Устройство для автоматического контроля температуры гидратообразования природного газа

Устройство для автоматического контроля температуры гидратообразования природного газа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области автоматического контроля условий гидратообразования (температуры гидратообразования) природного газа и может быть использовано в газовой промышленности в производственных условиях добычи, подземном хранении и транспортировке природного газа.

Известна (Гриценко А.И., Алиев З.С., Ермилов О.М., Ремизов В.В., Зотов Г.А. Руководство по исследованию скважин. - М.: Наука, 1995. стр.101-103) установка по определению условий гидратообразования.

Она содержит:

- камеру высокого давления (гидратную камеру), изготовленную из оргстекла;

- термостатирующую рубашку, в которой размещена гидратная камера;

- термостат, соединенный с термостатирующей рубашкой;

- термопару, спай которой размещен в гидратной камере;

- потенциометр, к которому подключена термопара;

- манометр, подключенный к гидратной камере;

- телескопическую лупу, установленную в гидратной камере;

- баллон с газом; пробоотборник, подключенный к баллону с газом;

- ручной пресс, соединенный с пробоотборником и гидратной камерой;

- манифольд, обеспечивающий соединение гидратной камеры с пробоотборником и ручным прессом;

- газовый счетчик.

Известная установка работает следующим образом.

Анализируемый природный газ из баллона подается в пробоотборник и далее через манифольд и ручной пресс, при помощи которого создается требуемое давление, вводится в гидратную камеру, помещенную в термостатирующую рубашку. В процессе определения условий гидратообразования (температуры гидратообразования при созданном ручным прессом давлении) в гидратной камере при помощи термостата понижается и поддерживается нужная температура. При понижении температуры до температуры гидратообразования в гидратной камере образуются гидраты, начало образования которых определяют визуально через телескопическую лупу. Температуру начала образования гидратов, измеренную при помощи термопары в комплекте с потенциометром, принимают за температуру гидратообразования при измеренном при помощи манометра давлении.

Известная установка имеет два основных недостатка:

1. Она не позволяет определять температуру гидратообразования в динамических условиях, т.е. в условиях движения природного газа (т.е. проточного природного газа), что наиболее важно в производственных условиях (например, при добыче природного газа с целью управления процессом предупреждения гидратообразования путем ввода ингибитора или с целью оперативного обнаружения опасности образования гидратов в газопромысловом оборудовании и предупреждения развития аварийной ситуации), а обеспечивает определение температуры гидратообразования природного газа в статических условиях.

2. Для определения температуры гидратообразования требуются значительные затраты труда в течение продолжительного времени, что в производственных условиях не позволяет оперативно контролировать температуру гидратообразования.

Вместе с тем, статические условия определения температуры гидратообразования позволяют получить высокую точность ее определения (если, конечно, не учитывать субъективный фактор, связанный с визуальным методом идентификации начала образования гидратов).

Первый из указанных недостатков устранен в известной установке проточного типа, предназначенной для определения равновесных параметров гидратов (температуры и давления гидратообразования) динамическим методом (Бык С.Ш., Макогон Ю.Ф., Фомина В.И. Газовые гидраты. - М.: Химия, 1980, стр.60).

Это наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату устройство для определения температуры гидратообразования. Оно принято в качестве прототипа.

Известное устройство содержит:

- линии входа и выхода анализируемого природного газа;

- газовый змеевик;

- сатуратор;

- гидратную ячейку;

- термостат, в котором размещены газовый змеевик, сатуратор и гидратная ячейка, манометр и газовые часы, установленные на линии выхода анализируемого природного газа.

Известное устройство работает следующим образом.

Анализируемый природный газ по линии входа газа подается в змеевик, помещенный в термостат, где предварительно охлаждается и далее поступает в сатуратор, заполненный водой. Барботируя через слой воды, анализируемый природный газ увлажняется до насыщенного состояния и далее поступает в гидратную ячейку, выполненную в виде проточной трубки, погруженной в термостат. В гидратной ячейке анализируемый природный газ охлаждается до температуры, созданной в термостате. Конструкция установки предусматривает точно регулируемую подачу анализируемого природного газа и измерение его расхода при помощи газовых часов

Процесс определения температуры гидратообразовывания включает две стадии.

Первой (предварительной) стадией является нарабатывание заметного количества кристаллов гидрата. Это достигается снижением температуры анализируемого природного газа в гидратной ячейке. Нарабатывание заметного количества кристаллов гидрата в гидратной ячейке определяют при помощи манометра по уменьшению давления анализируемого природного газа на выходе проточной трубки или по уменьшению установленного расхода анализируемого природного газа, измеряемого газовыми часами.

Второй стадией является собственно определение равновесной (при текущем постоянном давлении) температуры начала разложения гидратов. Из термодинамики образования кристаллов известно, что температура образования и температура разложения гидрата - это одна и та же температура. Медленно повышая температуру, в гидратной ячейке (посредством повышения температуры в термостате) находят такое его значение, при котором начинается разложение гидрата. Начало разложения гидрата сопровождается заметным скачком давления, наблюдаемым визуально по манометру, в выходной линии установки и увеличением расхода анализируемого природного газа через гидратную ячейку, наблюдаемого по газовым часам.

Расход анализируемого природного газа увеличивается по двум причинам: с одной стороны - в результате разложения гидратов уменьшается гидравлическое сопротивление гидратной ячейки, в которой на первой стадии было наработано заметное количество гидратов, с другой стороны - в результате разложения гидрата из него выделяется дополнительное количество природного газа.

Значение температуры, при котором начинается разложение гидрата, принимают за температуру гидратообразования при данном постоянном давлении.

Основные недостатки этого известного устройства состоят в том, что оно, обеспечивая определение температуры гидратообразования в условиях движения природного газа:

- дает большую погрешность определения температуры гидратообразования, обусловленную тем, что определение последней осуществляется в динамических условиях "медленного" повышения температуры в гидратной ячейке";

- требует значительных затрат труда в течение продолжительного времени, что в производственных условиях не позволяет оперативно контролировать температуру гидратообразования.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы уменьшить погрешность определения температуры гидратообразования анализируемого природного газа в динамических условиях, уменьшить затраты труда на осуществление этой процедуры и увеличить оперативность контроля температуры гидратообразования в производственных условиях добычи, хранения и транспорта природного газа.

Для достижения названного технического результата известное устройство, содержащее: входную и выходную линии анализируемого природного газа; гидратную ячейку, расположенную между этими линиями; датчик температуры (в прототипе - термометр в термостате), датчик давления (в прототипе - манометр) и датчик расхода анализируемого природного газа (в прототипе - газовые часы), установленные на выходной линии анализируемого природного газа, дополнительно содержит:

фильтр механических примесей и жидкой фазы, установленный на входной линии анализируемого природного газа;

первое запорное устройство (например, запорный клапан), установленное на входной линии анализируемого природного газа;

второе запорное устройство, установленное на выходной линии анализируемого природного газа;

вихревую трубку (трубку Ранка), завихритель которой подключен к источнику сжатого (силового) газа;

третье запорное устройство, установленное на линии сброса холодного силового газа из вихревой трубки в линию утилизации (или в атмосферу);

четвертое, запорное устройство, установленное на линии сброса горячего силового газа из вихревой трубки в линию утилизации (или в атмосферу);

пятое запорное устройство, установленное на линии подачи холодного силового газа из вихревой трубки в гидратную ячейку;

шестое запорное устройство, установленное на линии подачи горячего силового газа из вихревой трубки в гидратную ячейку;

регулирующий клапан, установленный на байпасной линии гидратной ячейки;

контроллер, к первому, второму и третьему входам которого подключены, соответственно, датчик температуры, датчик давления и датчик расхода анализируемого природного газа, а к выходам которого подключены первое, второе, третье, четвертое, пятое и шестое запорные устройства, регулирующий клапан и устройство отображения информации (например, жидкокристаллический дисплей).

Устройство для автоматического контроля температуры гидратообразования природного газа показано на чертеже.

Устройство содержит:

- входную линию 1 и выходную линию 2 анализируемого природного газа;

- гидратную ячейку 3;

- датчик температуры (в аналоге - термометр в термостате) 4;

- датчик давления (в аналоге - это манометр) 5;

- датчик расхода анализируемого природного газа, например, дифманометр в комплекте с диафрагмой (в аналоге - это газовые часы) 6, установленный на выходной линии анализируемого природного газа;

- дроссель 7, установленный на выходной линии анализируемого газа;

- фильтр механических примесей и жидкой фазы 8, установленный на входной линии анализируемого природного газа;

- первое запорное устройство (например, запорный клапан) 9, установленное на входной линии анализируемого природного газа;

- второе запорное устройство 10, установленное на выходной линии анализируемого природного газа;

- вихревую трубку (трубку Ранка) 11, завихритель 12 которой подключен к источнику сжатого (силового) газа (например, к газопроводу, сепаратору или другому аппарату). На чертеже источник сжатого газа не пронумерован, так как не является составной частью предлагаемого устройства;

- третье запорное устройство 13, установленное на линии 14 сброса холодного силового газа из вихревой трубки в линию утилизации (на чертеже не пронумерована);

- четвертое запорное устройство 15, установленное на линии 16 сброса горячего силового газа из вихревой трубки в линию утилизации;

- пятое запорное устройство 17, установленное на линии 18 подачи холодного силового газа из вихревой трубки в гидратную ячейку;

- шестое запорное устройство 19, установленное на линии 20 подачи горячего силового газа из вихревой трубки в гидратную ячейку;

- регулирующий клапан 21, установленный на байпасной линии 22 гидратной ячейки;

- контроллер 23, к первому, второму и третьему входам которого подключены, соответственно, датчик температуры, датчик давления и датчик расхода анализируемого природного газа, а к выходам которого подключены первое, второе, третье, четвертое, пятое и шестое запорные устройства и регулирующий клапан;

- устройство отображения информации 24 (например, жидкокристаллический дисплей), подключенное к выходу контроллера;

- регулируемый вентиль 25, установленный на входной линии анализируемого природного газа;

- настроечный вентиль 26;

- втулку с центральным отверстием 27;

- линию силового газа 28;

- линию 29.

Устройство для автоматического контроля температуры гидратообразования природного газа работает в две стадии:

- на первой стадии происходит нарабатывание гидрата в гидратной ячейке 3;

- на второй стадии осуществляется разложение гидрата в замкнутом (ограниченном) объеме гидратной ячейки 3.

При этом первая стадия осуществляется в динамическом режиме, когда имеет место проток анализируемого природного газа через гидратную ячейку, а вторая стадия осуществляется в статическом режиме, когда проток анализируемого природного газа через гидратную ячейку 3 отсутствует. Обе стадии имеют место на каждом шаге поиска температуры гидратообразования, значение которой по окончании поиска выводится на устройство отображения информации 24. Обе стадии и оба режима формируются и автоматически поддерживаются контроллером 23 при помощи запорных устройств 9, 10, 13, 15, 17, 19 и регулирующего клапана 21.

На первой стадии запорные устройства 9, 10, 15 и 17 открыты, а запорные устройства 13 и 19 закрыты. Анализируемый природный газ по входной линии 1 проходит через фильтр 8 регулируемый вентиль 25, первое запорное устройство 9, гидратную ячейку 3, второе запорное устройство 10 в выходную линию 2 и далее через дроссель 7 сбрасывается в линию утилизации (на чертеже позиция не указана). Требуемый расход анализируемого природного газа устанавливают и поддерживают при помощи регулируемого вентиля 25 по показаниям датчика расхода газа 6. Дроссель 7 обеспечивает давление анализируемого природного газа в гидратной ячейке 3, практически равное рабочему давлению анализируемого природного газа в источнике (газопроводе, сепараторе и т.п.) анализируемого природного газа.

В гидратной ячейке 3 анализируемый природный газ охлаждается холодным силовым газом, поступающим из вихревой трубки (трубки Ранка) 11 по линии холодного газа 18 через открытое запорное устройство 17 (при закрытых устройствах 13 и 19).

Вихревая трубка (трубка Ранка) 11 содержит:

- завихритель 12;

- настроечный вентиль 26;

- втулку с центральным отверстием 27.

Вихревая трубка является устройством, обеспечивающим охлаждение анализируемого природного газа и нагрев гидратов в гидратной ячейке 3.

Вихревая трубка работает следующим образом.

Газ из газопровода (на чертеже позиция не указана) по линии 28 силового газа поступает в вихревую трубку 11. Благодаря завихрителю 12 силовой газ вводится тангенциально. Проходя через вихревую трубку 11, силовой газ разделяется на холодный и горячий потоки. Холодный поток проходит через центральное отверстие втулки 27 и отводится в линии 18 и 14, а горячий - в линии 16 или 20.

Гидратная ячейка 3 выполнена в виде двухсекционного кожухотрубного теплообменника, трубки которого выполнены из капилляра. Между секциями этого теплообменника установлены датчик температуры 4 и отборное устройство датчика давления 5. Холодный газ из линии 18 через запорное устройство 17 поступает в межтрубное пространство гидратной ячейки 3, проходит обе секции теплообменника и по линии 29 сбрасывается на утилизацию. Часть холодного силового газа проходит по байпасной линии 22 через регулирующий клапан 21 и также сбрасывается по линии 29 на утилизацию. Величина расхода холодного силового газа по байпасной линии 22 зависит от степени открытия регулирующего клапана 21, степень открытия в свою очередь определяется величиной регулирующего воздействия контроллера 23, к которому подключен регулирующий клапан 21.

Контроллер 23 выполняет в реальном масштабе времени следующие функции:

- сбор и обработку сигналов, поступающих от датчика температуры 4, датчика давления 5 и датчика расхода анализируемого природного газа 6;

- формирование позиционных управляющих воздействий на запорные устройства 9, 10, 13, 15, 17 и 19;

- автоматическое регулирование (стабилизацию на заданном значении) температуры в гидратной ячейке 3 путем формирования регулирующего воздействия на регулирующий клапан 21 (например, по ПИД-закону) в зависимости от ошибки регулирования температуры;

- поиск (с заданной точностью) значения температуры гидратообразования по приведенному ниже алгоритму;

- вывод значения температуры гидратообразования на устройство отображения информации 24.

При запуске устройства в работу контроллер 23 устанавливает запорные устройства 9, 10, 17, 15 в открытое положение, а запорные устройства 13 и 19 в закрытое положение. Холодный силовой газ из вихревой трубки 11 поступает в межтрубное пространство гидратной ячейки и охлаждает анализируемый природный газ, движущийся по трубкам (капиллярам) гидратной ячейки 3. В гидратной ячейке 3 автоматически (контроллером 23) поддерживается заданная температура. Пользователь устанавливает контроллеру 23 (исходя из априорных данных, полученных в результате исследования свойств природного газа, которые всегда имеются до начала эксплуатации и разработки месторождения) возможный диапазон температуры гидратообразования, где - нижнее и верхнее возможное значение температуры гидратообразования, соответственно. Например, если относительная (по воздуху) плотность природного газа равна 0,7 и он находится под давлением, изменение которого возможно в пределах от 4,0 до 8,0 МПа, то, согласно зависимости равновесных параметров гидратообразования природных газов от плотности, приведенной в (Гриценко А.И., Алиев 3.С., Ермилов О.М., Ремизов В.В, Зотов Г.А. Руководство по исследованию скважин. - М.: Наука, 1995, рис.44), температура гидратообразования может изменяться примерно от 13 до 19°С (при давлении 6,0 МПа температура гидратообразования составляет примерно 17-18°С, при давлении 4,0 МПа - примерно 13-14°С, и при давлении 8,0 МПа - примерно 18-19°С). С запасом можно принять и поиск температуры гидратообразования t_го (для произвольного давления, изменяющегося в указанных выше пределах 4,0-8,0 МПа) осуществлять в диапазоне 12≤t_го≤20°С. Поиск температуры гидратообразования осуществляется одним из известных методов последовательных приближений, например, методом деления пополам или методом "золотого сечения". При использовании метода деления пополам контроллер 23 вычисляет первое приближение по формуле

Это значение принимается в качестве заданного значения t_зад=t_го температуры, которое затем поддерживается контроллером 23 в гидратной ячейке 3.

Контроллер 23, выполняя функцию цифрового ПИД-регулятора, получает сигнал о текущем значении t_тек температуры от датчика 4, сравнивает его с заданным значением (т.е. вычисляет ошибку регулирования ε_t=t_зад-t_тек, и по ПИД-закону воздействует на регулирующий клапан 21 до тех пор пока текущее значение температуры в гидратной ячейке 3 не станет равным заданному. Процесс стабилизации температуры в гидратной ячейке 3 осуществляется в течение наперед заданного промежутка времени τ_ст, величину которого определяют опытным путем исходя из следующих соображений.

Величина τ_ст выбирается такой, чтобы за время τ_ст в гидратной ячейке 3 было наработано заметное количество кристаллов гидрата, если, конечно, поддерживаемая в ней температура не выше температуры гидратообразования. Факт загидрачивания ячейки 3 предварительно определяется контроллером 23 по уменьшению расхода анализируемого природного газа, измеряемому расходомером 6. Уменьшение расхода газа может произойти и по другой причине, например, по причине плохой работы фильтра 8 и попадания в гидратную ячейку 3 механических примесей, углеводородного конденсата, пластовой или конденсационной воды, выносимых из газовой скважины. Поэтому, чтобы повысить достоверность идентификации факта загидрачивания ячейки 3, контроллер 23 закрывает запорные устройства 9, 10, 15 и 17 и открывает запорные устройства 19 и 13, обеспечивая тем самым подачу в гидратную ячейку 3 горячего силового газа из вихревой трубки 11. Закрыв запорные устройства 9 и 10, контроллер 23 отсек гидратную ячейку 3 от источника анализируемого природного газа и от линии его утилизации, т.е. перевел гидратную ячейку 3 в статический режим и создал замкнутый (ограниченный) объем гидратной ячейки 3. Горячий силовой газ по линиям 16 и 20 подается в межтрубное пространство ячейки 3, в результате чего гидраты (если они действительно образовались) разлагаются на природный газ и воду. Поскольку разложение гидратов происходит в замкнутом (ограниченном) объеме гидратной ячейки 3 (так как закрыты запорные устройства 9 и 10), то давление в гидратной ячейке 3 резко возрастает, что фиксируется датчиком давления 5, и окончательно подтверждает факт образования гидратов. Известно (Бык С.Ш., Макогон Ю.Ф, Фомина В.И. Газовые гидраты. - М.: Химия, 1980, стр.275), что "при разложении гидрата в ограниченном объеме путем повышения температуры "внутреннее" давление газа высвобождается" и может многократно превысить давление образования гидрата. Известно (Макогон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использования. - М.: Недра, 1985, стр.6, стр. 212), что "Элементарная ячейка гидрата газа состоит из определенного числа молекул воды и газа. Соотношение воды и газа зависит от размера молекул газа-гидратообразователя. Один объем воды в гидратном состоянии связывает в зависимости от характеристики исходного газа от 70 до 300 объемов газа", "например, при разложении гидрата метана, образованного при t=0°С (Р=2,6 МПа), "внутреннее" давление газа в гидрате P_вн=170 МПа) и при нагревании до t=95°С давление газа P_p возрастает до 400 МПа, т.е. давление после разложения гидрата растет в 8,7 раза по сравнению с давлением образования". Именно для создания ограниченного объема гидратной ячейки 3, т.е. отключения ее от источника анализируемого природного газа и от линии утилизации, и создания статических условий для разложения гидратов путем их подогрева в предлагаемом устройстве предусмотрены запорные устройства 9 и 10. Поэтому, если резкий роет давления отсутствует, - причина уменьшения расхода анализируемого природного газа была не в загидрачивании ячейки 3.

Если за время τ_ст гидратная ячейка 3 не загидратилась, значит, температура анализируемого природного газа в ней выше температуры гидратообразования и, следовательно, температуру в гидратной ячейке 3 необходимо уменьшить. Контроллер 23 смещает нижнюю границу диапазона, принимая ее равной величине, вычисленной на предыдущем шаге поиска, т.е. вычисляет новое задание регулятору температуры и стабилизирует его. Процедура сужения интервала поиска происходит до тех пор, пока гидратная ячейка 3 не загидратится.

Температура, при которой происходит загидрачивание гидратной ячейки 3 не обязательно является искомой температурой гидратообразования. Она может быть меньше (но не больше) температуры гидратообразования. Поэтому контроллер 23 делает следующий шаг приближения. Если загидрачивание произошло, то контроллер 23 принимает и снова вычисляет заданное значение температуры в гидратной ячейке 3 по формуле (1). В противном случае контроллер принимает вычисляет заданное значение температуры по той же формуле и автоматически его поддерживает в течение времени τ_ст. Далее процедура повторяется, а интервал поиска с каждым шагом уменьшается вдвое. Так, на первом шаге поиска начальный интервал уменьшится вдвое, на втором шаге - в четыре раза, на третьем - в 8 раз, на четвертом - в 16 раз, на i-м шаге в 2ⁱ - раз. Когда величина интервала поиска станет меньше или равной наперед заданному значению δt, т.е. когда Δt≤δt, поиск прекращается, и вычисляется искомая температура гидратообразования по формуле (1), в которой значения и отличаются друг от друга на величину Δt≤δt. Истинное значение температуры гидратообразования лежит внутри этого малого интервала. Если начальный интервал, как в выше рассмотренном случае, составляет Δt_н=20-12=8°С, то на четвертом шаге он составит т.е. температура гидратообразования на четвертом шаге поиска будет определена с абсолютной погрешностью не более 0,25°С. Значение δt может быть сколь угодно малым, конечно, оно не должно быть меньше абсолютной погрешности датчика температуры 4. При абсолютной погрешности последнего 1°С, что на порядок больше абсолютной погрешности современных датчиков температуры (современные датчики температуры позволяют измерить температуру с абсолютной погрешностью 0,1°С и меньше), абсолютная погрешность определения температуры гидратообразования при задании δt=1°С, будет не больше 0,5°С, что вполне достаточно для оперативного производственного контроля температуры гидратообразования. Вычисленное значение температуры гидратообразования контроллер 23 выводит на устройство отображения информации 24 (например на жидкокристаллический дисплей) и начинает новый цикл определения температуры гидратообразования.

Таким образом, процесс определения температуры гидратообразования природного газа осуществляется автоматически и носит дискретно-непрерывный характер, чем обеспечивается уменьшение затрат труда (практически они исключаются) на его осуществление и повышение оперативности контроля температуры гидратообразования.

Уменьшение погрешности (повышение точности) определения температуры гидратообразования достигается благодаря тему, что предлагаемое устройство определяет ее не по началу появления кристаллов гидрата или по началу разложения гидрата при его медленном нагревании, а по уменьшающемуся интервалу поиска, который формируется устройством при динамическом накоплении гидратов при постоянной (на каждом шаге поиска) температуре в течение времени стабилизации τ_ст, а разложение гидратов осуществляется при статическом режиме в замкнутом (ограниченном) объеме гидратной ячейки, и который (интервал поиска) может быть сколь угодно малым.

Устройство для автоматического контроля температуры гидратообразования природного газа, содержащее входную и выходную линии анализируемого природного газа; гидратную ячейку, расположенную между этими линиями, и датчик расхода газа, установленный на линии анализируемого природного газа, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит: фильтр механических примесей и жидкой фазы, установленный на входной линии анализируемого природного газа; первое запорное устройство (например запорный клапан), установленное на входной линии анализируемого природного газа; второе запорное устройство, установленное на выходной линии анализируемого природного газа; вихревую трубку (трубку Ранка), завихритель которой подключен к источнику силового газа; третье запорное устройство, установленное на линии сброса холодного силового газа из вихревой трубки в линию утилизации (или в атмосферу); четвертое запорное устройство, установленное на линии сброса горячего силового газа из вихревой трубки в линию утилизации (или атмосферу); пятое запорное устройство, установленное на линии подачи холодного силового газа из вихревой трубки в гидратную ячейку, причем гидратная ячейка выполнена в виде двухсекционного кожухотрубного теплообменника, между секциями которого установлены датчик температуры и отборное устройство датчика давления; шестое запорное устройство, установленное на линии подачи горячего силового газа из вихревой трубки в гидратную ячейку; регулирующий клапан, установленный на байпасной линии гидратной ячейки; контроллер, к первому, второму и третьему входам которого подключены, соответственно, датчик температуры, датчик давления и датчик расхода анализируемого природного газа, а к выходам которого подключены первое, второе, третье, четвертое, пятое и шестое запорные устройства, регулирующий клапан и устройство отображения информации (например жидкокристаллический дисплей).