Способ управления аппаратом воздушного охлаждения газа Российский патент 2025 года по МПК G05D23/00 F04D27/00 

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при проектировании систем управления аппаратами воздушного охлаждения газа (далее АВОг) для охлаждения газа после компримирования на компрессорных станциях перед последующим транспортом по трубопроводу.

АВОг широко используются в газовой промышленности для охлаждения газообразных сред, в частности для охлаждения природного газа на дожимных компрессорных станциях газовых промыслов (далее ДКС ГП) ввиду требований энергосбережения, т.к. при сжатии природного газа его температура увеличивается. Газ после компрессоров охлаждается с помощью АВОг для снижения мощности на транспортировку, для увеличения пропускной способности газопровода и повышения его надежности, а также для предотвращения глубокого оттаивания грунта.

Как правило, применяются АВОг горизонтального типа с нижним расположением вентиляторов, представляющие собой технологическую установку из двух блоков секций, объединенных коллекторами входа и выхода газа и двух блоков металлоконструкции. Каждый блок секции состоит из трубного пучка, соединяющего две сварные камеры, закрепленные на металлической конструкции. Камеры снабжены штуцерами с фланцами для присоединения к коллекторам входа и выхода газа. Коллекторы входа и выхода газа представляют собой сосуд из трубы, с одной стороны которого расположены штуцера. В каждой секции АВОг предусмотрена установка четырех блоков жалюзи: торцевых, переточных, выходных верхних и воздухозаборных нижних. С торцевых сторон секции расположены торцевые жалюзи, в полу установлены воздухозаборные нижние жалюзи, сверху, над трубным пучком, находятся выходные верхние жалюзи. Общие переточные жалюзи обеспечивают переток теплого воздуха на вход вентиляторов при эксплуатации АВОг в условиях пониженных температур наружного воздуха. Охлаждение газа осуществляется воздухом, нагнетаемым вентиляторами через секции АВОг.Открытие и закрытие блоков жалюзи при работе осуществляется электрическими приводами через шестеренчатые редукторы. Включение и отключение вентиляторов осуществляется в зависимости от температуры наружного воздуха и температуры газа на выходе из АВОг.

Известны способы автоматического управления процессом охлаждения природного газа (см., например, Крюков И.П. Аппараты воздушного охлаждения. - М.: Химия, 1983. - 168 с), основанные на измерении температуры газа в выходном коллекторе АВОг и не учитывающие точное регулирование температуры стенки нижних трубных пучков.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения, заключающийся в измерении температуры охлаждаемой среды на выходном коллекторе многосекционной установки охлаждения и включении/отключении части электродвигателей вентиляторов секций установки в функции измеренной температуры охлаждаемой среды, при этом для каждой секции теплообменников при включенном двигателе вентилятора измеряют электрическую мощность, потребляемую им из сети, температуру на входе и выходе секции, периодически определяют разность измеренных температур на входе и выходе, а также отношение разности температур к измеренной мощности, принимают вычисленные отношения за показатели эффективности работы секций теплообменников, периодически запоминают и сравнивают их, причем в случае отклонения температуры охлаждаемой среды на выходном коллекторе установки охлаждения ниже зоны допустимых отклонений с выдержкой времени отключают вентилятор секции теплообменника с наименьшим показателем эффективности, а в случае отклонения температуры выше зоны допустимых отклонений подключают вентилятор секции теплообменника с наибольшим показателем эффективности среди отключенных (патент на изобретение №2458256, МПК F04D 27/00, опубликовано: 10.08.2012).

Общими недостатками известных способов управления АВОг являются:

- недостаточное охлаждение газа из-за преждевременного срабатывания антигидратной защиты в период эксплуатации АВОг при температуре окружающего воздуха ниже минус 5°С, что приводит к снижению энергоэффективности процесса охлаждения газа ввиду необходимости включения в работу дополнительных вентиляторов АВОг для поддержания заданной температуры в камере вентилятора;

- преждевременный износ исполнительных механизмов (приводов управления жалюзи и электродвигателей) АВОг из-за использования дополнительных вентиляторов и жалюзи для регулирования температуры потока воздуха;

- избыточное участие оператора в управлении АВОг в части корректировки параметров регулирования автоматизированной системой управления технологическими процессами (далее АСУТП) АВОг при изменении технологического процесса под воздействием внешних факторов.

Задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении энергоэффективности АВОг, применяемых для охлаждения природного газа на компрессорных станциях, за счет усовершенствования алгоритмов антигидратной защиты, обеспечивающего снижение температуры газа на выходе АВОг с устранением преждевременного срабатывания исполнительных механизмов антигидратной защиты (электродвигателей вентиляторов и приводов жалюзи).

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ управления АВОг включает измерение на входе в каждую секцию АВОг текущего состава, температуры трубки секции и давления газа во входном коллекторе, расчет температуры начала гидратообразования Тгидр для измеренных параметров газа, расчет уставок минимума Tmin и максимума Tmax температуры нижнего ряда трубных пучков по формулам:

расчет коэффициента открытия жалюзи К по формуле:

где Тнтп - температура нижнего ряда трубных пучков,°С; и регулирование температуры трубок нижнего ряда трубного пучка теплообменных секций АВОг путем изменения положения жалюзи по рассчитанному коэффициенту открытия жалюзи К и включения или отключения вентиляторов в зависимости от значения температуры наружного воздуха Тнв: при Тнв <5°С во время поступления сигнала о включении вентилятора отключаютпропорционально-интегрально-дифференцирующее (далее ПИД) регулирование и жалюзи секции АВОг переводят в положение 20%-го открытия, после чего производят пуск дополнительного вентилятора и включают ПИД-регулирование открытия жалюзи, при Тнв ≥ 5°С дополнительный вентилятор включают без изменения положения жалюзи.

Усовершенствование алгоритмов антигидратной защиты АВОг заключается во введении динамических уставок Tmin и Tmax температуры нижнего ряда трубных пучков (Тнтп), которые меняются в зависимости от температуры начала гидратообразования Тгидр, которая рассчитывается исходя из значений концентрации метанола в газе, температуры трубки секции и давления газа во входном коллекторе на входе каждой секции АВОг.При этом антигидратная защита является полностью независимой для каждой секции АВОг и предполагает плавное закрытие жалюзи секции АВОг при приближении Тнтп к Тгидр. Режим антигидратной защиты включается при значениях Тнтп ниже уставки Tmax.

Технологические запасы 0,5°С при расчете Tmin и 1,5°С при расчете Tmax, прибавляемые к температуре гидратообразования Тгидр, формируют уставки по минимальной и максимальной температуре стенки нижнего ряда трубок в трубном пучке секции АВОг. Разница между температурой газа в трубках и температурой трубок составляет примерно 3-5°С, что увеличивает диапазон запаса по температуре начала гидратообразования Тгидр до 3,5-6,5°С.

Для наиболее эффективного охлаждения газа целесообразно регулировать Тнтп теплообменных секций АВОг, а не температуру газа на выходе АВОг, что позволяет АВОг работать в оптимальной режиме как в летнее, так и в зимнее время, с обеспечением минимальной температуры газа на выходе АВОг с учетом Тгидр.

Регулирование температуры нижнего ряда трубных пучков Тнтп осуществляется в пределах, превышающих на несколько градусов уставку срабатывания антигидратной защиты АВОг. Тем самым предотвращается работа АВОг в гидратном режиме, а температура газа на выходе АВОг снижается до минимально возможной. Например, при снижении давления на входе в АВОг уставка по температуре срабатывания антигидратной защиты снижается, тем самым позволяя охлаждать газ до более низких температур по сравнению с постоянной уставкой.

В случае падения Тнтп одной из теплообменной секций АВОг ниже уставки Tmax в способе управления АВОг учитывается коэффициент открытия жалюзи К, который определяет степень открытия жалюзи, предотвращая падение Тнтп до значения температуры начала Тгидр. При этом в случае снижения Тнтп ниже уставки Tmin жалюзи в этой секции закрываются полностью.

Работа вентиляторов осуществляется в двух режимах: зимнем и летнем. В зимнем режиме, когда температура наружного воздуха (Тнв) <5°С, во время поступления сигнала о включении вентилятора отключается пропорционально-интегрально-дифференцирующее (далее ПИД)

регулирование и жалюзи секции АВОг переводятся в положение 20%-го открытия. Далее производится пуск дополнительного вентилятора и включается ПИД-регулирование открытия жалюзи. В летнем режиме, когда Тнв ≥ 5°С, дополнительный вентилятор включается без изменения положения жалюзи.

На фиг.1 представлена схема АВОг с использованием следующих обозначений:

1 - вентилятор (6 шт. );

2 - электропривод торцевой жалюзи (4 шт. );

3 - электропривод выпускных жалюзи;

4 - электропривод переточной жалюзи;

5 - электропривод верхней жалюзи (2 шт. );

6 - система автоматического управления АВОг;

7 - датчик температуры газа на выходе АВОг.

Принцип работы АВОг заключается в следующем: входной поток газа разделяется на два потока и поступает в передние камеры двух теплообменных секций АВОг. Каждая теплообменная секция включает в себя 195 оребренных трубок, расположенных в шести вертикальных рядах, расположенных над тремя вентиляторами 1. Газ, проходя по оребренным трубкам, охлаждается потоком воздуха, нагнетаемым вентиляторами 1, и поступает в заднюю камеру теплообменной секции, после чего потоки газа снова объединяются и направляются в коллектор газа.

АВОг включает следующие комплекты жалюзи: верхние жалюзи, управляемые с помощью электропривода верхней жалюзи 5 (2 шт., по 1 на секцию); торцевые жалюзи со стороны передней и задней камеры каждой секции, управляемые с помощью электропривода торцевой жалюзи 2; переточные жалюзи, управляемые с помощью электропривода переточной жалюзи 4 и установленные между теплообменными секциями, а также выпускные жалюзи, управляемые с помощью электропривода выпускных жалюзи 3. Положение жалюзи меняется с помощью системы автоматического управления АВОг 6 в зависимости от параметров процесса регулирования температуры газа на выходе АВОг и температуры наружного воздуха Тнв.

Измерение температуры газа на входе в АВОг осуществляется по месту термометрами и дистанционно по датчикам температуры. Измерение температуры газа на выходе каждого АВОг осуществляется по месту термометрами и дистанционно по датчикам температуры газа на выходе АВОг 7.

На фиг.2 представлена блок-схема для реализации заявляемого изобретения, обозначение элементов для которой приведены в таблице 1.

Непосредственно регулирование температуры газа в каждой отдельной секции АВОг осуществляется за счет работы блоков ПИД-регулятора 22 и 25, регулирующих степень открытия жалюзи первой и второй секции, и блоков управления количеством работающих вентиляторов 26 и 27 первой и второй секции, соответственно. При переводе секций в автоматический режим блоки ПИД-регулятора 22 и 25 включают алгоритм управления АВОг, при этом на всех иконках жалюзи и блоках ПИД-регулятора 22 и 25 появляется буква «А», сигнализирующая о переводе исполнительного механизма в автоматический режим. Если же указанные блоки не справляются с работой (скорость падения/роста температуры ниже заданного значения после открытия/закрытия жалюзи до настраиваемых граничных положений), тогда подключаются блоки управления количеством работающих вентиляторов 26 и 27.

Рассмотрим работу первой секции. Блок ПИД-регулятора 22 получает в качестве задания значение температуры трубки нижнего ряда первой секции 9, которое необходимо поддерживать до расчетной температуры гидратообразования газа 15. В зависимости от этого задания, от давления газа во входном коллекторе 8, от концентрации метанола в газе 14, а также от расчетной температуры гидратообразования 15 блок ПИД-регулятора 22 формирует через мультиплексор аналоговых сигналов 21 соответствующие управляющие воздействия на исполнительный механизм путем направления заданий на привод GM14, GM12, GM9 и GM7 29, 30, 31 и 32, соответственно, что приводит к открытию или закрытию жалюзи.

В случае падения температуры нижнего ряда трубных пучков секций 18 ниже уставки максимума температуры нижнего ряда трубных пучков Tmax 17 необходимо учитывать коэффициент открытия жалюзи первой секции 19, задействованный в антигидратном регулировании, и служащий для предупреждения негативных ситуаций. При этом значения открытия жалюзи первой секции с учетом поправочного коэффициента К1 20 управляющего воздействия блока ПИД-регулятора 22 и фактической степени открытия жалюзи могут отличаться. В случае снижения температуры нижнего ряда трубных пучков секций 18 до уставки минимума температуры нижнего ряда трубных пучков Tmin 16 задания на привод GM14, GM12, GM9 и GM7 29, 30, 31 и 32 закрывает жалюзи полностью.

Коэффициенты открытия жалюзи первой 19 и второй 23 секций рассчитываются по формуле (3). По мере приближения температуры нижнего ряда трубных пучков 18 к температуре гидратообразования 15 задания на привод GM14, GM12, GM9 и GM7 29, 30, 31 и 32 уменьшаются путем умножения на соответствующий коэффициент открытия жалюзи первой 19 и второй 23 секций, стремящийся к нулю. По мере удаления температуры нижнего ряда трубных пучков 18 от температуры гидратообразования 15 задания на привод GM14, GM12, GM9 и GM7 29, 30, 31 и 32 увеличиваются путем умножения на соответствующий коэффициент открытия жалюзи первой 19 и второй 23 секций, стремящийся к единице. Приведенная последовательность действий используется для регулирования приточных и выпускных жалюзи. Переточные жалюзи работают в следующих режимах в зависимости от температуры наружного воздуха Тнв:

- при Тнв < минус 5°С степень открытия жалюзи равна 100%;

- при минус 10°С < Тнв < минус 5°С степень открытия жалюзи равна 50%;

- при Тнв > минус 5°С степень открытия жалюзи равна 0%. Блок ПИД-регулятора 25 для второй секции работает аналогично.

Как отмечалось выше, блоки управления количеством работающих вентиляторов 26 и 27 включаются в работу только тогда, когда блоки ПИД-регулятора 22 и 25 не справляются с поддержанием температуры. Включение и отключение вентиляторов отличается для зимнего и летнего режима. В зимнем режиме при Тнв <5°С при поступлении сигнала о включении вентилятора отключается блок ПИД-регулятора 22 и/или 25 и жалюзи соответствующей секции АВОг переводятся в положение 20%-го открытия. Далее производится пуск вентилятора и включается блок ПИД-регулятора 22 и/или 25 для открытия жалюзи. В летнем режиме Тнв >5°С дополнительный вентилятор включается без изменения положения жалюзи.

Включение дополнительного вентилятора произойдет по сигналам Вкл/выкл №1, №2, №3 37-39 или по сигналам Вкл/выкл №4, №5, №6 40-41 для соответствующей секции, если одновременно выполнятся следующие условия:

- за установленное время (30 секунд) положение жалюзи первой 12 и/или второй 13 секций изменится на величину менее установленной, т.е. предел уже рядом и регулирование замедлено;

- за установленное время (30 секунд) значение температуры на выходе АВОг изменится на величину менее установленной, т.е. управление неэффективно в силу недостатка технических возможностей.

Выключение вентилятора в секции произойдет, если в течение 30 секунд положение жалюзи первой 12 и/или второй 13 секций не превышает 10%-ой степени открытия (т.е. жалюзи уже практически полностью закрыты, но АВОг прогреться не в состоянии, значит есть «лишний» работающий вентилятор).

Для отключения автоматического режима необходимо перейти на видеокадр соответствующего аппарата АВОг и нажать кнопку «Отключить автоматический режим». После этого все жалюзи аппарата и блоки ПИД-регулятора 22 и 25 перейдут в дистанционный режим. Состояние исполнительных механизмов не изменится.

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при проектировании систем управления аппаратами воздушного охлаждения газа (далее АВОг) для охлаждения газа после компримирования на компрессорных станциях перед последующим транспортом по трубопроводу. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности АВОг, применяемых для охлаждения природного газа на компрессорных станциях. Технический результат достигается за счет того, что на входе в каждую секцию АВОг текущего состава измеряют температуру и давление газа, рассчитывают температуру начала гидратообразования Тгидр для измеренных параметров газа и устанавливают минимум Tmin и максимум Tmax температуры нижнего ряда трубных пучков, а также регулируют температуру трубок нижнего ряда трубного пучка теплообменных секций АВОг путем изменения положения жалюзи по рассчитанному коэффициенту открытия жалюзи К и включают или отключают вентиляторы в зависимости от значения температуры наружного воздуха. 2 ил.

Способ управления аппаратом воздушного охлаждения газа, включающий измерение на входе в каждую секцию аппарата текущего состава, температуры трубки секции и давления газа во входном коллекторе, расчет температуры начала гидратообразования Тгидр для измеренных параметров газа, расчет уставок минимума Tmin и максимума Tmax температуры нижнего ряда трубных пучков по формулам:

Tmin = Тгидр + 0,5; (1)

Tmax = Тгидр + 1,5; (2)

расчет коэффициента открытия жалюзи К по формуле:

, (3)

где Тнтп – температура нижнего ряда трубных пучков, °С;

и регулирование температуры трубок нижнего ряда трубного пучка теплообменных секций аппарата воздушного охлаждения газа путем изменения положения жалюзи по рассчитанному коэффициенту открытия жалюзи К и включения или отключения вентиляторов в зависимости от значения температуры наружного воздуха: при значении температуры наружного воздуха меньше пяти градусов по Цельсию во время поступления сигнала о включении вентилятора отключают пропорционально-интегрально-дифференцирующее регулирование и жалюзи секции аппарата воздушного охлаждения газа переводят в положение двадцатипроцентного открытия, после чего производят пуск дополнительного вентилятора и включают пропорционально-интегрально-дифференцирующее регулирование открытия жалюзи, при значении температуры наружного воздуха, равном или большем пяти градусов по Цельсию, дополнительный вентилятор включают без изменения положения жалюзи.