Введение к работе
Актуальность проблемы. Научно - технический прогресс (НТП) является важной составляющей развития любого государства. Достижения НТП представляют практически безграничные возможности для автоматизации и эффективного управления сложными объектами, которые можно реализовать на основе повышения качества проектных работ, используя современные методы моделирования и инженерного анализа. Проектирование сложных объектов газовой отрасли осуществляется с помощью САПР.
Высокие темпы строительства объектов газовой отрасли требуют нового подхода к проблемам САПР, т. е. необходимо с новых позиций рассматривать весь комплекс работ с целью получения описаний нового или реконструированного технологического объекта, достаточных для реализации эффективной системы управления.
Использование научных знаний, навыков и методов по выполнению и корректировке проекта на всем его жизненном цикле позволит достичь необходимых результатов по составу, стоимости, времени и качеству проекта. Если проектируется система управления объектом, то, естественно, необходимо достичь высокой ее эффективности.
При появлении новых данных об объекте или построении новой математической модели зачастую, используя обратную связь, возможно скорректировать первоначальный вариант проекта для получения новых возмущающих воздействий с целью получения более эффективной системы управления. Иногда при проектировании возникает недопустимый разрыв органической цепочки проектировщик - система.
В этих условиях становится актуальным проанализировать теоретические и практические результаты проектирования и внедрения систем управления технологическими процессами объектов газовой отрасли, в результате чего это позволит:
повысить качество проектных работ в цепочке проектировщик - система, направленное на одновременное совершенствование технологического процесса и системы управления;
реализовать основные технические решения по проектированию систем управления и тем самым повысить эффективность последних.
С учетом роли газовой отрасли в экономике РФ эти задачи приобретают особую актуальность. Эти задачи решаются при проектировании систем оперативного управления технологическими процессами большого числа разнообразных по своей сути и сложности объектов газовой отрасли на основе многолетнего практического опыта разработки и внедрения АСУТП.
Цель работы. Сформулировать научно - практические основы проектирования и внедрения систем автоматизированного управления технологическими процессами, отвечающие основным требованиям, предъявляемым к роли и развитию газовой отрасли и современному этапу ускоренного развития НТП. Поставленная проблема декомпозируется на ряд взаимосвязанных между собой научно - исследовательских и инженерных задач.
В диссертации рассмотрены вопросы совершенствования взаимодействия цепочки проектировщик – система, представлены системы управления для каждого типа сложных технологических объектов и, учитывая перечисленные выше приемы, приведены примеры разработанных оперативных систем управления, реализуемых на соответствующих объектах. В ходе разработки систем управления различными объектами приходилось решать научные проблемы, результаты которых улучшали эффективность оперативных систем управления технологическими процессами.
Основные задачи исследований.
1. Обобщить опыт проектирования и функционирования систем автоматизации и управления на объектах газовой отрасли.
2. Провести ретроспективный анализ эффективности принятых решений при создании систем управления технологическими процессами различных объектов газовой отрасли.
3. Сформулировать и обосновать общие принципы проектирования и функционирования систем управления технологическими процессами, эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений, объектов подземного хранения газа, переработки газа и конденсата.
4. На основе результатов промысловых и промышленных экспериментов разработать и внедрить модели и прикладные задачи для оперативного управления технологическими процессами газовых месторождений, подземных хранилищ газа и переработки газа.
5. Сформулировать научно - практические основы проектирования и внедрения систем автоматизации технологических процессов и, в конечном итоге, способствовать решению важной народно - хозяйственной проблемы – разработке и внедрению систем автоматизации и оперативного управления для ряда базовых объектов и процессов газовой отрасли.
Методы решения поставленных задач. Теоретической основой исследований соискателя, приведенных в диссертации, является системный подход, методы автоматизированного проектирования и управления, моделирования технологических процессов, математического программирования и оптимизации управления. Реализация общей схемы принятия решения всегда осуществляется с частичным использованием математических моделей, отображающих свойства и отношения, интересующие исследователя.
При разработке моделей для решения отдельных задач соискатель использовал теорию упругости горных пород, решения задач фильтрации пластовых смесей в трещиновато - пористых средах, результаты расчета технологических аппаратов, термодинамического состояния углеводородных смесей, процесса получения серы, результаты проведенных промышленных экспериментов на действующих технологических установках. При проведении экспериментальных работ с двухфазной системой (газ – пластовая жидкость) при движении ее в трубах применялись апробированные и хорошо себя зарекомендовавшие сертифицированные программы, современные средства измерения и регистрации параметров процесса.
Научная новизна. Диссертация представляет собой обоснование предлагаемого научно - практического подхода к проектированию и внедрению систем оперативного управления технологическими процессами различных объектов газовой отрасли. В диссертации приведены следующие результаты.
1. Проанализированы теоретические и практические результаты автоматизированного проектирования и внедрения систем автоматизации и управления объектами газовой отрасли с учетом природной неопределенности их особенностей и нарастающего темпа внедрения информационных технологий.
2. Сформулированы системные основы управления сложными объектами газовой отрасли и показаны пути практической интеграции программно-вычислительных комплексов в системы автоматизации и управления отдельных объектов газовой отрасли по всей цепочке технологических процессов от добычи до переработки газа.
3. Разработаны рекомендации по оценке необходимости проведения и финансирования научно - исследовательских работ, позволяющие получить информацию по динамическим и другим характеристикам объекта с целью эффективного использования современных программно - вычислительных комплексов при оперативном управлении технологическими процессами. Реализация этих рекомендаций позволила разработать и предложить к широкому внедрению комплекс моделей и методов оперативного управления технологическими процессами в газовой отрасли, в частности:
разработан на основе флуктуационных методов бессепарационный оперативный контроль изменения количества жидкости, поступающей от нескольких скважин по шлейфу на УКПГ;
предложен метод управления процессом добычи газа на завершающей стадии разработки месторождения;
уточнен механизм обводнения эксплуатационные скважин в трещиновато - пористых коллекторах на примере Оренбургского газоконденсатного месторождения, позволяющий прогнозировать подтягивание подошвенных вод к забоям скважин и принимать решения по выбору режима их работы;
разработаны системы оперативного управления технологическими процессами (установки очистки природного газа от кислых компонентов, регенерации абсорбента, осушки газа, процесса получения серы) для условий Оренбургского газоперерабатывающего завода (ГПЗ);
разработан метод оперативного диагностирования характера обводнения эксплуатационных скважин и определения расстояния от газоводяного контакта до перфорационных отверстий колонны скважины при отборе газа из ПХГ.
4. Показана необходимость перехода от традиционной оценки эффективности функционирования систем управления по экономическому критерию к оценке качества системы.
5. Разработаны практические рекомендации подхода к решению экологических проблем и организационно - экономических вопросов при проектировании систем автоматизации и управления на объектах газовой отрасли.
Практическая ценность работы и реализация полученных результатов в промышленности. Показанный в диссертации научно-практический подход к функционированию САПР и АСУТП позволяет использовать теоретические и практические достижения в области оперативного управления технологическими процессами в добыче газа, подземного хранения газа, переработке газа и конденсата.
Применение разработанного подхода в сочетании с программно - техническими средствами сбора и обработки информации позволяет:
повысить качество автоматизированного проектирования и внедрения АСУТП;
повысить качество управления технологическими процессами за счет более обоснованного выбора управляющих решений, разрабатываемых с использованием имитационных систем;
стимулировать развитие научных работ для эффективного управления технологическими процессами, интегрировать результаты новых научных исследований в виде алгоритмов и программ в постоянно развивающиеся системы автоматизированного управления.
Разработанные принципы проектирования и функционирования систем управления, математические модели оперативного управления, оценка и прогнозирование состояния технологических процессов реализованы в проектах АСУТП объектов добычи газа, переработки газа и конденсата, подземного хранения газа.
Результаты работы использованы при разработке и внедрении АСУТП объектов: Оренбургского ГДП, Шатлыкского ГДП, Оренбургского ГПЗ (I - II очереди завода), Мубарекского ГПЗ, Уренгойского ГДП, Ямбургского ГДП, Астраханских ГДП и ГПЗ, Сосногорского ГПЗ, Сургутского конденсато-перерабатывающего завода, Щелковского ПХГ, Северо-Ставропольского ПХГ.
Апробация работы. Основные результаты работы рассматривались на научно-технических советах ВПО «Туркменгазпром», ООО «Оренбурггазпром», ООО «Волго-УралНИПИГАЗ», «ВНИПИАСУ Газпром», ОАО «Газпрома», ООО «Астраханьгазпром», Экспертном совете по автоматизации ОАО «Газпром», ХХ Международном газовом конгрессе (1997 г., Амстердам).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, шести разделов, списка использованных источников (168 наименований). Содержание работы изложено на 241 странице, включая 23 рисунка и 4 таблицы. Результаты работ опубликованы в 70 публикациях, в том числе четырех книгах (три монографии) и одном авторском свидетельстве.
