Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ МЕЖДУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ЛИНИЯМИ ОСУШКИ ГАЗА НА УСТАНОВКАХ КОМПЛЕКСНОЙ ПОДГОТОВКИ ГАЗА, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА СЕВЕРЕ РФ

Изобретение относится к области добычи и подготовки природного газа к дальнему транспорту, в частности, к ведению процесса осушки газа на установках комплексной подготовки газа (УКПГ) для сеноманских залежей нефтегазоконденсатных месторождений (НГКМ) Севера РФ.

Известен способ автоматического управления процессом осушки газа, включающий контроль средствами автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУ ТП) расхода газа Q_i по каждой i-ой технологической нитке УКПГ, его сравнение с предельно допустимыми - минимальными и максимальными значениями и автоматическое поддержание расхода газа с соблюдением условия При этом распределение потоков газа между технологическими линиями осушки газа (ТЛОГ) осуществляется либо равномерно, либо в переменном режиме по расходу газа [см. стр. 128, Тараненко Б.Ф., Герман В.Т. Автоматическое управление газопромысловыми объектами. М., «Недра», 1976, 213 с.], [см. стр. 413, Исакович Р.Я., Логинов В.И., Попадько В.Е. Автоматизация производственных процессов нефтяной и газовой промышленности. Учебник для вузов. М., Недра, 1983, 424 с.]. Если в первом случае для поддержания требуемой точки росы осушаемого газа требуется изменить либо расход абсорбента, либо его концентрацию, либо то и другое одновременно, то во втором случае осуществляется коррекция соотношения расхода газа с расходом абсорбента по отклонению температуры точки росы от заданного значения.

Недостатком указанного способа является то, что он никак не учитывает фактическое состояние оборудования при распределении нагрузки между ТЛОГ. Этот фактор ведет к не оптимальному расходу регенерированного абсорбента, подаваемого в абсорбер, и росту безвозвратных потерь этого ценного продукта. Также повышаются энергетические затраты на регенерацию абсорбента и снижается качество подготовки газа к дальнему транспорту, т.е. в целом снижается эффективность процесса осушки газа на УКПГ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ управления технологическими процессами газового промысла, в котором АСУ ТП управляет производительностью цеха осушки газа (ЦОГ) в соответствии с вводимым диспетчерской службой заданием для УКПГ, снижая или повышая производительность лишь одной i-ой ТЛОГ на величину, обеспечивающую вывод УКПГ на плановый расход газа F_зд, последовательно открывая или закрывая клапан-регулятор (КР) i-ой ТЛОГ на расчетную величину шага dA_i, при этом i-ю ТЛОГ выбирают с максимальным max{F_i} или минимальным min{F_i} расходом газа, а если это условие выполняется одновременно для нескольких ТЛОГ, то ТЛОГ выбирают из них случайным образом, при этом остальные ТЛОГ, кроме указанных выше, работают с максимальной производительностью [см. Патент РФ №2344339].

Существенным недостатком указанного способа является то, что он никак не учитывает фактическое состояние оборудования каждой ТЛОГ при распределении нагрузки между ними, т.к. снижение или повышение производительности, выбранной ТЛОГ происходит на основе команды, вырабатываемой АСУ ТП УКПГ на основании изменения общего планового показателя УКПГ по расходу газа, поступающего от диспетчерской службы предприятия.

Этот фактор ведет к не оптимальному расходу регенерированного абсорбента, подаваемого в абсорбер, и росту безвозвратных потерь этого ценного продукта. Так же повышаются энергетические затраты на регенерацию абсорбента и снижается качество подготовки газа к дальнему транспорту, т.е. в целом снижается эффективность процесса осушки газа на УКПГ.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, и реализация в реальном масштабе времени автоматического распределение нагрузки между ТЛОГ УКПГ с учетом фактического состояния их оборудования.

Техническим результатом, достигаемым от реализации настоящего изобретения, является обеспечение заданной степени осушки газа на УКПГ при минимальных энергетических и материальных затратах при соблюдении всех норм и ограничений на технологические параметры процесса. При этом заданное качество подготовки газа для дальнего транспорта обеспечивается каждой ТЛОГ благодаря непрерывному учету влияния фактического состояния их оборудования на технологические процессы, происходящие в них же.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ автоматического распределения нагрузки между ТЛОГ на УКПГ, расположенных на Севере РФ включает АСУ ТП, которая управляет производительностью ЦОГ в соответствии с вводимым диспетчерской службой заданием для УКПГ.

Для этого, после планово-предупредительного ремонта и/или обслуживания ЦОГ осуществляют настройку индивидуальных коэффициентов ПИД-регуляторов всех ТЛОГ в зависимости от состояния их оборудования, с учетом результатов газогидродинамических исследований скважин промысла и данных лабораторных исследований параметров добываемого газа. После настройки коэффициентов ПИД-регуляторов, по команде диспетчерской службы запускают УКПГ с необходимым для выполнения задания числом ТЛОГ в эксплуатацию, подавая на вход задания SP каждого ПИД-регулятора включенных ТЛОГ единый сигнал планового задания подготовки газа по УКПГ. Этот сигнал поступает из АСУ ТП на основе задания диспетчерской службы, в это же время на вход обратной связи PV каждого ПИД-регулятора подается сигнал фактического расхода осушенного газа по УКПГ, поступающий из АСУ ТП, значение которого она определяет путем суммирования показаний датчиков расхода осушенного газа по каждой из эксплуатируемых ТЛОГ. В результате обработки этих сигналов каждый из ПИД-регуляторов формирует сигнал управления, поступающий на клапан-регулятор КР контролируемой им ТЛОГ. Одновременно с этим АСУ ТП осуществляет индивидуальный контроль фактической температуры точки росы осушенного газа на выходе каждой ТЛОГ, сравнивая ее с требуемым нормативами заданием. И как только на какой-то из ТЛОГ температура точки росы осушенного газа выйдет за допустимые ограничения, АСУ ТП отключает ее ПИД-регулятор от управления клапан-регулятором и переводит его на управление блоком коррекции расхода осушенного газа по этой ТЛОГ. Начиная и с этого момента блок коррекции расхода осушенного газа по этой ТЛОГ с заданной дискретностью по времени и уровнем квантования по величине производит пошаговое прикрытие крана-регулятора КР, снижая расход газа этой ТЛОГ. При этом, после каждого шага прикрытия АСУ ТП проверяет соблюдение требований по точке росы осушенного газа, выждав заданный интервал времени, длительность которого определяется временем окончания переходных процессов в этой ТЛОГ. И если АСУ ТП обнаружит, что требования к точке росы снова выполняются, то она подключает ПИД-регулятор к управлению краном-регулятором КР этой ТЛОГ с вновь установленным для нее расходом газа. При этом суммарный расход газа по всем эксплуатируемым ТЛОГ в этот момент будет равен плановому заданию для УКПГ, выданному диспетчерской службой предприятия.

Однако, если в случае пошагового прикрытия крана-регулятора КР на ТЛОГ, где были нарушены требования к точке росы осушенного газа, производительность этой ТЛОГ упала до минимально допустимого значения расхода газа, либо все остальные ТЛОГ по расходу газа дошли до своих максимально допустимых значений по расходу газа, АСУ ТП формирует сообщение обслуживающему персоналу УКПГ для принятия решения по изменению режима работы УКПГ.

А в случае поступления от диспетчера нефтегазодобывающего предприятия задания об увеличении плана подготовки газа по УКПГ, АСУ ТП оценивает возможность выполнения поставленной задачи с учетом состояния каждой ТЛОГ. И если состояния ТЛОГ позволяют выполнить это задание, АСУ ТП изменяет соответствующим образом значение сигнала задания, поступающего на вход SV всех ПИД-регуляторов, и они переходят в режим поддержки выполнения поступившего задания.

Но в случае выявления невозможности выполнения вновь поступившего задания, АСУ ТП сразу формирует соответствующее сообщение обслуживающему персоналу УКПГ для принятия необходимых управляющих решений.

Наличие в природном газе избыточной влаги вызывает ряд серьезных проблем при его транспортировании. Поэтому природный газ, добытый на Севере, перед подачей в магистральные газопроводы осущают в соответствии с требованиями и нормами для природного газа холодной климатичсекой зоны по ОСТ 51.40-93 «Газы горючие природные, поставляемые и транспортируемые по магистральным газопроводам».

Осушка газа большинства НГКМ сеноманских залежей Севера осуществляется на УКПГ по технологии абсорбционной осушки с использованием в качестве абсорбента раствора диэтиленгликоля (ДЭГ) [см., например, стр. 106, Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - 596 с.].

Подробное описание, принципа работы этих УКПГ можно найти в различных источниках по технологии добычи газа [см., например, Ланчаков Г.А., Кульков А.Н., Зиберт Г.К. Технологические процессы подготовки природного газа и методы расчета оборудования. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000 - 279 с.], поэтому оно здесь не приводится.

Осушка газа на УКПГ осуществляется в ЦОГ в однотипных ТЛОГ высокой производительности, работающих параллельно. Например, на Ямбургском НГКМ в УКПГ используется девять ТЛОГ с проектной производительностью 10 млн. куб. метр в сутки каждая [см., например, Бекиров Т.М., Губяк В.Е. и др. Комплексный подход к сбору, подготовке и транспортированию газа в районах Крайнего Севера / Серия: Подготовка и переработка газа и газового конденсата, М.: ВНИИЭгазпром, 1991, 61 с.].

Основным компонентом ТЛОГ является абсорбер, представляющий собой многофункциональный аппарат, реализующий функции предварительной сепарации газа (сепарационная секция), абсорбции (массообменная секция), окончательной очистки газа (фильтрующая секция).

Максимальное значение расхода газа по ТЛОГ определяется предельной пропускной способностью абсорбера, а его минимальное значение - значением расхода газа через абсорбер, ниже которого его работа становится не эффективной и требует остановки процесса осушки газа. Значения и определяется паспортными характеристиками абсорберов.

Особенности эксплуатации УКПГ, находящихся на стадии стабильной и падающей добычи газа, заключаются в следующем [см., например, стр. 11, Ланчаков Г.А., Кульков А.Н., Зиберт Г.К. Технологические процессы подготовки природного газа и методы расчета оборудования. - М.: ООО «Недра - Бизнесцентр», 2000. - 279 с.: ил.]:

- по мере снижения давления в пласте возрастает начальное насыщение газа влагой, что, несмотря на снижение объемов подготовки газа, приводит к увеличению общей нагрузки установки по влаге;

- увеличивается вынос из пласта вместе с газом воды и содержащихся в ней солей;

- в составе газового потока после дожимной компрессорной станции появляется унесенное в результате утечек компрессорное масло;

- за счет снижения давления и увеличения температуры газа из-за наличия газоперекачивающих агрегатов перед абсорберами повышается температура осушаемого газа (за счет компримирования), особенно в летний период, ухудшается эффективность самого процесса извлечения влаги гликолем;

- уменьшение давления добываемого газа вызывает увеличение объемов перерабатываемого газа (за счет снижения его плотности), что приводит к возрастанию скоростей в сечении аппаратов выше допустимых, росту гидравлического сопротивления и повышенному уносу гликоля с осушенным газом.

Совокупность этих факторов ведет к серьезному загрязнению оборудования ТЛОГ, и в результате этого повышается:

- унос газом реагента, используемого для его осушки;

- перепад давления газа на фильтрующей секции выше допустимого нормативами из-за засорения фильтр-патронов;

- вынос влаги из сепарационной секции в массообменную из-за того, что частично забиваются твердыми частицами сетчатые маты в сепарационной секции абсорберов, составляющих основную часть ТЛОГ и т.д.

Так как снижение эффективности работы оборудования в каждой ТЛОГ происходит не одинаково, распределение нагрузки между ТЛОГ в реальном режиме их работы должно проводиться с учетом фактической работоспособности в данный момент для каждой технологической линии. Поэтому автоматическое распределение нагрузки между ТЛОГ с учетом фактического состояния оборудования в реальном режиме их работы позволяет значительно повысить качество осушаемого газа при минимальных энергетических и материальных затратах и соблюдении всех ограничений на технологические параметры процесса.

На фиг. 1 приведена упрощенная принципиальная технологическая схема ЦОГ в виде 1-ой и i-ой нитки ТЛОГ, где i=1, 2, …, n (для ЯНГКМ n=9), а на фиг. 2 структурная схема автоматического управления распределением нагрузки между эксплуатируемыми ТЛОГ на УКПГ.

На фиг. 1 использованы следующие обозначения:

1 - коллектор сырого газа;

2_i - входной кран i-ой ТЛОГ, где i - номер ТЛОГ;

3_i- входной газопровод i-ой ТЛОГ;

4_i - абсорбер i-ой ТЛОГ;

5 - АСУ ТП;

6_i - датчики температуры точки росы осушенного газа i-ой ТЛОГ;

7_i - - датчик расхода осушенного газа по i-ой ТЛОГ УКПГ;

8_i - газопровод выхода i-ой ТЛОГ;

9_i - КР расхода газа i-ой ТЛОГ;

10 - коллектор осушенного газа УКПГ.

Для простоты иллюстрации на фиг. 1 показаны связи датчиков, входных кранов и КР с АСУ ТП только для 1-ой ТЛОГ.

На фиг. 2 использованы следующие обозначения:

11 - сигнал фактического расхода осушенного газа по УКПГ, поступающий из АСУ ТП, которая определяет его значение путем сложения показаний датчиков 9_i (по проекту УКПГ для каждой линии используется отдельный датчик);

12 - сигнал задания плана подготовки газа по УКПГ, поступающий из АСУ ТП, в соответствии с суточным планом добычи газа по УКПГ, задаваемым диспетчером нефтегазодобывающего предприятия;

13_i - сигнал фактической температуры точки росы T_рос.i, измеряемой датчиком 6_i в i-ой ТЛОГ;

14 - сигнал задания значения температуры точки росы T_{рос.зад} осушенного газа, назначаемый согласно требованиям ОСТ 51.40-93;

15_i - ПИД-регулятор поддержания расхода газа по i-ой ТЛОГ;

16_i - блок коррекции расхода осушенного газа i-ой ТЛОГ;

17_i - сигнал управления, подаваемый на КР 8_i.

Способ автоматического распределения нагрузки между ТЛОГ на УКПГ, расположенных на Севере РФ реализуют следующим образом.

Из коллектора сырого газа 1 УКПГ через входной кран 2_i, установленный на входном газопроводе 3_i i-ой ТЛОГ, добытый газ поступает в ее абсорбер 4_i, где из него выделяется капельная жидкость и механические примеси. Выделившаяся из сырого газа жидкость представляет собой водный раствор ингибитора (ВРИ), который из кубовой (нижней) части абсорбера 4_i через линию отвода ВРИ, направляется либо на регенерацию, либо на утилизацию. Газ из сепарационной части абсорбера 4_i через его полуглухую тарелку поступает в его абсорбционную секцию. Навстречу потоку газа подается раствор регенерированного ДЭГ (РДЭГ) концентрацией 98,5-98,7%. На контактных тарелках абсорбера 4_i происходит барботажный массообмен между встречными потоками осушаемого газа и РДЭГ - влага удаляется из газа за счет абсорбции, а ДЭГ насыщается влагой. Насыщенный ДЭГ (НДЭГ) поступает на регенерацию в цех регенерации ДЭГ.

Количество РДЭГ, подаваемого в i-ую ТЛОГ, зависит от расхода газа через ТЛОГ, его влагосодержания и концентрации РДЭГ [см., например, стр. 111, Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. - М.: Недра, 1986. - 261 с.], и регулируется КР_i, установленным на линии подачи РДЭГ средствами АСУ ТП УКПГ (для простоты изложения текста на фиг. 1 КР не показан).

Поддержание концентрации РДЭГ и его температуры в пределах заданных границ, предусмотренных технологическим регламентом УКПГ, обеспечивается при его регенерации в цехе регенерации ДЭГ установки.

С выхода абсорбера 4_i очищенный и осушенный газ через выходной газопровод 8_i ТЛОГ, оснащенный датчиком температуры точки росы 6_i и датчиком расхода осушенного газа 7_i, через ее КР 9_i отводится в коллектор осушенного газа 10 УКПГ.

Поддержание планового объема подготовки газа по УКПГ, с учетом состояния оборудования каждой ТЛОГ и флуктуаций параметров поступающего в нее добытого сырья, достигается автоматическим распределением потока добываемого газа между линиями благодаря одновременному управлению всеми КР 9_i с помощью индивидуальных ПИД-регуляторов 15_i, реализованных на базе АСУ ТП 5 УКПГ.

Для этого к моменту запуска ЦОГ в эксплуатацию осуществляют настройку коэффициентов ПИД-регуляторов ТЛОГ согласно общеизвестным методам, изложенным, например, в «Энциклопедии АСУ ТП», п. 5.5, ПИД-регулятор, ресурс: http://www.bookasutp.ru/Chapter5_5.aspx#HandTuning. Настройка производится в зависимости от состояния оборудования соответствующей ТЛОГ и данных лабораторных исследований добываемого газа.

Для поддержания общей производительности УКПГ одновременно на вход задания SP каждого ПИД-регулятора 15_i подается единый сигнал 12 - план подготовки газа по УКПГ, которой поступает из АСУ ТП на основе задания диспетчерской службы предприятия по выполнению плана добычи газа. Одновременно, на вход обратной связи PV каждого ПИД-регулятора 15_i подается сигнал 11 фактического расхода осушенного газа по УКПГ, поступающий из АСУ ТП, значение которого определяется путем сложения показания датчиков 7_i.

В результате заданный объем добычи газа по УКПГ будут поддерживать одновременно все ТЛОГ, управляемые их индивидуальными ПИД-регуляторами 15_i с помощью КР 9_i, установленных на выходном газопроводе каждой i-ой ТЛОГ.

Для учета влияния изменений состояния оборудования по каждой ТЛОГ и случайных флуктуаций параметров добываемого сырья в режиме реального времени производится перераспределение нагрузки в соответствии с возможностями каждой ТЛОГ по осушке газа. Для этого АСУ ТП 5 УКПГ непрерывно с помощью датчиков 6_i контролирует фактическую температуру T_рос.i точки росы газа на выходе каждой i-ой ТЛОГ. Одновременно индивидуальными блоками коррекции 16_i расхода осушенного газа по каждой i-ой ТЛОГ, также реализованными на базе АСУ ТП 5, она отслеживает соблюдения условия:

путем сравнения сигнала 13_i - фактической температуры точки росы T_рос.i, поступающей на вход I₂ с сигналом задания 14 - значения уставки температуры точки росы T_{рос.зад} осушенного газа, поступающей на вход I₃ блока коррекции 16_i.

Если это условие соблюдается, сигнал управления с выхода CV ПИД-регулятора 15_i, поступающий на вход I₁ блока коррекции 16_i расхода осушенного газа i-ой ТЛОГ, проходит его без изменения и как сигнал управления 17_i, поступает на КР 9_i.

Если условие (1) не выполняется, то это означает, что количество подаваемого РДЭГ в i-ую ТЛОГ достигло своего максимального предела и она уже не может поддерживать задданную температуру точки росы T_{рос.зад} осушенного газа. Очевидно, что в этом случае для обеспечения заданной температуры точки росы осушаемого газа необходимо снизить расхода газа по этой i-ой ТЛОГ. Для этого АСУ ТП переводит i-ую ТЛОГ под управление блока коррекции 16_i расхода осушенного газа. Начиная с этого момента блок коррекции 16_i расхода осушенного газа i-ой ТЛОГ с заданной дискретностью по времени и уровнем квантования по величине производит пошаговое прикрытие КР 9_i с текущего на момент поступления команды состояния. В результате происходит пошаговое снижение расхода газа по i-ой ТЛОГ. После каждого шага прикрытия КР 9_i блоком коррекции 16_i расхода осушенного газа по i-ой ТЛОГ АСУ ТП проверяет соблюдение условия (1) выждав заданный интервал времени, длительность которого определяется временем окончания переходных процессов в этой ТЛОГ. И если АСУ ТП обнаружит, что условие (1) снова выполняется, то она подключает ПИД-регулятор 15_i к управлению КР 9_i.

Несмотря на снижение расхода осушенного газа по i-ой ТЛОГ, где было обнаружено нарушения условия (1), задание уровня добычи газа по УКПГ не нарушается, так как выпадающий объем подготовки газа по i-ой ТЛОГ автоматически компенсируется остальными ПИД-регуляторами с помощью их ТЛОГ.

Возможна ситуация, когда АСУ ТП, производя пошаговое прикрытие КР 9_i, где было нарушено условие T_рос.i≤T_{рос.зад}, доведет производительность этой i-ой ТЛОГ до минимально допустимого значения расхода газа Возможна и другая ситуация, когда все ТЛОГ по расходу газа дойдут до своих максимально допустимых значений . В обоих этих случаях АСУ ТП сразу формирует сообщение обслуживающему персоналу УКПГ для принятия решения по изменению режима работы УКПГ.

При поступлении от диспетчера нефтегазодобывающего предприятия задания об увеличении плана подготовки газа по УКПГ, АСУ ТП оценивает возможность выполнения поставленной задачи с учетом состояния каждой ТЛОГ. Если состояния ТЛОГ позволяют выполнить это задание, АСУ ТП изменяет соответствующим образом значение сигнала задания, поступающего на вход SV ПИД-регуляторов 15. В результате все ПИД-регуляторы функционирующих ТЛОГ переходят в режим поддержки выполнения данного задания. Если АСУ ТП выявит невозможность выполнения поступившего задания, то сразу формирует соответствующее сообщение обслуживающему персоналу УКПГ. Благодаря этому у диспетчерской службы нефтегазодобывающего предприятия появляется возможность оперативно реагировать на возникшую ситуацию и своевременно принять решение о распределении нагрузки между другими газовыми промыслами, которые по состоянию их ТЛОГ на их УКПГ позволяют выполнить поставленную газодобывающему предприятию задачу по увеличению уровню объема подготовки газа к дальнему транспорту.

Способ автоматического распределения нагрузки между ТЛОГ на УКПГ, расположенных на Севере РФ, реализован в ПАО «Газпром» ООО «Газпром добыча Ямбург» на Заполярном газоконденсатном месторождении на сеноманских УКПГ 1С, УКПГ 2С и УКПГ 2С. Результаты эксплуатации показали его высокую эффективность. Заявляемое изобретение может широко использоваться и на других действующих и вновь осваиваемых газоконденсатных месторождениях РФ.

Применение данного способа позволяет в автоматическом режиме оперативно распределять нагрузку между ТЛОГ, обеспечивая тем самым заданную степень осушки газа при минимальных энергетических и материальных затратах и соблюдении всех ограничений на технологические параметры процесса.