Способ автоматического управления технологическим процессом подачи газового конденсата в магистральный конденсатопровод
Владельцы патента RU 2647288:
Общество с ограниченной ответственностью "Газпром добыча Ямбург" (RU)
Изобретение относится к области добычи и подготовки газового конденсата к дальнему транспорту, в частности к автоматическому управлению насосными агрегатами, обеспечивающими подачу конденсата в магистральный конденсатопровод (МКП). Управление производительностью параллельно работающих насосных агрегатов осуществляется путем изменения частоты питающего трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель каждого агрегата от его частотного преобразователя. Задание на изменение частоты частотному преобразователю выдается индивидуальным пропорционально-интегрально-дифференцирующим регулятором, включенным в состав автоматической системы управления технологическими процессами установки комплексной подготовки газа. Распределение нагрузки осуществляется в зависимости от величины тока в цепи питания электродвигателей агрегатов путем изменения задания скорости их вращения частотно регулируемым приводом. Изобретение направлено на поддержание заданного расхода перекачиваемого газового конденсата в МКП с высокой надежностью и минимальными энергозатратами путем автоматического распределения нагрузки между параллельно соединенными насосными агрегатами. 1 ил.
Изобретение относится к области добычи и подготовки газового конденсата к дальнему транспорту, в частности к автоматическому управлению насосными агрегатами для подкачки жидкости, обеспечивающими подачу газового конденсата в магистральный конденсатопровод (МКП).
Известен способ регулирования производительности центробежного насоса путем перепуска части перекачиваемой жидкости с выхода насоса на его вход через байпасную линию с регулирующей задвижкой и всасывающей задвижкой на входном трубопроводе насоса до байпасной линии. Регулирование производительности производят одновременным открытием байпасной и закрытием всасывающей задвижек и поддерживают постоянным суммарный расход перекачиваемой жидкости в байпасной и выходной линиях или номинальную мощность, потребляемую электродвигателем, вращающим насос [патент РФ №2277645].
Недостатком указанного способа является потеря энергии, затрачиваемая на сообщение неиспользуемого напора перепускаемому количеству жидкости и низкой надежности, так как при отказе насоса прекращается подача жидкости в МКП, что, в конечном счете, делает нецелесообразным его применение в системе автоматического управления технологическим процессом подачи газового конденсата в МКП.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ управления параллельно работающими двумя насосными агрегатами [патент SU №1557354], насос каждого из которых связан с напорным и всасывающим трубопроводами посредством прямых трубопроводов, соединенных с байпасами, и приводится в движение асинхронными двигателями. С целью улучшения энергетических показателей путем уменьшения потребления реактивной энергии асинхронными двигателями, контролируют момент нагрузки каждого из указанных двигателей. В случае недогрузки одного из них открывают задвижку байпаса полностью загруженного двигателя, при этом контролируют ток недогруженного двигателя, и при достижении током номинального значения прекращают открытие задвижки байпаса полностью нагруженного двигателя.
Существенным недостатком данного способа является то, что в нем используются байпасные линии для распределения нагрузки между насосными агрегатами. А это ведет к потере энергии, затрачиваемой на циркуляцию жидкости в системе. Наличие в системе только двух насосных агрегатов снижает надежность подачи жидкости в МКП, т.к. при отказе одного насосного агрегата вся нагрузка падает на второй насосный агрегат, в результате чего система начинает работать на границе своей надежности.
Также не предусмотрен автоматический режим распределения нагрузки между насосными агрегатами, что в ряде случаев может привести к выходу из строя одного из насосных агрегатов в результате его перегрузки.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является поддержание заданного расхода перекачиваемого газового конденсата в МКП с высокой надежностью и минимальными энергозатратами путем автоматического распределения нагрузки между двумя и более параллельно соединенными насосными агрегатами (количество насосных агрегатов зависит от производительности установки комплексной подготовки газового конденсата). Распределение нагрузки осуществляется в зависимости от величины тока в цепи питания электродвигателей насосных агрегатов путем изменения задания скорости их вращения частотно регулируемым приводом.
Техническими результатами, достигаемыми от реализации изобретения, являются:
- автоматическое распределение нагрузки между параллельно работающими насосными агрегатами в зависимости от значения тока в цепях питания электродвигателей;
- автоматическое поддержание заданного расхода газового конденсата в МКП с минимальными энергозатратами;
- повышение надежности процесса подачи газового конденсата в МКП за счет оперативного перераспределения нагрузки между работающими агрегатами в случае выхода из строя одного из насосных агрегатов;
- возможность автоматического включения резервного насосного агрегата при необходимости повышения расхода газового конденсата, подаваемого в МКП;
- возможность автоматического отключения одного из работающих насосных агрегатов, в случае их избыточной производительности по сравнению с заданием на подачу газового конденсата в МКП.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ предусматривает автоматическое управление производительностью всех параллельно работающих насосных агрегатов. Насос каждого насосного агрегата связан патрубками с всасывающим трубопроводом, а их напорные трубопроводы входят в коллектор МКП. При этом общий коллектор, к которому подключены насосы, оснащен датчиком фактического расхода газового конденсата. С целью оперативного управления электродвигатель каждого насосного агрегата подключен к индивидуальному преобразователю частоты и оснащен датчиком потребляемого им тока в силовой цепи.
Управление производительностью параллельно работающих насосов осуществляют путем изменения частоты питающего трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель каждого насосного агрегата от его частотного преобразователя. Задание на изменение частоты частотному преобразователю выдается индивидуальным пропорционально-интегрально-дифференцирующим (ПИД) регулятором, реализованным на базе автоматической системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) установки комплексной подготовки газа (УКПГ). АСУ ТП подает на вход задания SP каждого ПИД-регулятора плановое значение расхода газового конденсата в МКП, которое задается оператором по указанию центральной диспетчерской службы. В процессе функционирования системы на вход обратной связи PV всех ПИД-регуляторов подают сигнал с датчика расхода газового конденсата, установленного на коллекторе МКП. Используя эти данные, для каждого ПИД-регулятора определяется величина коэффициента пропорциональности , который необходим для выдачи задания частотному преобразователю конкретного насосного агрегата. Величина коэффициента пропорциональности 
задается значением тока в управляемом ПИД-регулятором двигателе по следующей функциональной зависимости:
,
которая в развернутом виде описывается соотношением:
,
и ее используют с учетом следующих условий:
если 
, то 
,
если 
, то 
,
где Аэд - значение тока, регистрируемое датчиком тока в цепи электродвигателя насосного агрегата;
,
- значения уставок номинального и максимально тока в цепи электродвигателя каждого насосного агрегата, величины которых определяются исходя из паспортных данных электродвигателя;
, 
- значения уставок минимальной и максимальной величины коэффициента пропорциональности каждого ПИД-регулятора, которые настраивают на режим поддержания стабильной подачи конденсата в МКП при минимальном и, соответственно, максимальном значениях расхода газового конденсата в МКП.
Система построена так, что при запуске, для повышения надежности ее функционирования, в работу одновременно запускается два насосных агрегата. Если усредненные значения тока электродвигателей этих двух насосных агрегатов достигли своих значений 
, то АСУ ТП вводит в эксплуатацию третий насосный агрегат. Если усредненные значения тока электродвигателей этих трех насосных агрегатов достигли своих значений , то АСУ ТП вводит в эксплуатацию следующий насосный агрегат и так далее (количество насосных агрегатов зависит от производительности УКПГ). И наоборот, если усредненные значения тока одного из электродвигателей насосных агрегатов опустились ниже своего значения 
, то АСУ ТП выводит из эксплуатации в резерв этот насосный агрегат. Если усредненные значения тока электродвигателей одного из оставшихся насосных агрегатов опустились ниже своего значения , то АСУ ТП выводит из эксплуатации в резерв этот насосный агрегат и так далее до тех пор, пока в системе не будут функционировать одновременно два насосных агрегата.
Задействованные в управлении насосами интегральные и дифференциальные коэффициенты, а также зоны нечувствительности ПИД-регуляторов каждого насосного агрегата оператор УКПГ настраивает в момент запуска системы.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показана укрупненная структурная схема автоматического управления параллельно работающими насосными агрегатами, подающими газовый конденсат в МКП. На схеме использованы следующие обозначения:
1 - буферная емкость;
2.1, …, 2.а - насосные агрегаты, где а - количество насосных агрегатов;
3 - датчик расхода газового конденсата в МКП;
4.1, …, 4.b - датчики тока, где b - количество датчиков;
5.1, …, 5.с - частотные преобразователи (ЧП), где с - количество частотных преобразователей;
6.1, …, 6.d - ПИД регуляторы, где d - количество ПИД регуляторов;
7 - вход для ввода значения планового задания расхода газового конденсата в МКП;
8.1, …, 8.е - блоки расчета коэффициента пропорциональности, где е - количество указанных блоков;
9.1, …, 9.f - входы для ввода значения уставок 
, 
- номинального и максимального тока в цепи электродвигателя насосного агрегата, где f - количество входов указанного типа;
10.1, …, 10.g - входы для ввода оперативным персоналом значения уставок 
, 
- минимального и максимального значения коэффициента пропорциональности для ПИД регулятора 6.1, …, 6.d, где g - количество входов данного типа;
11 - МКП;
12 - всасывающие трубопроводы;
13 - напорные трубопроводы;
14 - линия электропитания ЧП.
15 - АСУ ТП.
Способ регулирования режима подачи газового конденсата в МКП реализуют следующим образом.
Автоматическое управление производительностью параллельно работающих насосных агрегатов с распределением нагрузки между ними осуществляется на основе показаний датчика 3 фактического расхода газового конденсата, установленного на входе в МКП 11, к которому через напорные трубопроводы 13 подключены насосные агрегаты 2.1, …,2.а, соединенные с буферной емкостью 1 посредством всасывающих трубопроводов 12. Синхронный с ним контроль нагрузки насосных агрегатов осуществляется по значению тока в их электродвигателях, которое регистрируют датчики тока 4.1, …, 4.b. Одновременно, с этих датчиков подается сигнал на третий вход соответствующих блоков расчета коэффициента пропорциональности 8.1, …, 8.е для ПИД-регулятора конкретного насоса. На первые входы 9.1, …, 9.f блоков расчета коэффициента пропорциональности 8.1, …, 8.е подают значения уставок 
, 
- значения номинального и максимального тока в цепи электродвигателя насосного агрегата, а на вторые входы 10.1, …,10.g этого же блока - значения уставок 
, 
- минимального и максимального значения коэффициента пропорциональности ПИД-регуляторов 6.1, …, 6.d. Эта информация вводится оперативным персоналом в раздел нормативно-справочная информация базы данных АСУ ТП УКПГ и оттуда поступает на указанные входы.
ПИД-регуляторы 6.1, …,6.d и блоки расчета коэффициента пропорциональности 8.1, …, 8.е реализованы на базе АСУ ТП УКПГ.
Очевидно, что нагрузка на насосный агрегат соответствует току в цепи его электродвигателя. Для автоматического поддержания заданной производительности группой параллельно включенных насосных агрегатов с распределением нагрузки между ними, управляют мощностью, развиваемой их электродвигателями, в пределах установленных ограничений по значению тока в цепи каждого из них исходя из паспортных значений. Для этого одновременно производят регулирование тока всех электродвигателей насосных агрегатов 2.1, …, 2.а с помощью их индивидуальных ПИД-регуляторов 6.1, …, 6.d, выдающих управляющие сигналы на советующие частотные преобразователи 5.1, …, 5с, подключенные к силовой цепи электропитания 14. Этот процесс происходит следующим образом: через вход 7 на входы SP каждого ПИД-регулятора 6.1, …, 6.d подается одно для всех значение уставки планового расхода конденсата в МКП 
, поступающее от вышестоящей системы управления. На входы обратных связей PV, каждого ПИД регулятора 6.1, …, 6.d, подается одно для всех значение 
, поступающее с датчика 3 фактического расхода газового конденсата, установленного на входе в МКП.
Для поддержания необходимого значения расхода и исключения перегрузки одного или нескольких насосных агрегатов 2.1, …, 2.a, нагрузка между ними перераспределяется. Поскольку нагрузка на насосный агрегат пропорциональна значению тока, протекающему в электродвигателях, перераспределение нагрузки осуществляется следующим образом: непрерывно производят расчет величины коэффициента пропорциональности 
для каждого ПИД-регулятора 6.1, …, 6.d в блоках 8.1, …, 8.e, используя следующий алгоритм, задаваемый функциональной зависимостью:
,
которую определяют из соотношения:
,
учитывая следующие условия:
если 
то 
,
если 
то 
,
где Аэд - значение тока, регистрируемое датчиком тока 4.1, …, 4.с в цепи электродвигателя советующего насосного агрегата 2.1, …,2.a;
, 
- значения уставок номинального и максимального тока в цепи электродвигателя насосного агрегата 2.1, …, 2.а, величины которых определяют исходя из паспортных данных, и задают на входах блоков 9.1, …, 9.f, в момент настройки системы обслуживающим персоналом;
, 
- уставки минимального и максимального значения коэффициента пропорциональности ПИД регулятора 6.1, …, 6.d.
Эти уставки (
и 
) настраивают на режим поддержания стабильной подачи конденсата в МКП при минимальном и, соответственно, максимальном значении расхода газового конденсата для данного МКП. Настройку проводят согласно методу, изложенному, например, в «Энциклопедии АСУ ТП», п. 5.5, ПИД-регулятор, ресурс http://www.bookasutp.ru/Chapter5_5.aspx#HandTuning.
Величины этих уставок задаются оператором УКПГ на входах 10.1, …, 10.g. Точно так же для каждого ПИД-регулятора 6.1, …, 6.d определяют интегральные и дифференциальные коэффициенты, а также зоны нечувствительности, которые настраивают согласно методу, приведенному в указанном интернет-источнике.
Чем выше величина токов в цепях электродвигателей насосных агрегатов, данные о которых поступают с датчиков тока 4.1, …, 4.с на входы блоков 8.1, …, 8.е, тем меньше будет определяемое значение коэффициента пропорциональности 
на выходе с этих блоков, которое подается в соответствующие ПИД-регуляторы 6.1, …, 6.d. Соответственно меньше будет и реакция ПИД-регуляторов на возмущение в контуре регулирования, т.е. сигнал с выходов CV на частотные преобразователи ЧП 5.1, …, 5с, управляющие электродвигателями насосов 2.1, …, 2.a, практически не будет изменяться.
С уменьшением тока в цепи электродвигателей насосных агрегатов 2.1, …, 2.a коэффициенты пропорциональности 
увеличиваются, соответственно, увеличивается воздействие на насосные агрегаты 2.1, …, 2.a. В результате этого происходит распределение нагрузки по току между электродвигателями насосных агрегатов 2.1, …, 2.a, в рамках границ паспортных значений тока электродвигателя. В результате, заданный планом расход газового конденсата будут поддерживать одновременно все насосные агрегаты 2.1, …, 2.a, управляемые ПИД-регуляторами 6.1, …, 6.d, имеющими одинаковое для всех плановое задание по расходу газового конденсата на их входах 7 и сигнал обратной связи с датчика 3 фактического расхода газового конденсата в МКП.
Благодаря предложенному способу появляется возможность использования номинального числа насосных агрегатов для подачи заданного объема газового конденсата в МКП. Решение этой задачи обеспечивается следующим образом:
- если усредненные значения тока электродвигателей насосных агрегатов достигли значений 
, то АСУ ТП вводит в эксплуатацию резервный насосный агрегат;
- если усредненные значения тока электродвигателей насосных агрегатов упали ниже значений , то АСУ ТП выводит из эксплуатации в резерв один насосный агрегат.
Способ регулирования режима подачи газового конденсата в магистральный трубопровод реализован в ПАО «Газпром» ООО «Газпром добыча Ямбург» на Заполярном газоконденсатном месторождении на УКПГ 1В и УКПГ 2В. Результаты эксплуатации показали его высокую эффективность. Заявляемое изобретение может широко использоваться и на других действующих и вновь осваиваемых газоконденсатных месторождениях РФ.
Предложенный способ позволяет:
- значительно повысить надежность подачи газового конденсата в МКП, так как при параллельной работе насосных агрегатов, даже при выходе из строя одного или нескольких насосных агрегатов (в зависимости от их количества), подача газового конденсата в МКП не прекращается, а только уменьшается на время выхода резервного насосного агрегата на рабочий режим.
- автоматически распределять нагрузки между насосными агрегатами, исключая выход из строя насосного агрегата в результате его перегрузки, в том числе и при возникновении «человеческого фактора»;
- снизить энергопотребление насосных агрегатов на подачу газового конденсата в МКП, благодаря исключению байпасирования в системе;
- использовать оптимальное число насосных агрегатов, для выполнения планового задания по подаче газового конденсата в МКП.
Способ автоматического управления технологическим процессом подачи газового конденсата в магистральный конденсатопровод МКП, включающий управление производительностью параллельно работающих насосных агрегатов, насос каждого из которых связан патрубками с всасывающим трубопроводом, а их напорные трубопроводы входят в коллектор МКП, отличающийся тем, что общий коллектор, к которому подключены насосы, оснащают датчиком расхода газового конденсата, а электродвигатель каждого насосного агрегата подключают к индивидуальному преобразователю частоты и оснащают датчиком тока в силовой цепи, а управление производительностью параллельно работающих насосов осуществляют путем изменения частоты питающего трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель каждого насосного агрегата от его частотного преобразователя, задание на изменение частоты которому выдает индивидуальный пропорционально-интегрально-дифференцирующий ПИД регулятор, включенный в состав автоматической системы управления технологическими процессами АСУ ТП установки комплексной подготовки газа УКПГ, которая подает на вход задания SP каждого ПИД-регулятора плановое значение расхода конденсата в МКП, задаваемое оператором, а на вход обратной связи PV всех ПИД-регуляторов подают сигнал с датчика расхода газового конденсата, установленного на коллекторе МКП, при этом величина коэффициента пропорциональности Кп_эд для каждого ПИД-регулятора задается значением тока в управляемом им двигателе по следующей функциональной зависимости:
которая в развернутом виде описывается соотношением:
и ее используют с учетом следующих условий:
если Кп_эд<Кп_мин_эд, то Кп_эд=Кп_мин_эд,
если Кп_эд>Кп_макс_эд, то Кп_эд=Кп_макс_эд,
где Аэд - значение тока, регистрируемое датчиком тока в цепи электродвигателя насосного агрегата;
Аном_эд, Амакс_эд - значения уставок номинального и максимально тока в цепи электродвигателя каждого насосного агрегата, величины которых определяются исходя из паспортных данных электродвигателя;
Кп_мин_эд, Кп_макс_эд - значения уставок минимальной и максимальной величины коэффициента пропорциональности Кп_эд каждого ПИД-регулятора, которые настраивают на режим поддержания стабильной подачи конденсата в МКП при минимальном и, соответственно, максимальном значениях расхода газового конденсата в МКП,
а задействованные в управлении интегральные и дифференциальные коэффициенты, а также зоны нечувствительности ПИД-регуляторов оператор УКПГ настраивает в момент запуска системы в эксплуатацию, причем система построена так, что при запуске для повышения надежности ее функционирования в работу одновременно запускается два насосных агрегата, если усредненные значения тока одного из электродвигателей этих двух насосных агрегатов достигли своего значения Амакс_эд, то АСУ ТП вводит в эксплуатацию третий насосный агрегат, если усредненные значения тока одного из электродвигателей этих трех насосных агрегатов достигли значения Амакс_эд, то АСУ ТП вводит в эксплуатацию следующий насосный агрегат и так далее, и наоборот, если усредненные значения тока одного из электродвигателей насосных агрегатов упали ниже своего значения Аном_эд, то АСУ ТП выводит из эксплуатации в резерв этот насосный агрегат, если усредненные значения тока одного из электродвигателей отставших насосных агрегатов упали ниже своего значения Аном_эд, то АСУ ТП выводит из эксплуатации в резерв этот насосный агрегат и так далее до тех пор, пока в системе не будут функционировать одновременно два насосных агрегата, причем количество насосных агрегатов зависит от производительности установки комплексной подготовки газа.
