Способ автоматического поддержания температурного режима технологических процессов установки низкотемпературной сепарации газа турбодетандерными агрегатами в условиях севера рф
Владельцы патента RU 2756966:
Общество с ограниченной ответственностью "Газпром добыча Ямбург" (RU)
Изобретение относится к области добычи и подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту, в частности к автоматическому поддержанию температурного режима технологических процессов установки низкотемпературной сепарации газа в период, когда охлаждение добываемого газа осуществляют турбодетандерными агрегатами в условиях Севера РФ. Способ включает предварительную очистку добытой газожидкостной смеси от механических примесей, отделение смеси нестабильного газового конденсата (НТК) и водного раствора ингибитора (ВРИ) в сепараторе первой ступени редуцирования. Частично очищенную добытую смесь с выхода сепаратора первой ступени редуцирования направляют через клапан-регулятор (КР) расхода добытой газоконденсатной смеси и разделяют на два потока, которые подают для предварительного охлаждения на вход первых секций рекуперативных теплообменников - далее ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат». Оба потока, после выхода их из первых секций ТО, объединяют и подают на вход турбины ТДА, оснащенного датчиком скорости вращения ротора. Далее охлажденную добытую газожидкостную смесь подают в низкотемпературный сепаратор газа, оснащенный датчиком температуры, в котором она окончательно разделяется на осушенный холодный газ и смесь НТК и ВРИ. Холодный осушенный газ, выходящий из низкотемпературного сепаратора, разделяют на два потока. Один из них подают на вход второй секции ТО «газ-газ», а второй на байпас этой секции, оснащенный КР расхода газа, который изменяет соотношение расхода этих потоков охлажденного газа. Далее эти потоки газа объединяют и подают на вход компрессора ТДА. Смесь НТК и ВРИ из нижней части низкотемпературного сепаратора подают на вход второй секции ТО «газ-конденсат» и далее - в РЖ, из которого выделенный НТК направляют в МКП, ВРИ на регенерацию, а поток выделенного газа - газ выветривания из РЖ транспортируют для утилизации или компримируют и подают в магистральный газопровод (МГП). Автоматическое поддержание температуры в низкотемпературном сепараторе осуществляют с помощью пропорционально-интегрально-дифференцирующих регуляторов (ПИД-регуляторов). Для получения заданной температуры Т в низкотемпературном сепараторе АСУ ТП подает единое значение сигнала ее уставки на вход задания SP ПИД-регуляторов, управляющих режимом работы ТО «газ-газ», ТО «газ-конденсат» и ПИД-регулятора, определяющего уставку необходимой скорости вращения ротора ТДА, которую требуется поддерживать. Одновременно АСУ ТП подает на вход обратной связи PV этих же ПИД-регуляторов сигнал значения фактической температуры Т с датчика температуры в низкотемпературном сепараторе. Также АСУ ТП задает порядок включения/выключения этих трех ПИД-регуляторов. ПИД-регулятор, формирующий сигнал уставки скорости вращения ротора ТДА, подает его со своего выхода CV на вход задания SP ПИД-регулятора, непосредственно управляющего скоростью вращения ротора ТДА. Заявляемый способ позволяет максимально использовать производимый на установке холод для автоматического поддержания температурного режима в низкотемпературном сепараторе с соблюдением технологических норм и ограничений, предусмотренных ее технологическим регламентом. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области добычи и подготовки газа и газового конденсата к дальнему транспорту, в частности, к автоматическому поддержанию температурного режима технологических процессов установки низкотемпературной сепарации газа (далее - установка) турбодетандорными агрегатами (ТДА) условиях Севера РФ.
Известен способ автоматизации установки низкотемпературной сепарации газа [см., например, стр. 112, Б.Ф. Тараненко, В.Т. Герман. Автоматическое управление газопромысловыми объектами. М., "Недра", 1976 г., 213 с.], который обеспечивает автоматическое поддержание заданного значения температуры сепарации на установке при помощи поддержания необходимого перепада давления на штуцере-регуляторе, установленном на входе в низкотемпературный сепаратор, путем коррекции давления на выходе первой ступени редуцирования установки.
Недостатком указанного способа является то, что поддержание температурного режима на установке осуществляется путем регулирования перепада давления на редуцирующем клапане-регуляторе, установленном на входе в низкотемпературный сепаратор установки. Это в свою очередь, накладывает ограничения на входное давление и расход газа установки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ автоматического поддержания температурного режима технологических процессов с применением ТДА на установке в условиях Крайнего Севера [см. Патент РФ №2680532 С1], который включает в себя предварительную очистку добытой газожидкостной смеси от механических примесей, отделение нестабильного газового конденсата (НТК) и водного раствора ингибитора (ВРИ) в сепараторе первой ступени редуцирования, охлаждение ее путем адиабатического расширения в ТДА и разделение ее на газ и НТК в низкотемпературном сепараторе второй ступени, после чего НТК и ВРИ отводятся в разделитель жидкостей (РЖ) для дегазации, и далее НТК из разделителя жидкостей подается насосом в магистральный конденсатопровод (МКП), поток выделенного газа - газ выветривания, из разделителя жидкости транспортируется для утилизации или компримируется и подается в магистральный газопровод (МГП), а ВРИ - в цех регенерации ингибитора.
Газожидкостную смесь с выхода сепаратора первой ступени редуцирования разделяют на два потока и подают для предварительного охлаждения через трубопровод на вход первой секции рекуперативного теплообменника (далее ТО) «газ-газ» и на вход первой секции ТО «газ-конденсат» через клапан регулятор (КР) расхода газожидкостной смеси, который, регулируя расход этой газожидкостной смеси, обеспечивает поддержание заданной температуры НТК на выходе второй секции ТО «газ-конденсат», а потоки газожидкостной смеси с выходов первых секций этих ТО объединяются и подаются на вход турбины ТДА, оснащенного датчиком скорости вращения ротора. После прохождения ТДА газожидкостная смесь расширяется, и ее температура понижается до значений, близких к предусмотренным технологическим режимом установки благодаря соответствующей непрерывной корректировке в реальном масштабе времени скорости вращения ротора ТДА. Далее охлажденная газожидкостная смесь поступает в низкотемпературный сепаратор газа, оснащенный датчиком температуры, в котором она окончательно разделяется на осушенный холодный газ и смесь НТК и ВРИ. Охлажденную смесь НТК и ВРИ подают на вход второй секции ТО «газ-конденсат» и далее, в РЖ, из которого с помощью насосного агрегата НТК направляют в МКП. Холодный газ из низкотемпературного сепаратора разделяют на два потока, один из которых подают на вход второй секции ТО «газ-газ», а второй на байпас этой секции, оснащенный КР расхода газа, который изменяет соотношение потоков охлажденного газа через вторую секцию ТО. Эти потоки газа, выходящие из второй секции ТО «газ-газ» и байпаса, объединяют и подают в компрессор ТДА, где газ дожимают до рабочего давления и далее подают в МГП.
Автоматическое поддержание температуры в низкотемпературном сепараторе осуществляют с помощью каскада пропорционально-интегрально-дифференцирующих регуляторов (ПИД-регуляторов). Для поддержания температуры осушенного газа и НТК, подаваемых в МГП и МКП, используют ПИД-регуляторы поддержания температуры в МГП и МКП, соответственно. Все ПИД-регуляторы реализованы на базе автоматизированной системой управления (АСУ ТП) установки.
Существенным недостатком указанного способа является то, что в нем не используется по максимуму производимый холод на установке для автоматического поддержания температурного режима в низкотемпературном сепараторе и низкая эффективность применения ТДА на установке.
Целью настоящего изобретения является максимальное использование производимого холода на установке для автоматического поддержания температурного режима в низкотемпературном сепараторе и повышение эффективности применения ТДА на установке.
Техническими результатами, достигаемыми от реализации изобретения, является максимальное использование производимого холода на установке для автоматического поддержания температурного режима в низкотемпературном сепараторе и повышения эффективности применения ТДА на установки с соблюдением технологических норм и ограничений, предусмотренных ее технологическим регламентом.
Для получения низких температур в установке используют пластовую энергию природного газа или его искусственное охлаждение. В первом случае температура природного газа понижается в результате адиабатического расширения (дросселирования), во втором - за счет внешних источников холода - аппаратов воздушного охлаждения (АВО), в холодный период года, и ТДА, в теплый период года.
Длительность холодного периода года, т.е. низкая температура окружающей среды в условиях Севера РФ длится с сентября по май месяц. Поэтому, как правило, на стадиях стабильной, падающей и завершающей эксплуатации нефтегазоконденсатных месторождений (НГКМ), при низкой температуре окружающей среды, для охлаждения природного газа на установках, используют технологические схемы с получением холода за счет АВО. Однако, в теплый период года - с мая по октябрь, максимальная температура окружающей среды может доходить до +24 - +35°С (такие случаи отмечаются во второй половине июля - в первой декаде августа) [например, см. стр. 49, Ананенков А.Г. и др. АСУ ТП газопромысловых объектов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. - 343 с.]. В этот период невозможно использование АВО в качестве внешнего источника холода при подготовке природного газа к дальнему транспорту на установке. Поэтому в теплый период года на установке используют ТДА для охлаждения природного газа.
Одной из главных задач при эксплуатации ТДА является повышение эффективности его работы и использования производимого холода на установке для поддержания температуры в ее низкотемпературном сепараторе.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ автоматического поддержания температурного режима технологических процессов установки ТДА условиях Севера РФ, включает предварительную очистку добытой газожидкостной смеси от механических примесей, отделение смеси НТК и ВРИ в сепараторе первой ступени редуцирования, которую, по мере ее накопления в нижней части сепаратора, отводят в РЖ. Частично очищенную добытую смесь с выхода сепаратора первой ступени редуцирования направляют через КР расхода добытой газоконденсатной смеси и разделяют на два потока, которые подают для предварительного охлаждения на вход первых секций рекуперативных теплообменников ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат». Оба потока, после выхода их из первых секций ТО, объединяют и подают на вход турбины ТДА, оснащенного датчиком скорости вращения ротора. Проходя ТДА добытая газожидкостная смесь расширяется и, ее температура понижается до значений, близких к предусмотренным технологическим режимом установки благодаря соответствующей непрерывной корректировке в реальном масштабе времени скорости вращения ротора ТДА. Далее охлажденную добытую газожидкостную смесь подают в низкотемпературный сепаратор газа, оснащенный датчиком температуры, в котором она окончательно разделяется на осушенный холодный газ и смесь НТК и ВРИ. Холодный осушенный газ, выходящий из низкотемпературного сепаратора, разделяют на два потока. Один из них подают на вход второй секции ТО «газ-газ», а второй на байпас этой секции, оснащенный КР расхода газа, который изменяет соотношение расхода этих потоков охлажденного газа. Далее эти потоки газа объединяют и подают на вход компрессора ТДА, который дожимает газ до рабочего давления и с его выхода поступает в МГП.
Смесь НТК и ВРИ из нижней части низкотемпературного сепаратора подают на вход второй секции ТО «газ-конденсат» и далее, в РЖ, из которого выделенный НТК направляют в МКП, ВРИ на регенерацию, а поток выделенного газа - газ выветривания из РЖ транспортируют для утилизации или компримируют и подают в МГП.
Автоматическое поддержание температуры в низкотемпературном сепараторе осуществляют с помощью ПИД-регуляторов, один из которых установлен на входе первой секции ТО «газ-конденсат» и управляет распределением потока добытой газожидкостной смеси между первыми секциями ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат». Второй ПИД-регулятор управляет распределением расхода осушенного газа между второй секцией ТО «газ-газ» и ее байпасом с помощью КР, установленного на байпасе. Третий и четвертый ПИД-регуляторы объединены в каскад и управляют расходом осушенного газа, поступающего в МГП при помощи КР, установленного на выходе компрессора ТДА. Все эти ПИД-регуляторы реализованы на базе АСУ ТП установки.
Для получения заданной температуры Т в низкотемпературном сепараторе АСУ ТП подает единое значение сигнала ее уставки на вход задания SP ПИД-регуляторов, управляющих режимом работы ТО «газ-газ», ТО «газ-конденсат» и ПИД-регулятора, определяющего уставку необходимой скорости вращения ротора ТДА, которую требуется поддерживать. Значение сигнала уставки температуры Т в низкотемпературном сепараторе газа задают в виде соотношения, определяющего допустимый в сепараторе диапазон температур
Тверх≥Т≥Тниж
где Tверх и Tниж - максимальная и минимальная допустимая температура в низкотемпературном сепараторе. Температура Т в низкотемпературном сепараторе газа должна находиться внутри этого диапазона при текущих условиях работы промысла.
Одновременно АСУ ТП подает на вход обратной связи PV этих же ПИД-регуляторов сигнал значения фактической температуры Т с датчика температуры в низкотемпературном сепараторе.
Также АСУ ТП задает порядок включения/выключения этих трех ПИД-регуляторов путем подачи на их вход Start\Stop сигнала логическая «единица» или логический «ноль».
ПИД-регулятор, формирующий сигнал уставки скорости вращения ротора ТДА, подает его со своего выхода CV на вход задания SP ПИД-регулятора, непосредственно управляющего скоростью вращения ротора ТДА. На вход обратной связи PV ПИД-регулятора, управляющего скоростью вращения ротора ТДА, АСУ ТП подает сигнал фактической скорости вращения ротора ТДА с датчика, установленного на нем. В результате этот ПИД-регулятор осуществляет регулирование расхода осушенного газа, проходящего через турбину ТДА, и температура Т удерживается внутри диапазона, заданного ее уставкой.
АСУ ТП при запуске установки в работу выдает команду ПИД-регулятору, управляющему распределением потока добытой газожидкостной смеси между первыми секциями ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат», полностью открыть КР, установленный перед первой секцией ТО «газ-конденсат», и команду ПИД-регулятору, управляющему потоком осушенного газа по байпасу второй секции ТО «газ-газ», закрыть свой КР, исключив поток газа через байпас. Это состояние АСУ ТП фиксирует, подав на их вход Start\Stop сигнал логический «ноль». Одновременно АСУ ТП разрешает работу ПИД-регулятору, формирующему сигнал уставки необходимой скорости вращения ротора ТД А, подав на его вход Start\Stop сигнал логическая «единица». В результате этот ПИД-регулятор формирует необходимое для текущих условий значение уставки скорости вращения ротора ТДА, которое подает на вход SP ПИД-регулятора, обеспечивающего поддержание необходимой скорости вращения ротора ТДА. А на вход обратной связи PV ПИД-регулятора скорости вращения ротора, подают сигнал фактической скорости вращения ротора ТДА. И этот ПИД-регулятор с помощью своего КР, установленного на выходе компрессора ТДА, удерживает необходимый температурный режим в низкотемпературном сепараторе, заданный диапазоном уставки. И это состояние АСУ ТП поддерживает до тех пор, пока ТДА не выйдет на границу максимально/минимально допустимой мощности.
В случае выхода ТДА на полную мощность, характеризуемую достижением максимально допустимого числа оборотов его ротора из-за изменения режима работы установки и перехода исполнительного органа КР, обеспечивающего подержание необходимой скорости вращения ротора ТДА, в крайнее положение с одновременным повышением температуры в низкотемпературном сепараторе в область, определяемую неравенством Т>Тверх, АСУ ТП формирует сообщение оператору о необходимости принятия решений по изменению режима работы установки.
В случае снижения температуры Т в низкотемпературном сепараторе и выхода ее в область, определяемую соотношением Т<Тнижн, АСУ ТП блокирует работу ПИД-регулятора, формирующего сигнал уставки скорости вращения ротора ТДА, подав на его вход Start\Stop сигнал логический «ноль», и в качестве уставки фиксирует последнее значение частоты вращения ротора, соответствующее ее минимально допустимому значению. Одновременно АСУ ТП разрешает работу ПИД-регуляторам, управляющими КР, установленными на байпасной линии ТО «газ-газ» и перед первой секцией ТО «газ-конденсат», подав на их вход Start\Stop сигнал логическая «единица», и переводит подержание температуры в низкотемпературном сепараторе на совместную работу ПИД-регуляторов, управляющих режимом работы ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат».
Если на выходе CV ПИД-регуляторов, управляющих режимом работы ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат» будет установлено минимальное значение управляющего сигнала и положение исполнительных органов их КР дойдет до крайнего положения, обеспечивающего минимальный теплообмен в ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат», АСУ ТП формирует сообщение оператору о необходимости принятия решения по изменению режима работы установки.
На фиг. 1 приведена укрупненная принципиальная технологическая схема установок, с применением ТДА, эксплуатируемых на Заполярном НГКМ. В ней использованы следующие обозначения:
1 - входная линия установки;
2 - сепаратор первой ступени сепарации газа;
3 - КР, регулирующий расход добытой газоконденсатной смеси через установку;
4 - КР, регулирующий разделение на потоки добытой газоконденсатной смеси между первыми секциями ТО «газ-конденсат» 7 и ТО «газ-газ» 6;
5 - АСУ ТП;
6 - ТО «газ-газ»;
7 - ТО «газ-конденсат»;
8 - РЖ;
9 - КР, регулирующий расход газа через вторую секцию ТО «газ-газ» 6;
10 - ТДА;
11 - КР, регулирующий скорость вращения ротора ТДА;
12 - датчик температуры осушенного газа, подаваемого в МГП (установлен на выходе установки).
13 - датчик скорости вращения ротора ТДА;
14 - датчик температуры в низкотемпературном сепараторе;
15 - низкотемпературный сепаратор сепарации газа;
16 - датчик температуры НТК, подаваемого в МКП (установлен на выходе установки).
На фиг. 2 приведена структурная схема автоматического поддержания температурного режима в низкотемпературном сепараторе 15.
В ней использованы следующие обозначения:
17 - сигнал фактической температуры в низкотемпературном сепараторе 15, поступающий с датчика 14;
18 - сигнал управления работой ПИД-регуляторов 22 и 23, подаваемый АСУ ТП 5;
19 - сигнал задания (уставки) температуры в низкотемпературном сепараторе 15;
20 - сигнал скорости вращения ротора ТДА, поступающий с датчика 13;
21 - сигнал управления работой ПИД-регулятора 24, подаваемый АСУ ТП 5;
22 - ПИД-регулятор, управляющий режимом работы ТО «газ-газ» 6;
23 - ПИД-регулятор, управляющий режимом работы ТО «газ-конденсат» 7;
24 - ПИД-регулятор, управляющий холодопроизводительностью ТДА 10;
25 - сигнал управления для КР 9;
26 - сигнал управления для КР 4;
27 - ПИД-регулятор поддержания скорости вращения ротора ТДА 10;
28 - сигнал управления для КР11.
ПИД-регуляторы 22, 23, 24 и 27 реализованы на базе АСУ ТП 5.
Способ автоматического поддержания температурного режима технологических процессов установки ТДА условиях Севера РФ, реализуют следующим образом:
Добытая газоконденсатная смесь через входную линию 1 установки поступает в сепаратор 2 первой ступени сепарации газа. В сепараторе 2 происходит первичное очищение газоконденсатной смеси от механических примесей, ВРИ, выделяется основное количество тяжелых углеводородов НТК, которые, по мере их накопления в нижней части сепаратора 2, отводятся в РЖ 8. Частично очищенная от капельной влаги и пластовой жидкости газоконденсатная смесь с выхода сепаратора 2 первой ступени сепарации газа проходя через КР 3, регулирующий расход газа по установке, и ее разделяют на два потока. Первый поток направляют в трубное пространство первой секции ТО «газ-газ» 6, где происходит его предварительное охлаждение встречным потоком осушенного газа, который поступает из низкотемпературного сепаратора 15 и проходит через вторую секцию ТО «газ-газ» 6. Второй поток через КР 4 подают в трубное пространство первой секции ТО «газ-конденсат» 7, который охлаждают встречным потоком смеси НТК и ВРИ, отводимом из кубовой части низкотемпературного сепаратора газа 15 через вторую секцию ТО «газ-конденсат» 7.
Потоки добытой газоконденсатной смеси, поступающие с выходов первых секций ТО «газ-газ» 6 и ТО «газ-конденсат» 7, объединяют и подают на вход турбины ТДА 10. Скорость вращения турбины ТДА 10 контролирует АСУ ТП 5 с помощью датчика 13 скорости вращения ротора ТДА.
После прохождения турбины ТДА 10 газожидкостная смесь расширяется, и ее температура понижается до значений, близких к предусмотренным технологическим режимом установки. Охлажденная газожидкостная смесь, выйдя из турбины ТДА 10, поступает в низкотемпературный сепаратор газа 15, оснащенный датчиком температуры 14. Вследствие изменения термодинамических условий и снижения скорости потока газоконденсатной смеси в сепараторе 15 происходит финальное выделение из нее осушенного газа и накопление в кубовой части сепаратора смеси НТК и ВРИ.
Отсепарированный холодный осушенный газ на выходе из низкотемпературного сепаратора 15 разделяют на два потока, один из которых проходит через вторую секцию ТО «газ-газ» 6, где отдает холод встречному потоку добытой газоконденсатной смеси. Второй поток проходит по байпасной линии второй секции ТО «газ-газ» 6, оснащенной КР 9. Затем оба этих потока объединяют и подают на вход компрессора ТДА 10. С выхода компрессора ТДА 10 осушенный газ направляют в МГП, оснащенный датчиком температуры 12.
Смесь НТК и ВРИ из кубовой части низкотемпературного сепаратора 15 направляют во вторую секцию ТО «газ-конденсат» 7, где она нагревается и поступает в РЖ 8 для разделения ее на компоненты и дегазации. Газ выветривания отправляют либо на факел, либо используют на собственные нужды промысла. ВРИ, выводимый из нижней кубовой части РЖ 8, направляют на регенерацию в цех регенерации ингибитора. Отделенный НТК подают в МКП, оснащенный датчиком температуры 16, и направляют потребителям.
Задачу поддержания заданной температуры в низкотемпературном сепараторе 15 на установке решают за счет совместной работы ПИД-регуляторов 22, 23, 24 и 27.
Для этого, на вход задания SP ПИД-регуляторов 22, 23 и 24, управляющих режимом работы ТО «газ-газ» 6, ТО «газ-конденсат» 7 и ТДА 10, соответственно, АСУ ТП 5 подает единое значение сигнала уставки 19 температуры Т в низкотемпературном сепараторе газа 15, которую необходимо поддерживать при текущих условиях работы промысла в заданном диапазоне. Эта уставка задается в виде соотношения, определяющего допустимый диапазон температур
Тверх≥Т≥Тниж
где Tверх и Тниж - максимальная и минимальная допустимая температура в низкотемпературном сепараторе.
Одновременно АСУ ТП 5 на вход обратной связи PV этих же ПИД-регуляторов подает сигнал 17 значения фактической температуры - Т с датчика температуры 14 в низкотемпературном сепараторе 15.
При запуске установки в работу, для обеспечения максимального теплообмена в ТО «газ-газ» 6 и ТО «газ-конденсат» 7, АСУ ТП 5 выдает задание ПИД-регуляторам 22 и 23 произвести перемещение исполнительных органов их КР 9 и КР 4, в крайние положения - КР 9 будет полностью закрыт, а КР 4 полностью открыт.Далее АСУ ТП 5 задает порядок включения и отключения ПИД-регуляторов 22, 23, 24 путем подачи на их вход Start\Stop сигнала логическая «единица» или логический «ноль».
По установленному порядку АСУ ТП 5 первым делом разрешает работу ПИД-регулятора 24, подав на его вход Start\Stop сигнал 21 логическая «единица».
Одновременно АСУ ТП 5 накладывает запрет на работу ПИД-регуляторов 22 и 23, управляющих работой КР 9 и КР 4, размещенных на байпасной линии ТО «газ-газ» 6 и перед ТО «газ-конденсат» 7, соответственно, подав на их вход Start\Stop сигнал 18 логический «ноль». При этом значения управляющих сигналов на выходе CV ПИД-регуляторов 22 и 23 остаются неизменными.
В результате ПИД-регулятор 24, используя данные, поступающие на его входы PV и SP, формирует на своем выходе CV значение уставки скорости вращения ротора ТДА 10, которую необходимо поддерживать для получения заданной температуры в низкотемпературном сепараторе 15. Сигнал сформированной уставки подают на вход задания SP ПИД-регулятора 27, обеспечивающего поддержание необходимой скорости вращения ротора ТДА 10. Одновременно на вход обратной связи PV ПИД-регулятора 27 подают сигнал 20 скорости вращения ротора ТДА 10, поступающий с датчика 13. На основе этих данных ПИД-регулятор 27 на своем выходе CV формирует управляющий сигнал 28 для КР 11, который непосредственно поддерживает необходимую скорость вращения ротора ТДА 10 путем управления расходом осушенного газа, который направляют в МГП. Именно поэтому КР 11 установлен на выходе компрессора ТДА и управляющий им ПИД-регулятор 27 обеспечивает поддержку заданной температуры в низкотемпературном сепараторе 15.
В процессе работы из-за изменения режима работы установки может сложится ситуация, когда положение исполнительного органа КР 11, обеспечивающего подержание необходимой скорости вращения ротора ТДА 10, дойдет до крайнего положения, т.е. ТДА 10 выйдет на полную мощность.
Как следствие дальнейшая поддержка температуры в низкотемпературном сепараторе 15 в рамках уставки Tверх≥Т≥Тниж становится невозможной. Такая ситуация фиксируется переходом температуры Т в низкотемпературном сепараторе 15 в область, определяемую неравенством Т>Tверх. В этом случае АСУ ТП 5 формирует сообщение оператору о необходимости принятия решений по изменению режима работы установки.
В случае снижения производительности установки из-за повышения перепада давления на КР 3 температура в низкотемпературном сепараторе 15 будет снижаться. Чтобы поддерживать температуру в рамках заданной уставки, частоту вращения ротора ТДА 10 также снижают. И если при этом частота вращения ротора ТДА 10 дойдет до своего минимально допустимого значения, АСУ ТП 5 блокирует работу ПИД-регулятора 24, подав на его вход Start\Stop сигнал 21 логический «ноль». В этом случае на выходе CV ПИД-регулятора 24 фиксируется последнее значение частоты вращения ротора, т.е. значение уставки для ПИД-регулятора 27 будет «заморожено».
Заблокировав работу ПИД-регулятора 24 АСУ ТП 5 одновременно разрешает работу ПИД-регуляторам 22 и 23, управляющим работой КР 9 и КР 4, установленных на байпасной линии ТО «газ-газ» 6 и перед первой секцией ТО «газ-конденсат» 7, соответственно, подав на их вход Start\Stop сигнал 18 логическая «единица». Далее подержание температуры в низкотемпературном сепараторе 14 будет обеспечивать совместная работа ПИД-регуляторов 22 и 23 управляющих режимом работы ТО «газ-газ» 6 и ТО «газ-конденсат» 7.
Если в процессе работы на выходе CV ПИД-регуляторов 22 и 23 будет установлено минимальное значение управляющего сигнала и положение исполнительных органов их КР дойдет до крайнего положения, обеспечивающего минимальный теплообмен в ТО «газ-газ» 6 и ТО «газ-конденсат» 7, АСУ ТП 5 формирует сообщение оператору о необходимости принятия решения по изменению режима работы установки.
Благодаря переключению режимов работы ПИД-регуляторов реализуется возможность использовать производимый холод на установке по максимуму для автоматического поддержания температурного режима в низкотемпературном сепараторе и повышения эффективности применения ТДА.
АСУ ТП 5, для обеспечения требований технологического регламента установки по соблюдению норм и ограничений при подготовке природного газа и газового конденсата к дальнему транспорту, в реальном режиме работы осуществляет контроль температуры осушенного газа и НТК, подаваемого в МГП и МКП, соответственно, с помощью датчиков 12 и 16.
Согласно ОСТ 51.40-93 «Газы горючие природные, поставляемые и транспортируемые по магистральным газопроводам» и СТО Газпром 5.11-2008 «Конденсат газовый нестабильный», которые регламентируют требования и нормы для природного газа холодной климатической зоны, температура осушенного газа и НТК в МГП и МКП, соответственно, определяется по проекту обустройства НГКМ. Опыт эксплуатации установок на Крайнем Севере РФ показал, что четкое поддержание температуры в низкотемпературном сепараторе в рамках заданного интервала гарантирует поддержку температуры газа и НТК в МГП и МКП в рамках заданных границ.
Если значение температуры в МГП, либо МКП достигнет своих ограничительных уставок (верхней, либо нижней), АСУ ТП 5 формирует сообщение оператору установки о возникшем нарушении и необходимости принять решение об изменении режима работы установки.
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 автоматического поддержания температурного режима технологических процессов установки ТДА в условиях Севера РФ реализован в ПАО «Газпром» ООО «Газпром добыча Ямбург» на Заполярном НГКМ на установках комплексной подготовки газа 1 В и 2 В. Результаты эксплуатации показали его высокую эффективность. Заявляемое изобретение может широко использоваться и на других действующих и вновь осваиваемых НГКМ РФ.
Применение данного способа позволяет максимально использовать производимый на установке холод для автоматического поддержания температурного режима в низкотемпературном сепараторе с соблюдением технологических норм и ограничений, предусмотренных ее технологическим регламентом.
1. Способ автоматического поддержания температурного режима технологических процессов установки низкотемпературной сепарации газа, далее установка, турбодетандерными агрегатами - ТДА в условиях Севера РФ, включающий предварительную очистку добытой газожидкостной смеси от механических примесей, отделение смеси нестабильного газового конденсата - НТК и водного раствора ингибитора - ВРИ в сепараторе первой ступени редуцирования, которую по мере ее накопления в нижней части этого сепаратора отводят в разделитель жидкостей - РЖ, а частично очищенную добытую смесь с выхода сепаратора первой ступени редуцирования направляют через клапан-регулятор - КР расхода добытой газоконденсатной смеси и разделяют ее на два потока, которые подают для предварительного охлаждения на вход первых секций рекуперативных теплообменников - далее ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат», после которых оба потока объединяют и подают на вход турбины ТДА, оснащенного датчиком скорости вращения ротора, и, проходя ТДА, добытая газожидкостная смесь расширяется и ее температура понижается до значений, близких к предусмотренным технологическим режимом установки благодаря соответствующей непрерывной корректировке в реальном масштабе времени скорости вращения ротора ТДА, после чего охлажденная газожидкостная смесь поступает в низкотемпературный сепаратор газа, оснащенный датчиком температуры, в котором она окончательно разделяется на осушенный холодный газ и смесь НТК и ВРИ, при этом холодный осушенный газ, выходящий из низкотемпературного сепаратора разделяют на два потока, один из которых подают на вход второй секции ТО «газ-газ», а второй на байпас этой секции, оснащенный КР расхода газа, который изменяет соотношение потоков охлажденного газа через вторую секцию ТО и ее байпас, а далее эти потоки газа объединяют и подают в компрессор ТДА, где газ дожимают до рабочего давления и подают в МГП, а смесь НТК и ВРИ из нижней части низкотемпературного сепаратора подают на вход второй секции ТО «газ-конденсат» и далее, в РЖ, из которого выделенный НТК направляют в МКП, ВРИ на регенерацию, а поток выделенного газа - газ выветривания из РЖ транспортируют для утилизации или компримируют и подают в магистральный газопровод - МГП, при этом автоматическое поддержание температуры в низкотемпературном сепараторе осуществляют с помощью пропорционально-интегрально-дифференцирующих регуляторов - ПИД-регуляторов, один из которых управляет установленным на входе первой секции ТО «газ-конденсат» КР, который распределяет поток добытой газожидкостной смеси между первыми секциями ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат», другой ПИД-регулятор управляет распределением расхода осушенного газа между второй секцией ТО «газ-газ» и ее байпасом с помощью КР, установленного на байпасе, а третий и четвертый ПИД-регуляторы объединены в каскад и управляют расходом осушенного газа, поступающего в МГП при помощи КР, установленного на выходе компрессора ТДА, и все эти ПИД-регуляторы реализованы на базе автоматизированной системы управления технологическими процессами - АСУ ТП установки, отличающийся тем, что АСУ ТП подает на вход задания SP ПИД-регуляторов, управляющих режимом работы ТО «газ-газ», ТО «газ-конденсат» и ПИД-регулятора, определяющего уставку необходимой скорости вращения ротора ТДА, которую требуется поддерживать для получения заданной температуры в низкотемпературном сепараторе, единое значение сигнала уставки температуры Т в низкотемпературном сепараторе газа задают в виде соотношения, определяющего допустимый в сепараторе диапазон температур
Тверх≥Т≥Тниж
где Tверх и Tниж - максимальная и минимальная допустимая температура в низкотемпературном сепараторе, которую требуется поддерживать при текущих условиях работы промысла, и одновременно АСУ ТП подает на вход обратной связи PV этих же ПИД-регуляторов сигнал значения фактической температуры - Т с датчика температуры в низкотемпературном сепараторе, а также АСУ ТП задает порядок включения/выключения этих ПИД-регуляторов путем подачи на их вход Start\Stop сигнала логическая «единица» или логический «ноль», при этом сформированный ПИД-регулятором сигнал уставки скорости вращения ротора ТДА с его выхода CV поступает на вход задания SP ПИД-регулятора, непосредственно управляющего скоростью вращения ротора ТДА путем регулирования расхода осушенного газа, проходящего через его турбину, а на вход обратной связи PV ПИД-регулятора, управляющего скоростью вращения ротора, АСУ ТП подает сигнал фактической скорости вращения ротора ТДА с датчика, установленного на нем, и этот ПИД-регулятор удерживает температуру Т в низкотемпературном сепараторе в заданном ее уставкой диапазоне.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что АСУ ТП при запуске установки в работу выдает команду ПИД-регулятору, распределяющему поток добытой газожидкостной смеси между первыми секциями ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат», полностью открыть КР, установленный перед первой секцией ТО «газ-конденсат», и команду ПИД-регулятору, управляющему потоком осушенного газа по байпасу второй секции ТО «газ-газ», закрыть свой КР, исключив поток газа через байпас, и фиксирует это состояние, подав на вход Start\Stop этих ПИД-регуляторов сигнал логический «ноль», одновременно АСУ ТП разрешает работу ПИД-регулятору, формирующему сигнал уставки необходимой скорости вращения ротора ТДА, подав на его вход Start\Stop сигнал логическая «единица», и формируемая этим ПИД-регулятором уставка поступает на вход SP ПИД-регулятора скорости вращения ротора ТДА, а на вход обратной связи PV ПИД-регулятора скорости вращения ротора ТДА подают сигнал фактической скорости вращения ротора ТДА, и, обрабатывая эти сигналы, этот ПИД-регулятор с помощью своего КР, установленного на выходе компрессора, удерживает необходимый температурный режим в низкотемпературном сепараторе, заданный диапазоном уставки, до тех пор, пока ТДА не выйдет на границу максимально/минимально допустимой мощности.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что АСУ ТП формирует сообщение оператору о необходимости принятия решений по изменению режима работы установки в случае выхода ТДА на полную мощность, характеризуемую достижением максимально допустимого числа оборотов его ротора из-за изменения режима работы установки и перехода исполнительного органа КР, управляемого ПИД-регулятором скорости вращения ротора ТДА, в крайнее положение с одновременным повышением температуры в низкотемпературном сепараторе в область, определяемую неравенством Т>Tверх.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что АСУ ТП блокирует работу ПИД-регулятора, формирующего сигнал уставки скорости вращения ротора ТДА, подав на его вход Start\Stop сигнал логический «ноль», и в качестве уставки фиксирует последнее значение частоты вращения ротора, соответствующее ее минимально допустимому значению в случае снижения температуры Т в низкотемпературном сепараторе и выхода ее в область, определяемую соотношением Т<Тнижн, и одновременно АСУ ТП разрешает работу ПИД-регуляторам, управляющими КР, установленными на байпасной линии ТО «газ-газ» и перед первой секцией ТО «газ-конденсат», подав на их вход Start\Stop сигнал логическая «единица», и переводит подержание температуры в низкотемпературном сепараторе на совместную работу ПИД-регуляторов, управляющих режимом работы ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат».
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что АСУ ТП 5 формирует сообщение оператору о необходимости принятия решения по изменению режима работы установки, если на выходе CV ПИД-регуляторов, управляющих режимом работы ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат», будет установлено минимальное значение управляющего сигнала и положение исполнительных органов их КР дойдет до крайнего положения, обеспечивающего минимальный теплообмен в ТО «газ-газ» и ТО «газ-конденсат».
