способ регулирования уровня раздела фаз нефть-вода в герметизированных проточных емкостях и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ регулирования уровня раздела фаз нефть-вода в герметизированных проточных емкостях, включающий определение уровня раздела фаз нефти и воды в зависимости от перепада гидростатических давлений между контрольными точками, расположенными в верхней и нижней частях проточной емкости, с последующим формированием управляющего воздействия на скорость отвода воды, отличающийся тем, что в объеме проточной емкости выделяют три контрольные точки, две из которых расположены вверху и внизу его нефтяной части, а третья - в нижней водной части, после чего измеряют гидростатическое давление между контрольными точками в нефтяной части и между контрольными точками вверху нефтяной части и нижней водной части, а управляющее воздействие на скорость отвода воды формируют исходя из величины текущего уровня воды h_a, который определяют как:

h_а=(Р _н-в·h-Р_н-н·Н)/[ _в·h-Р_н-н ],

где h - расстояние между контрольными точками в нефтяной части проточной емкости;

Н - расстояние между контрольной точкой вверху нефтяной части проточной емкости и точкой в ее нижней водной части;

P_н-в - величина гидростатического давления между контрольной точкой вверху нефтяной части проточной емкости и точкой в ее нижней водной части;

P_н-н - величина гидростатического давления между контрольными точками в нефтяной части проточной емкости;

_в - плотность воды.

2. Устройство для регулирования уровня раздела фаз нефть-вода в герметизированных проточных емкостях, включающее датчики гидростатических давлений, распределенные по высоте емкости, соединенные через блок управления с регулирующим клапаном на линии отвода воды из проточной емкости, отличающееся тем, что датчики гидростатических давлений выполнены с возможностью фланцевого крепления к проточной емкости и включают два датчика для измерения давления в нефтяной части проточной емкости и один датчик для измерения давления в ее нижней водной части, при этом первый датчик для измерения давления в нефтяной части проточной емкости связан со вторым датчиком для измерения давления в ее нефтяной части и датчиком для измерения давления в ее нижней водной части через первый и, соответственно, второй преобразователи разности давлений, которые через свои выходы связаны с блоком управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области нефтяной и нефтехимической промышленности и могут быть использованы при регулировании уровня фаз в разнообразных герметизированных проточных емкостях, таких, например, как отстойники, сепараторы, дегидраторы и др.

Известен способ регулирования уровня раздела фаз вода-нефть в дегидраторах, при котором дискретным датчиком измеряют уровень раздела фаз, по которому осуществляют изменение степени открытия регулирующего органа, при этом измерение уровня производят с помощью двухпозиционного датчика с нулевой зоной нечувствительности и в каждом цикле регулирования измеряют текущие значения степени открытия регулирующего органа, на основе которых определяют среднее значение его открытия, а в момент переключения указанного датчика измеряют степень открытия регулирующего органа до получения среднего значения [описание изобретения к патенту РФ №2065195 от 26.02.1991, МПК⁶ G05В 11/28, опубл. 10.08.1996].

Данный способ обеспечивает высокое качество регулировки уровня раздела фаз вода-нефть, но только в случае, если плотность нефти является константой. Но на практике, как известно, бывает так, что плотность нефти существенно изменяется в течение суток, не говоря о днях, например, при смене накопительных резервуаров.

Известен способ регулирования процесса отстоя водонефтяной смеси путем регулирования отвода воды из сепаратора-отстойника, при этом измеряют долевое содержание воды в водонефтяной смеси сравнением гидростатического давления водонефтяной смеси в сепараторе-отстойнике и гидравлического давления воды в водонапорной трубе, размещенной в сепараторе-отстойнике, сравнивают измеренное значение разности гидростатических давлений с заданным значением разности давлений и по разности этих значений формируют управляющий сигнал на регулирующий клапан на линии отвода воды [описание изобретения к патенту РФ №2262528 от 26.05.2004, МПК⁷ С10G 33/08, опубл. 20.10.2005].

Недостатком этого способа является то, что коррективы в систему управления вводятся на основе визуального контроля уровня раздела фаз, т.е. способ подразумевает наличие квалифицированного специалиста. При этом не исключен случай, когда данные визуального контроля могут быть интерпретированы неверно.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому способу является способ автоматического управления процессом отстоя нефтяной эмульсии путем регулирования уровня раздела фаз нефти и воды в зависимости от перепада гидростатических давлений между двумя точками, расположенными в верхней и нижней частях отстойника, за счет учета гидростатического давления воды в эмульсионной фазе нефти измеряют плотность воды, сбрасываемой из отстойника, определяют по измеренной плотности сбрасываемой воды среднюю плотность нефтяной эмульсии между заданными точками, определяют отношения измеренного значения перепада гидростатического давления и разности плотностей сбрасываемой воды и нефтяной эмульсии, и в зависимости от найденного отношения регулируют уровень раздела фаз нефти и воды [описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №722936 от 25.07.1978, М. кл.² С10G 33/00, G05D 27/00, опубл. 25.03.1980, Бюллетень №11]. Способ решает техническую проблему повышения точности регулирования уровня раздела фаз нефти и воды.

На практике, как это упоминалось выше, плотность нефти может существенно изменяться в течение суток. Поэтому недостатком способа является отсутствие влияния на систему управления изменения плотности нефти, что приводит к низкой точности измерения уровня раздела фаз, особенно при малом уровне воды. На практике это проявляется как наличие остаточной воды в дегидратированной нефти или наличие нефти в сбрасываемой воде.

Задача, решаемая первым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в повышении точности определения уровня раздела фаз нефть-вода и, как следствие, в дальнейшем повышении производительности процесса дегидратации водонефтяной смеси в герметизированных проточных емкостях.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в известном способе регулирования уровня раздела фаз вода-нефть в герметизированных проточных емкостях, включающем определение уровня раздела фаз нефти и воды в зависимости от перепада гидростатических давлений между контрольными точками, расположенными в верхней и нижней частях проточной емкости, с последующим формированием управляющего воздействия на скорость отвода воды, в объеме проточной емкости выделяют три контрольные точки, две из которых расположены вверху и внизу его нефтяной части, а третья - в нижней водной части, после чего измеряют гидростатическое давление между контрольными точками в нефтяной части и между контрольными точками вверху нефтяной части и нижней водной части, а управляющее воздействие на скорость отвода воды формируют исходя из величины текущего уровня воды h_в, который определяют как:

h_в=(Р_н-в×h-Р _н-н×H)/[ _в×h-Р_н-н ],

где h - расстояние между контрольными точками в нефтяной части проточной емкости;

Н - расстояние между контрольной точкой вверху нефтяной части проточной емкости и точкой в ее нижней водной части;

Р_н-в - величина гидростатического давления между контрольной точкой вверху нефтяной части проточной емкости и точкой в ее нижней водной части;

P_н-н - величина гидростатического давления между контрольными точками в нефтяной части проточной емкости;

_в - плотность воды.

Среди устройств уровнеметрии особое место занимают ультразвуковые датчики уровня раздела фаз [Каталог ЗАО «Альбатрос»/Устройства уровнеметрии и средства автоматизации. - М.: 1999, с.IV-1, IV-2, XI-1 и XI-2]. Датчики предназначены для контроля и регулирования, в частности, уровня раздела сред многофазных жидкостей (нефть-эмульсия-подтоварная вода), определяемого положением поплавка датчика, скользящего по чувствительному элементу датчика.

Общим недостатком таких устройств является то, что с течением времени чувствительные элементы датчиков покрываются смолистыми веществами и другими загрязнениями, что значительно снижает точность их показаний.

Известно устройство для регулирования уровня раздела фаз нефть вода в дегидраторах, содержащее двухпозиционный датчик уровня раздела фаз, выходом подсоединенный к выходу регулятора, и исполнительный орган, при этом регулятор содержит интеграторы, блок выделения моментов переключения датчика уровня раздела фаз, сумматор и ключевой элемент, соединенные в соответствующую логическую цепочку, а датчик уровня раздела фаз выполнен с нулевой зоной нечувствительности [описание изобретения к патенту РФ №2058572 от 26.02.1991, МПК ⁶ G05В 11/26, G05D 9/12, опубл. 20.04.1996].

Определение в каждом цикле регулирования величины регулирующего воздействия, соответствующего равновесному состоянию системы, имеет свои недостатки, связанные с большим разбросом показателей значений регулирующих воздействий, что в случае нестабильной плотности водонефтяной смеси делает данное устройство практически неработоспособным.

Так же известно устройство для регулирования процесса отстоя водонефтяной смеси, содержащее датчики гидростатических давлений, соединенные через регулятор с регулирующим клапаном на линии отвода воды из сепаратора-отстойника, содержащее датчик разности гидростатического давления водонефтяной смеси в сепараторе-отстойнике и гидростатического давления воды в водонапорной трубе, установленной в сепараторе-отстойнике, верхний конец которой размещен в зоне накопления нефти ниже переливной перегородки, а нижний конец соединен со входом датчика разности давлений, к другому входу которого подсоединен патрубок для отбора давления в зоне накопления воды, выход датчика разности давлений соединен со входом регулятора, на второй вход которого попадается сигнал заданного значения разности давлений, при этом выход регулятора соединен с регулирующим клапаном на линии отвода воды [описание изобретения к патенту РФ №2262528 от 26.05.2004, МПК⁷ С10G 33/08, опубл. 20.10.2005].

Недостатком этого устройства является то, что система управления оперирует данными ненадежного визуального контроля уровня раздела фаз, собираемыми и оцениваемыми человеком со свойственными ему ошибками в оценках. Вероятность появления данных ошибок существенно возрастает в случае изменения физических показателей водонефтяной смеси.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому техническому решению в части устройства является устройство, реализующее способ автоматического управления процессом отстоя нефтяной эмульсии в специальном отстойнике, который относится к типовым герметизированным проточным емкостям, включающем датчики гидростатических давлений, размещенные по высоте, соединенные через блок управления с регулирующим клапаном на линии отвода воды из проточной емкости [описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №722936 от 25.07.1978, М. кл. ² С10G 33/00, G05D 27/00, опубл. 25.03.1980, Бюллетень №11].

Недостатком устройства является то, что малое изменение плотности водонефтяной смеси требует дополнительной настройки системы управления, при этом сознательно идут на ограничение производительности проточной емкости, а это, как правило, приводит к наличию нефти в сбрасываемой воде. Например, в электродегидраторах поднятие уровня воды выше некоторого значения приводит к короткому замыканию в аппарате, снижению эффективности его работы, вплоть до аварийной ситуации в последующем технологическом оборудовании.

Задача, решаемая вторым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в повышении точности регулирования уровня раздела фаз нефть-вода, в дальнейшем повышении производительности герметизированных проточных емкостей, и повышении общей надежности системы управления процессом разделения.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в известном устройстве для регулирования уровня раздела фаз нефть-вода в герметизированных проточных емкостях, включающем датчики гидростатических давлений, распределенные по высоте емкости, соединенные через блок управления с регулирующим клапаном на линии отвода воды из проточной емкости, при этом датчики гидростатических давлений выполнены с возможностью фланцевого крепления к проточной емкости и включают два датчика для измерения давления в нефтяной части проточной емкости, и один датчик для измерения давления в ее нижней водной части, при этом первый датчик для измерения давления в нефтяной части проточной емкости связан со вторым датчиком для измерения давления в ее нефтяной части и датчиком для измерения давления в ее нижней водной части через первый и, соответственно, второй преобразователи разности давлений, которые через свои выходы связаны с блоком управления.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид герметизированной проточной емкости, оснащенной устройством для регулирования уровня раздела фаз нефть-вода; на фиг.2 - фрагмент герметизированной проточной емкости

Устройство для регулирования уровня раздела фаз нефть-вода в герметизированных проточных емкостях 1, обеспечивающее реализацию способа, включает датчики 2, 3 и 4 гидростатических давлений, распределенные по высоте емкости 1, соединенные через блок управления 5 с регулирующим клапаном 6 на линии 7 отвода воды из проточной емкости 1, при этом датчики 2, 3 и 4 гидростатических давлений выполнены с возможностью фланцевого 8 крепления к проточной емкости 1 и включают два датчика 2 и 3 для измерения давления в нефтяной 9 части проточной емкости 1, и один датчик 4 для измерения давления в ее нижней 10 водной части, при этом первый датчик 1 для измерения давления в нефтяной 9 части проточной емкости 1 связан со вторым датчиком 2 для измерения давления в ее нефтяной 9 части и датчиком 3 для измерения давления в ее нижней водной 10 части через первый 11 и, соответственно, второй 12 преобразователи разности давлений, которые через свои выходы 13 и 14 связаны с блоком управления 5.

В общем случае способ регулирования уровня раздела фаз нефть-вода в герметизированных проточных емкостях 1 заключается в определении уровня раздела фаз нефти и воды в зависимости от перепада гидростатических давлений между контрольными точками, расположенными в верхней и нижней частях проточной емкости 1, с последующим формированием управляющего воздействия на скорость отвода воды. Для этого в объеме проточной емкости 1 выделяют три контрольные точки, соответствующие датчикам 2, 3 и 4, две из которых - 2 и 3 - расположены вверху (2) и внизу (3) его нефтяной 9 части, а третья - 4 - в нижней водной 10 части, после чего измеряют гидростатическое давление между контрольными точками 2 и 3 в нефтяной 9 части и между контрольными точками 2 и 4 вверху нефтяной 9 части и нижней 10 водной части, а управляющее воздействие на скорость отвода воды формируют исходя из величины текущего уровня воды h_в, который определяют как:

h_в=(Р_н-в×h-Р _н-н×H)/[ _в×h-Р_н-н ],

где h - расстояние между контрольными точками 2 и 3 в нефтяной 9 части проточной емкости 1;

Н - расстояние между контрольной точкой 2 вверху нефтяной 9 части проточной емкости 1 и точкой 4 в ее нижней водной 10 части;

Р _н-в - величина гидростатического давления между контрольной точкой 2 вверху нефтяной 9 части проточной емкости 1 и точкой 4 в ее нижней водной 10 части;

P_н-н - величина гидростатического давления между контрольными точками 2 и 3 в нефтяной 9 части проточной емкости 1;

_в - плотность воды.

Плотность соленой воды _в для каждого конкретного аппарата изменяется, как правило, в малых пределах и поэтому ее уместно задать в блоке управления 5 в качестве некой постоянной величины.

Преимуществом заявленного способа регулирования уровня раздела фаз нефть-вода и устройства для его осуществления является то, что в объеме проточной емкости 1 одновременно измеряют как границу фаз, так и плотность водонефтяной смеси, а управляющее воздействие на скорость отвода воды формируют исходя из анализа сразу двух этих показателей. Таким образом, исполнительное устройство в итоге оперирует величиной текущего уровня воды h _в, актуальной на данный момент времени. В общем случае он определяется как

h_в=(Р _н-в×h-Р_н-н×H)/[ _в×h-Р_н-н ],

но если для измерения гидростатических давлений используются датчики, передающие давление на преобразователь посредством капиллярных трубок, то в формулу необходимо добавить некую константу, учитывающую плотность среды капилляра, например плотность силиконового масла.

В уровне техники отсутствует информация об использовании для разделения многофазных жидкостей таких технических решений.

Способ регулирования уровня раздела фаз нефть-вода в герметизированных проточных емкостях рассмотрим на примере работы соответствующего устройства, которое реализуется на базе трех датчиков - фланцевых плоских разделителей S-PK DN80, один из которых имеет два выхода, а два - по одному выходу, и двух измерительных преобразователей разности давлений APR-2200PZ/Ex/-50+50 кПа, выпускаемых серийно (см., например, Каталог изделий ООО «АПЛИСЕНС» / Преобразователи давления. Преобразователи разности давлений. Гидростатические уровнемеры. - М.: 2005, №1, с.34 и 35).

Водонефтяная смесь постоянно подается в проточную емкость 1, где разделяется на две фазы - нефть и воду. Обезвоженная нефть и насыщенная различными солями вода отводятся на дальнейшую переработку и на утилизацию соответственно.

Первый преобразователь 11 давления измеряет разность давлений между первым и вторым фланцевыми разделителями (датчики 2 и 3) - в нефтяной 9 части проточной емкости 1, второй преобразователь 12 - между первым и третьим фланцевыми разделителями (датчики 2 и 4) - в его нефтяной 9 и водной 10 частях.

Плотность воды _в задается в блок управления 5 в качестве const.

Сигнал, поступающий с преобразователя 11 (датчики 2 и 3), пропорционален Р_н-н= _н×h,

где _н - текущая плотность водонефтяной смеси.

Сигнал, поступающий со второго преобразователя 12 (датчики 2 и 4), пропорционален P_н-в= _н×(H-h_в )+ _в×h_в.

После вычисления текущего значения плотности водонефтяной смеси _н=Р_н-н/h можно определить величины текущего уровня воды h_в :

h_в=(Р_н-в×h-Р _н-н×Н)/[ _в×h-Р_н-н ].

Выходной сигнал с каждого преобразователя в диапазоне 4÷20 мА поступает через барьер искрозащиты S 2Ex-Z-24, для дальнейшей обработки в блоке управления 5. Уровень воды, текущая плотность нефти отражаются на специальном индикаторе (не показан) блока управления 5.

В блоке управления 5 формируется сигнал 4÷20 мА пропорциональный уровню воды h_в в проточной емкости 1, который передается на регулирующий клапан 6 через электрический регулятор 15 (например, регулятор CU200UI). Клапан 6 осуществляет отвод насыщенной солями избыточной воды из проточной емкости 1, т.е. реализуется функция автоматической регулировки уровня раздела фаз.

В результате использования изобретений достигается технический результат, выражающийся в повышении точности определения уровня раздела фаз нефть-вода в разнообразных герметизированных проточных емкостях и дальнейшем повышении производительности процесса дегидратации водонефтяной смеси, при этом дополнительно повышаются точность регулирования процесса и общая надежность системы управления.