE_i) ≤ Δ, она переводит ПИД-регулятор, формирующий задание ГГПА с наименьшей энергоэффективностью minE_i, со штатного режима работы на режим трансляции специально формируемого АСУ ТП ДКС сигнала управления, реализующего через САУ этого ГГПА его пошаговую разгрузку с текущего значения объема компримируемого сырого газа Q_i, которое фиксирует в своей БД как значение объема компримируемого сырого газа i-го ГГПА, с которого АСУ ТП ДКС начинает пошаговое снижение нагрузки на заданную техническим персоналом относительную величину, как правило не более 5%, фиксирует после каждого шага снижения вновь полученную величину как и сохраняет ее в своей БД, пошаговое снижение АСУ ТП ДКС реализует с дискретизацией по времени, учитывающей инерционность процесса, и после каждого шага снижения производительности этого 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 E^ДКС, после чего АСУ ТП ДКС возвращает значение объема компримируемого сырого газа Q_i, перекачиваемого этим ГГПА, на предыдущий шаг, оставляет ПИД-регулятор, управляющий его производительностью в режиме трансляции сигнала, формируемого АСУ ТП ДКС для его пошаговой разгрузки, вычисляет все значения E_i и E^ДКС, фиксирует значение E^ДКС в своей БД и проверяет выполнение условия (maxEi - minE_i) ≤ Δ, 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 ГГПА, для которого указанное условие не выполняется, то АСУ ТП ДКС приступает к его разгрузке как следующего, не энергоэффективного ГГПА, вышеописанным образом, и это процесс протекает до тех пор, пока АСУ ТП ДКС не убедится, что указанное условие выполняется для всех параллельно работающих ГГПА с последним найденным значением Е^ДКС, либо дойдет до предпоследнего ГГПА, перераспределив его нагрузку, и на этом процесс перераспределения нагрузки между параллельно работающими ГГПА завершает.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что АСУ ТП ДКС в режиме коррекции энергоэффективности ДКС E^ДКС переводит ПИД-регулятор, формирующий задание по производительности ГГПА с наименьшей энергоэффективностью minE_i, на режим трансляции специально формируемого ею сигнала управления, установив сигнал логический «ноль» на его входе «Auto/Man».

4. 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 управляемых ими ГГПА, установив на вход «Auto/Man» этих ПИД-регуляторов сигнал логическая «единица», и одновременно с этим на вход обратной связи PV этих ПИД-регуляторов АСУ ТП ДКС подает сигнал значения фактической подачи осушенного газа Q_факт в МГП, а на вход К_р каждого из этих ПИД-регуляторов их блок расчета подает среднее ожидаемое значение коэффициента пропорциональности до момента выхода установки на плановую подготовку осушенного газа Q_план, подаваемого МГП.