СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ УСТАНОВКИ МЕМБРАННОГО ВЫДЕЛЕНИЯ ГЕЛИЕВОГО КОНЦЕНТРАТА

Изобретение относится к способам транспортировки материалов по трубопроводу с помощью пневмогидравлического носителя в газодобывающей промышленности и может применяться для обеспечения стабильного протекания технологического процесса работы установки мембранного выделения гелиевого концентрата (УМВГК). При этом способ обеспечивает постоянную корректировку загрузки установки в зависимости от объемов добычи и необходимой концентрации гелия в транспортируемом газе в автоматическом режиме.

Из уровня техники известен способ транспортировки и распределения между потребителями гелийсодержащего природного газа (RU 2489637 C1, МПК F17D 1/04, B01D 53/22, B01D 61/36, опубл. 10.08.2013). Способ включает в себя компримирование газа на первой компрессорной станции, подачу и транспортировку потока в магистральном газопроводе, компримирование потока на последующих линейных компрессорных станциях, отборы из магистрального газопровода отводных потоков, очистку отводных потоков от гелия, подачу потоков для потребителей из очищенных от гелия частей отводных потоков, подачу в магистральный газопровод возвратных потоков из обогащенных гелием оставшихся частей отводных потоков. Отличает способ то, что очистку от гелия каждого отводного потока производят путем его пропускания вдоль поверхности селективно-проницаемой мембраны, преимущественно пропускающей гелий, в качестве потока для потребителя используют не проникшую через мембрану часть отводного потока, а в качестве возвратного потока используют проникшую через мембрану часть отводного потока, причем возвратный поток компримируют и подают в магистральный газопровод ниже точки отбора отводного потока по направлению движения потока газа в газопроводе.

Недостатком способа является отсутствие в конструкции установки для его осуществления элементов автоматики, которые позволили бы измерять величину загрузки магистрального газопровода и при необходимости выполнять ее автоматическую коррекцию.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан способ трубопроводной транспортировки гелия от месторождений потребителям (RU 2454599 C1, МПК F17D 1/02, опубл. 27.06.2012). Способ включает в себя транспортировку по магистральному газопроводу добываемого из эксплуатируемого месторождения гелийсодержащего природного газа на технологические установки, на которых получают гелиевый концентрат. При этом полученный гелиевый концентрат разделяют с помощью регулирующего устройства на два потока, один из которых направляют по газопроводам в хранилище гелиевого концентрата или в эксплуатируемое месторождение, а другой поток гелиевого концентрата - на установки жидкого и газообразного гелия, откуда гелий далее подают в оперативное гелиехранилище и потребителям.

Недостатком известного способа является отсутствие в нем чувствительного элемента датчика отрицательной обратной связи, обеспечивающего вычисление величины ошибки регулирования и автоматическую коррекцию величины загрузки установки по разделению гелиевого концентрата.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение степени автоматизации технологического процесса, за счет возможности изменения характеристик работы оборудования мембранного разделения.

Указанная задача решена за счет того, что способ управления технологическим режимом установки мембранного выделения гелиевого концентрата включает в себя первоначальное определение необходимого объема газа для загрузки установки Q_ЗАГР., ее запуск, отвод ретентата в магистральный газопровод из первой выходной линии установки с отбором газа на технологические сбросы на факел и на собственные нужды и отвод пермеата со второй выходной линии установки. Отличает способ от известных то, что выполняют измерение объема газа, поступающего от установки низкотемпературной сепарации на линию перепуска, с помощью первого узла измерения расхода газа, измерение объема газа, поступающего в магистральный газопровод, с помощью второго узла измерения расхода газа и измерение объема газа, поступающего на линию отвода, с помощью третьего узла измерения расхода газа. Далее вычисляют парковый коэффициент k по формуле:

где Q₁ - величина объема потока газа, измеряемого первым узлом измерения расхода газа; Q₂ - величина объема потока газа, измеряемого вторым узлом измерения расхода газа; Q₃ - величина объема потока газа, измеряемого третьим узлом измерения расхода газа.

После чего корректируют величину объема загрузки установки мембранного выделения гелиевого концентрата, вычисляя ее по формуле:

где Q_ЗАГР. - величина объема потока газа, подаваемого на установку мембранного выделения гелиевого концентрата.

Уточнение величины загрузки установки мембранного выделения гелиевого концентрата проводят итерационно до момента получения погрешности, не превышающей ±1%, при этом погрешность определяется сравнением фактической загрузки по отношению к расчетной. Дополнительно, после достижения требуемой точности загрузки установки при ее дальнейшей работе величину Q_ЗАГР. дополнительно корректируют, используя поправочный коэффициент Y, определяемый на основе хроматографического анализа подготовленного газа.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков способа управления технологическим режимом установки, является увеличение степени автоматизации процесса управления, за счет применения паркового коэффициента, который определяется от фактических объемов газа на выходе установки, определяемых с помощью узлов измерения. Дополнительным техническим результатом является повышение точности регулирования объема газа, подаваемого на установку, за счет контроля состава газовой смеси, выполняемого с помощью хроматографического анализа подготовленного газа.

Способ управления поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная технологическая схема установки мембранного выделения гелиевого концентрата; на фиг. 2 приведена схема установки, реализованной на Чаяндинском нефтегазоконденсатном месторождении; на фиг. 3 приведен график, отражающий зависимость объема в пермеате углекислого газа и водорода, в зависимости от количества задействованных стоек мембранного разделения и режима их работы.

Способ осуществляют с помощью установки мембранного выделения гелиевого концентрата, имеющей технологическую схему, описанную ниже.

Газ от установки низкотемпературной сепарации поступает на первый узел измерения расхода газа 1, далее подается на центральную дожимную компрессорную станцию 2, откуда поступает на линию перепуска 3, снабженную первым регулятором давления 4, откуда поступает на второй узел измерения расхода газа 5, после чего направляется в магистральный газопровод. Линия перепуска 3 имеет отвод 6, подключенный ко второму регулятору давления 7, с выхода которого газ поступает на третий узел измерения расхода газа 8, с выхода которого он подается на установку мембранного выделения газового конденсата 9, содержащую, по крайней мере, четыре мембранных элемента М₁-М₄. Установка 9 имеет две выходные линии 10 и 11, по первой из которых отводится отфильтрованный газ (ретентат) с отбором газа на факел и собственные нужды производственной площадки, а по второй отводится проникший через мембраны гелиенасыщенный концентрат (пермеат). Первая линия подключена к подводу 12 линии перепуска 3, расположенному перед вторым узлом измерения расхода газа 4, а вторая может использоваться для подачи гелиенасыщенного концентрата в пласт или на вход установки по производству жидкого и газообразного гелия.

Способ управления технологическим режимом установки мембранного выделения гелиевого концентрата осуществляют следующим образом.

Первоначально составляют баланс потоков газа с учетом необходимости определения объема газа, направленного на установку для обеспечения заданной концентрации гелия в транспортируемом газе:

где Q_ЗАГР. - величина объема потока газа, подаваемого на установку мембранного выделения гелиевого концентрата; Q_ФАКЕЛ. - величина объема потока газа, затрачиваемого на технологические сбросы на факел; Q_CH - величина объема потока газа, затрачиваемого на собственные нужды; Q_ПЕР. - величина объема полученного пермеата.

В формуле (3) используются данные, поступающие с трех узлов измерения расхода газа, имеющих инструментальную погрешность более 3%, что значительно влияет на точность расчета величины Q_ЗАГР. Кроме того, значительное влияние на точность будут оказывать также технологические потери, включая сброс газа на факел и наполнение контуров газоперекачивающих агрегатов. В результате погрешность расчета может составлять до 8%, что, например, в натуральном выражении при плановой загрузке в 71 млн. м³ составит 5,6 млн. м³ в сутки.

Для уменьшения погрешности определения величины Q_ЗАГР. в формулу введен парковый коэффициент k, который вычисляется по формуле (1) на основе измерения фактического объема газа, поступающего в магистральный газопровод и измеряемого при помощи второго узла измерения расхода газа. При этом уточнение величины Q_ЗАГР. выполняется итерационно на основе формулы (2).

Уточнение величины загрузки установки мембранного выделения гелиевого концентрата проводится до момента получения погрешности, не превышающей ±1%, при этом погрешность определяется сравнением фактической загрузки по отношению к расчетной.

Экспериментально установлено, что работа мембранных элементов с загрузкой менее 90% приводит к повышенной концентрации в пермеате водорода H₂ и углекислого газа СО₂ (фиг. 3). Поэтому после достижения требуемой точности величины загрузки Q_ЗАГР. при дальнейшей работе установки величину Q_ЗАГР. дополнительно корректируют, вводя в формулу (2) поправочный коэффициент Y, определяемый на основе хроматографического анализа подготовленного газа:

В качестве прибора для проведения хроматографического анализа может использоваться любой из известных, например газовый хроматограф модели «Кристаллюкс-4000М»¹ (¹ Газовый хроматограф «Кристаллюкс-4000М // ERDIAN URL: https://www.npc-eridan.ru/products/gas/crystallux4000m/ (дата обращения: 8.10.2018). При этом если уровни концентрации водорода и углекислого газа превышают верхние пороговые и наперед заданные уставками значения, то значение коэффициента Y выбирают в пределах от 1.1 до 1.5, тем самым повышая величину Q_ЗАГР., в случае, если уровень концентрации водорода и углекислого газа меньше нижних пороговых значений, то значение коэффициента Y выбирают в пределах от 0.99 до 0.5, тем самым понижая величину Q_ЗАГР.

Пример осуществления способа.

Чаяндинское нефтегазоконденсатное месторождение (ЧНГКМ) - одно из крупнейших на востоке России. Газ месторождения имеет сложный компонентный состав, в том числе содержит значительные объемы гелия. Гелий - ценный компонент и является не возобновляемым ресурсом. Его специфические свойства позволяют широко применять гелий для самых различных целей, в некоторых отраслях альтернативы применения гелия не существует (например, применение в аппаратах МРТ). По прогнозам аналитиков, уже к 2024 году на мировом рынке может возникнуть дефицит гелия.

В этой связи, для исключения потери гелия совместно с реализуемым природным газом, на ЧНГКМ предусматривается применение установки мембранного выделения гелиевого концентрата (УМВГК). Основное назначение УМВГК - это обеспечение концентрации гелия в подготавливаемом газе в объеме, не превышающем проектной мощности Амурского ГПЗ.

Первоначально величину объема потока газа, подаваемого на установку мембранного выделения гелиевого концентрата Q_ЗАГР., определялся на основании приведенной выше зависимости (3), при этом основой расчетов были предварительные показания узлов измерения расхода газа, в качестве которых на Чаяндинском нефтегазоконденсатном месторождении используются узлы коммерческого учета газа, в качестве которых могут быть использованы любые известные на рынке приборы, например модели ЭМИС-ЭСКО 2230² (² Узел учета газа ЭМИС-ЭСКО 2230 // ЭМИС. Производство расходомеров. URL: http://emis-kip.ru/ru/prod/uzel_ucheta_gaza/?gclid=CjwKCAjwmJbeBRBCEiwAAY4VVSMaE7vgdpZ1_HOTNEP4bgA5fW5lT9M_P1vl6hCUXxcXrXiU3CUV3xoCzI4QAvD_BwE (дата обращения: 8.10.2018).

После определения величины Q_ЗАГР. с помощью первого и второго регуляторов давления 4 и 7 обеспечивали расчетный режим подачи газа на установку мембранного выделения гелиевого концентрата. Далее после каждого цикла измерения объемов потоков газа с помощью первого, второго и третьего узлов измерения расхода газа 1, 5 и 8 (УКУГ 290, УКУГ 210 и ГП451 на фиг. 2) производилась уточнение величины Q_ЗАГР. в соответствие с приведенными выше зависимостями (1) и (2) с учетом паркового коэффициента k до достижения требуемой погрешности регулирования ±1%.

После завершения калибровки установки величину Q_ЗАГР. корректируют на основании приведенной выше зависимости (4) с помощью коэффициента Y, выполняя предварительно хроматографический анализ подготовленного газа (эмпирическая зависимость содержания в газе водорода Н₂ и углекислого газа СО₂ приведена на фиг. 3). В случае, когда концентрация упомянутых газов превышала установленное максимальное значение, коэффициент Y устанавливался равным Y=1.1, а величина Q_ЗАГР. корректировалась в сторону увеличения. В случае, когда концентрация упомянутых газов оказывалась ниже установленного минимального значения, коэффициент Y устанавливался равным Y=0.98, а величина Q_ЗАГР. корректировалась в сторону уменьшения. Режимы работы стоек мембранного разделения М₁-М₄ регулируются регуляторами 13, при этом объем газа, подаваемого на каждую из стоек, выбирают пропорционально их номиналу.

Таким образом, рассмотренный способ управления позволяет достичь заявленного положительного результата по повышению автоматизации технологического процесса выделения гелиевого концентрата, минимизировать зависимость протекания технологического процесса УМВГК от режимов работы установки комплексной подготовки газа (УКПГ), что снижает вероятность отказов технологического оборудования при колебаниях расхода газа на последней.

По причине уменьшения объемов проникновения углекислого газа через мембраны по всей технологической цепочке УМВГК снижается агрессивность рабочей среды, что приводит к уменьшению эксплуатационных затрат, связанных с поддержанием высокой температуры после аппаратов воздушного охлаждения газа в газоперекачивающих агрегатах и использованием ингибитора коррозии впрыскиваемого в нагнетательный газопровод от УМВГК до нагнетательных скважин.

В части регулирования концентрации гелия в транспортируемом газе способ позволяет получить более точные результаты и полностью автоматизировать процесс определения загрузки УМВГК.