CC BY
66
и способ сборки плунжерной пары для хирургических инструментов, аппаратов, устройств / Савенков В. А. № 2005140238/14; заявл. 23.12.2005; опубл. 20.01.2008, Бюл. № 2.
31. Пат. 2521129 Российская Федерация, МПК B28D 5/00, B24B 1/00, C30B 33/00, F04B 15/00, A61M 5/168. Способ обработки цилиндрических поверхностей сапфировых деталей, сапфировая плунжерная пара
и насос-дозатор на ее основе / Савенков В. А. №2012157503/03; заявл. 27.12.2012; опубл.27.06.2014, Бюл. № 18.
32. Пат. 2585885 Российская Федерация, МПК B24B 1/04, B28D 5/00. Способ обработки трущихся поверхностей деталей из искусственно выращенного монокристалла на основе альфа-Л1203 / Савенков В.А. № 2014133051/02; заявл. 12.08.2014; опубл.10.06.2016, Бюл. № 16.
УДК 004.3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ
DESIGNING OF AUTOMATED MONITORING SYSTEM TECHNOLOGICAL PROCESSES AND DISPATCH CONTROL OF OBJECTS OF THE GAS TRANSPORT SYSTEM
Н. А. Лучкин, А. Г. Янишевская, Ж. В. Голикова
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
N. A. Luchkin, A. G. Yanishevskaya, Zh. V. Golikova
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В статье рассматриваются основные функциональные требования и программно-технические решения по реализации системы автоматизации мониторинга технологических объектов. На основе проведенных исследований и полученных экспериментальных данных представлено решение по повышению эффективности автоматизированной системы мониторинга технологических объектов транспортировки газа. Предложена модель построения отказоустойчивой системы автоматизации в промышленности, позволяющая добиться надежности функционирования основных элементов автоматизированной системы мониторинга.
Ключевые слова: газоперекачивающий агрегат, система автоматизации мониторинга технологических объектов, автоматизированная система мониторинга, отказоустойчивая система.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-37-43
I. Введение
Автоматизация производственных процессов нефтегазовой промышленности является высочайшей формой развития техники в области добычи, переработки, транспорта и хранения нефти и газа, предусматривающая применение передовых технологий, высокопроизводительного и надежного оборудования.
Современные нефтегазодобывающие предприятия представляют собой сложные комплексы технологических объектов, рассредоточенных на больших площадях, размеры которых достигают десятков и сотен квадратных километров. Добыча нефти и газа производится круглосуточно, в любую погоду, и именно поэтому для нормального функционирования нефтегазодобывающего предприятия необходимо обеспечить надежную работу автоматизированного оборудования, дистанционный контроль за работой технологических объектов и их состоянием [2].
Потребность в использовании современных ИТ-решений компаниями нефтегазового сектора обусловлена множеством факторов: географическими масштабами бизнеса, сложной разветвленной структурой, повышенными требованиями к безопасности, необходимостью соответствия мировым стандартам.
Важнейшей задачей, стоящей перед газовой отраслью, является дальнейшее повышение эффективности диспетчерского управления газотранспортной системой на базе создания комплексно-автоматизированных технологических объектов и развития взаимосвязанного иерархического комплекса автоматизированных систем на основе диспетчерского управления, необходимое для повышения эффективности принятия управленческих решений [3].
Большинство отечественных ученых, таких как В.А. Острейковский, И.П. Норенков, В.В. Радкевич, большое внимание уделяли вопросам автоматизации проектирования и создания информационных систем. Вопросы управления сложными объектами рассматривались в трудах А.А. Иноземцева - «Программа управления проблемами программного проекта», В.Н. Черкасского - «Разработка и внедрение интегрированной автоматизированной системы управления технологическими процессами газотранспортного предприятия», Kai Xua, Hong Zhena,Yan Lib и LuoYue - «Comprehensive Monitoring System for Multiple Vehicles and Its Modelling Study» и других.
Однако, несмотря на значительный вклад ученых и их достижений в данной области исследования, еще не в полной мере рассмотрены вопросы автоматизированного мониторинга технологических объектов газотранспортной системы и подходы к решению данных проблем, в частности, на основе диспетчерского управления.
Для автоматизации основной работы диспетчерского персонала по контролю газотранспортной системой на предприятиях создавались отдельные программные комплексы на базе реляционных СУБД или электронных таблиц, такие как «Журнал диспетчера», «Балансы» и другие приложения, созданные еще в 90-х годах. За последние годы произошло качественное изменение функциональных задач диспетчерского управления, поэтому необходимо внедрение комплексных систем диспетчерского управления, включая создание новых систем и модернизации существующих.
II. Постановка задачи
Целью является повышение эффективности мониторинга технологических процессов объектов газотранспортной системы на основе диспетчерского управления.
Основные задачи исследования:
1. Провести исследование и анализ методов комплексных автоматизированных систем диспетчерского управления объектами газотранспортной системы на базе современных программно-технических средств.
2. Разработка модульной SCADA-системы на основе распределенной архитектуры, удовлетворяющей функциональным требованиям, предъявляемым в настоящее время к данным системам в газовой отрасли.
3. Построение математической модели интегрированной производственной системы мониторинга объектов газотранспортной системы, учитывающей специфику газотранспортного производства.
4. Разработка функциональных алгоритмов автоматизированной системы мониторинга технологических параметров транспортировки газа, обеспечивающих стабильный режим работы системы и непрерывный опрос технологических данных, исключающие получение недостоверных технологических данных.
5. Разработка и внедрение программно-технического комплекса, включающего в себя SCADA-систему, осуществляющую мониторинг технологических процессов в режиме реального времени и диспетчерское управления объектами газотранспортной системы, а также экспертную автоматизированную систему диспетчерского управления технологическими процессами транспорта газа, которая повышает эффективность и обоснованность принятия оперативных решений диспетчерского и эксплуатационного персонала.
III. Теория
При транспортировании газа давление в магистральном газопроводе падает, поэтому сам газопровод разбивают на участки, на стыках которых сооружают компрессорную станцию, параметрами работы которой определяется режим работы газопровода. Наличие данной станции позволяет регулировать режим работы газопровода при колебаниях потребления.
Для обеспечения бесперебойного транспорта газа, обеспечения поставки газа с заданным давлением и температурой в магистральный газопровод требуется решение следующих задач управления компрессорной станцией:
- измерение температуры и давления рабочей среды;
- обеспечение необходимых изменений режимов работы оборудования, влияющих на изменение температуры и давления рабочей среды;
- очистка и охлаждение транспортируемого газа;
- определение причин отклонения показателей технологического процесса от действующих норм.
Процесс принятия решений при традиционном методе контроля технологических параметров, решение которых принимает человек, причем качество принятия этого решения в большей степени будет зависеть от таких факторов как: уровень квалификации специалиста, качество и достоверность средств мониторинга. В данном случае процесс принятия решений при наличии контроля большого количества технологических параметров и недостаточного уровня профессиональной подготовки технологического персонала, представляет собой итерационный процесс, который представлен в виде схемы алгоритма (рис. 1).
Рис. 1. Схема алгоритма работы модуля
Процесс принятия решений является итерационным, с корректировкой начальных данных о параметрах мониторинга технологического процесса, например, расход, давление, температура поступающего газа при каждом запросе данных. Из-за получения неполной информации возникает необходимость корректировать запросы. Запрос на получение необходимой технологической информации без итераций является в данном случае случайным процессом, и поэтому такой порядок запроса информации имеет низкую эффективность поиска для необходимой информации.
Процедуру принятия решений в данном случае можно представить в виде следующего выражения:
P: q ^ Ц ^е Q ; ) = 0,1,2,.. т.
(1)
Ц = f (Т,У,Л) = %),
где: Р - цель принятия решения;
Т - семантическая точность запроса;
DJ - некоторое множество результатов;
А - эффективность отклика на получение дополнительной информации.
Q - некоторое множество запросов на информацию;
q - содержание одиночного запроса;
V - полнота запроса, информации;
Для решения задач управления потоками транспорта газа в работе предполагается, что газовый поток проходит через управляемую цепь, поэтому им можно управлять за счет выбора конфигурации сети - одной частичной подсети базовой сети. Представим алгоритмы, позволяющие формировать правила, используя описание дерева решений в качестве входной информации (рис. 2). Дерево решений определено как структура, где узлы-листья представляют определенный класс, и узлы принятия решений представляют определенные процедуры, которые должны быть, в свою очередь, выполнены по отношению к одному из значений атрибутов. Из узла принятия решений входят ветви в количестве соответствующее количеству возможных исходов процедуры. Промежуточные узлы дерева представляют пункты принятия решения о выборе управляющих воздействий на основании атрибутов элементов данных. Дерево решений - способ представления, в котором можно сопоставить определенное правило классификации, что дает для каждого объекта решение, к какому из классов отнести тот или иной объект (множеством значений листьев дерева). Листья деревьев промаркированы одним из классов к1, ..., к4.
Рис. 2. Дерево решений
Множество сообщений определяется с помощью взвешенной суммы количества информации в каждом отдельном сообщении. Вероятности получения соответствующих сообщений будем использовать в качестве весовых коэффициентов. Тем самым получим выражение:
Я(5) = -ЕД^М], I = 1,..,п. (2)
Из выражения следует, что чем большую неожиданность несет собой получение определенного сообщения из возможных, тем больше оно является информативным. В случае, когда все сообщения равновероятны, энтропия множества сообщений и(8) достигнет максимума.
Пусть N - количество объектов в множестве М, принадлежащих классу к1. Тогда вероятность того, что произвольный объект к, полученный из М, принадлежит классу к1, можно оценить по формуле:
p(k-ki) = N/|M| , (3)
а количество информации, которое несет такое сообщение, равно
1(к~к1)= 2р(к-к1)бит. (4)
Следовательно, в качестве очередного атрибута для разбиения нужно выбрать тот атрибут, который обеспечивает наибольший прирост информации. Прирост информации в(Р) после выполнения процедуры Р по отношению к множеству 8 равен
в(Р) =Н(М)-Н1(М), (5)
где Н(М) - энтропия множества целых классов.
Регулятор топлива предназначен для регулирования частоты вращения, ограничивающего регулирования температуры, давления и частоты вращения, позиционирования регулирующего клапана, а также автоматического пуска и останова двух или трехвальных газотурбинных установок, служащих приводом для центробежного нагнетателя природного газа.
На газоперекачивающих агрегатах регулятор топлива может объединяться в единую систему управления с противопомпажными регуляторами и регуляторами процесса с целью создания совмещенной системы регулирования, противопомпажной защиты и отработки процедур пуска и останова всего турбомашинного агрегата как единого целого.
Регулятор топлива предоставляет следующие возможности:
- измерение частоты вращения каждого из роторов двух- или трехвальной турбины с применением активных или пассивных магнитоиндуктивных датчиков, включенных в схему тройного резервирования;
- регулирование частоты вращения силовой турбины (или турбины высокого давления) с безударным переходом от местного к дистанционному заданию и обратно;
- защита от превышения и от падения частоты вращения нерегулируемых валов;
- ограничение температуры в камере сгорания или температуры выхлопных газов;
- ограничение давления на выходе компрессора газогенератора;
- позиционирование лопаток входного направляющего аппарата с учетом температуры на входе в двигатель;
- ограничение приемистости (ускорения и замедления ротора) и темпа торможения, обеспечивающее защиту турбины от резких возмущений, связанных со срывом пламени или излишне большой подачи топлива;
- корректировка положения регулирующего клапана по давлению и температуре топливного газа;
- отработка процедур пуска и останова по алгоритмам завода-изготовителя двигателя;
- поддержание работы резервных средств ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов;
- конфигурирование и настройка регулятора.
Регулятор топлива может иметь до 12 входов для сигналов частоты вращения. Имеется возможность использовать эти входы для контроля частот вращения всех валов турбины (ротора турбины низкого давления, ротора турбины высокого давления, ротора силовой турбины и ротора турбодетандера). Каждый вал может быть оснащен от одного до трех датчиков [4]. Соответствующие входные схемы регулятора принимают частотные сигналы, генерируемые активными или пассивными датчиками магнито-индуктивного типа. Регулятор может быть сконфигурирован на вычисление фактической частоты вращения по:
- указанным сигналам;
- числу зубцов на измерительной шестерне;
- отношению частоты вращения вала, на котором находится измерительная шестерня, и частоты вращения вала турбины.
Для того, чтобы управлять положением топливного регулирующего клапана в целях поддержания заданной частоты вращения основного вала двигателя, регулятор топлива использует пропорционально-интегрально-дифференциальный алгоритм регулирования. При этом местное задание меняется с экрана АРМ оператора, а дистанционное задание может поступать либо в виде аналогового входного сигнала, либо от регулятора процесса.
При слишком высоком давлении в камере сгорания, в случае длительной работы, газовая турбина может быть серьезно повреждена. Регулятор топлива минимизирует эту опасность, реализуя контур ограничивающего регулирования давления нагнетания осевого компрессора.
В регуляторе топлива предусмотрен контур ограничивающего регулирования температуры, который дает возможность напрямую менять расход топлива, снизить температуру в камере сгорания или температуру выхлопных газов. При этом возможно сконфигурировать так, чтобы уставка менялась в зависимости от скорости изменения температуры. Также задается верхняя и нижняя уставки сигнализации и конфигурируется останов турбины при превышении этих значений. Если датчики температуры дают сигналы, которые можно считать достоверными, то сигнал для целей управления выбирается средним, усредненным или максимальным в зависимости от настройки системы [1, 2, 3].
Подача в турбину большого количества топлива может приводить к неполному его сгоранию и образованию потенциально взрывоопасных выхлопных газов. С другой стороны, недостаток топлива может приводить к срыву пламени, поэтому, если сразу же не перекрыть подачу топлива - также образуется взрывоопасная смесь топлива и воздуха. Регулятор топлива дает возможность предотвращать эти потенциально опасные ситуации. Выполнить это можно путем задания минимального и максимального количества допустимого расхода топлива, которые можно определять в виде функций давления нагнетания осевого компрессора и частоты вращения ротора турбины высокого давления.
Каждый регулятор топлива адаптируется к своему конкретному применению путем присвоения определенных значений его конфигурационным и настроечным параметрам.
Для повышения эффективности автоматизированного мониторинга технологических объектов транспорта газа были проведены экспериментальные исследования по определению зависимости расхода топливного газа от режимов работы газоперекачивающего агрегата.
Отмеченные выше и другие особенности необходимо учитывать при построении системы управления объектами газотранспортной системы. Особенности технологических процессов транспорта газа накладывают серьезные ограничения на системы управления этими процессами, и поэтому в системе перераспределения потоков транспорта газа не бывает единственного критерия оценки принятого решения, особенно когда речь заходит об управленческих решениях. В данном случае приходится решать многокритериальную задачу.
IV. Результаты экспериментов
Проведен анализ комплексных автоматизированных систем диспетчерского контроля и управления в газовой промышленности на базе современных информационных технологий и программно-технических средств. В ходе эксперимента с существующей системой было зафиксировано время работы нагнетателей газоперекачивающего агрегата в критическом режиме. Для нагнетателей типов ГТК 10-4, ГПА Ц-16, ГПА Ц1-16С, ГТК 25 и «Джон Браун» усредненное время работы в критическом режиме составило 8 часов. При внедрении в эксплуатацию предложенной нами системы мониторинга объектов транспорта газа, было зафиксировано время работы нагнетателя в критическом режиме - 1,5 часа, т.е. сократилось время реакции системы на внештатные ситуации. Это позволяет эксплуатировать агрегат в номинальном режиме работы и позволяет увеличивать время наработки газоперекачивающего агрегата на отказ, что также позволяет уменьшить износ рабочих узлов и механизмов агрегата.
V. Обсуждение результатов
После внедрения предлагаемой системы исходя из зависимости расхода топливного газа газоперекачивающего агрегата при различных технологических режимах работы, резких возрастающих скачков по увеличению частоты оборотов вала нагнетателя и расходу топливного газа не наблюдается. Агрегаты эксплуатируются в допустимых технологических режимах, которые не вызывают динамическое изменение состояния газоперекачивающего агрегата, что обеспечивает бесперебойную транспортировку природного газа.
VI. Выводы и заключение
При внедрении предложенной системы мониторинга объектов транспорта газа, зафиксированное время работы нагнетателя в критическом режиме составило 1,5 часа, вместо 8 часов на том же оборудовании, до внедрения системы. Сократилось время реакции системы на внештатные ситуации, и это позволяет эксплуатировать агрегат в номинальном режиме работы и увеличивает время наработки газоперекачивающего агрегата (ГПА) на отказ и позволяет уменьшить износ рабочих узлов и механизмов агрегата.
Исходя из результирующего графика на рис. 3 видно, что резких возрастающих скачков по увеличению частоты оборотов вала нагнетателя и расходу топливного газа не наблюдается, следовательно, и агрегаты эксплуатируются в допустимых режимах, что обеспечивает бесперебойную транспортировку природного газа.
Рис. 3. Зависимость расхода газа от изменения частоты вращения вала нагнетателя
Предложенная модель построения отказоустойчивой системы позволяет добиться надежности функционирования основных элементов автоматизированной системы мониторинга. Отказоустойчивость системы обеспечивается внедрением новейших программно-технических средств, а также введением избыточности. Восстановление вышедших из строя элементов происходит за максимально короткое время.
Повышена эффективность автоматизированного мониторинга технологических процессов объектов газотранспортной системы на основе диспетчерского управления.
Список литературы
1. Агрегат газоперекачивающий ГПА-16РП-01 «УРАЛ». URL: http://www.turbinist.ru/21935-agregat-gazoperekachivayuschiy-gpa-16rp-01-ural.html (дата обращения: 27.03.2018).
2. Щербанин Ю. А., Голубчик А. М. Транспортно-логистическое обеспечение перевозок углеводородного сырья и нефтегазотрейдинг. М., МГИМО-Университет, 2017. 440 с.
3. Лучкин Н. А., Янишевская А. Г. Математическая модель автоматизированной системы мониторинга технологических процессов газоперекачивающих агрегатов // Инженерный вестник Дона. 2015. № 2. С. 19.
4. Особенности эксплуатации газотранспортных систем России. URL: http://journalpro.ru/pdf-article/?id=1553 (дата обращения: 18.04.2018).
5. Потапова Т. Б. Большая автоматизация. Информационно-управляющие системы (ИУС) в непрерывных производствах. Тула: Гриф и К, 2016. 264 с.
6. Развитие газотранспортной системы. URL: http://www.gazprom.ru/about/production/transportation/ development/ (дата обращения: 27.03.2018).
7. Интегрированные системы поддержки принятия решений в многоуровневых АСУ непрерывными технологическими процессами. URL: http://lib.znate.ru/docs/index-212137.html?page=3 (дата обращения: 30.03.2018).
8. Юрков Н. К. Модели и алгоритмы управления интегрированными производственными комплексами. Пенза: ПГУ, 2015. 197 с.
9. Comprehensive Monitoring System for Multiple Vehicles and Its Modelling Study. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352146517304544 (дата обращения: 19.07.2018).
