ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СЕПАРАЦИИ ГАЗОКОНДЕНСАТА
,
Оренбургский государственный университет, Оренбург
На современном этапе развития газ рассматривается как наиболее благородное и экономичное топливо. Продукция газовых, газоконденсатных и серогазоконденсатонефтяных месторождений является комплексным сырьем для многих отраслей.
Технологическая схема установки переработки газового конденсата представлена на рисунке 1 [1].
Рисунок 1 – Технологическая схема переработки газового конденсата
Переработка газового конденсата осуществляется следующим образом. Газожидкостная смесь из скважины подается на сепаратор; далее газожидкостная смесь проходит через сепаратор, где происходит разделение природного газа и жидкости, а так же первичная очистка от механических примесей; после сепаратора газ подается сначала на установки осушки для доведения до требуемых кондиций, а затем в магистральный газопровод; жидкость после первичного сепаратора поступает на установку низкотемпературной сепарации и из нее удаляется вода и остаток природного газа; газовый конденсат далее направляется либо на переработку, либо реализуется.
Газовый сепаратор (ГС) - аппарат для очистки продукции газовых и газоконденсатных скважин от капельной влаги, углеводородного конденсата и механических примесей. В процессе работы любого сепаратора не происходит изменения химического состава разделяемых веществ. Качества, отличающие продукты сепарации, не обязательно должны совпадать с признаками, по которым разделяют смесь в сепараторах. В работе сепаратора принимает участие множество отдельных мелких частиц, среди которых встречаются частицы с промежуточными свойствами по отношению к необходимым признакам. Из исходной смеси после промышленных сепараций не могут получиться абсолютно чистые фракции разделяемых компонентов, только продукты с преобладающим их содержанием.
Схемы газового сепаратора представлены на рисунке 2 [2].
1 – корпус; 2 – сборник жидкости; 3 – секция предварительной (гравитационной) сепарации; 4 – кольцевая жалюзийная насадка; 5 – сливная труба с гидрозатвором секции тонкой сепарации; 6 – сетчатая насадка; 7 – сетчатый коагулятор.
Рисунок 2 – Схема газового сепаратора:
а – гравитационно-инерционный с жалюзийной насадкой;
б – гравитационно-инерционный с сетчатой насадкой
Принцип действия гравитационного газового сепаратора основан на снижении скорости газа в нем до величины, при которой примеси оседают под действием силы тяжести. Сепараторы просты по конструкции, но громоздки и металлоёмки. Эффективность сепарации (отношение масс двух фаз — уловленной и поступающей в сепаратор) 75-90%. В инерционных газовых сепараторах осаждение примесей на поверхности насадки происходит вследствие многократного отклонения потока (специальными насадками). Насадки выполняются из пластин различной конфигурации, фильтрующих материалов и коалесцирующих набивок. Наиболее распространены жалюзийные и сетчатые насадки (см. рисунок 2), которые применяются в качестве концевых сепарационных секций и обеспечивают эффективность сепарации 95-99%.
Промысловая сепарация конденсата может осуществляться различными способами. В соответствии с технологической схемой установки переработки газового конденсата, стандартам и техническим условиям (ОСТ 51.40-93) выбран процесс низкотемпературной сепарации. Высокое начальное давление природного газа используется в этом случае для получения холода и выделения вследствие этого водяного и углеводородного конденсата из газа. Холод при высоких давлениях газа получают на специальных установках, называемых установками низкотемпературной сепарации. В установках низкотемпературной сепарации отрицательные температуры создаются в результате дросселирования газа высокого давления.
Для управления процессом сепарации необходимо знать закономерности осаждения частиц в газовой среде в зависимости от размера, формы и характеристики среды. Параметры сепаратора должны обеспечивать скорость движения газа в нем ниже, чем скорость осаждения частицы. В этом случае частицы будут оседать на дно камеры.
Составим математическую модель (2), характеризующую взаимодействие сил, в поле которых находится твердая частица [3]. Для ее решения необходимо знать природу внешней силы и сопротивление частицы под действием силы тяжести (1) при допущениях, что среда, в которой происходит осаждение, неограниченна, осаждению не мешают другие частицы и скорость осаждения постоянна. В этом случае можно записать:
, 
(1)
, (2)
где 
– ускорение, м/с2;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
– плотность среды, кг/м3;
– коэффициент сопротивления;
– масса, кг;
– площадь, м2.
Для определения скорости осаждения частицы при шарообразной форме соотношение (2) приобретает вид (3) [3]:
, (3)
В соответствии с уравнениями (1-3) передаточной функцией газового сепаратора является интегрирующее звено, охваченное единичной отрицательной обратной связью:
(4)
где 
- постоянная времени, характеризует инерцию переходного процесса.
Графики переходного процесса объекта управления при различных значениях коэффициента усиления можно получить с помощью интегрированной среды VisSim (рисунок 3).
Рисунок 3 - Графики переходного процесса ГС как объекта управления
Поскольку обеспечение и повышение качества выпускаемой продукции является одной из главных задач производства, то важная роль уделяется контролю качества. В работе рассматривается контроль качества на узле учета газового конденсата. Показателями, которыми оценивается качество газового конденсата, являются: плотность, влагосодержание, давление и температура. Наибольшее влияние на качество газового конденсата оказывает изменение такого технологического параметра, как давление. Построим систему автоматического управления качеством газового конденсата, состоящую из промышленного регулятора (ПР), исполнительного (ИЭ) и регулирующего (РЭ) элементов, объекта управления (ОУ) и датчика обратной связи (Д) по такому технологическому параметру, как давление. Учтем задающий сигнал Х и внешнее возмущение f, приведенное ко входу ОУ [4].
Структурная схема САУ давлением в статическом режиме представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Структурная схема статического режима САУ давлением
Использованы значения коэффициентов усиления звеньев системы, представленные в таблице 1.
Таблица 1 – Значения коэффициентов усиления статических звеньев
К1 | 2,136 | К6 | 1,878 |
К2 | 1,803 | К7 | 1,791 |
К3 | 1,636 | К8 | 1,61 |
К4 | 1,183 | К9 | 2,103 |
К5 | 1,823 | К10 | 1,308 |
Затем произведены эквивалентные преобразования структурной схемы:
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Составим структурную схему САУ с найденными по соотношениям (5-9) коэффициентами усиления (рисунок 5).
Рисунок 5 – Структурная схема САУ после первого этапа преобразования
(10)
После нахождения К1_7 структурная схема САУ содержит два внешних воздействия: x и f (рисунок 6)
Рисунок 6 - Структурная схема САУ после второго этапа преобразования
Рассмотрены два случая:
1) х≠0; f=0;
(11)
(12)
2) х=0; f≠0;
(13)
(14)
Тогда, эквивалентный коэффициент усиления найдется
(15)
Подставляя значения коэффициентов усиления в составленные уравнения, получаем:
Тогда, величина эквивалентного коэффициента усиления составит:
Построенную САУ давлением промоделируем в интеллектуальной среде визуального моделирования VisSim (рисунок 7).
Рисунок 7 – Модель САУ давлением в VisSim
Как видно из рисунка 7, результаты моделирования подтверждают выполненные аналитические преобразования структурной схемы.
Теперь, моделируя замкнутую САУ давлением в динамическом режиме с найденной передаточной функцией ГС, убеждаемся в устойчивости переходного процесса и достаточно высоком качестве регулирования (рисунок 8).
Рисунок 8 – Модель замкнутой САУ давлением и график переходного процесса
Выводы
1 На основании системы алгебраических уравнений, характеризующих оседание частиц, разработана математическая модель газового сепаратора как объекта управления, представляющая собой в первом приближении интегрирующее звено, охваченное отрицательной обратной связью.
2 Развитые в дисциплине "Современные проблемы автоматизации и управления" (СПАУ) инструментальные средства позволяют выполнить эквивалентные аналитические и численные преобразования сколь угодно сложной структуры, в том числе структурной схемы предложенной замкнутой САУ давлением в газовом сепараторе.
3 Относительная погрешность численного моделирования САУ давлением в интеллектуальной визуализированной среде VisSim относительно аналитических структурных преобразований не превышает 1 %
4 Результаты моделирования САУ давлением в динамическом режиме и построенный переходный процесс убеждают в устойчивости системы и достаточно высоком качестве регулирования.
Список литературы
1. Газовый конденсат – добыча, переработка, реализация : Серия «Просто ТЭК»; Москва : Группа ЭРТА, 2007.
2. Дурмишьян, А. Г. Газоконденсатные месторождения / .- М.: Недра, 19с.
3. Математическое описание движения частиц в сепараторе / под ред. , ; Ивановский государственный энергетический университет имени : ГОУВПО, 2005. – 308 с.
4. Радкевич, В. В. Системы управления объектами газовой промышленности / // М.: Серебряная нить. 2004, 440 с.
