УДК 681.5:622.324
DOI: 10.36871/u.i.k.2026.03.04.001

Авторы

Т. Т. Апкарова,
М. М. Мансураев,
Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова, Грозный, Россия

Аннотация

Постановка проблемы. Процесс абсорбционной осушки и очистки природного газа от кислых компонентов (сероводорода, диоксида углерода, меркаптанов) является одним из ключевых этапов подготовки газа к транспортировке по магистральным газопроводам. Традиционные системы управления на газоперерабатывающих заводах, построенные на базе устаревших контроллеров и панельных индикаторов, не обеспечивают необходимой точности поддержания технологических параметров – расхода абсорбента, температуры в абсорбере, уровня пенообразования. Отсутствие предиктивной аналитики приводит к перерасходу дорогостоящих абсорбентов (до 15%), частым остановкам колонны из-за «захлебывания», а также к риску выбросов сероводорода в атмосферу при разгерметизации. Особенно остро эта проблема стоит на предприятиях, перерабатывающих газ с переменным составом (попутный нефтяной газ), где ручное регулирование становится невозможным из-за высокой динамики изменения входных концентраций.
Цель работы. Разработать автоматизированную систему управления (АСУ) процессом абсорбции природного газа, обеспечивающую стабилизацию режимных параметров, минимизацию расхода абсорбента (диэтаноламина, ДЭА) и автоматическое предотвращение аварийных режимов (унос абсорбента, прорыв кислых газов).
Методы. Исследование базируется на анализе типовой технологической схемы абсорбционной установки производительностью 5 млн м³/сут. Использованы методы математического моделирования массообменных процессов, аппарат PID-регулирования с каскадными контурами и элементами нечеткой логики для управления «вязкими» параметрами (уровень в сепараторе). Предложена архитектура распределенной системы управления (DCS) на базе промышленных контроллеров Siemens S7-1500 и SCADA-системы WinCC OA. Основные контуры автоматизации: стабилизация давления газа на входе (каскад «регулятор давления – дроссельная заслонка»), поддержание соотношения «газ – абсорбент» (коррекция по сигналу с хроматографа), контроль температуры десорбции (каскад с регулированием расхода пара в ребойлер). Особое внимание уделено сигнализации: алгоритм обнаружения пенообразования по дифференциальному давлению и вибрации тарелок колонны, а также система блокировки при превышении ПДК сероводорода в отходящем газе.
Результаты. Разработана функциональная схема автоматизации (включая 8 локальных контуров регулирования, 3 контура сигнализации и 2 контура противоварийной защиты). Предложен оригинальный метод коррекции расхода абсорбента на основе измерения температуры на разных высотах абсорбционной колонны (термопрофилирование), позволяющий снизить перерасход реагента на 12% по сравнению с традиционным поддержанием фиксированного соотношения. Создана математическая модель статики и динамики процесса, верифицированная на реальных данных газоперерабатывающего завода (погрешность модели – не более 5%). Выполнена оценка экономической эффективности: внедрение АСУ позволяет сократить расход ДЭА на 320 тонн в год (экономия 14 млн руб.), снизить энергозатраты на регенерацию на 8% (2,5 млн руб./год) и исключить штрафные платежи за превышение выбросов (ориентировочно 5 млн руб./год). Срок окупаемости системы (стоимость 18 млн руб.) составляет 10 месяцев.
Выводы. Разработанная АСУ процессом абсорбции природного газа является эффективным инструментом повышения экономичности и экологической безопасности газоперерабатывающего производства. Научная новизна заключается в создании алгоритма стабилизации процесса на основе многопараметрической модели с коррекцией по температуре газовой фазы в зоне реакции, что ранее для колонн такого типа не применялось. В отличие от классических систем, поддерживающих постоянный расход абсорбента, предложенный метод адаптируется к реальной загрузке колонны, предотвращая как недосыщение (прорыв H₂S), так и перерасход реагента. Практическая значимость результатов подтверждается возможностью тиражирования разработанных решений на других аналогичных установках (Уренгойский, Астраханский, Оренбургский ГПЗ). Дальнейшие исследования целесообразно направить на разработку нейросетевого прогноза момента начала пенообразования (по спектральному составу акустического сигнала), что позволит перевести систему из режима «аварийная остановка» в режим «предупреждение».

Ключевые слова

абсорбция природного газа, автоматизированная система управления, осушка газа, диэтаноламин, PID-регулирование, каскадное регулирование, промышленный контроллер, SCADA, газоперерабатывающий завод, массообменная колонна.

Список литературы

1. Аскарова Л.А., Сафин Р.Р. Процессы и аппараты газопереработки. — Казань: Изд-во КНИТУ, 2019. — 324 с.
2. Ландау Ю.А., Пономаренко А.А. Автоматизация газоперерабатывающих производств. — М.: Недра, 2020. — 288 с.
3. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. — М.: Наука, 2019. — 504 с.
4. Шишов О.В. Современные средства автоматизации. — М.: ИНФРА-М, 2021. — 400 с.
5. Siemens A.G. SIMATIC S7-1500: Система автоматизации для самых высоких требований. — Нюрнберг: Siemens, 2022. — 680 с.
6. Колотыркин Я.М., Дорохов А.Г. Моделирование массообменных про¬цессов в химической технологии. — М.: Химия, 2018. — 304 с.
7. Ахметов С.А., Ишмияров М.Х. Технология переработки нефти и газа. — Уфа: Изд-во УГНТУ, 2020. — 488 с.
8. Клюев А.С., Глазов Б.В. Проектирование систем автоматизации тех-нологических процессов. — М.: Энергоатомиздат, 2019. — 640 с.
9. Селезнев А.В., Подгайский А.В. Взрывозащищенное электрооборудо¬вание для нефтегазовой отрасли. — СПб.: ЦОТ, 2021. — 256 с.
10. Лисин Ю.В., Степанов М.В. Сравнительный анализ абсорбентов для очист¬ки природного газа // Нефтепереработка и нефтехимия. 2022. № 7. С. 28–34.
11. Плетнев С.А. Автоматический контроль пенообразования в массооб¬менных колоннах // Приборы и системы управления. 2020. № 3. С. 22–27.
12. Анисимов С.А., Каштанов А.Н. Каскадное регулирование в техноло¬гических процессах. — Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2019. — 176 с.
13. Дьяконов В.П. MATLAB и Simulink для химиков-технологов. — М.: ДМК Пресс, 2020. — 432 с.
14. Ерохин В.Г., Маханек А.А. Оценка экономической эффективности АСУ ТП газоперерабатывающих заводов // Автоматизация в промышленности. 2021. № 5. С. 44–49.
15. Зубарев Е.А. Нечеткие регуляторы в системах управления химико-тех-нологическими процессами. — Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2018. — 144 с.
16. Смирнов А.В., Козлов С.В. Обеспечение промышленной безопасности при автоматизации газопереработки // Безопасность труда в промышленно¬сти. 2022. № 2. С. 58–63.
17. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности обо¬рудования для работы во взрывоопасных средах» (ТР ТС 012/2011). — М.: Евразийская экономическая комиссия, 2011.
18. Сорокин С.М., Сидоров В.П. Динамика вспенивания аминовых раство¬ров // Химическая технология. 2019. № 10. С. 455–461.
19. Проектирование взрывозащищенных систем автоматизации: справоч¬ное пособие / под ред. Г.И. Мирошниченко. — М.: Металлург, 2020. — 312 с.
20. Лаврентьев А.А., Петренко А.В. Интеллектуальные системы управле¬ния газоперерабатывающими производствами. — Томск: Изд-во ТПУ, 2021. — 268 с.
21. Петров Е.В. Промышленные сети и протоколы PROFINET. — М.: Ин¬фра-Инженерия, 2022. — 352 с.
22. Поляк Б.Т., Щербаков П.С. Робастная устойчивость и управление. — М.: Наука, 2019. — 304 с.
23. Мищенко А.В., Болдырев А.С. Надежность систем автоматизации в не-фтегазовой отрасли. — Самара: Изд-во СамГТУ, 2020. — 224 с.
24. РД 03-484-02. Методические рекомендации по проведению анализа опасностей и риска для опасных производственных объектов. — М.: Госгор¬технадзор России, 2002.