Проектирование автоматизированной системы управления установок отвода и сжигания попутного нефтяного газа

 

 

Факельные установки, рисунок 2, предназначены для бездымного сжигания постоянных, аварийных и периодических факельных сбросов. Внедрена новая технология кинетического бездымного сжигания газов без подачи пара и воздуха, которая выдерживается в очень широком диапазоне расходов путем использования щелевого газового затвора переменного сечения (постоянной скорости истечения).

Факельные установки  изготавливаются по индивидуальному проекту с учетом местных условий, в соответствии с конкретными техническими заданиями.

Факельными  установками называют специальное  оборудование, предназначенное для  утилизации горючих паров или  газов, являющихся продуктом технологических процессов в нефте-, газоперерабатывающей и некоторых других отраслях промышленности. В то же время факельная установка используется для сброса и последующего сжигания углеводородов, получаемых при нарушении технологического режима. Например, при неисправности или сбоях в работе оборудования, аварийных сбросах газа и прочее.

Конструкции факельных  установок могут быть различными. Параметры устройств рассчитываются в соответствии с технологическим  процессом, с учетом объемов, давления, компонентного состава сбрасываемого газа и даже с учетом сейсмической обстановки. Делается это с целью обеспечения стабильного и безопасного режима работы в тех или иных условиях.

Существует  два основных вида подобных устройств  — это факельные установки  закрытого и открытого типа.

Открытая факельная  система, как правило, подразумевает  прямолинейный проход газа через  факельный ствол, установленный  вертикально и имеющий высоту не менее 4 метров. Существует несколько  типов стволов — самонесущий, на растяжках, мачтовый и со сдвоенными стволами для газа низкого и высокого давления. В верхней части ствола факельная установка имеет специальный оголовок, иногда с защитным экраном, где и происходит сжигание поднимающегося по стволу газа.

Закрытые факельные  системы изготавливаются мобильными (на трейлерах), на треногах, горизонтальными и редко — высотными. Именно поэтому закрытые факельные установки получили еще одно название: «наземные». По сравнению с открытой закрытая факельная установка имеет множество преимуществ, в числе которых низкий уровень шума, отсутствие дыма, запаха и теплового шлейфа. Вышеперечисленные характеристики позволяют устанавливать их в густонаселенных районах, поскольку закрытые факельные системы являются самыми безопасными и экологичными.

Особым образом выделяются горизонтальные факельные установки, предназначенные для бездымной утилизации (сжигания) постоянных, аварийных и периодических факельных сбросов. В горизонтальных факельных установках использованы самые современные технические решения, что позволяет сжигать в бездымном режиме практически любые, самые трудносжигаемые газообразные отходы. В свою очередь, относительная компактность и мобильность делают их незаменимыми для освоения, ремонта, а также оперативного пуска в эксплуатацию нефтяных и газовых скважин. Кроме того, горизонтальные факельные установки активно используют для термической утилизации промышленных стоков посредством их испарения в факеле.

 

Газ с сетчатого сепаратора, содержащий жидкие включения (метанол, вода, углеводородный конденсат) проходит через трубу оголовка УГФ в устье А, в котором смонтировано устройство, преобразующее прямое

движение газа в конусообразное движение с вращением  вдоль оси. При этом жидкая фаза в  капельном состоянии в виде газожидкостного  конуса выбрасывается в воздушное пространство, вовлекая дополнительные объемы воздуха во внутрь конуса, что способствует полному сжиганию жидкой фазы в газовоздушной среде. Газожидкостная смесь поджигается от постоянно работающего запальника, который постоянно питается газом, подающимся в устье Б. Задвижка 19 (рисунок 3) служит для перекрытия подачи этой смеси в экстренных случаях или при необходимости остановки процесса. Для стабилизации пламени снаружи трубы установлены дополнительные патрубки с уголковыми стабилизаторами. Пробоотборник В служит для отбора газа на анализы. Это связано с необходимостью определения способности и интенсивности горения углеводородного газа. Основные технические характеристики приведены в таблице 2. 

Рис. 2. Факельная установка:

А-вход газа с сетчатого газосепаратора; Б-подвод запальной смеси; В-пробоотборник

 

Таблица 2 – Технические характеристики факельной установки

Основные технические  характеристики
Наименование  параметров	Значение
Рабочее давление, МПа	0,33÷1,6
Температура рабочей  среды, С°	от -60 до +200
Температура окружающей среды, С°	от -60 до +50
Расход газа, м3/ч	4,8÷20
Диаметр условный Dу, мм	100÷1500

 

На рисунке 3 изображена общая принципиальная схема установок отделения и сжигания попутного нефтяного газа.

 

Рис. 3. Общая схема технологического процесса:

1-задвижка 1; 3-насос1; 7-задвижка2; 10-сетчатый газосепаратор; 11-задвижка3;

13-насос2; 18-факельная установка; 19-задвижка4

 

 

 

 

2. Контролируемые и регулируемые величины.

 

В нашей объекте  автоматизации необходимо контролировать следующие параметры:

• Температуру рабочей среды сетчатого газосепаратора – не более 100С°;
• Давление внутри сетчатого газосепаратора – до 16 кгс/см²;
• Объём номинальный газосепаратора – до 50м³;
• Объем смеси, подаваемый в сетчатый газосепаратор;
• Объем газа, выходящий с сетчатого газосепаратора на факельную установку;
• Объем примесей, выходящих с сетчатого газосепаратора;
• Рабочее давление в столбе факельной установки – до 1,6МПа;
• Температуру факельного столба – до +200 С°;
• Качество углеводородной смеси, подаваемой в факельную установку.

Требования  к техническому процессу:

• Температура смеси в газосепараторе должна быть в диапазоне от 80 до 100 С°;
• Давление в газосепараторе должно составлять от 0,07 до 16 МПа;
• Содержание H2S и CO2 в углеводородной смеси до 6% от общего объема;

Требования  к ПИСистемам:

• Датчик давления от 0,07 до 16 МПа
• Датчик температуры до 100 С°;
• Датчик расхода от 4,8 до 20 м³/час

 

 

 

 

2.         РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

 

Построение алгоритмической схемы автоматизации осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ 19.002-85, 19.003-85, при этом учитывая, что алгоритм — это заранее заданное понятное и точное предписание возможному исполнителю совершить определенную последовательность действий для получения решения задачи за конечное число шагов. Алгоритм должен обладать следующими основными свойствами:

• Понятность для исполнителя — исполнитель алгоритма должен понимать, как его выполнять, то есть, имея алгоритм и произвольный вариант исходных данных, исполнитель должен знать, как надо действовать для выполнения этого алгоритма.
• Дискретность — алгоритм должен представлять процесс решения задачи как последовательное выполнение простых шагов.
• Определенность — каждое правило алгоритма должно быть четким, однозначным и не оставлять места для произвола.
• Результативность — состоит в том, что за конечное число шагов алгоритм либо должен приводить к решению задачи, либо после конечного числа шагов останавливаться из-за невозможности получить решение с выдачей соответствующего сообщения.
• Массовость означает, что алгоритм решения задачи разрабатывается в общем виде, т.е. он должен быть применим для некоторого класса задач, различающихся лишь исходными данными.

При помощи алгоритма, мы можем легко определить в какой  последовательности нужно выполнить действия при переработке исходного материала в требуемый результат, (последовательность точных предписаний, понятных исполнителю - компьютеру, роботу и пр.), совершить последовательность действий, направленных на достижение конкретного результата). Часто алгоритм используется не как инструкция для автомата, а как схема алгоритмического решения задачи. Это позволяет оценить эффективность предлагаемого способа решения, его результативность, исправить возможные ошибки, сравнить его еще до применения на компьютере с другими алгоритмами решения этой же задачи.

Алгоритм описывает  последовательность работы газосепаратора и факельной установки (рисунок 4). Открывается задвижка1 (рисунок 3), находящаяся перед скважиной. Размещающейся на входе газосепаратора насос1, качает газ из скважины под воздействием тяги, создаваемой насосом, внутри корпуса газосепаратора создается завихрение среды. Под воздействием центробежной силы происходит отклонение потока за счет влияния на него специальных насадок различной конфигурации. Таким образом, более тяжелые углеводороды отделяются от газа и отбрасываются, благодаря чему очищенный газ вытягивается наверх. Если в ходе технологического процесса температура рабочей среды газосепаратора превышает 100С°, либо давление выходит за пределы максимально разрешенных 16 кгс/см², либо уровень нефти в установке превышает 50м³, то насос 1, стоящий на входе выключается, задвижка 1 перекрывается, подача сырья прекращается и весь процесс останавливается. Далее, если все параметры находятся в пределах нормы, открывается  задвижка 3 и очищенный газ при помощи насоса 2 перекачивается на факельную установку. Если насос 2 создает давление в факельном столбе не менее 0,33МПа, то газ поднимается вверх по столбу и зажигается от постоянно работающего запальника. Если же давление ниже 0,33МПа то смесь не поднимается, следовательно, не сгорает. При превышении давления в факельном столбе 1,6МПа, задвижка 3 перекрывается, насос выключается и газ перестает подаваться в факельную установку.

На рисунке 4 приведена алгоритмическая схема работы газосепаратора и факельной установки.

 

 

 

 

 

 

 

                                                                

       да                          нет

    

                         

 

 

                               

             

         да                                                 нет

 

 

 

           да                                         нет

 

 

 

                                                               да                                       нет

 

 

                                     да                                           нет

 

 

Рис. 4. Алгоритмическая схема работы технологического процесса. Конец.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Построение функциональной схемы и выбор измерительных и регулирующих устройств

 

Для заданного  объекта управления мы разработали функциональную схему автоматизации (рисунок 5). При построении необходимо обратить внимание на задачи, решаемые при разработке ФСА, результат составления ФСА и принципы, которыми следует руководствоваться при разработке ФСА.

Основной задачей  проектирования нашей системы является отделение нефтяного газа от нефти и сжиганием его на факельной установке. То есть необходимо произвести модернизацию (автоматизацию) уже имеющегося процесса таким образом, чтобы система управления могла обеспечивать контроль и регулирование параметров, поддержание которых непосредственно связано с результатом технологического процесса.

Процесс измерения и контроля технологического процесса осуществляется следующими приборами:

• Измерение давление осуществляется приборами PT/6, PT/19, PT/26, PT/35, а регулирование давления осуществляется приборами PIRC/7, PIRC/20, PIRC/27, PIRC/36.
• Измерение расхода проводится приборами FE/2, FE/12, FE/22, FE/38, FT/3, FT/13, FT/23, FT/39, а контролируется и регулируется приборами FIRC/4, FIRC/14, FIRC/24, FIRC/40.
• Измерение температуры проводится приборами TE/15, TE/31, TT/16, TT/32, а контролируется и регулируется приборами TIRC/17 и TIRC/33.
• Измерение уровня проводится приборами LE/8 и LT/9, а контролируется LIRC/10.
• Измерение качества газа проводится прибором QE/28 и QT/29, а контролируется прибором QIJR/30.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Функциональная схема

 

 

 

 

 

 

1. Выбор приборов и средств автоматизации

1. Датчик давления КРТ-5

 

Рис. 6. Общий вид датчика  давления КРТ-5

 

Преобразователь (датчик) давления КРТ-5 предназначен для измерения избыточного давления сред, не агрессивных к стали 12Х18Н10Т и титановым сплавам ВТ-9, ВТ3-1, ВТ-20 в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности.