Построение системы управления процессом низкотемпературной сепарации газоконденсата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

Построение системы управления процессом низкотемпературной сепарации газоконденсата

Сорокина В.С., Владов Ю.Р.

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].

Рисунок 2 Схема газового сепаратора: а гравитационно-инерционный с жалюзийной насадкой; б гравитационно-инерционный с сетчатой насадкой 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

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

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

В заключение можно сделать следующие 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.

конденсат газовый переработка сепаратор

Список литературы

1. Газовый конденсат добыча, переработка, реализация Серия «Просто ТЭК»; Москва Группа ЭРТА, 2007.

2. Дурмишьян, А.Г. Газоконденсатные месторождения А.Г. Дурмишьян.- М.: Недра, 1979. 335 с.

3. Математическое описание движения частиц в сепараторе под ред. С. И. Шувалов, А. А. Андреев Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина ГОУВПО, 2005. 308 с.

4. Радкевич, В.В. Системы управления объектами газовой промышленности В.В. Радкевич М.: Серебряная нить. 2004, 440 с.

Размещено на Allbest.ru