CN113623905B - 油田伴生气回收过程中的冷却水流量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种油田伴生气回收过程中的冷却水流量控制方法，包括：(1)在控制模块中预设好冷凝后的气体温度值t0和大幅调整的允许偏差范围率dt；(2)检测热交换前、后的油田伴生气的温度值t1、t2，以及热交换前、后的冷却水温度值T3、T4，并反馈到控制模块；(3)当︱(t2‑t0)/t0︱>dt时，冷却水自动调节阀的开度需大幅调整，当︱(t2‑t0)/t0︱<dt时，冷却水自动调节阀的开度只需小幅调整；(4)确定冷却水自动调节阀现有的开度值；(5)计算冷却水自动调节阀需调整的新开度值；(6)调整好冷却水自动调节阀的开度后，再回到步骤2，从而实现冷却水流量的循环控制。本发明通过实时、精准地控制冷却水自动调节阀的开度，确保液环压缩机系统高效稳定地工作。
Description
技术领域
本发明属于油田伴生气回收技术领域，具体涉及一种油田伴生气回收过程中的冷却水流量控制方法。
背景技术
油田伴生气，亦即油田在开采的过程中伴随出现或产生的低压天然气，以前都是直接排放或者燃烧处理，这种处理方式无疑会造成环境污染和能源浪费。近年来，本领域技术人员针对油田伴生气的回收利用研发了多种技术方案，其中不少技术方案以申请专利或者发表学术论文的形式公开，或者公开应用于油田的生产实践中。
总的说来，现有的油田伴生气回收技术在保护环境和提高资源利用率方面发挥了积极的作用，然而，现有的油田伴生气回收技术也存在不足，其原因在于，在处理油田伴生气的过程中，现有技术是通过螺杆压缩机系统(油田伴生气回收系统的子系统)来输送和增压，再经其他工序后实现对田伴生气的回收利用。一方面，由于油田伴生气的温度通常高达140℃，而且流量变化较大，最小流量值可能为零，因此经常需要调节回流一些排出的气体到螺杆压缩机的进气口来稳定设备的工作压力；另一方面，螺杆压缩机压缩气体的过程中也会造成较大的温升(一般达到90℃以上)，从而造成螺杆压缩机的排气温升显著加大，导致螺杆压缩机热胀卡死或油滴结焦卡死的故障率增大，致使螺杆压缩机进口气体流量下降明显。而螺杆压缩机进口气体流量下降明显，则会造成气流失速、排压无法上升乃至气体倒流，致使螺杆压缩机产生大幅喘振的现象，严重时，会造成螺杆压缩机零件脱落或损坏。此外，低压天然气中含有较多的水滴，螺杆压缩机前的冷凝器中的冷凝水会随气体吸入到螺杆压缩机中。吸入气体含水量过多时可能造成螺杆压缩机流道堵塞、磨损加剧、振动变大、润滑油乳化和零件生锈等问题。由此可见，螺杆压缩机系统在使用过程存在较多的问题，为保证螺杆压缩机在工作过程温度不会过高，现有技术需要在螺杆压缩机吸入口和排出口都设置冷凝器冷却气体，这种结构设计不仅耗费能量而且后续降温会析出大量液体，对油田伴生气回收系统的后续流程造成较大的负面影响。总之，在油田伴生气回收系统中，通过使用螺杆压缩机系统这一子系统来实现输送和增压的技术方案，其技术效果并不理想。
为了克服螺杆压缩机系统在油田伴生气回收方面所存在的技术缺陷，本发明研究团队研发了一种油田伴生气回收液环压缩机系统，该发明的实质是以液环压缩机系统替代螺杆压缩机系统，从而在总体上改善油田伴生气回收系统的技术效果。在油田伴生气的回收利用方面，较之于目前常用的螺杆压缩机系统，该发明无疑具有显著的进步。当然，在油田伴生气的回收系统中，无论是使用螺杆压缩机系统这一子系统，还是使用液环压缩机系统这一子系统，都存在冷却水流量的控制问题，由于液环压缩机系统具有不同于螺杆压缩机系统的工作原理，简单地套用原有的、应用于螺杆压缩机系统的冷却水流量控制方法，难以充分发挥该发明的技术效果。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种与发明人发明的油田伴生气回收液环压缩机系统相配套的冷却水流量控制方法，以便确保液环压缩机系统高效稳定地工作，并大幅度提高油田伴生气回收的技术效果。
在介绍本发明为实现上述发明目的而采用的技术方案之前，有必要先介绍作为本发明物质技术手段的油田伴生气回收液环压缩机系统，该系统包括第一温度变送器、控制模块、冷凝器、第一压力变送器、回流气自动调节阀、第二温度变送器、液环压缩机、气水分离器、气体回流管路、排气管、第二压力变送器、气水分离器阀门、回水管路、换热器、液环压缩机排出管、液环压缩机进气管路、冷却水自动调节阀、第三温度变送器、冷凝器进口管路、第四温度变送器、液位计、冷却水进水管和冷却水出水管；
冷凝器进口管路依次与冷凝器、液环压缩机进气管路、液环压缩机、液环压缩机排出管和气水分离器连通；冷却水进水管依次与冷凝器和冷却水出水管连通，冷却水自动调节阀设置在冷却水进水管或者冷却水出水管上；
气水分离器的上部与排气管的一端连通，排气管的另一端设有排气口，排气管的侧面设有与气体回流管路连通的开口，回流气自动调节阀设置在气体回流管路上；气水分离器的下部依次与回水管路、换热器和液环压缩机连通；第二压力变送器、气水分离器阀门、液位计分别与气水分离器连通；
第一温度变送器、第一压力变送器、回流气自动调节阀、第二温度变送器、第二压力变送器、气水分离器阀门、冷却水自动调节阀、第三温度变送器、第四温度变送器与控制模块通讯连接。所述控制模块优选单片机、PLC(可编程序控制器)或者工控机。
在上述技术方案中，冷凝器内部的通水管路，与冷凝器连通的冷却水进水管和冷却水出水管，以及设置在冷却水进水管或者出水管上的冷却水自动调节阀，共同构成油田伴生气回收液环压缩机系统中的冷却水系统；
为了实现本发明的目的，以前述油田伴生气回收液环压缩机系统为物质技术手段，本发明提供了一种油田伴生气回收过程中的冷却水流量控制方法，包括以下步骤：
步骤1，在控制模块中预设好冷凝后的气体温度值t0和大幅调整的允许偏差范围率dt；
步骤2，第一温度变送器检测到热交换前的油田伴生气的温度值t1，第二温度变送器检测到热交换后的油田伴生气的温度值t2，第三温度变送器检测到热交换前的冷却水温度值T3，第四温度变送器检测到冷却水热交换后的温度值T4，反馈到控制模块；
步骤3-1，当︱(t2-t0)/t0︱>dt时，冷却水自动调节阀的开度需大幅调整，如果此时t0<t2，而且冷却水自动调节阀的开度为100％，则控制模块发出警报，提示操作人员检查冷却水系统是否有故障，如果没有以上情况，则由控制模块计算出冷却水自动调节阀的开度调整量Ks2；
步骤3-2，当︱(t2-t0)/t0︱<dt时，冷却水自动调节阀的开度只需小幅调整，由控制模块计算出冷却水自动调节阀的开度调整量Ks2；
步骤四，确定冷却水自动调节阀现有的开度值Ks1＝Ks，Ks为重新调整开度前的开度值；
步骤五，计算冷却水自动调节阀需调整的新开度值Ks＝Ks1+Ks2，然后重新调整其开度；
步骤六，调整好冷却水自动调节阀的开度后，再回到步骤2，从而实现冷却水流量的循环控制。
在上述技术方案的基础上，本发明可采用下述附加的技术手段，以便更好地实现本发明的目的：
在执行步骤3-1时，所述冷却水自动调节阀的开度调整量通过经验公式计算如下：
Ks2＝S3*V0*(t1-t2)/(T4-T3)/d2；
式中，V0：液环压缩机的额定抽气量，单位：m3/min；
t1：第一温度变送器检测到的进气温度(亦即热交换前的油田伴生气温度)，单位：℃；
t2：第二温度变送器检测到的排气温度(亦即热交换后的油田伴生气温度)，单位：℃；
T3：第三温度变送器检测到的冷却水进水温度(亦即热交换前的冷却水温度)，单位：℃；
T4：第四温度变送器检测到的冷却水出水温度，单位：℃；
d：冷却水自动调节阀17的通径，单位：m；
S3：冷却水自动调节阀17的开度计算经验系数，通常取值范围：1～10E-5。
进一步地，在执行步骤3-2时，所述冷却水自动调节阀的开度调整量通过经验公式计算如下：
Ks2＝S4*V0*(t1-t2)/(T4-T3)/d2；
式中，S4：冷却水自动调节阀的开度计算经验系数，通常取值范围为：0.5～6E-5。
另需说明的是，在执行上述技术方案中的步骤2时，可以用第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器分别替代所述第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器、第四温度变送器。
本发明的主要有益效果如下：
本发明通过实时、精准地控制冷却水自动调节阀的开度，能够有效地将冷却水的流量控制在合理的区间内，从而确保液环压缩机系统高效稳定地工作，并大幅度提高油田伴生气回收的技术效果。
附图说明
图1是作为本发明的物质技术手段的油田伴生气回收液环压缩机系统的基本结构与工作原理框图；
图2是作为本发明的物质技术手段的油田伴生气回收液环压缩机系统的一个实施例的结构与工作原理示意图；
图3为图2中的进气系统的局部放大图；
图4为图2中的冷却水系统的局部放大图。
图中：
1——第一温度变送器； 2——控制模块；
3——冷凝器； 4——第一压力变送器；
5——回流气自动调节阀； 6——第二温度变送器；
7——液环压缩机； 8——气水分离器；
9——气体回流管路； 10——排气管；
11——第二压力变送器 12——气水分离器阀门；
13——回水管路； 14——换热器；
15——液环压缩机排出管； 16——液环压缩机进气管路；
17——冷却水自动调节阀； 18——第三温度变送器；
19——冷凝器进口管路； 20——第四温度变送器；
21——液位计； 22——冷却水进水管；
23——冷却水出水管。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，以下首先结合附图介绍作为本发明的物质技术手段的油田伴生气回收液环压缩机系统的一个实施例：
如图1并结合图2、图3和图4所示，一种油田伴生气回收液环压缩机系统，包括第一温度变送器1、控制模块2、冷凝器3、第一压力变送器4、回流气自动调节阀5、第二温度变送器6、液环压缩机7、气水分离器8、气体回流管路9、排气管10、第二压力变送器11、气水分离器阀门12、回水管路13、换热器14、液环压缩机排出管15、液环压缩机进气管路16、冷却水自动调节阀17、第三温度变送器18、冷凝器进口管路19、第四温度变送器20、液位计21、冷却水进水管22和冷却水出水管23；
冷凝器进口管路19依次与冷凝器3、液环压缩机进气管路16、液环压缩机7、液环压缩机排出管15和气水分离器8连通，其中，冷凝器进口管路19、冷凝器3内部的通气管路、液环压缩机进气管路16、液环压缩机7和液环压缩机排出管15构成所述液环压缩机系统中的进气系统(参见图3)；冷凝器3内部的通水管路，与冷凝器3连通的冷却水进水管22和冷却水出水管23，以及设置在冷却水进水管22上的冷却水自动调节阀17(冷却水自动调节阀17也可以设置在冷却水出水管23上)，共同构成所述液环压缩机系统中的冷却水系统(参见图4)；
气水分离器8的一侧与排气管10的一端连通，排气管10的另一端设有排气口，排气管10的侧面设有与气体回流管路9连通的开口，回流气自动调节阀5设置在气体回流管路9上；气水分离器8的另一侧依次与回水管路13、换热器14和液环压缩机7连通；第二压力变送器11、气水分离器阀门12和液位计21分别与气水分离器8连通；
第一温度变送器1、第一压力变送器4、回流气自动调节阀5、第二温度变送器6、第二压力变送器11、气水分离器阀门12、冷却水自动调节阀17、第三温度变送器18、第四温度变送器20、液位计21与控制模块2通讯连接。
需要强调的是，为了表述问题的准确和简便，本说明书在部分装置或零部件的名称之前加上了序数词，例如第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器等，不同的序数词仅表明相应的装置或零部件在本发明油田伴生气回收液环压缩机系统中所处的位置和所控制的对象不同，除此以外，序数词并不必然具有其他限定作用。另需说明的是，在实际实施本发明的技术方案时，该实施例中的各温度变送器可以使用相应的温度传感器替代，同样，该实施例中的各压力变送器也可以使用相应的压力传感器替代。此外，该实施例中的控制模块2可以是现有技术中具有相应控制功能的单片机、PLC(可编程序控制器)或者工控机等。
以上，结合附图描述了作为本发明的物质技术手段的油田伴生气回收液环压缩机系统的一个实施例的结构特征，以下进一步介绍其工作过程：
工作时，先通过气水分离器阀门12给气水分离器8供水至一定的液位，工作水经过回水管路13和换热器14流入至液环压缩机7中，此时，可启动液环压缩机7开始抽吸油田伴生气。被抽吸的油田伴生气经冷凝器进口管路19进入到冷凝器3中，冷却水经过冷却水进水管22和冷却水自动调节阀17进入到冷凝器3中与油田伴生气进行换热冷却，然后经冷却水出水管23排出。冷却后的油田伴生气(挟带着部分水分)经液环压缩机进气管路16进入到液环压缩机7中，经压缩后排出到气水分离器8中。挟带着水分的油田伴生气在气水分离器8中分离，分离出来的液态水汇入到工作水中，从气水分离器8的底部流到回水管路13中，经换热器14降温后进入到液环压缩机7中循环使用，而分离出来的气体则经排气管10排出气水分离器8之外，然后通往下一道工序流程中(视具体情况，或者经后续处理程序回收利用，或者经气体回流管路9回到冷凝器3中)。
上述工作过程是在控制模块2的控制下完成的，例如，控制模块2根据第一压力变送器4检测到液环压缩机进气管路16中的油田伴生气的压力值p1(亦即液环压缩机7的进气口压力值)，并将p1和预设的压力值p0比对，来确认是否需要开启自动调节阀5来实现气体回流。
又如，控制模块2根据第一温度变送器1检测到的热交换前的油田伴生气温度值t1，第二温度变送器6检测到的热交换后的油田伴生气温度值t2，温度变送器18检测到的热交换前的冷却水温度值T3，温度变送器20检测到冷却水热交换后的温度值T4，以及液环压缩机7的抽气量来计算所需要的冷却水的流量，从而确定冷却水自动调节阀17的开度。
总的说来，所述油田伴生气回收液环压缩机系统的控制分为回流气体的控制和冷却水流量的控制，这是两个同时进行，但相对独立的过程。以下，具体介绍冷却水流量控制方法，包括以下步骤：
步骤1，在控制模块2中预设好冷凝后的气体温度值t0和大幅调整的允许偏差范围率dt；
步骤2，第一温度变送器1检测到热交换前的油田伴生气的温度值t1，第二温度变送器6检测到热交换后的油田伴生气的温度值t2，第三温度变送器18检测到热交换前的冷却水温度值T3，第四温度变送器20检测到冷却水热交换后的温度值T4，反馈到控制模块2；
步骤3-1，当︱(t2-t0)/t0︱>dt时，冷却水自动调节阀17的开度需大幅调整，如果此时t0<t2，而且冷却水自动调节阀17的开度为100％，则控制模块2发出警报，提示操作人员检查冷却水系统是否有故障，如果没有以上情况，则由控制模块2计算出冷却水自动调节阀17的开度调整量Ks2；
一般说来，控制模块2(单片机、工控机或者PLC等)自带的软件中的算法可以完成冷却水自动调节阀17的开度调整量Ks2的计算，但是，从发明人多次实验的情况看，执行步骤3-1时，按照下述经验公式计算冷却水自动调节阀17的开度调整量Ks2，技术效果更好：
Ks2＝S3*V0*(t1-t2)/(T4-T3)/d2；
式中，V0：液环压缩机的额定抽气量，单位：m3/min；
t1：第一温度变送器1检测到的进气温度(亦即热交换前的油田伴生气温度)，单位：℃；
t2：第二温度变送器6检测到的排气温度(亦即热交换后的油田伴生气温度)，单位：℃；
T3：第三温度变送器18检测到的冷却水进水温度(亦即热交换前的冷却水温度)，单位：℃；
T4：第四温度变送器20检测到的冷却水出水温度(亦即冷却水热交换之后的温度)，单位：℃；
d：冷却水自动调节阀17的通径，单位：m；
S3：冷却水自动调节阀17的开度计算经验系数，通常取值范围：1～10E-5；(该数值范围主要影响的是调节的响应速度，实施本发明时，一般取平均数，可根据实际的调试情况作调整。)
步骤3-2，当︱(t2-t0)/t0︱<dt时，冷却水自动调节阀17的开度只需小幅调整，可由控制模块2计算出冷却水自动调节阀17的开度调整量Ks2；
与步骤3-1类似，控制模块2自带的软件中的算法也可以完成冷却水自动调节阀17的开度调整量的计算，但是，从发明人多次实验的情况看，执行步骤3-2时，按照下述经验公式计算回流气自动调节阀5的开度调整量，技术效果更好：
Ks2＝S4*V0*(t1-t2)/(T4-T3)/d2；
式中，S4：冷却水自动调节阀17的开度计算经验系数，通常取值范围为：0.5～6E-5；(该数值范围主要影响的是调节的响应速度，实施本发明时，一般取平均数，可根据实际的调试情况作调整。)
步骤四，确定冷却水自动调节阀17现有的开度值Ks1＝Ks，Ks为重新调整开度前的开度值；
步骤五，计算冷却水自动调节阀17需调整的新开度值Ks＝Ks1+Ks2，然后重新调整其开度；
步骤六，调整好冷却水自动调节阀17的开度后，再回到步骤2，从而实现冷却水流量的循环控制。
以下，代入实验中的具体数值，进一步说明冷却水流量控制方法：
在该实验中，液环压缩机7的额定抽气量V0＝12m3/min；预设好冷凝后的气体温度值t0＝45℃和大幅调整的允许偏差范围率dt＝10％，所使用的冷却水自动调节阀17的阀门通径为d＝80mm＝0.08m，第一温度变送器1检测到的温度值t1＝80℃，第二温度变送器6检测到的温度值t2＝50℃，第三温度变送器18检测到的温度值T3＝25℃，第四温度变送器20检测到的温度值T4＝40℃S3取值8E-5
此时，︱(t2-t0)/t0︱＝(50-45)/45≈0.11>dt，冷却水自动调节阀17的开度需大幅调整：
Ks2＝0.00008*V0*(t1-t2)/(T4-T3)/d2
＝0.00008*12*(80-50)/(40-25)/0.082＝0.3＝30％
此时，Ks1＝Ks＝0，
计算需调整的冷却水自动调节阀17的开度值Ks＝Ks1+Ks2＝30％，重新调整冷却水自动调节阀17的开度后，再回到步骤2，从而实现冷却水的循坏控制。
Claims (4)
1.一种油田伴生气回收过程中的冷却水流量控制方法，其特征在于：该方法所针对的油田伴生气回收液环压缩机系统包括第一温度变送器、控制模块、冷凝器、第一压力变送器、回流气自动调节阀、第二温度变送器、液环压缩机、气水分离器、气体回流管路、排气管、第二压力变送器、气水分离器阀门、回水管路、换热器、液环压缩机排出管、液环压缩机进气管路、冷却水自动调节阀、第三温度变送器、冷凝器进口管路、第四温度变送器、液位计、冷却水进水管和冷却水出水管；
冷凝器进口管路依次与冷凝器、液环压缩机进气管路、液环压缩机、液环压缩机排出管和气水分离器连通；冷却水进水管依次与冷凝器和冷却水出水管连通，冷却水自动调节阀设置在冷却水进水管或者冷却水出水管上；
气水分离器的上部与排气管的一端连通，排气管的另一端设有排气口，排气管的侧面设有与气体回流管路连通的开口，回流气自动调节阀设置在气体回流管路上；气水分离器的下部依次与回水管路、换热器和液环压缩机连通；第二压力变送器、气水分离器阀门、液位计分别与气水分离器连通；
第一温度变送器、第一压力变送器、回流气自动调节阀、第二温度变送器、第二压力变送器、气水分离器阀门、冷却水自动调节阀、第三温度变送器、第四温度变送器与控制模块通讯连接；该方法包括以下步骤：
步骤1，在控制模块中预设好冷凝后的气体温度值t0和大幅调整的允许偏差范围率dt；
步骤2，第一温度变送器检测到热交换前的油田伴生气的温度值t1，第二温度变送器检测到热交换后的油田伴生气的温度值t2，第三温度变送器检测到热交换前的冷却水温度值T3，第四温度变送器检测到冷却水热交换后的温度值T4，反馈到控制模块；
步骤3-1，当︱(t2-t0)/t0︱>dt时，冷却水自动调节阀的开度需大幅调整，如果此时t0<t2，而且冷却水自动调节阀的开度为100％，则控制模块发出警报，提示操作人员检查冷却水系统是否有故障，如果没有以上情况，则由控制模块计算出冷却水自动调节阀的开度调整量Ks2；
步骤3-2，当︱(t2-t0)/t0︱<dt时，冷却水自动调节阀的开度只需小幅调整，由控制模块计算出冷却水自动调节阀的开度调整量Ks2；
步骤四，确定冷却水自动调节阀现有的开度值Ks1＝Ks，Ks为重新调整开度前的开度值；
步骤五，计算冷却水自动调节阀需调整的新开度值Ks＝Ks1+Ks2，然后重新调整其开度；
步骤六，调整好冷却水自动调节阀的开度后，再回到步骤2，从而实现冷却水流量的循环控制。
2.如权利要求1所述的油田伴生气回收过程中的冷却水流量控制方法，其特征在于：在执行步骤3-1时，所述冷却水自动调节阀的开度调整量通过经验公式计算如下：
Ks2＝S3*V0*(t1-t2)/(T4-T3)/d2；
式中，V0：液环压缩机的额定抽气量，单位：m3/min；
t1：第一温度变送器检测到的进气温度，亦即热交换前的油田伴生气温度，单位：℃；
t2：第二温度变送器检测到的排气温度，亦即热交换后的油田伴生气温度，单位：℃；
T3：第三温度变送器检测到的冷却水进水温度，亦即热交换前的冷却水温度，单位：℃；
T4：第四温度变送器检测到的冷却水出水温度，单位：℃；
d：冷却水自动调节阀的通径，单位：m；
S3：冷却水自动调节阀的开度计算经验系数，取值范围：1～10E-5。
3.如权利要求2所述的油田伴生气回收过程中的冷却水流量控制方法，其特征在于：在执行步骤3-2时，所述冷却水自动调节阀的开度调整量通过经验公式计算如下：
Ks2＝S4*V0*(t1-t2)/(T4-T3)/d2；
式中，S4：冷却水自动调节阀的开度计算经验系数，取值范围为：0.5～6E-5。
4.如权利要求1至3任一项所述的油田伴生气回收过程中的冷却水流量控制方法，其特征在于：执行步骤2时，以第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器分别替代所述第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器、第四温度变送器。
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