Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблем и задач комплексной автоматизации северных газовых промыслов 17
1.1. Газовый промысел как объект управления 17
1.1.1. Функционально-целевой анализ процессов (объектов) ГП 26
1.2. Анализ проблем и задач интеграции АСУ ТП и построения ИИУС газовых промыслов 34
1.2.1. Проблемы и требования интеграции АСУ ТП и построения ИИУС 34
1.2.2. Направления и основные принципы интеграции АСУ ТП 38
1.2.3. Уровни управления ГП 40
1.2.4. Тенденции развития ИИУС ГП 42
1.3. Анализ проблем автоматизации локальных технологических объектов газового промысла 43
1.3.1. Проблемы эксплуатации и задачи автоматизации газовых скважин (кустов газовых скважин) 43
1.3.2. Проблемы эксплуатации и автоматизации газосборной сети 47
1.3.3. Анализ проблем и постановка задачи предупреждения и ликвидации газовых гидратов в системах сбора и подготовки газа 49
1.4. Постановка основных задач оптимального управления газовым промыслом 52
1.5. Постановка задачи синтеза структуры ИИУС газового промысла 54
1.5.1. Постановка задачи выбора структуры ИИУС ГП на начальном этапе. 54
1.5.2. Схема метода решения задачи 56
1.6. Цель и задачи работы 59
Заключение по главе 1 61
2. Анализ и формализация технологических процессов добычи и подготовки газа 65
2.1. Формализованное описание технологических процессов функционирования газодобывающего предприятия 65
2.1.1. Агрегирование технологических процессов ГП 65
2.1.2. Пример агрегирования процессов добычи и подготовки газа 68
2.2. Построение моделей технологических процессов 71
2.2.1. Математические модели процессов подготовки газа 71
2.2.2. Имитационное моделирование процессов абсорбции 79
2.3. Модели агрегированных процессов 82
2.4. Формализованное описание процессов в информационно-управляющих системах 89
2.4.1. Основные конструкции и операции над процессами 90
2.4.2. Система, объекты, задание процесса 94
2.4.3. Алгоритмическая модель процесса 96
2.5. Принципы параметризации сцепленных процессов 98
2.5.1. Структура системы как свертка треков процессов 99
2.5.2. Описание подобных процессов 101
2.5.3. Обобщенные операторы, вложенность, блоки 104
2.6. Разработка моделей компонентов процессной модели 109
2.6.1. Косвенный контроль параметров газосборного коллектора - шлейфа
установки комплексной подготовки газа 109
2.6.2. Косвенный контроль расхода газа в газосборном коллекторе-шлейфе установки комплексной подготовки газа 116
Заключение по главе 2 119
3. Разработка алгоритмического и методиического обеспечения синтеза структуры ИИУС 121
3.1. Построение интегрированных систем управления 121
3.2. Основные направления интеграции в системах управления 122
3.3. Согласование решений — основная задача ИАСУ 124
3.4. Иерархия программного управления 128
3.5. Многоуровневая адаптация в ИАСУ 129
3.6. Декомпозиция общей задачи управления 130
3.7. Управление группой процессов 133
3.8. Принципы структурной декомпозиции ИИУС 137
3.9. Параметрическая и структурная оптимизация ИИУС 144
3.10. Размещение оборудования системы телемеханики газового промысла с применением методов графического анализа 154
3.11. Алгоритмы контроля, предупреждения и ликвидации газовых гидратов в системах сбора и промысловой подготовки газа 165
3.11.1. Описание постановки и алгоритма решения задачи «Косвенный контроль гидратообразования» 165
3.11.2. Описание постановки и алгоритма решения задачи «Косвенное измерение расхода метанола» 169
3.11.3. Постановка и алгоритм решения задачи «Автоматическое управление длительностью периодического открытия СК» 175
3.11.4. Описание постановки и алгоритма решения задачи «Аварийная защита от загидрачивания» 177
Заключение по главе 3 178
4. Практическая реализация ИИУС ГП и экспериментальная проверка разработанных методов и алгоритмов 180
4.1. Инженерная методика поэтапного проектирования, строительства и реконструкции АСУ ТП и ИИУС газовых промыслов 180
4.2. Система сбора, передачи и обработки информации кустов газовых скважин 189
4.2.1. Вариант автоматизации КГС на базе контроллеров с малым энергопотреблением и многопараметрических датчиков 193
Структура системы 193
Оценка энергопотребления 194
4.2.2. Вариант автоматизации КГС на базе контроллеров с малым энергопотреблением и вычислителей расхода 195
Структура системы 195
Оценка энергопотребления 197
4.3. Система управления подачей и распределением ингибитора гидратообразования (метанола) 198
4.3.1. Особенности объекта управления, влияющие на проектные решения по автоматизируемым функциям 198
4.3.2. Описание информационной модели объекта и системы управления 199
4.3.3. Цели и автоматизированные функции 201
4.3.4. Характеристика функциональной структуры 202
Подсистемы АС, функции и задачи, реализуемые в каждой подсистеме 202
4.4. АСУ ТП и ИИУС северных газовых промыслов 207
4.4.1. ИИУС ГП-1В валанжинского комплекса Ямбургского ГКМ 207
4.4.2. ИИУС ГП Заполярного ГНКМ 217
Заключение по главе 4 221
Заключение 223
Список литературы 225
Приложение 1 237
Приложение 2 242
- Проблемы и требования интеграции АСУ ТП и построения ИИУС
- Пример агрегирования процессов добычи и подготовки газа
- Согласование решений — основная задача ИАСУ
- Инженерная методика поэтапного проектирования, строительства и реконструкции АСУ ТП и ИИУС газовых промыслов
Введение к работе
Обеспечить расчетные темпы добычи газа, долговременные и надежные его поставки потребителям внутри страны и на экспорт возможно только на основе научно-технического прогресса, самых совершенных достижений науки и технологий [94].
В настоящее время основная добыча газа (более 90%) осуществляется на северных месторождениях России. Достаточно упомянуть только такие уникальные месторождения-супергиганты, как Медвежье, Уренгойское, Ям-бургское и Заполярное. В стадии проектирования разработки находится ряд других крупных месторождений Западной Сибири и полуострова Ямал, намеченных к освоению уже в ближайшие годы. Перспективы газовой промышленности Росси на ближайшие десятилетия связаны с дальнейшей эксплуатацией этих гигантских месторождений и их сателлитов (месторождений спутников). Надежная и эффективная эксплуатация таких гигантских месторождений и их месторождений спутников невозможна без создания интегрированных информационно-управляющих систем (ИИУС).
Долговременная эксплуатация газоносных пластов приводит к постепенному снижению пластового давления, нарушению проектных режимов работы газовых промыслов (ГП) и невозможности выдерживания условий для эффективной добычи и транспорта газа. Вследствие этих причин ГП обустраиваются дожимными компрессорными станциями (ДКС), располагаемыми как на входе, так и выходе установок комплексной подготовки газа (УКПГ). ДКС предназначены для поддержания оптимальных по давлению и производительности условий для добычи и транспорта газа. Кроме этого, для поддержания уровня загрузки УКПГ в эксплуатацию вводятся удаленные кусты скважин и месторождения-спутники, которые обустраиваются установками предварительной подготовки газа (УППГ).
Ввод в эксплуатацию дополнительных ДКС и УППГ требует определенного уточнения методов управления УКПГ, ДКС и газовым промыслом в целом. Новые условия работы, характеризуются требованиями достижения максимальной эффективности функционирования как всей технологической цепочки: «пласт - скважины - кусты газовых скважин - газосборная сеть -(УППГ) - ДКС - (ДКС) - УКПГ - (ДКС)», так и работы всех ее компонентов (объектов). Это требование предъявляет дополнительные условия согласованного управления объектами. Недостаточный уровень такого согласования приводит к существенным технологическим осложнениям, снижению эффективности и надежности работы технологического комплекса, а также росту эксплуатационных затрат.
К настоящему времени достижения в области автоматизации управления северными газовыми промыслами в основном касаются уровня агрегатов, цехов, УКПГ, УППГ, ДКС. Функционирование локальных САУ технологических объектов, как правило, не скоординировано между собой.
Попытки дооснащения систем автоматизации новыми решениями, развивающими их функциональность как по горизонтали (за счет наращивания функций), так и по вертикали (за счет многоуровневой интеграции автономных систем) проводятся не системно, без учета ряда принципиальных положений теории и практики автоматизации.
В первую очередь, в этой связи, следует отметить фактор времени, который связан с последовательным изменением состава объектов по мере обустройства ГП и разработки месторождений. Очевидно, что уже на начальных этапах проектирования необходимо предусмотреть такую структуру ИИУС ГП, которая позволит в течение длительного времени реализовать процесс инновационных преобразований с целью поэтапного повышения эффективности системы управления, обеспечивая высокую степень надежности.
Многовариантность построения структуры ИИУС, сложность и высокая стоимость систем, сжатые сроки проектирования - все это приводит к необходимости разработки методов анализа процессов развития газовых промыслов с целью разработки методов оптимального размещения оборудования, а также синтеза ИИУС с целью минимизации затрат на их строительство и эксплуатацию.
Переход к новым задачам управления создаваемыми объектами на ГП, должен опираться на использование новейших достижений в области управления процессами ДКС и УКПГ, учитывать обширный опыт эксплуатации установленного технологического оборудования, обеспечивать широкое применение средств комплексной автоматизации и вычислительной техники, использовать адекватные проблемно ориентированные математические модели объектов управления.
В этой связи обобщение опыта проектирования и эксплуатации, а также анализ проблем и задач автоматизации газодобывающих предприятий (ГДП) северных месторождений (прежде всего, Уренгойского и Ямбургско-го) является актуальной задачей.
Следует отметить некоторые отличия и особенности северных месторождений по сравнению с месторождениями центральной и южной климатической зон, которые непосредственно влияют на процессы проектирования и эксплуатации систем управления комплексом распределенных технологических объектов добычи и промысловой подготовки газа. Наличие, наряду с гигантскими и супергигантскими месторождениями, множества средних и мелких месторождений (число которых только по северу Тюменской области составляет свыше 200). Для поддержания добычи газа северных регионов, начиная с 2003 года, активно вовлекаются в разработку именно мелкие и средние месторождения, главным образом газоконденсатные. Это определяется необходимостью и целесообразностью дозагрузки освобождающихся производственных мощностей по подготовке газа на основных крупных месторождениях посредством подключения к ним мелких месторождений, без строительства полнофункциональных схем обустройства.
Таким образом, еще на этапе проектирования крупных месторождений необходимо проводить системный анализ объектов, осуществлять экспертную оценку требований к системам управления и вырабатывать инновационную стратегию развития, на основе которой могут быть построены проектная концепция и процесс поэтапного создания систем управления сложными, территориально распределенными комплексами добычи и подготовки газа (ГП), с учетом их длительной эксплуатации в течение 30-40 лет и более.
Актуальность исследования обуславливается необходимостью обеспечения расчетных темпов добычи газа, долговременных и надежных его поставок, что сегодня невозможно осуществить без новых подходов к автоматизации и управлению основными технологическими процессами. Целью инноваций в области автоматизации газовых промыслов является повышение эффективности и качества управления технологическими процессами.
Предметом исследования являются: инновационные процессы развития газовых промыслов; проектные процедуры разработки и создания комплексных систем автоматизации и управления газовыми промыслами; технологические процессы добычи и промысловой подготовки газа; комплексная автоматизация газовых промыслов и создание ИРГУ С ГП сложной структуры: «скважины - кусты скважин - газосборная сеть - (Уі 1111) - ДКС - (ДКС) -УКПГ-(ДКС)».
Целью настоящей работы является разработка системно обоснованных подходов и методов создания информационно-управляющих систем газовых промыслов, обеспечивающих повышение эффективности и качества управления технологическими процессами за счет создания интегрированных многоуровневых систем управления и разработки методов и алгоритмов комплексной автоматизации газовых промыслов Крайнего Севера.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи.
Системный анализ: инновационных процессов строительства и развития ГП и систем автоматизации объектов добычи и подготовки газа;
ГП и технологических процессов как объектов комплексной автоматизации и управления.
Разработка инновационной стратегии: формирование системы требований и условий обеспечения эффективного управления инновационными процессами с целью осуществления комплексной автоматизации ГП; формирование инновационной стратегии развития автоматизированных технологических комплексов северных ГП; разработка проектной концепции разработки и создания комплексных интегрированных информационно-управляющих систем северных ГП.
Идентификация объектов: формализованное описание процессов добычи и промысловой подготовки газа, разработка операторно-параметрической схемы представления сцепленных процессов, разработка формальных операций над процессами; разработка математических моделей и алгоритмов моделирования процессов отдельных компонентов ГП (скважин, кустов скважин, газосборной сети и др.); разработка математических моделей и методов структурного синтеза ИИ-УС ГП.
Алгоритмизация объектов и процессов: разработка алгоритмов управления подсистемами ГП, практическая реализация АСУ ТП и ИИУС ГП; разработка принципов интегрированного управления агрегированными процессами ГП; экспериментальная проверка разработанных методов и алгоритмов в условиях реальных ГП.
Разработка проектной концепции: - формирование принципов интеграции АСУ ТП и формирования иерархи ческих уровней управления в ИИУС ГП сложной структуры: «пласт - скважины - кусты скважин - газосборная сеть - (У 11111) - ДКС - (ДКС) - УКПГ-(ДКС)»; - создание инженерной методики поэтапного проектирования, строительства и реконструкции АСУ ТП и ИИУС ГП.
Структура работы соответствует перечню сформулированных задач, содержит описание разработанных методов, методик и алгоритмов.
В первой главе диссертации проводится системный анализ предметной области. На примере северных газодобывающих предприятий проведен анализ разработки месторождений, особенностей технологических процессов и режимов работы оборудования в разные периоды, что позволяет прогнозировать расширение и реконструкцию газовых промыслов, с целью оптимального проектирования и развития АСУ ТП и ИИУС ГП, применительно к разным периодам разработки месторождений.
Выделен класс объектов управления - газовый промысел. Выполнен функционально-целевой анализ объектов газового промысла сложной структуры: «скважины - кусты скважин - газосборная сеть - (УППГ) - ДКС -(ДКС) - УКПГ - (ДКС)». Рассмотрены организационно-технологические процессы и выделены иерархические уровни управления.
Проблемы и требования интеграции АСУ ТП и построения ИИУС
Анализ проблем и задач комплексной автоматизации северных месторождений показывает, что имеется класс объектов - газовые промыслы сложной структуры: «скважины - КС - ГС - УППГ - ДКС - ДКС - УКПГ (ДКС - УКПГ -ДКС)» при проектировании и строительстве которых не решены задачи единого комплексного управления. Долгое время при проектировании и строительстве ГП, их системы управления проектировались и строились на базе автономных АСУ ТП отдельных технологических процессов (объектов). Эти АСУ ТП не скоординированы и не согласованы между собой и с вышестоящими уровнями управления. Следует отметить, что наряду с быстрыми темпами и широкими масштабами внедрения средств автоматизации и систем управления это явление оказало отрицательное влияние на темпы создания и развития ИИУС северных газовых промыслов, и предопределило: появление множества реализаций АСУ ТП от различных производителей и, как следствие, крайне разнородный состав средств (прежде всего программных) эксплуатируемых АСУ ТП; фрагментарное внедрение и локальное использование АСУ ТП для частных задач управления (явление, получившее название «лоскутная автоматизация»); отсутствие связи между подсистемами автоматизированного управления предприятием и АСУ ТП; Тем не менее, положительный опыт внедрения разного рода АСУ ТП, возрастание роли современных информационных технологий в жизнедеятельности газодобывающих предприятий, а также развитие технологий построения вычислительных сетей, распределенного хранения и обработки данных естественным путем привели к интенсификации внедрения АСУ и, как следствие, к актуализации проблематики интеграции АСУ ТП и создания ИИУС ГП. Задача интеграции АСУ ТП объектов ГП переходит в разряд первостепенных, без решения которой уже сложно представить современное газодобывающее предприятие и ГП. В контексте совершенствования систем автоматизированного управления ГП под интеграцией понимается создание единого информационного пространства управляющий комплекс ГП, осуществляемое путем объединения разнородных АСУ ТП в ИИУС. В качестве основных побудительных мотивов такой интеграции обычно указываются [27]: устранение информационных барьеров, формирование единого информационного пространства для всех АСУ ТП промысла, обеспечение потенциальной возможности взаимного обмена данными в реальном масштабе времени между компонентами любых АСУ ТП; обеспечение гибкости производственной системы, повышение ее оперативности при изменении технологических процессов, режимов работы и корректировке производственных заданий; повышение управляемости ГП посредством обеспечения информационной прозрачности, оперативности управления, согласованности принимаемых решений. Стремление к интеграции локальных АСУ ТП усугубляется противоречиями, корни которого лежат в разобщенности отдельных уровней и контуров управления и, как следствие, разобщенности (целевой, функциональной, информационной, технической) всей системы автоматизированного управления производственным объектом. Указанное противоречие существенно снижает объективную возможность управления ГП, а его устранение (или, хотя бы ослабление) является одним из действенных внутренних резервов повышения эффективности производства. Создание ИИУС газового промысла требует решения целого ряда проблем, краткая характеристика которых приведена ниже. Комплексное совершенствование системы управления. Обеспечение условий для взаимосвязанного и согласованного управления. Оптимизация принятия решений по системе в целом. Декомпозиция объекта. Разделение газового промысла на объекты, позволяющее осуществить эффективную автоматизацию каждого их них и ИИУС в целом. Декомпозиция целей. Построение дерева целей и установление для группы взаимосвязанных целей критериев интеграции, определяющих степень согласованности функционирования отдельных частей ИИУС. Межуровневая и внутриуровневая интеграция. Установление рациональных способов организации взаимосвязи и взаимодействия частей одного иерархического уровня и различных уровней. Совместимость. Обеспечение совместимости средств технического, программного и информационного обеспечения ИИУС. Повышение эффективности системы. Увеличение эффективности ИИУС по сравнению с суммарной эффективностью автономно функционирующих АСУ. Полная реализация задач автоматизированного управления. Расширение границ постановки задач управления по сравнению с задачами обработки данных. Задачи в ИИУС охватывают все фазы управления: измерение, учет, контроль, анализ, выработка управляющего воздействия. Адаптивность. Возможность перехода к эффективному функционированию в условиях меняющихся целей. Выбор средств реализации. Анализ и выбор средств реализации, обеспечивающих создание в приемлемые сроки компонентов ИИУС и их совместимость. Согласование компонентов ИИУС. Выбор согласованных параметров точности, достоверности информации, производительности и надежности взаимодействующих компонентов ИИУС, обеспечивающих достижение цели. Координация и управление частями ИИУС. Организация управления обменом и распределением ресурсов. Согласование целей и критериев функционирования локальных компонентов (АСУ ТП). Методическое обеспечение ИИУС. Формирование общих требований к ИИУС, к разработке норм и правил классификации, технологии разработки, внедрения и эксплуатации систем, к составу и содержанию документации. С точки зрения технической реализации сопряжения эксплуатируемых САУ и АСУ ТП, а также вновь создаваемых АСУ ТП основные подходы к осуществлению интеграции уровней АСУ ТП достаточно четко определились [48,50]:
Пример агрегирования процессов добычи и подготовки газа
В газовой промышленности осуществляется последовательное развитие информационных технологий, используемых в первую очередь в целях автоматизации основных (базовых) и вспомогательных технологических процессов. Пройденные этапы дали безусловно высокие результаты по комплексному внедрению систем и средств автоматизации, построенных на базе современных вычислительных комплексов.
Наибольший эффект сегодня достигнут в сфере магистрально-транспортных систем. Однако, расширение функционального состава задач автоматизации на все организационные уровни современных газотранспортных систем, выдвигает сегодня на повестку дня новые проблемы, связанные с обеспечением процессов управления на высших уровнях технологических комплексов, высокоэффективными автоматизированными процедурами, средствами выработки управленческих решений, их обоснованию, интерпретации возможных последствий и результатов в случае их принятия и реализации. Распространение автоматизированных технологий на другие объекты отрасли, такие как добыча, подготовка и хранение газа - основополагающие компоненты отрасли, также выдвинули принципиально новые задачи. В их числе: обеспечение управления групповыми процессами, разработка высокоэффективных систем управления, получение значимых результатов по сокращению энергетических и ресурсных потерь.
Именно этот ряд обстоятельств обуславливает необходимость построения и привлечения сегодня принципиально новых информационных и системных технологий.
Усложнение задач, связанное с развитием новых производственных технологий, объективно приводит к появлению сложных многоуровневых организационно-технологических систем. Категория «сложность» в этом смысле зачастую определяется структурной сложностью объектов, которая формируется в процессе агрегирования отдельных процессов и операций в комплексы.
При этом агрегирование может осуществляться различным образом. Одним из вариантов агрегирования процессов является объединение их в группу по некоторому функциональному критерию. В качестве примера можно привести различные процессы, выполняемые в рамках определенной целевой функции, например - экономическим критерием (Рис. 2.1). Другим, практически важным, вариантом агрегирования, является объединение процессов через общий ресурс, например, через обрабатываемое в технологическом процессе рабочее тело (вещество, изделие, продукт) (Рис. 2.2). Следует отметить, что наиболее простым случаем агрегирования могут являться процессы последовательной обработки, в которых на вход каждого /-го процесса влияет только выход предыдущего (/-1)-го процесса (Рис. 2.3). Например, обработка детали на различных станках. Но в непрерывных технологических процессах, как правило, связи между составляющими процессами значительно сложнее. Например, выход скважины на газовом промысле влияет на вход дожимной КС, но и ДКС оказывает влияние на выход скважины. Таким образом, в общем случае связи могут иметь как каскадный характер, так и характер параллельных соединений или местных обратных связей. Особый случай характеризуется наличием объединенного ресурса, который формируется в пределах агрегирующего подпроцесса (Рис. 2.2). В качестве подобного ресурса может выступать как предмет обработки - технологическое тело, так и средство обработки - технологическое оборудование.
Ярким примером агрегированного технологического процесса может служить добыча газа и его подготовка к транспорту по трубопроводам. Этот процесс состоит из следующих элементов (Рис. 2.4). 1. добыча газа из скважин (ТПі) 2. очистка газа от механических примесей (ТП2) 3. сжатие газа (ТП3) 4. охлаждение газа (ГП4) 5. осушка газа при помощи диэтиленгликоля (ДЭГ) (ТП5), 6. отделение капель ДЭГ, насыщенного водой (ТПб), 7. сжатие осушенного газа (ТП7) 8. регенерация ДЭГ (ТП8). Добыча газа осуществляется из скважин, пробуренных в газоносных пластах. При этом, в зависимости от богатства месторождения и от его срока эксплуатации, пластовое давление может быть различным. Обычной является ситуация, когда давление в скважинах недостаточно для экономически выгодной транспортировки газа. Для повышения давления газ подвергают сжатию на до-жимных компрессорных станциях (ДКС). Таким образом, можно говорить об объединении двух процессов - добычи газа из скважин и сжатия газа. При этом необходимо отметить следующие особенности этих процессов: 1. Процесс добычи газа из скважин имеет ограничения, обусловленные геологическими причинами. Например, при превышении определенного расхода добываемого газа, может произойти заводнение пластов, и как следствие, ухудшение отдачи газа. 2. Процесс сжатия газа имеет ограничения, обусловленные конструкцией оборудования (центробежные компрессоры). Центробежный компрессор может устойчиво работать только в определенном диапазоне расходов и давлений, в противном случае возможно возникновение опасных неустойчивых режимов -помпажа. Для того, чтобы избежать таких явлений, используется байпасирова-ние (перепуск газа с выхода компрессора на его вход), что в свою очередь, снижает эффективность процесса. 3. Процессы добычи и сжатия газа взаимно влияют друг на друга, так как они объединены по общему ресурсу - транспортируемому газу. При этом, давление на выходе скважин зависит от расхода газа через ДКС, а расход в свою очередь зависит от давлений в скважинах и на выходе ДКС, то есть система имеет множество местных обратных связей. При сжатии газа нежелательным эффектом является нагрев. Для того, чтобы отвести лишнее тепло от газа, применяются аппараты воздушного охлаждения газа (АВОГ), представляющие собой теплообменники, обдуваемые электрическими вентиляторами.
Согласование решений — основная задача ИАСУ
При создании ИАСУ в процессе исследования объекта возникает задача выявления структуры производственно-технологических связей, формирования ряда показателей — производительности отдельных участков, затрат и качества, расхода материалов и энергии, а также динамики изменений производственных заданий.
Знание моделей, как самого объекта управления, так и его связей с внешней средой обуславливается получением многомерных статистических данных, анализ которых позволяет учесть вероятностные свойства заданий и состояний внешней среды, а также возможный разброс характеристик объектов при решении задач управления. Такая статистика позволяет выделить области часто повторяющихся производственных ситуаций, что дает возможность заранее выбрать для них стратегию управления.
Если ИАСУ ТП разрабатывается для нового предприятия и его вероятностные характеристики, как и вероятностные характеристики внешней среды, установить не представляется возможным, то для этого случая исходными могут являться характеристики и производственные ситуации, найденные на основании анализа аналогичных действующих предприятий (например, методом экспертных оценок).
Так как обычно внешней средой задается не один, а несколько критериев оценки функционирования предприятия, некоторые из которых несоизмеримы, то возникает задача упорядочения критериев путем их ранжирования, задания приоритетов или весовых коэффициентов. Изменение приоритетов может осуществляться, когда значение максимизируемой или минимизируемой целевой функции достигает некоторого заранее установленного уровня. Например, критерий максимизации производительности может потерять свой первый приоритет в тех случаях, когда уровень производства превысит заданное значение. Выбор приоритетов является неформальной операцией и может осуществляться с использованием методов теории принятия решений. Для моделирования процессов принятия решений обычно составляются сценарии, которые затем реализуются в процессе ситуационного управления объектом. Аналогично могут определяться весовые коэффициенты, преобразующие векторный критерий в скалярный.
Структура производственных связей для каждой из производственных ситуаций определяет возможность декомпозиции общей цели, задаваемой внешней средой, на множество подцелей каждого участка магистрального газопровода образующих дерево целей. При составлении дерева целей необходимо учитывать не только производственные возможности ГП, но и ограничения, накладываемые внешней средой по ресурсам и срокам.
На основании дерева целей технологических процессов ГП строятся взаимосвязанные с ним деревья целей для всех объектов ГП, обеспечивающих основное производство необходимыми ресурсами. Дерево целей, представляемое в виде графа, отображающего связи и соподчиненность целей (вертикальные уровни) и функции управления, обеспечивающие достижение этих целей (горизонтальные уровни) позволяет разрабатывать оптимальные стратегии управления сложным объектом.
На основе дерева целей осуществляется декомпозиция общих критериев оценки функционирования производственного процесса ГП, что позволяет каждой подцели поставить в соответствие определенные критерии. Выбор подцелей и критериев для каждого элемента производственной структуры позволяет сформулировать задачи управления и получить тем самым функциональную структуру системы управления производством, соответствующую дереву целей.
Совокупность локальных критериев должна соответствовать общим критериям. С учетом характеристик звеньев производственной структуры приоритеты или весовые коэффициенты локальных критериев должны изменяться. Например, подсистеме компримирования, состоящей из двух последовательно ДКС, заданы критерии максимизации производительности и минимизации расхода энергии с первым и вторым приоритетами соответственно. Пусть при удовлетворении первого критерия один из агрегатов достиг своей предельной производительности и стал узким местом. Тогда для второго агрегата критерий максимизации производительности теряет смысл, а достигнутое значение целевой функции превращается в ограничение при работе по критерию со вторым приоритетом.
При выборе задач согласованного управления применяемые модели должны не только учитывать ограничения по производительности и другим показателям, но и отражать усредненные соотношения между переменными, влияющими на показатели, входящие в критерии. Использование в модели усредненных соотношений переменных снижает ее точность и означает, что модель лишь "в среднем" соответствует реальным характеристикам объекта. Примером являются так называемые нормативные показатели производительности, полученные усреднением результатов работы объекта без учета степени согласованности его функционирования с другими объектами, без учета изменения характеристик в течение межремонтного периода работы оборудования и т. д.
Управление по средним характеристикам, характерное для диспетчерских задач на уровне объектов ГП, является объемное календарное планирование в масштабе группы цехов, устанавливающее объемы производства по календарным срокам. Рассматривая параметры этого плана как задания целей и критериев внешней среды, можно отыскать управление для производственных структур каждого из цехов и крупных участков, модели которых учитывают укрупненные характеристики отдельных агрегатов, входящих в состав этих цехов и участков. Найденное управление имеет форму более детализированного объемно-календарного плана с разбивкой на более мелкие интервалы времени. Наконец, аналогичным образом могут быть найдены согласованные между собой календарные планы-графики работы агрегатов и цехов.
Число ступеней разбиения задач управления ПАСУ ТП определяется вычислительными возможностями технического обеспечения, сложностью решения задач управления, а также вероятностными характеристиками действующих на производственный процесс возмущений, вызывающих отклонение реального хода производства от запланированного. Чем более укрупненная модель используется для решения задачи управления, тем выше риск отклонения параметров объекта при функционировании от оптимальных. Уменьшение риска может быть достигнуто детализацией моделей, уточнением их параметров на основании анализа отклонений от плана в процессе функционирования объекта.
Таким образом, при выборе числа уровней детализации моделей при согласованном управлении необходимо: - использовать данные статистического анализа причин расхождения между планом и реальным ходом производственного процесса; - выявить комплексные характеристики, оценивающие организационные и технологические нагрузки; построить вероятностную модель неупорядоченности производственного процесса как функции от организационных и технологических характеристик для различных производственных ситуаций; - определить интервалы времени планирования и управления при данной степени укрупнения моделей, обеспечивающие заданное значение характеристик выполнения плана. В зависимости от сложности общей задачи управления число уровней детализации с последовательным уточнением управления может быть различным. Так, задачи объемно-календарного планирования могут делиться на задачи среднесрочного и краткосрочного планирования, задачи построения графика реализации плановых заданий, заданий на короткий срок и т д.
Инженерная методика поэтапного проектирования, строительства и реконструкции АСУ ТП и ИИУС газовых промыслов
В процессе создания ИИУС ГП Заполярного ГНКМ реализована и в настоящее время находится в промышленной эксплуатации система телемеханики электрифицированных кустов газовых скважин (СТМ КГС) СТН-3000 [56]. Структура системы телемеханики кустов газовых скважин Заполярного ГНКМ представлена на рис. 4.8.
Основными функциями системы являются сбор технологических параметров (давление, перепад давления, температура), расчет мгновенных и интегральных расходов по каждой скважине, сигнализация состояния оборудования и самой системы и, в перспективе, управление скважинами. На каждой скважи-не смонтирована установка измерения дебита скважины, общий вид которой показан на рис.
Установка включает интеллектуальный трехпараметрический цифровой датчик Teletrans-3508-ЗОС, обеспечивающий измерение одновременно трех параметров: давления, перепада давления и температуры и их передачу в контроллер КГС. Подключение датчика Teletrans 3508-ЗОС к КП осуществляется по двухпроводной линии, обеспечивающей передачу цифровой информации и питание датчика.
В настоящее время ведется проектирование и обустройство ГП наиболее удаленных северных месторождений, на кустах скважин которых не предусмотрено (проектами) централизованное энергоснабжение [12]. Для реализации системы сбора, обработки и передачи информации неэлектрифицированных КГС необходимо решить три задачи:
Первая задача: выбрать первичный измеритель расхода газа в скважине, который не требует обогрева импульсных трубок и, безусловно, отвечает требованиям по метрологии и устойчивости к гидратообразованию.
К таким первичным устройствам можно отнести комплекс «Пингвин», нестандартные сужающие устройства КРАУ и ДКР. В комплексе «Пингвин» [76] для измерения дебита скважины используется метод переменного перепада давления, реализуемого на базе варианта стандартного сужающего устройства — трубок Вентури. В составе комплекса применена система осушки импульсного газа, предупреждающая образование в импульсных трубках к измерительным приборам глухих ледяных и гидратных пробок без ингибиторов и активного электронагрева. В теплоизолированном приборном отсеке комплекса в течении года поддерживается стабильная температура воздуха в диапазоне ± 5 С от температуры газа на устье скважины, за счет этого сохраняется работоспособность средств автоматизации общепромышленного назначения. Кроме того, относительная влажность газа при давлениях меньших 5 МПа во время протекания по горловине трубы Вентури становится меньше 100% и в минусовую камеру преобразователя разности давления не поступает капельная жидкость. В составе комплекса нет оборудования, требующего частого наблюдения и обслуживания.
Нестандартное сужающее устройство КРАУ [75] представляет собой полусферу, выдвигаемую во внутреннюю полость трубы, перпендикулярную оси потока. Одним из существенных недостатков метода является следующее обстоятельство: когда температура газа на устьях скважин будет близка к равновесной температуре образования гидратов при отсутствии активного обогрева в каналах и отверстиях для отбора газа и камеры измерительного прибора, могут образовываться глухие пробки из газовых гидратов.
Для реализации метода переменного перепада давления в первичном преобразователе ДКР [3] используется сужающее устройство диффузорно-конфузорного типа. За счет оригинальной конфигурации проточной полости устройство не имеет суженных сечений и зон возможных отложений механических примесей, содержащихся в потоке среды, и обладает меньшими потерями. Устройство не требует специального электроподогрева.
Вторая задача: выбор одного или нескольких независимых источников энергопитания. Предпочтительным решением является комбинация автономных источников энергии, к числу которых можно отнести термоэлектрогенератор, солнечную батарею и ветрогенератор.
Автономный источник питания представляет собой комплексный прибор, включающий в свой состав термоэлектрогенератор, солнечную батарею и аккумулятор во взрывозащищенном исполнении.
Солнечная батарея В качестве примера промышленной реализации может быть рассмотрена солнечная батарея SX 60 производства ВР Solar.
Для питания КП телемеханики кустов газовых скважин в условиях Крайнего Севера требуется две батареи SX 60 соединенные параллельно. Емкость резервного аккумулятора для питания КП в темное время года должна составлять не менее 90 Ач.
Одним из возможных вариантов может быть ветрогенератор AIRIndustrial производства Southwest Windpower Inc. Ветрогенератор является мощным источником энергии (400Вт), однако начинает вырабатывать электроэнергию только при значительном ветре (2,7 м/с). Поэтому ветрогенератор применяется совместно с резервным аккумулятором. Также можно использовать комбинацию ветрогенератора с солнечной батареей. С учетом небольших размеров (диаметр ротора 117 см) ветрогенератор устанавливается на крыше блок-бокса.
Третья задача (основная), от решения которой в наибольшей степени зависит возможность реализации системы сбора и обработки информации для не-электрифицированных кустов газовых скважин (НКГС) северных ГП - это реализация КП системы с минимальным энергопотреблением. Тогда, в случае отключения всех автономных источников энергии, аккумуляторная батарея будет разряжаться в течение длительного времени, что позволит не прерывать работу системы до возобновления работы какого-либо из автономных источников энергии. Кроме этого система должна сохранять работоспособность при чрезвычайно низких температурах. Рассмотрим варианты построения системы, удовлетворяющие указанным требованиям.
