Система управления технологическим процессом подготовки нефти в установке подготовки нефти

Зырин Вячеслав Олегович,

кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Важной задачей процесса подготовки нефти является ее обработка до товарного состояния, подчиняющегося ряду критериев. Согласно ГОСТ Р 51858-2002 нефть, поступающая в систему трубопроводного транспорта для последующей поставки на экспорт, должна соответствовать следующим требованиям: содержание воды в нефти – 0,5 %; массовая концентрация хлористых солей – не более 100 мг/дм³; массовая доля механических примесей – не более 0,05%; давление насыщенных паров - 66,7 кПа (500 мм рт. ст); массовая доля органических хлоридов во фракции, выкипающей до температуры 204⁰ С, – не более 10 млн^.-1; массовая доля сероводорода - не более 20-100 млн.^-1; массовая доля метил- и этилмеркаптанов в сумме – не более 40-100 млн.^-1.[1]

Качество подготовки нефти определяется в основном установками подготовки нефти (УПН). УПН предназначены для предварительного разделения добываемой продукции нефтяных скважин на нефть, газ и пластовую воду с последующей доочисткой и подготовкой до требований государственных стандартов на товарную нефть.

Блочные установки осуществляют нагрев, обезвоживание, обессоливание нефтяных эмульсии, подготовку нефти непосредственно в районе нефтедобывающих скважин, замер продукции и окончательную подготовку до товарного качества.

Блочные УПН могут содержать: нефтегазосепаратор; установки дозирования химреагентов; трехфазный сепаратор; отстойник нефти; электродегидратор; газосепаратор (горизонтальный или вертикальный); блок насосов; блок подготовки газа; операторный и бытовые помещения; оборудование АСУТП УПН и другие технологические блоки. Комплектность блочной УПН определяется физико-химическими свойствами нефти и требованиями к качеству конечного продукта.

В настоящее время для предварительного сброса воды и дальнейшей подготовки используются трехфазные сепараторы типа «Хитер-Тритер» и их модификации, выполненные единым модулем горизонтальной компоновки и включающие блоки: технологический, регулирования, подготовки топлива.

Устройство установки подготовки нефти рассмотрено на примере УПН промышленной группы «Генерация», являющейся аналогом установки «Хитер-Тритер» [2] (рис.1).

Рис. 1. Установка подготовки нефти.

Технологический блок такого УПН cостоит из секции нагрева и коалесценции, секции обессоливания, и секции окончательной коалесценции и отбора нефти. Поступающий поток нефти движется в установке горизонтально, что является оптимальным вариантом применительно к обработке нефти.

Секция нагрева и коалесценции представляет собой либо одну жаровую трубу, расположенную горизонтально, либо две жаровые трубы, расположенные вертикально, в зависимости от объема установки. Нефтяная эмульсия через входной штуцер и дроссельный клапан поступает в секцию, и, проходя вокруг жаровых труб и нагреваясь, направляется в нижнюю секцию установки. Тепло передается через стенки жаровых труб и нагревает нефтяную эмульсию, а продукты сгорания выводятся вверх через другой конец жаровой трубы. Пройдя секцию жаровых труб, нефть, очищенная от большей части воды, поступает в секцию коалесценции. Секция коалесценции состоит из нескольких коалесцентных блоков, каждый из которых представляет собой сетки с определенной расчетной площадью, выполненные из нержавеющей проволоки.

Секция обессоливания состоит из специальных желобов и водораспределительной системы, состоящей из коллектора подачи воды и отходящих от него трубок с распределительными насадками. Нефть стекает по желобам вниз; пресная вода, пройдя через нагревательный змеевик, расположенный в секции нагрева, подается в коллектор и через трубки с распределительными насадками впрыскивается в нефть и смешивается с ней.

Нефть и остаточная часть обессоливающей воды поступают через распределительные трубы снизу вверх в секцию окончательной коалесценции и отбора нефти благодаря давлению в сосуде и насосам, откачивающим нефть. Нефть направляется вверх, проходя через специальный блок коалесценции, и далее через нефтеотборник на выход из сосуда [2].

Трехфазный сепаратор является сложным, нелинейным объектом автоматизации с множеством контролируемых параметров.

В течение срока разработки месторождений количество и состав получаемой из скважин продукции постоянно изменяется, что сказывается на технологических показателях работы [3]. С учетом этого, необходима разработка системы управления, реагирующей на изменение параметров среды.

Для устойчивой работы установки система управления должна обеспечивать: контроль расхода воды G_в, расхода нефтяной эмульсии в секции нагрева и коалесценции G_эм, уровня раздела фаз «нефть-вода» в секции обессоливания h_н-в, расхода дымовых газов G_г и уровня раздела фаз «нефть-вода» в секции стабилизации; регулирование температуры стенок жаровых труб секции нагрева, температуры нагрева нефтяной эмульсии, уровня нефти в секции коалесценции. Структурная схема управления будет иметь вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема САУ: Н – насос, ПР –электропривод с преобразователем частоты, Р - регулятор контура, УЛУ – управляющее логическое устройство.

Система стабилизации температуры нефти в секции нагрева и коалесценции представляет собой каскадную схему (рис. 3).

Рис. 3. Каскадная схема системы стабилизации.

Первый контур с регулятором Р₁ стабилизирует температуру стенок жаровых труб Т_г для предотвращения прогара жаровых труб (повышения температуры стенок выше нормы).

Для повышения качества ее работы регулятор Р₁ охвачен ЖООС по расходу регулирующей среды. ЖООС может быть введена с целью: получения требуемой статической характеристики регулирования; дополнительной стабилизации САР; для уменьшения вредного влияния нелинейностей в исполнительном механизме; быстрого «гашения» возмущений со стороны давления регулирующей среды; повышения надежности САР благодаря увеличению допустимой зоны изменения характеристик цепи, охваченной ЖООС; достоинством является то, что в нее входят исполнительный механизм и регулирующий орган. [4]

Регулятор Р₂ стабилизирует температуру нагрева эмульсии T_н.

Система стабилизации уровня нефти в секции коалесценции и отбора представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема одноконтурной системы САУ, где - секция окончательной коалесценции и нагрева, - система управления электроприводом насоса.

Объект регулирования в САУ НГС, представленной на рис. 4 - секция окончательной коалесценции и отбора нефти, а его выходной параметр – уровень нефти h, который необходимо поддерживать постоянным путем изменения производительности  насоса Н. Возмущающее воздействие в этой системе – приток нефти .

Следующей задачей разработки СУ является расчет регуляторов каждого из контуров стабилизации.

Литература

1.                  ГОСТ Р 51858-2002 Нефть - Москва: Изд-во стандартов, 2006. – 12 с.

2.                  Электронный ресурс http://www.generation-ngo.ru/podgotovka/upn.

3.                  Ермаков С.А. Прогнозирование технологических показателей промысловой подготовки нефти группы месторождений ООО «РН-Северная нефть»: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (25.00.17) /Ермаков Сергей Алексеевич; УГТУ. – Ухта, 2007. – 20 с.

4.                  Бессекерский В.А. Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. - М.: Профессия, 4-е издание, 2003 г.

Поступила в редакцию 27.04.2015 г.