РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ ПО ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ

Структурная схема технологического процесса типовой УПН Дегазация эмульсии Добавление деэмульгаторов и перемешивание эмульсии Нагрев эмульсии Обессоливание нефти Отстаивание и разделение эмульсии Стабилизация нефти Жидкость с промысла Нефть 1

Схема аппарата «Maloney» и существующая СУ 2 Подтоварная вода смесь с промысла Топливный газ нефть газ жаровая труба Дымовые газы TC TE PC PT LT LC LT LC деэмульгатор

скачкообразный характер изменения расхода подаваемой жидкости, например, при выполнении операций включения/выключения насосов, закрытии задвижек; скачкообразный характер изменения расхода подаваемой жидкости, например, при выполнении операций включения/выключения насосов, закрытии задвижек; колебания давлений поступающей жидкости, связанные с процессом ее добычи и перераспределением потоков; колебания давлений поступающей жидкости, связанные с процессом ее добычи и перераспределением потоков; изменения вязкости жидкости, связанные с изменением состава, температуры и т.д.; изменения вязкости жидкости, связанные с изменением состава, температуры и т.д.; выделение газа из жидкости, приводящее к перераспределению давлений и расходов в трубопроводной системе; выделение газа из жидкости, приводящее к перераспределению давлений и расходов в трубопроводной системе; наличие отрицательных и положительных обратных связей в аппаратах по давлениям, расходам и температурам, особенно при параллельной их работе; наличие отрицательных и положительных обратных связей в аппаратах по давлениям, расходам и температурам, особенно при параллельной их работе; взаимовлияние технологических параметров через расходы и давления; взаимовлияние технологических параметров через расходы и давления; качество парирования системой управления возмущений со стороны сырья; качество парирования системой управления возмущений со стороны сырья; дискретный характер срабатывания противоаварийных защит и блокировок и т.д. дискретный характер срабатывания противоаварийных защит и блокировок и т.д. Факторы, влияющие на эффективность технологических процессов 3

Причины, определяющие сложность управления процессами при нескольких параллельно работающих аппаратах «Maloney» (АМ) из-за наличия связей между технологическими параметрами как внутри АМ, так и между АМ через входные (сырьевые) и выходные (газовые) коллекторы образуется многосвязная система управления; при нескольких параллельно работающих аппаратах «Maloney» (АМ) из-за наличия связей между технологическими параметрами как внутри АМ, так и между АМ через входные (сырьевые) и выходные (газовые) коллекторы образуется многосвязная система управления; идентичность или близость динамических характеристик АСР уровней и давлений обуславливают резонансные явления; идентичность или близость динамических характеристик АСР уровней и давлений обуславливают резонансные явления; исследование динамических свойств одного АМ не дает возможности прогнозировать поведение группы АМ; исследование динамических свойств одного АМ не дает возможности прогнозировать поведение группы АМ; аппаратная компактность технологического процесса обуславливает большие скорости технологических процессов и высокие требования к качеству динамических характеристик процессов управления; аппаратная компактность технологического процесса обуславливает большие скорости технологических процессов и высокие требования к качеству динамических характеристик процессов управления; предъявляются достаточно жесткие ограничения по расходу эмульсии в аппараты; предъявляются достаточно жесткие ограничения по расходу эмульсии в аппараты; имеет место сильная нелинейная взаимосвязь между технологическими параметрами и показателями качества (ПК) продуктов разделения. имеет место сильная нелинейная взаимосвязь между технологическими параметрами и показателями качества (ПК) продуктов разделения. 4

Недостатки существующей системы управления 1. Задача автоматического управления по ПК и технико- экономической эффективности системой управления (СУ) решается косвенно, и только для статических режимов. 2. Подсистемы нижнего уровня по поддержанию температур нефтяных слоев, уровней раздела фаз «нефть-вода», давлений в АМ обеспечивают низкое качество процессов управления, т.к. эти системы плохо парируют возмущения по расходу и качеству сырья. 3. Система противоаварийной защиты (ПАЗ) не обеспечивает защиту от таких событий как прогар жаровой трубы, нарушение условий горения топлива и предельных значений параметров топливного коллектора, что предусмотрено правилами взрывопожаробезопасности ПБ Не предусматриваются операции прогноза и мониторинга, резервирование жизненно важных источников информации о процессе, что приводит к частым аварийным отключениям АМ. 5

Структура предлагаемой системы управления по ПТЭЭ Р – множество расчетных ПК, Р – множество ПК, определенных в оперативном режиме или лабораторным путем, Т – множество ПТЭЭ, U М, V М - канал передачи управляющих воздействий на модель и результаты моделирования, Y - множество контролируемых технологических параметров, Z R, Z P и Z М - корректирующие воздействия на регуляторы (параметров регуляторов), процедуру расчета ПК (коррекция структуры и коэффициентов функций) и модель соответственно, А – адаптер, Ор – оптимизатор, V lim – ограничения по Y, P и Т. М А RWTWT W ПК W ПТЭЭ ZMZM UMUM VMVM Р ZRZR UYP T переменные внешней среды ZРZР Внешняя среда 8 Ор V lim

Методика идентификации моделей объекта в режиме нормальной эксплуатации Этап 1 - сбор и анализ исходной информации об АТК Этап 2 – расчет структуры и параметров динамических моделей объекта Этап 3 - имитационное моделирование АСР и корректировка параметров моделей объекта Этап 4 – получение аппроксимационных моделей расчета ПК и ПТЭЭ Этап 5 - имитационное моделирование работы АТК, корректировка моделей расчета ПК и ПТЭЭ 9

Модели концептуального уровня АМ α РжРж ηжηж G дэ РгРг t ап.зад Р ап.зад GжGж GнGн GвGв GгGг ηнηн ηвηв Р ап Входной коллектор G ж.тр G ж.i η ж.тр Р ж.i η ж.i Р тр Выходная гребенка G г.i РгРг а) б) в) α – степень открытия входной задвижки АМ, %; Рж – давление жидкости перед входной задвижкой, атм; ηж – обводненность жидкости, поступающей в АМ; Gдэ – расход деэмульгатора, добавляемого в жидкость на входе; Рг - давление газа в выходной гребенке, атм; tап.зад – заданное значение температуры нефти в АМ, ºС; Рап.зад – заданное значение давления в АМ, атм. Gж, Gн, Gв, Gг - расходы жидкости в АМ, нефти, воды и газа из АМ соответственно, м3/сут; ηн – обводненность нефти на выходе из АМ, %; ηв – загрязненность воды нефтью на выходе из АМ. 11

Модель топологического уровня установки с четырьмя АМ Входной коллектор АМ 1 G ж.тр, η ж.тр АМ 2 АМ 3 АМ 4 Выходная гребенка P ж.i, ж.i X н.1 X н.2 X н.3 X н.4 Y н.1 Y н.2 Y н.3 Y н.4 G ж.i РгРг G г.i 12

Модель АМ топологического уровня F1F1 F2F2 F3F3 F4F4 F5F5 F6F6 F7F7 F8F8 F9F9 РжРж ж РгРг Р ап.зад t ап.зад G дэ GжGж GнGн GвGв Р ап GгGг в GжGж G гв Р вх.2 t ап блокировка z G н.пр G в.пр 13

Структура функциональных блоков Здесь: Х вх – вектор входных параметров, U – вектор промежуточных переменных, Y вых – вектор выходных параметров, F i.дин. – динамическая часть блока, реализованная в виде передаточной функции, например, вида в виде передаточной функции, например, видаК Т*s + 1 Т*s + 1 F i.ст. – статическая часть блока (в общем случае нелинейная) F i.ст. – статическая часть блока (в общем случае нелинейная) F i.дин F i.ст X вх U Y вых 14 W(s) = e - s

Модели статических частей функциональных блоков АМ F1 – определение расхода жидкости в АМ: Gж = F1(, Рж, Рвх.2, z), где Рвх.2 – давление жидкости после входной задвижки, z – сигнал блокировки по температуре, который генерируется системой ПАЗ для отключения АМ. F2 – функция определения расхода нефти, притекающей в АМ в составе жидкости: Gн.пр = F2(Gж, ж). F3 – функция определения расхода воды, притекающей в АМ в составе жидкости: Gв.пр = F2(Gж, ж). F4 – блок регуляторов межфазного уровня и уровня нефти в АМ: {Gн, Gв} = F4(Gн.пр, Gв.пр). F5 – функция определения количества выделяющегося газа Gгв от расхода жидкости: Gгв = F5(Gж). F6 – блок регулятора давления в аппарате Рап (давление в АМ регулируется сблосом газа в выходную гребенку): {Рап, Рвх.2, Gг} = F6(Gгв, Рг, Рап.зад). F7 – функция определения температуры в аппарате tап; выходным параметром функции является также сигнал блокировки z на отключение АМ: {tап, z} = F7(Gн, tап.зад}. F8 – расчет обводненности нефти н, выходящей из АМ: н = F8(tап, Gдэ, Gн, ж}. н = F8(tап, Gдэ, Gн, ж}. F9 – функция расчета загрязненности воды, выходящей из АМ, в от температуры в аппарате tап и расхода жидкости Gж: в = F9(tап, Gж}. в = F9(tап, Gж}. 16

Оптимизация характеристик АСР Мероприятия по структурной оптимизации: - Установка дополнительного входного сепаратора- смесителя предварительного сброса газа с системой регулирования переменной структуры. - Объединение газовых объемов всех АМ за счет использования выходного газового коллектора с регулятором давления. - Установка входной задвижки с регулятором расхода в АМ в целях парирования возмущений по расходу жидкости. Мероприятия по параметрической оптимизации: - Разнесение рабочих частот регуляторов каждого из АМ при ограничении снизу на интенсивность затухания переходных процессов. - Включение корректирующих звеньев. 17

Структурная оптимизация процесса. Использование сепаратора-смесителя L газ жидкость в аппараты жидкость с промысла Регулятор с изменяющейся структурой Регулятор с изменяющейся структурой LT PT PT – датчик давления LT - уровнемер P L U 18

Результаты оптимизации АСР. Использование входного сепаратора до установки сепаратора после установки Входные давления, атм Давления в аппаратах, атм 19

Уровни нефти в аппаратах, % Температуры в аппаратах, о С Расходы нефти из аппаратов, м 3 /сут Уровни нефти в аппаратах, % Температуры в аппаратах, о С Расходы нефти из аппаратов, м 3 /сут допосле 20

Уровни раздела фаз, % Обводненность нефти, % Загрязненность воды нефтью, г/м 3 Уровни раздела фаз, % Обводненность нефти, % Загрязненность воды нефтью, г/м 3 допосле 21

Сравнение мероприятий по оптимизации АСР МероприятияДостоинстваНедостаткиРекомендации Разнесение рабочих частот регуляторов 1) Обеспечивается приемлемый уровень безопасности для всех режимов, кроме внезапного отключения АМ. 2) Не требуется установка дополнительного оборудования. Плохо парируются возмущения от внезапного отключения АМ Необходимы меры по ограничению скорости изменения входного потока Установка входного сепаратора с регулятором уровня 1) Исключается заброс жидкости в газовый коллектор. 2) Обеспечивается приемлемый уровень безопасности. 1) Возможны незатухающие колебания по давлениям и уровням в АМ. 2) При внезапном отключении АМ уровни и температуры выходят за допустимые пределы. Необходимы меры по ограничению скорости изменения входного потока 22

МероприятияДостоинстваНедостаткиРекомендации Установка входного сепаратора с регулятором давления Парирование практически любых возмущений. Это одно из наиболее эффективных мероприятий по выполнению ограничений на ПК, поддержанию температур и давлений. Возможно переполнение коллектора и заброс жидкости в газовый коллектор. Установка коллектора высотой не менее 10 м Установка входной задвижки с регулятором расхода на один из АМ. Обеспечивается поддержание показателей н и в. Возможны сильные колебания уровней в АМ (около 30 %) Установка регуляторов расхода на все АМ Колебания уровней и расходов воды, нефти и газа при сильных возмущениях находятся в допустимых пределах. 1) Возможны незатухающие колебания. 2) Значительные колебания давления во входной коллекторе Объединение газовых объемов АМ Хорошо парируются возмущения с точки зрения давлений и расходов газа. При сильных возмущениях значительны отклонения показателей н и в. 23

Оптимизация работы АТК по ПТЭЭ Критерии технико-экономической эффективности в оперативном режиме 1. Технологическая выручка (ТВ) ТВ = Qн*Цн, где, Qн – это расход сепарированной нефти (выход нефти); Цн – технологическая цена сепарированной нефти. Цн – технологическая цена сепарированной нефти. Цн = ( эт / н)k*Ц н.эт Затраты на добычу нефти Здоб = Сж*Qж, где Сж – стоимость добычи жидкости на месторождении. Затраты на деэмульгатор Здэ = Сдэ*Qдэ, где Сдэ – стоимость деэмульгатора; Qдэ – расход деэмульгатора: Qдэ = gдэ*Qн. Затраты на топливо зависят кроме стоимости топлива также от расхода жидкости в АМ и поддерживаемой в АМ температуры. Функция затрат принята в виде Зт = Ст*(K8*Qж + K9*tап + K10*tап2), где Ст – стоимость топлива; K8, K9, K10 – коэффициенты, определяемые по данным о расходах топлива и жидкости. 24

Затраты на электроэнергию, расходуемую на перекачку отсепариро- ванной нефти и воды: Q эл = С эл *(K 11 *Q в + K 12 *Q н ), где Сэл – стоимость электроэнергии; K11, K12 – коэффициенты, определяющие затраты электроэнергии на перекачку воды и товарной нефти соответственно. Тогда суммарные затраты составляют: З = З пост + З доб + З дэ + З т + З эл. Расход товарной нефти из АМ может быть рассчитан по соотношению где ж – обводненность поступающей в АМ жидкости, %. Выход воды из АМ может быть определен по формуле Q в = Q ж * ж – Q н * н. 2. Технологическая прибыль (ТП) определяется как разница между технологической выручкой и суммарными затратами: определяется как разница между технологической выручкой и суммарными затратами: ТП = ТВ – З. Результатом выполнения первых двух шагов алгоритма оптимизации является набор коэффициентов Ki аппроксимаций обводненности и затрат. является набор коэффициентов Ki аппроксимаций обводненности и затрат. 25

Процедура оптимизации ПТЭЭ Полученные параметрические модели расчета ПК и ПТЭЭ используются далее для оптимизации процесса. Оптимальное значение технологической прибыли на ограничениях по показателям качества можно определить численными методами, в частности, сканированием области технологических режимов: температуры в АМ и норме деэмульгатора. Предлагается итеративно решать последовательность задач: 1)определяется конечное множество режимов (с заданным шагом дискретизации), для которых выполняются ограничения по ПК Ui={u | G(u) Gдоп, u Uдоп }, 2) определяется режим, для которого ПТЭЭ оптимален Z* = arg{K(Z) opt}, i = 1, 2, …. Ui c остановом процесса оптимизации по заданной точности управлений. 26

Результаты оптимизации режимов по ПТЭЭ Зависимость технологической выручки от температуры Температура, о С Технологическая выручка, млн. руб. Верхний график – при норме деэмульгатора 35 г/т, нижний – при 23 г/т. 27

Зависимость технологической прибыли от температуры Технологическая прибыль, млн. руб. Температура, о С Верхний график – при норме деэмульгатора 35 г/т, нижний – при 23 г/т. 28

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Проведен анализ путей построения АСУТП и разработаны принципы оперативного управления процессами подготовки нефти по ПТЭЭ на примере блочной установки подготовки нефти. Показано, что задача оперативного управления может быть решена на основе иерархической двухуровневой автоматической системы управления в классе модельных систем. 2. Разработана методика расчета элементов АСУТП по ПТЭЭ, включающая разработку методов и средств сбора и анализа исходной информации, методику расчета и оптимизации подсистем нижнего уровня, методику разработки и модели расчета показателей качества и ПТЭЭ, методику построения и оптимизации управляющего элемента подсистемы верхнего уровня. 3. Предложен метод улучшения качества подготовки нефти путем изменения технологии (предложено установить входной сепаратор- смеситель). Разработана АСР с изменяющейся структурой, обеспечивающая поддержание заданного технологического режима и обеспечение безопасности. 4. Разработаны методы оценки эффективности предложенных в работе научно-технических решений на основе моделей и методов имитационного моделирования автоматизированных технологических комплексов подготовки нефти. Представлены рекомендации по конфигурированию системы оперативного управления процессами подготовки нефти на аппаратах типа «Maloney» в зависимости от интенсивности возмущений по расходу и обводненности водо-нефтяной эмульсии. 29