Автор: К. Персон (Компания «АББ»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №10/2014

В условиях поиска новых источников энергии растет интерес к метану, содержащемуся в относительно мелких угольных пластах. Этот газ был и является основным источником опасности для шахт и шахтеров. В прошлом такие методы, как содержание канареек в шахте, помогали предупредить о его присутствии. Сегодня существует технология добычи этого газа в сжиженной форме. Извлечение метана из угольных пластов не только является коммерческим преимуществом, но и помогает предотвратить естественный выход этого газа в атмосферу. Участие компании «АББ» в проектах по добыче метана из угольных пластов заключается в возможности предоставить комплексные интегрированные решения, объединяющие системы автоматизации, безопасности, электрораспределения, водоиспользования и телекоммуникаций. Данная интеграция обеспечивает понимание всей системы (часто рассредоточенной на большой и труднодоступной географической площади), необходимое для эксплуатации, обслуживания, управления активами и аварийной сигнализацией, охватывая сферы от полевых до бизнес систем, независимо от их местоположения.

Метан угольных пластов является естественным компонентом твердых углеводородов. Метан «всасывается» в угольный пласт во время его геологического возникновения и может образовываться при биологических или тепловых процессах. Во время ранней стадии углефикации (процесс, который превращает вещество растительного происхождения в уголь) метан генерируется как побочный продукт микробной деятельности. Этот метан остается захваченным в угле до процесса извлечения (или выброса), позволяющего газу «отделяться» от пласта при низком давлении (0,1…0,4 МПа). Технологии, требуемые для такой десорбции и извлечения, чаще всего устаревшие.

Метан – единственная крупнейшая причина смертельных случаев в горнодобывающей промышленности во всем мире (насчитывается 5 000 или 80% всех годовых смертельных случаев в одном только Китае). Метан также является крупнейшим составляющим парниковых газов, он на 21% сильнее воздействует на окружающую среду, чем CO2. При извлечении этого газа до выемки угля потери метана снижаются до 70–80%, при этом повышается уровень безопасности для шахтеров.

Типичные угольные пласты в местах, где возможно извлечение, обычно заводнены и залегают на относительно незначительной глубине. Начальная фаза жизненного цикла скважины, таким образом, включает период «обезвоживания». Этот процесс может длиться от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от условий в пласте. После достаточной подготовки угольного пласта газ может быть выделен, после чего извлечен для транспортировки на заводы для переработки в сжиженный природный газ (СПГ) и дальнейшей продажи.

Скорость десорбции газа из угольного пласта (скорость десорбции) зависит от количества подготовленного (т.е. незаводненного) угля. Поэтому для регулирования давления и потока метана можно использовать обезвоживание. Управление этим потоком чрезвычайно важно, поскольку со стороны низкого давления часто используется стандартный пластиковый трубопровод.

Зачастую монтаж стального трубопровода или дорогостоящих приборов сброса давления экономически не эффективны вследствие большого числа скважин, которые требуется пробурить для жизнеспособности данного решения (число скважин обычно измеряется тысячами).

Более высокий дебит скважины может, кроме того, привести к преждевременному истощению скважины.

Большие объемы удаленной воды – важный фактор в процессе добычи, часто требующий станций водоочистки и больших емкостей для осуществления очистки и безопасной утилизации солончаковых побочных продуктов.

Опреснительные и компрессионные системы, расположенные в добывающей части комплекса, требуют большого количества электроэнергии, которое может превысить потребности на переработку, хранение и транспортировку нефти (завод по переработке СПГ) в 10 раз.

Добывающие системы можно разделить на энергоемкие системы и системы водоснабжения с получением метана как побочного продукта.

Технология добычи

Метан угольных пластов добывают путем бурения скважин в различных районах относительно неглубоких пластов (сотни метров в отличие от тысячеметровых).

Гидромеханическая разработка угольного пласта производится путем закачивания в пласт большого количества воды и песка под высоким давлением. Песчаные отложения в трещинах сами по себе служат средой для открывания каналов и предотвращения их закрывания при сбросе давления. Затем газ продвигается через трещины, заполненные песком, к устью скважины (рис. 1).

Рис. 1. Одиночная (а) и направленная (б) скважина
Рис. 1. Одиночная (а) и направленная (б) скважина

В течение жизненного цикла скважины обычно имеют две стадии: «стадию обезвоживания» и «жидкотекучую стадию». На первоначальной стадии обезвоживания cкважина оборудуется забойной насосной установкой. Она демонтируется, когда скважина становится свободнотекучей.</p

Оставшиеся компоненты: водоотделительная вышка, КИП, панель солнечных батарей и пульт дистанционного управления (ПДУ). ПДУ посылает информацию о состоянии устья в центральную систему регистрации данных и управления по беспроводным сетям.

Для полностью интегрированного решения компания АББ использует системы SCADA или 800xA.

Проекты по добыче метана угольных пластов могут потребовать много тысяч скважин там, где используются несколько программ бурения. Исследования региональной топологии и воздействия на окружающую среду часто являются решающим фактором при выборе решения.

Оно может предусматривать прямое вертикальное бурение (одна скважина/один ПДУ) или решение по наклонному бурению, где один ПДУ может управлять добычей из десяти скважин, что меньше воздействует на окружающую среду.

Подразделение компании «АББ» TotalFlow – лидер на рынке США по устьевой обвязке скважин по добыче метана угольных пластов. Из 30 000…35 000 скважин в США 20 000…25 000 имеют оборудование компании «АББ».

Компания «АББ» поставляла системы для проектов добычи метана из угольных пластов в США и Канаде в течение многих лет через подразделение АББ TotalFlow.

Компания осуществила поставки более, чем 30 000 ПДУ для скважин по добыче метана из угольных пластов в этих странах. Компания также выиграла заказ на работу с компанией BG (Великобритания) в Австралии по поставке и внедрению полностью интегрированного решения с использованием Системы 800xA и установки ПДУ других производителей.

Несколько крупнейших газовых компаний теперь рассматривают добычу метана из угольных пластов как конкурентоспособный бизнес и инвестируют миллиарды долларов в поисково-разведочные работы, добычу и инфраструктуру. Китай – один из самых больших регионов для развития проектов по его добыче. Хотя исторически этот извлеченный газ поставлялся непосредственно «потребителям», теперь же становится возможным продавать его на открытом рынке в сжиженном состоянии.

Проекты по добыче метана из угольных пластов состоят из нескольких относительно устаревших секций: устьевого оборудования скважины, систем компримирования, распределения и накопления, установки по сжижению и погрузочного оборудования. Вода из скважин, в которых она образуется, сливается на хранение в большие резервуары для дальнейшей утилизации. Компрессоры низкого давления используются для передачи «неосушенного» газа на сушильные объекты, через компрессорные установки высокого давления – в сеть трубопроводов распределения и накопления, которая также используется для накопления и хранения при определенных производственных условиях. После систем трубопроводов находятся стандартные сооружения по переработке СПГ и системы отгрузки на танкеры. Из-за обширной топографии систем добычи метана из угольных пластов, интеграция должна была максимизирована.

Она уменьшает необходимость в отправке групп технического обслуживания и инженеров на месторождение (часто в очень труднопреодолимую местность) с целью выявления и устранения проблем или решения вопросов конфигурации оборудования.

Привлекая свои обширные «ноу-хау» и опыт выполнения заказов, компания «АББ» в состоянии удовлетворить требования крупных проектов, обеспечивая полностью интегрированные решения, соединяющие системы автоматического управления и контроля, безопасности, распределения электроэнергии, управления водными ресурсами и телекоммуникаций. Без уровня интеграции, предлагаемого компанией «АББ» конечный потребитель не сможет анализировать диагностические данные в хост-системе (800xA) с максимальной эффективностью, и поэтому будет вынужден направить людей на месторождение, месторасположение которого, кроме того, увеличивает потенциал возникновения проблем, связанных со здоровьем и безопасностью.

Технические проблемы

С точки зрения больших распределенных систем проекты по добыче метана угольных пластов могут вызвать много технических, эксплуатационных проблем и проблем техобслуживания, для решения которых потребуется персонал на каждом полевом объекте (компрессорные станции), или потребуется создание инфраструктуры, которая обеспечит связь и персонал для реагирования на отказы, неисправности и вопросы, связанные с конфигурацией оборудования.

Интеграция гарантирует доступ к информации и объектам для эксплуатационных целей, целей техобслуживания и служебных целей (даже продавцам оборудования) дистанционно через центральный пункт управления и технического обеспечения объекта. Это позволяет минимизировать потребности в персонале, делая эти системы более эффективными в эксплуатации, а также повышая уровень безопасности. «АББ» придерживается открытого подхода к этим интегрированным решениям. Акцент на интеграцию обусловливает более тесную работу конечных потребителей и владельцев/операторов с поставщиками ПЗС (проектирование, закупка, строительство) на начальной фазе проектирования для того, чтобы обеспечить долгосрочный технологический эффект и сделать его частью критериев начального проектирования. Без этого цели, поставленные конечным потребителем в отношении ПЗС, могут противоречить процессам, требуемым для обеспечения долгосрочного технологического эффекта.

Мышление, основывающееся на «высоком профессионализме» компании «АББ» и продукты и услуги «интегрированного производства» в сочетании с существующими технологиями обеспечивает принятие чрезвычайно эффективных решений для реализации подобных проектов в интересах конечного потребителя.

Некоторые ключевые моменты, которые привлекают конечного потребителя к данному подходу:

  • сокращение технического штата и, как следствие, трудность поиска персонала для эксплуатации системы с целью своевременного выполнения работ. Это особенно важно в таких районах, как Австралия, где проблемы с техническим персоналом прогнозируемы;
  • возможности, ставшие доступными с использованием удаленного управления и доступа к глобальной технической поддержке. Пользователи системы получают доступ к консультационным услугам специалистов «АББ» и сторонних поставщиков без затрат и проблем, связанных с перемещением пор миру;
  • проекты по добыче метана из угольных пластов часто находятся в очень удаленных или (экологически) опасных местах. Число и уровень сложности договоров сервисного обслуживания на объекте могут быть сведены к минимуму;
  • всегда актуальное требование уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты путем удаленного усовершенствования и оптимизации системы;
  • в ближайшем будущем от поставщиков услуг ПЗС и конечных потребителей потребуется интегрировать свои системы автоматического управления и контроля, IT-системы и электротехнические ресурсы из-за их стоимости и проблем с наличием профессиональных навыков. Выполнить эту задачу намного легче благодаря интегрированной природе систем автоматического управления и контроля и инструментов технических баз данных, таких, как SmartPlant и Comos PT от Integraph;
  • все более жесткие графики реализации проекта, несопоставимые системы означают больше риска для графиков выполнения работ;
  • конечными потребителями в пределах их групп реализуется политика высокого профессионализма, поскольку они считают ее ключом к успешной долгосрочной рентабельности;
  • деловые решения должны приниматься своевременно на основе оперативной информации для полноценного использования преимуществ вариантов процесса и условий рынка;
  • часто на проектах по добыче метана из угольных пластов некоторые акционеры «владеют» скважинами или группами скважин, усложняя управление добычей; они требуют принятия решений на основании данных, полученных из нескольких источников на различных уровнях инфраструктуры (от месторождения до предприятия);
  • передающийся опыт и теоретические знания поколения «операторов» IT систем. Обучение в будущем будет охватывать все аспекты систем автоматического управления и контроля, включая электрический, телекоммуникационный аспекты и IT системы;
  • от персонала, обслуживающего центральный пункт добычи, требуется понимание многочисленных процессов завода для координирования производственной деятельности и процесса технического обслуживания.Эти проблемы очень актуальны и важны для крупномасштабных долгосрочных проектов по добыче метана из угольных пластов.

Заказчики АББ

Думающие о перспективе владельцы/операторы уже готовятся к изменениям стратегий автоматического управления и контроля с целью приспособления этих будущих направлений и потребностей интеграции (как недавно было замечено на австралийских проектах по добыче метана угольных пластов). Понятие «интегрированные решения» идеально подходит к существующей топологии системы 800xA, а также к ее будущему направлению, которое гарантирует, что наши клиенты смогут лучше использовать свои долгосрочные активы и максимально увеличить количество персонала, обеспечивая ему безопасные условия для работы.

Благодаря способности интегрировать системы автоматизации, телекоммуникаций и электрооборудования (стандарты МЭК 61850 и Profinet) в среду системы 800xA компания «АББ» в состоянии предоставить конечным потребителям беспрецедентную видимость их активов и, таким образом, позволить работать эффективнее.

В недавнем исследовании Научного совета было подтверждено, что наблюдение за исправностью системного диска с центрального ПДУ может предотвратить более 44% неисправностей диска, что увеличит добычу и минимизирует простой. Преимуществ полностью интегрированного решения автоматизации процессов, безопасности, электрического регулирования, управления энергопотреблением и телекоммуникаций с использованием общей системы и протоколов очень много. Некоторые из них перечислены далее.

Преимущества полной интеграции:

  • операторы имеют последовательный графический пользовательский интерфейс, отражающий состояние всей платформы, и, следовательно, всех активов завода. Он включает списки аварийных сигналов, журналы регистрации событий и отчеты по использованию материальных ресурсов по автоматизации и контролю, электрической части и телекоммуникациям;
  • для конфигурации и обслуживания оборудования можно использовать те же технические инструментальные средства;
  • использование МЭК 61850 в качестве стандарта для интеграции микропроцессорных электротехнических устройств (МЭУ) снижает риски и стоимость, а также обеспечивает больший объем диагностических данных для интегрированной системы сигнализации/управления событиями и объектами;
  • автоматизированная система управления техническим обслуживанием (АСУТ) может управлять всеми объектами независимо от того, являются ли они полевыми приборами SMART, МЭУ или средствами телекоммуникации;
  • отчеты по объектам и производству могут создаваться на основе текущих данных, получаемых от всех связанных объектов на уровне предприятия.

Руководители принимают более точные решения, если у них есть доступ к оперативной информации со всех концов всего завода. Благодаря этому усовершенствуется процесс принятия финансовых и производственных решений. «АББ» предлагает выполнение всех вышеуказанных задач посредством единой согласованной системы, что делает систему 800xA лидером в своей отрасли для подобных широко рассредоточенных проектов по добыче метана из угольных пластов.

Централизованное управление проектами по добыче метана угольных пластов

При использовании крупных распределенных систем, пользователи должны иметь доступ к соответствующей информации вне зависимости от типа системы или места проведения работ. Предлагая единообразную согласованную и удобную среду АББ в состоянии предоставить своим клиентам системы и решения, которые позволят им соответствовать самым последним стандартам Британской ассоциации пользователей инженерного оборудования и материалов (191 и 201), а также более строгому стандарту ИСО 11064. В них содержится описание того, как эти системы должны использоваться.

Планируя системы и принимая во внимание то, как клиенты будут их эксплуатировать, АББ предлагает интегрированные решения с единым пользовательским интерфейсом, независимо от поставщика «полевых систем». Это служит долгосрочным интересам клиентов и дает АББ преимущество перед другими системными поставщиками, поскольку система 800xA разработана вокруг этой концепции. Наличие необходимой эксплуатационной или технической информации под рукой гарантирует, что пользователи смогут принять правильные решения в нужное время и обеспечивает быструю реакцию на любую нештатную ситуацию (рис. 2). Указанная возможность имеет очевидные преимущества в условиях, когда время на ремонт ограничено. Система 800xA через ее подсистемы HMI1 (человеко-машинный интерфейс) и EOW2 (рабочее место оператора) позволяет пользователям систем добычи метана из угольных пластов (операторы, технический персонал, руководители) вести свои дела эффективнее, чем когда-либо ранее.

Рис.  2. Операторская 800xA компании АББ
Рис. 2. Операторская 800xA компании АББ

Потенциальные препятствия

В какой-то степени, препятствия долгосрочной эффективности производства могут возникать на этапе поставки оборудования и материалов. Часто в целях сравнения стоимости стратегии закупок диктуют свои правила, согласно которым различные части решений должны быть подкреплены сравнением стоимости продуктов разных поставщиков. Несмотря на то, что для этого есть серьезные основания, эти правила часто приводят к выбору более дешевого продукта в результате применения «избирательного подхода», невзирая на интеграцию или связанные затраты для его долгосрочной работы.

При реализации своего недавнего австралийского проекта по добыче метана из угольных пластов компания АББ смогла свести все свои продукты и услуги воедино для того, чтобы клиенты могли получить абсолютный максимальную выгоду от своих систем. Заказчики, таким образом, получают передовое решение, которое поможет им занять свое место в добыче метана из угольных пластов.

Материалы предоставлены компанией «АББ»