PL183996B1

PL183996B1 - Sposób kontroli procesu napełniania, względnie opróżniania podziemnego zbiornika z płynu

Info

Publication number: PL183996B1
Application number: PL97323376A
Authority: PL
Inventors: Joerg Hartan; Ingo Gatzke; Helfried Zipper
Original assignee: Verbundnetz Gas; Verbundnetz Gasag
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 2002-08-30
Also published as: EP0848204A2; PL323376A1; DE19653725C1; EP0848204A3

Abstract

1. Sposób kontroli procesu napelniania, wzglednie oprózniania podziemnego zbiornika z plynu, polegajacy na pomiarze cisnienia plynu w glowicy wiertniczej, zna- mienny tym, ze: a) najpierw, przy braku przeplywu plynu w pionowym przewodzie tloczacym (2) mierzy sie mier- nikiem cisnienia (9) cisnienie (PK ) w glowicy wiertni- czej (3) i miernikiem temperatury (10) temperature (TS p ) plynu w pionowym przewodzie tloczacym (2), wzglednie rurociagu (5), i na podstawie tych pomiarów, oraz spadku cisnienia wynikajacej z róznicy wysokosci (6) miedzy podziemnym zbiornikiem (1), a glowica wiertni- cza (3), a takze znanej objetosci (Vsp) podziemnego zbior- nika (1) i znanych wlasciwosci plynu w pionowym prze- wodzie tloczacym (2), wzglednie rurociagu (5) wyznacza sie cisnienie wewnetrzne (PS p ) 1 calkowita objetosc (VS p ) plynu zmagazynowanego w podziemnym zbiorniku (1), potem b) przy przeplywie plynu w pionowym przewodzie tloczacym (2) mierzy sie cisnienie (PK ) w glowicy wiert- niczej (3) i temperature (TS p ) plynu w pionowym prze- wodzie tloczacym (2), wzglednie rurociagu (5), 1 na podstawie tych pomiarów, oraz z róznicy cisnien (?p) miedzy cisnieniem wewnetrznym (Psp ) w podziemnym zbiorniku ( 1 ) , a chwilowym cisnieniem ( P K) w glowicy wiertniczej (3), okresla sie za pomoca jednostki steru- jaco-analizujacej (14) szybkosc przeplywu (v) i stru- mien objetosciowy (qV N ) plynu, .................................. Fig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób kontroli procesu napełniania, względnie opróżniania podziemnego zbiornika z płynu, polegający na pomiarze ciśnienia płynu w głowicy wiertniczej.

Warunki przepływu płynu z podziemnego zbiornika są określane przez pomiar szybkości przepływu, lub strumienia objętościowego w pionowym przewodzie tłoczącym płyn ze zbiornika.

Znane dotychczas rozwiązania dotyczące pomiaru szybkości przepływu, lub strumienia objętościowego bazują na sposobach pomiaru ilości przepływającego płynu za pomocą zwężek, dysz, rurek spiętrzających i podobnych elementów. Najpierw mierzy się ciśnienie, lub różnicę ciśnień od strony odbiorców płynu, i na tej podstawie oblicza się za pomocą przemienników szybkość przepływu, lub strumień objętościowy, który następnie przetwarza w układzie sterowania i nadzorowania pracy zbiornika, umożliwiającym wykrycie pęknięć rur.

183 996

Sterowanie procesem transportu płynu bazuje na określonych wielkościach szybkości przepływu, a przy wykryciu krytycznych wielkości następuje zamknięcie określonych zaworów.

W celu dostosowania instalacji pomiarowej do szerokiego zakresu mierzonych wielkości, wynikającego z normalnej pracy instalacji i jej awarii (na przykład pęknięcie rury), konieczne jest zastosowanie dużej liczby różnicowych czujników ciśnienia, co zwiększa koszty instalacji pomiarowej. Ponadto, bezpośredni kontakt czujników z płynem, na przykład z gazem, może spowodować ich uszkodzenie, w wyniku osadzania się hydratów, a tym samym generację błędnych danych.

Z niemieckiego opisu patentowego nr DE 0153737 znane jest urządzenie do pomiaru natężenia przepływu w rurociągach instalacji chemicznych. Pomiar natężenia przepływu bazuje na określeniu szybkości przepływu płynu w rurociągach przez pomiar ciśnienia całkowitego i statycznego. Ciśnienie mierzone jest za pomocą mierników ciśnienia umieszczonych w odgałęzieniach rurociągu.

Z niemieckiego opisu patentowego nr DE 3241783 znane jest urządzenie do pomiaru strumienia powietrza w silniku spalinowym, które bazuje na różnicy ciśnień między wlotem i wylotem powietrza do- i z dławika.

Opisane powyżej rozwiązania urządzeń do pomiaru strumienia przepływu płynu nie nadają się do kontroli procesów napełniania i opróżniania podziemnych zbiorników magazynowych.

Dla pomiarów dwukierunkowych, to jest stosowanych do procesów napełniania i opróżniania zbiorników, konieczne jest zastosowanie dwóch niezależnych, lub zespolonych urządzeń pomiarowych, takich jak zwężki pomiarowe, przyrządy ultradźwiękowe, lub systematyczne sondy spiętrzające. Jest to związane z wysokimi nakładami i czasochłonnością instalacji pomiarowej.

Znane układy sterowania bazujące na pomiarach ciśnienia służą wyłącznie do rozpoznania pęknięcia rur, przez co nie są przydatne do napełniania i opróżniania zbiorników. Podstawą sterowania bazującego na ciśnieniu jest przede wszystkim określenie szybkości przepływu płynu przy głowicy sondy pomiarowej. W przypadku pęknięcia rury szybkość przepływu płynu gwałtownie wzrasta, a ciśnienie przy głowicy sondy pomiarowej znacznie przekracza ustalone ciśnienie minimalne, dostosowane do normalnej pracy instalacji przesyłowej. Ciśnienie w zbiorniku magazynowym, a więc i przy głowicy sondy pomiarowej, zależy od ilości zmagazynowanego płynu, na przykład gazu. Ponadto ciśnienie płynu w całkowicie napełnionym zbiorniku naziemnym różni się jednak od ciśnienia płynu w całkowicie napełnionym zbiorniku podziemnym. W celu kontroli zbiorników magazynowych o różnym stopniu napełnienia płynem konieczne jest ciągłe dopasowywanie wartości granicznych wyłączników ciśnieniowych. Ponadto, tego typu układy sterujące nie rozpoznają pęknięć rurociągów w miejscach, gdzie opory przepływu są znacznie większe niż opory przepływu w innych miejscach przewodu przesyłowego i głowicy sondy pomiarowej.

W znanych układach sterowania bazujących na zmianach ciśnienia, do detekcji pęknięć rur wykorzystuje się zjawisko skokowego wzrostu ciśnienia. Taki sposób kontroli umożliwia samoczynne dopasowanie się układu sterującego do różnych ciśnień roboczych, w zależności od stopnia napełnienia podziemnego zbiornika, a także detekcję pęknięć rur. Jednakże, czułość takiego sposobu sterowania jest zbyt mała, aby mógł być stosowny do kontroli instalacji przeznaczonej do przepływu płynów ściśliwych. Proces napełniania i opróżniania podziemnych zbiorników nie może więc być kontrolowany za pomocą układów sterujących bazujących jedynie na zmianach ciśnienia.

Opisane powyżej znane rozwiązania mogą być przystosowane do dokładniejszej kontroli rurociągów, ale tylko przy znaczącej modyfikacji układu pomiarowego i dużym nakładzie kosztów. Wynika to z faktu, że rozdzielczość detekcji szybkości przepływu płynu przez układ sterujący kontrolujący rurociąg, jest bardzo mała. Mała rozdzielczość detekcji jest wystarczająca do wykrycia dużych pęknięć rur, ale nie do detekcji upływów i niewielkich pęknięć. '

Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu kontroli procesu napełniania, względnie opróżniania podziemnego zbiornika z płynu, który znacznie zredukuje aparaturę

183 996 pomiarową, umożliwi kontrolę napełniania i opróżniania zbiorników za pomocą jednego układu sterującego, oraz zwiększy czułość detekcji upływów płynu, a tym samym wyeliminuje niedogodności znanych dotychczas podobnych sposobów kontroli.

Cel wynalazku zrealizowano w sposobie kontroli procesu napełniania, względnie opróżniania podziemnego zbiornika z płynu, którego istota polega na tym, że najpierw,

a) przy braku przepływu płynu w pionowym przewodzie tłoczącym mierzy się miernikiem ciśnienia, ciśnienie w głowicy wiertniczej i miernikiem temperatury, temperaturę płynu w pionowym przewodzie tłoczącym, względnie rurociągu, i na podstawie tych pomiarów, oraz spadku ciśnienia wynikającej z różnicy wysokości między podziemnym zbiornikiem, a głowicą wiertniczą, a także znanej objętości podziemnego zbiornika i znanych właściwości płynu w pionowym przewodzie tłoczącym, względnie rurociągu, wyznacza się ciśnienie wewnętrzne i całkowitą objętość płynu zmagazynowanego w podziemnym zbiorniku. Potem, b) przy przepływie płynu w pionowym przewodzie tłoczącym mierzy się ciśnienie w głowicy wiertniczej i temperaturę płynu w pionowym przewodzie tłoczącym, względnie rurociągu, i na podstawie tych pomiarów, oraz z różnicy ciśnień między ciśnieniem wewnętrznym w podziemnym zbiorniku, a chwilowym ciśnieniem w głowicy wiertniczej, określa się za pomocą jednostki sterująco-analizującej szybkość przepływu i strumień objętościowy płynu, oraz porównuje się wyznaczoną szybkość przepływu z zachowanymi w pamięci jednostki sterującoanalizującej wartościami granicznymi, po przekroczeniu których następuje ingerencja w przebieg procesu. Następnie, c) strumień objętościowy płynu sumuje się w czasie, w wyniku czego otrzymuje się ilość wprowadzonego do- lub wyprowadzonego z podziemnego zbiornika płynu, oraz dodaje się do tej wartości objętość początkową płynu, po czym na podstawie całkowitej objętości płynu, objętości podziemnego zbiornika, temperatury i właściwości płynu, wyznacza się nową wielkość ciśnienia wewnętrznego w podziemnym zbiorniku, a następnie kontynuuje postępowanie jak w etapie b) i proces kontroli powtarza się cyklicznie aż do momentu całkowitego napełnienia, lub opróżnienia podziemnego zbiornika.

Przy określeniu wielkości szybkości przepływu w pionowym przewodzie tłoczącym równej, lub większej od wielkości granicznej, najpierw generuje się za pomocą jednostki sterująco-analizującej sygnał ostrzegawczy, a następnie zamyka się zawór bezpieczeństwa i zawór główny głowicy wiertniczej, oraz zawór odcinający rurociągu.

Zaletą sposobu według wynalazku kontroli procesu napełniania, względnie opróżniania podziemnego zbiornika z płynu jest możliwość dokładnej kontroli szybkości dwukierunkowego przepływu płynu za pomocą jednej i prostej aparatury pomiarowej, umożliwiającej szybkie wykrycie nawet niewielkich upływów płynu. Ponadto, kontrola sposobem według wynalazku umożliwia napełnianie, lub opróżnianie zbiorników przy maksymalnych szybkościach przepływu płynu, czyniąc cały proces bardzo ekonomicznym w realizacji.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat podziemnego zbiornika z gazem, oraz instalacji do eksploatacji gazu, fig. 2 - schemat blokowy algorytmu wyznaczania współczynników służących do dopasowania sterowania przebiegiem procesu opróżniania zbiornika do warunków technicznych, fig. 3 - schemat blokowy algorytmu, określającego wyznaczenie wielkości niezbędnych do kontroli procesu eksploatacji płynu z podziemnego zbiornika, fig. 4 - schemat blokowy algorytmu cyklicznego sterowania procesem eksploatacji płynu z podziemnego zbiornika, a fig. 5 - schemat instalacji pomiarowej do realizacji sposobu kontroli procesu eksploatacji płynu z podziemnego zbiornika.

Przy realizacji wynalazku zakłada się, że podziemny zbiornik ma dużą objętość i pomijalnie małe opory przepływu, dzięki czemu zawarty w nim płyn ma w przybliżeniu stałe właściwości fizyko-chemiczne. Podziemne zbiorniki nie są wyposażone w mierniki ciśnienia zawartego w nim płynu, które jest niezbędne do prawidłowej kontroli procesu napełniania, lub opróżniania. Zgodnie z wynalazkiem, ciśnienie wewnętrzne zbiornika i szybkość przepływu płynu określa się nie w drodze bezpośredniego pomiaru, lecz na podstawie dwóch wielkości mierzonych, oraz szeregu znanych i wyznaczanych parametrów: objętości geometrycznej i kształtu podziemnego zbiornika, właściwości fizycznych płynu w zbiorniku, ilości zmagazynowanego płynu, oraz temperatury płynu w pionowym przewodzie tłoczącym, lub

183 996 w rurociągu, oraz różnicy poziomów między zbiornikiem i głowicą wiertniczą. Objętość podziemnego zbiornika magazynowego i właściwości fizyczne zawartego w nim płynu są znane. Podziemny zbiornik 1, stanowiący na przykład złoże w którym jest zmagazynowany płyn podlegający użyciu kontroli sposobem według wynalazku, na przykład

gaz ziemny o gęstości 0,79 kg/m3 charakteryzuje się następującymi parametrami:

- głębokość środkowego punktu zbiornika:

- maksymalne ciśnienie wewnętrzne Ps_p:

- minimalne ciśnienie wewnętrzne Ps_p:

- objętość zbiornika V_ge<,:

- średnia temperatura w zbiorniku:

- średnica pionowego przewodu tłoczącego 2

544,7 m 100 bar 15 bar 194117m³20°C (293,15 K) 200mm (DN 200)

W podziemnym zbiorniku 1 (Fig 5) jest osadzony pionowy przewód tłoczący 2, połączony swym przeciwnym końcem z głowicą wiertniczą 3. Głowica wiertnicza 3 jest wyposażona w miernik ciśnienia 9, oraz w odcinający zawór główny 8 i odcinający zawór bezpieczeństwa 4, z którym jest połączony rurociąg 5, wyposażony w zawór odcinający 11 i miernik temperatury 10.

Miernik ciśnienia 9 głowicy wiertniczej 3 i miernik temperatury 10 rurociągu 5 są swymi wyjściami połączone z wejściem jednostki sterująco-analizującej 14, odpowiednio za pomocą przewodów sygnalizacyjnych 12 i 13. Na podstawie zmierzonych wielkości ciśnienia i temperatury, za pomocąjednostki sterująco-analizującej 14 ustala się następujące parametry techniczne: szybkość przepływu v płynu, strumień objętościowy qvN płynu, ciśnienie wewnętrzne Ps_p w podziemnym zbiorniku 1, oraz całkowitą objętość Vn płynu zawartego w podziemnym zbiorniku 1.

Jednostka sterująco-analizująca 14 jest połączona na wyjściu z zamykającym zaworem bezpieczeństwa 4, zamykającym zaworem głównym 8 głowicy wiertniczej 3, oraz z zaworem zamykającym 11 rurociągu 5, odpowiednio za pomocą przewodów 16, 17 i 18, a także ze stanowiskiem kontroli, za pomocą przewodów pomiarowo-sterujących 15.

Na fig.2, 3 i 4 przedstawione są kolejne czynności sposobu kontroli opróżniania z płynu podziemnego zbiornika według wynalazku. Zawarte w przedstawionych poniżej zależnościach symbole oznaczają: d - średnicę rurociągu 5, rho - gęstość płynu w podziemnym zbiorniku 1, Ts_p - temperaturę płynu w podziemnym zbiorniku 1, Tn - temperaturę płynu w stanie normalnym, Pn - ciśnienie płynu w stanie normalnym, Psp - ciśnienie wewnętrzne podziemnego zbiornika 1, Vsp - objętość podziemnego zbiornika 1, kh - współczynnik korekcyjny uwzględniający przyrost ciśnienia wskutek określonej głębokości punktu środkowego podziemnego zbiornika 1, qV - strumień objętościowy płynu, Ap - różnicę ciśnień, Pk - ciśnienie w głowicy wiertniczej 3, Zsp - współczynnik płynu w warunkach roboczych, Vn całkowitą objętość płynu w podziemnym zbiorniku 1, v - szybkość przepływu płynu, VNalt - objętość początkową płynu przed procesem opróżniania podziemnego zbiornika 1

Przed rozpoczęciem procesu eksploatacji płynu z podziemnego zbiornika 1, najpierw wyznacza się z zależności I i II (fig. 2) współczynniki K3 i K2 dopasowania kontroli do aktualnych warunków technicznych podziemnego zbiornika 1 i oprzyrządowania, na podstawie całkowitej objętości podziemnego zbiornika 1, głębokości 6 jego środkowego punktu, właściwości termodynamicznych zmagazynowanego w nim płynu, oraz przekroju poprzecznego rurociągu 5.

Następnie, z zależności (III) (fig. 2) wyznacza się kolejny współczynnik K dopasowania kontroli, na podstawie różnicy ciśnień między zmierzonym ciśnieniem Pk (to jest przy spoczynkowym słupie płynu) w głowicy wiertniczej 3, a ciśnieniem stałego strumienia objętościowego qVN, które odpowiada maksymalnemu ciśnieniu wewnętrznemu Psp w podziemnym zbiorniku 1.

Tak otrzymane współczynniki K1, K2 i K3, które wywierają bezpośredni wpływ na przebieg procesu opróżniania podziemnego zbiornika 1, wprowadza się do jednostki sterującoanalizującej 14, po czym z głowicy wiertniczej 3 sczytuje się ciśnienie Pk i określa całkowitą objętość Vn płynu zmagazynowanego w podziemnym zbiorniku 1, zgodnie z zależnością (IV)

183 996 (fig.3), a na tej podstawie - ciśnienie wewnętrzne Psp w podziemnym zbiorniku 1 (według zależności V).

Po wyznaczeniu wszystkich niezbędnych, opisanych powyżej parametrów technicznych i współczynników, następuje rozpoczęcie procesu opróżniania podziemnego zbiornika 1 z płynu (w tym przypadku gazu), który przebiega w cyklicznych odcinkach, oznaczonych na fig. 1 liniami kreskowymi, oraz blokowo na fig. 4. Podczas eksploatacji płynu z podziemnego zbiornika 1 (szybkość przepływu v płynu różna od zera) następuje zmiana ciśnienia w głowicy wiertniczej 3 o spadek ciśnienia w pionowym przewodzie tłoczącym 2, w wyniku tarcia płynu. Ponieważ stała czasowa podziemnego zbiornika 1 jest bardzo duża, to ciśnienie wewnętrzne Psp podziemnego zbiornika 1 zmienia się bardzo powoli.

Najpierw sczytuje się i zapisuje w pamięci ciśnienie Pk w głowicy wiertniczej 3 i na podstawie wyznaczonej różnicy ciśnień Δρ między chwilowym ciśnieniem Pk w głowicy wiertniczej 3, a ciśnieniem wewnętrznym Psp w podziemnym zbiorniku 1, wyznacza się szybkość przepływu v, zgodnie z zależnością (Vl).

Szybkość przepływu v jest wielkością kontrolną, na podstawie której następuje sterowanie procesem opróżniania podziemnego zbiornika 1. W przypadku przekroczenia wielkości granicznej szybkości przepływu, nastawionej w jednostce sterująco-analizującej 14, następuje wyzwolenie sygnału ostrzegawczego, oraz ewentualnie zamknięcie zaworów 4, 8 i 11.

Za pomocą jednostki sterująco-analizującej 14 określa się również, na podstawie wielkości szybkości przepływu v, strumień objętościowy qvN płynu, zgodnie z zależnością (VII).

Potem sumuje się (całkuje) w czasie procesu stały strumień objętościowy qvN, a po dodaniu do niego objętości początkowej Vn at płynu, zgodnie z zależnością (VIII), uzyskuje się całkowitą objętość Vn płynu w podziemnym zbiorniku 1. Ta obróbka wielkości ma na celu zbilansowanie objętości płynu w podziemnym zbiorniku 1. Na tej podstawie, zgodnie z zależnością (IX) wyznacza się nową wielkość ciśnienia wewnętrznego Psp w podziemnym zbiorniku 1, którą używa się do następnego etapu kontrolnego. Cykliczne wyznaczanie aktualnego ciśnienia wewnętrznego Psp w opisany powyżej sposób realizuje się do momentu całkowitego opróżnienia, lub napełnienia podziemnego zbiornika 1.

Do realizacji sposobu kontroli procesu napełniania, względnie opróżniania z płynu podziemnego zbiornika według wynalazku wystarczające sąjedynie pomiary ciśnienia w głowicy wiertniczej 3 i temperatury płynu w rurociągu 5. Te dwie wielkości pomiarowe umożliwiają określenie szybkości przepływu i strumienia objętościowego płynu, z wykorzystaniem których uzyskuje się dokładną, informację o chwilowym przebiegu procesu napełniania, względnie opróżniania zbiornika.

183 996

κ ²= · -360⁰¹

4· rho_H 1 h <>

In ^vh> I)

4· qvH · rho jt-c6-03OOs -pAp-rtio (HI)

Fig. 2

183 996

P„ p+ + p„ K · ^ZZ

Z

8p (V (V)

Fig. 3

183 996

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zl

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób kontroli procesu napełniania, względnie opróżniania podziemnego zbiornika z płynu, polegający na pomiarze ciśnienia płynu w głowicy wiertniczej, znamienny tym, że:

a) najpierw, przy braku przepływu płynu w pionowym przewodzie tłoczącym (2) mierzy się miernikiem ciśnienia (9) ciśnienie (Pk) w głowicy wiertniczej (3) i miernikiem temperatury (10) temperaturę (Tsp) płynu w pionowym przewodzie tłoczącym (2), względnie rurociągu (5), i na podstawie tych pomiarów, oraz spadku ciśnienia wynikającej z różnicy wysokości (6) między podziemnym zbiornikiem (1), a głowicą wiertniczą (3), a także znanej objętości (VSp) podziemnego zbiornika (1) i znanych właściwości płynu w pionowym przewodzie tłoczącym (2), względnie rurociągu (5) wyznacza się ciśnienie wewnętrzne (Psp) i całkowitą objętość (Vsp) płynu zmagazynowanego w podziemnym zbiorniku (1), potem b) przy przepływie płynu w pionowym przewodzie tłoczącym (2) mierzy się ciśnienie (Pk) w głowicy wiertniczej (3) i temperaturę (Tsp) płynu w pionowym przewodzie tłoczącym (2), względnie rurociągu (5), i na podstawie tych pomiarów, oraz z różnicy ciśnień (Ap) między ciśnieniem wewnętrznym (Psp) w podziemnym zbiorniku (1), a chwilowym ciśnieniem (Pk) w głowicy wiertniczej (3), określa się za pomocą jednostki sterująco-analizującej (14) szybkość przepływu (v) i strumień objętościowy (qvn) płynu, oraz porównuje się wyznaczoną szybkość przepływu (v) z zachowanymi w pamięci jedinostki sterująco-analizującej (14) wartościami granicznymi, po przekroczeniu których następuje ingerencja w przebieg procesu, a następnie c) strumień objętościowy (qvN) płynu sumuje się w czasie, w wyniku czego otrzymuje się ilość wprowadzonego do- lub wyprowadzonego z podziemnego zbiornika (1) płynu, oraz dodaje się do tej wartości objętość początkową (VNalt) płynu, po czym na podstawie całkowitej objętości (Vn) płynu, objętości (Vsp) podziemnego zbiornika (1), temperatury (Tsp) i właściwości płynu, wyznacza się nową wielkość ciśnienia wewnętrznego (Psp) w podziemnym zbiorniku (1), a następnie kontynuuje postępowanie jak w etapie b) i proces kontroli powtarza się cyklicznie aż do momentu całkowitego napełnienia, lub opróżnienia podziemnego zbiornika (1).

2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że przy określeniu wielkości szybkości przepływu (v) w pionowym przewodzie tłoczącym (2) równej, lub większej od wielkości granicznej, najpierw generuje się za pomocą jedinostki sterująco-analizującej (14) sygnał ostrzegawczy, a następnie zamyka się zawór bezpieczeństwa (4) i zawór główny (8) głowicy wiertniczej (3), oraz zawór odcinający (11) rurociągu (5).