Совершенствование управления дожимной насосной станцией на основе многомерных нечетких регуляторов с дискретными термами Сагдатуллин Артур Маратович

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ технологии и систем управления процессами нефтеподготовки

1.1 Типовая технологическая схема добычи и подготовки нефти

1.2 Способы регулирования режимов работы электроприводов дожимных насосных станций .

1.3 Анализ характеристик регуляторов, используемых в системах управления дожимными насосными станциями .

1.4 Обзор существующих систем электроснабжения дожимных насосных станций .

1.5 Постановка задачи построения автоматизированных систем управления дожимными насосными станциями как сложными технологическими объектами.

Выводы по первому разделу

2 Разработка системы управления дожимными насосными станциями на основе нечетких регуляторов с интерпретацией входных и выходных переменных совокупностью дискретных термов

2.1 Конструкция и концептуальная модель дожимной насосной станции, реализованные на основе нечетких регуляторов с дискретными термами .

2.2 Модель входных и выходных переменных ДНС в виде совокупности термов с прямоугольной формой функции принадлежности 10

2.3 Реализация алгоритма управления процессами ДНС на основе многомерного нечеткого регулятора с дискретными термами

2.4 Модель управления процессами в дожимных насосных станциях на основе ПИД-регуляторов с автоматическим заданием оптимальных настроек нечетким регулятором с дискретными термами (на примере регулятора уровня)

2.5 Алгоритм равномерного распределения времени нагрузки между основным и резервным насосами дожимных насосных станций

2.6 Обоснование применения в нечетких регуляторах дискретных термов

3 Моделирование переходных процессов в электроприводах дожимных насосных станций

3.1 Математическая модель основных режимов функционирования электроприводов с использованием высоко- и низковольтных преобразователей частоты

3.2 Модель скалярного управления АД с повышенным пусковым моментом при питании от ПЧ

3.3 Схемы комплексной автоматизации высоковольтного электропривода дожимной насосной станции

3.4 Разработка алгоритма управления электроприводом дожимной насосной станции

3.5 Анализ энергоэффективности автоматизированных систем высоковольтного электропривода насосной станции

Выводы по третьему разделу 90

4 Автоматизированная система управления дожимной насосной станцией, реализованная на нечетком регуляторе с дискретными термами

4.1 Общая характеристика автоматизированной системы управления дожимной насосной станцией посредством нечеткого регулятора с дискретными термами

4.2 Реализация автоматизированной системы управления дожимной насосной станцией в SCADA-системе STARDOM YOKOGAWA

4.3 Анализ технико-экономической эффективности систем управления ДНС на основе нечетких регуляторов с дискретными термами

Выводы по четвертому раздел

Основные выводы и результаты список литературы

• Способы регулирования режимов работы электроприводов дожимных насосных станций
• Модель входных и выходных переменных ДНС в виде совокупности термов с прямоугольной формой функции принадлежности
• Схемы комплексной автоматизации высоковольтного электропривода дожимной насосной станции
• Реализация автоматизированной системы управления дожимной насосной станцией в SCADA-системе STARDOM YOKOGAWA

Введение к работе

Актуальность темы. При транспортировке нефти, пластовой воды и попутного газа (нефтяной эмульсии) с месторождения по нефтепроводам устанавливаются дожимные насосные станции (ДНС), на которых осуществляется сбор, сепарация, предварительное обезвоживание, учет и дальнейшая транспортировка нефти и попутного газа до центральных пунктов сбора (ЦПС), а также товарных парков. При этом потребление электроэнергии насосным оборудованием превышает 70 % в общей смете затрат на электроэнергию нефтегазодобывающих предприятий.

Управление режимами работы ДНС основано на регулировании угловой скорости двигателей нефтеперекачивающих агрегатов (НПА), однако у используемых высоковольтных асинхронных электродвигателей (ВАД) большой мощности (от сотен киловатт до нескольких мегаватт) потери электроэнергии от нерегулируемых переходных режимов составляют 20–40 %.

В подавляющем большинстве случаев для управления напором в трубопроводе используются ПИД-регуляторы. Однако, неопределённость характеристик объекта, нелинейность объекта и возмущения, такие как, например, непрерывное изменение подачи нефти на рассматриваемую НС, приводит к колебаниям расхода и давления, как в трубопроводе, так и на ЦПС.

Причинами неопределенности в изменении поступающей жидкости на ДНС могут служить различные факторы – изменения физико-химического состава нефти, температуры окружающей среды, геологических и рельефных характеристик местности, циклическая работа добывающих скважин.

Указанные факторы не позволяют получить аналитические зависимости и адекватную математическую модель (ММ) объекта, из-за чего схемы управления и контроля ДНС на основе ПИД-регуляторов нуждаются в периодической и трудоемкой настройке. Для этого необходимы выезды бригады и специалиста на ДНС, что приводит к повышению себестоимости продукции, а также отражается на надежности устройств объекта, таких как автоматизированный электропривод (АЭП), трубопроводы и система транспорта в целом.

Отсюда следует, что ДНС является нелинейным объектом управления и классические подходы к его управлению будут малоэффективны в условиях изменяющихся параметров как самого объекта, так и входных и возмущающих воздействий.

Вследствие невысокой эффективности применяемых схем, алгоритмов и классического ПИД-регулирования, целесообразно использовать нечеткие (Fuzzy) регуляторы (НР), описанные в работах Л.А. Заде, Е.А. Мамдани, М. Су-гено, С.Д. Штовбы.

Вышеизложенное позволяет считать, что разработка систем логического управления на основе многомерных нечетких регуляторов с интерпретацией функции принадлежности регулируемого параметра в форме дискретных термов (МНРсДТ) для технологических процессов (ТП) транспорта нефтепродуктов является актуальной научной задачей, решение которой позволит повысить эффективность функционирования дожимных насосных станциях.

Диссертационное исследование выполнено в рамках научно-исследовательской работы «Разработка системы интеллектуального управления режимами работы насосных станций транспорта и подготовки нефти» (Договор № 5286ГУ1/2014).

Цель работы – повышение эффективности функционирования дожимных насосных станций транспорта и подготовки нефти на основе использования в АСУ многомерных нечетких регуляторов и моделей технологических процессов и электропривода.

Задачи исследования:

1. разработка моделей балансирования потоков технологических жидкостей и параметров ДНС с использованием энергоэффективных исполнительных систем, построенных на АЭП под управлением нечетких логических регуляторов.

2. построение структурной схемы управления ДНС с использованием алгоритма равномерного распределения времени нагрузки между основным и резервным насосами ДНС, обеспечивающей повышение энергоэффективности и надежности АСУ.

3. разработка математической модели и ее имитационной реализации для анализа влияния переходных режимов работы электропривода на эффективность функционирования ДНС в составе высоко- и низковольтных схем автоматизации.

4. создание алгоритма управления функционированием ДНС в условиях неполной информации под управлением многомерного нечеткого регулятора автоматизированного электропривода.

5. разработка программного комплекса АСУ ДНС и экспериментального лабораторного стенда для моделирования переходных процессов, а также для исследования эффективности предложенных решений.

Объект исследования – технологические процессы транспорта нефти на дожимной насосной станции и системы управления ими на основе многомерных нечетких регуляторов с дискретными термами.

Предмет исследования – синтез логических моделей, моделей высоковольтного автоматизированного электропривода и алгоритмов работы МНРсДТ.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории управления, электрических цепей, имитационного моделирования, нечетких логических регуляторов, теории интеллектуальных систем управления, многомерного автоматического регулирования, методы исследований эффективности на физической модели объекта.

Научной новизной обладают:

1) разработанная структура системы управления ДНС, заключающаяся в том, что для управления ДНС применена комплексная исполнительная система (ИС) под управлением многомерной системы управления – МНРсДТ, особенностью которой является использование на стадии фаззификации дискретных термов;

2. математическая модель ДНС и ее имитационная реализация, отличающиеся учетом элементов схемы автоматизации, нагрузки на валу электродвигателя, позволяющие моделировать переходные процессов в системе и анализировать влияние переходных режимов работы электропривода на эффективность функционирования ДНС в составе высоко- и низковольтных схем автоматизации;

3. алгоритм функционирования ДНС в условиях неполной информации в составе структурной схемы ПИД-управления с адаптацией коэффициентов от МНРсДТ, позволяющий многомерному нечеткому регулятору компенсировать значительные возмущающие воздействия, а также аварийные технологические режимы без потери точности и устойчивости управления системой;

4. схема управления ДНС и алгоритм равномерного распределения времени нагрузки между основным и резервным насосами, в которой реализован автоматический прямой пуск электродвигателя с сохранением параметров настройки, что обеспечивает повышение эффективности и надежности АСУ ДНС в процессе эксплуатации.

Практическую значимость имеют:

1) структурная схема управления АЭП ДНС и алгоритм равномерного рас
пределения времени нагрузки между основным и резервным насосами ДНС,
обеспечивают повышение эффективности и надежности АСУ путем равномер
ного распределения наработки между насосами ДНС в процессе эксплуатации;

2) математическая модель ДНС и ее имитационная реализация, учиты
вающие элементы схемы (питающая линия, кабель, дроссель, фильтр, транс
форматоры, потери на управляющем преобразователе и нагрузки на валу элек
тродвигателей (центробежный насос и гидравлическая сеть);

3) структура системы управления ДНС на основе МНРсДТ и реализован
ные логические схемы алгоритмов управления, контроля и регулирования, по
зволяющие на 25–28 % уменьшить перерегулирование и уложиться в заданное
время регулирования – 15 с;

4) логическая схема алгоритма функционирования АЭП ДНС и модели
скалярного управления электродвигателями с повышенным пусковым момен
том, позволяющие автоматически осуществлять прямой и плавный пуск двига
телей (патенты РФ № 136504 и № 140350), а в случае аварии в автоматическом
режиме обеспечивать пуск насоса и заданный диапазон регулирования без по
тери точности и устойчивости управления системой;

5) экспериментальный лабораторный стенд и программный комплекс АСУ
ДНС на основе МНРсДТ для натурного моделирования переходных процессов
пуска АЭП (патент РФ № 2551139), позволяющие исследовать эффективность
функционирования ДНС в процессе эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту:

1. структура и элементы системы управления ДНС балансирования потоков технологических жидкостей и стабилизации технологических параметров ДНС;

2. структурная схема управления АЭП ДНС и алгоритм равномерного распределения времени нагрузки между основным и резервным насосами;

3. математическая модель и ее имитационная реализация в составе системы управления для анализа влияния переходных режимов работы электропривода на эффективность функционирования ДНС с применением высоко- и низковольтных схем автоматизации;

4. алгоритм функционирования ДНС в условиях неполной информации, модели скалярного управления электродвигателем с повышенным пусковым моментом в составе системы управления с ПИД-регулятором с адаптацией коэффициентов от МНРсДТ;

5. программный комплекс АСУ ДНС в составе экспериментального лабораторного стенда для моделирования переходных процессов пуска АЭП с учетом элементов схемы НСВ и нагрузки на валу ВАД при управлении от НР, МНРсДТ и ПИД-регулятора с адаптацией коэффициентов от МНРсДТ, а также для исследования эффективности принимаемых решений.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы используются: в СУ насосными станциями производственной фирмы ППН-Сервис «ООО «Строй Траст 2008», в исследовательской лаборатории научно-образовательного центра, а также в учебном процессе Альметьевского государственного нефтяного института и в филиале Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ) в г. Стерлитамаке.

Достоверность представленных в диссертационной работе научных положений, методик разработки, рекомендаций и выводов, подтверждается их непротиворечивостью известным положениям в соответствующих предметных областях, сходимостью результатов экспериментальных исследований, проведенных непосредственно на дожимной насосной станции и вычислительных экспериментов на её имитационной модели, а также адекватностью имитационных моделей.

Апробация полученных результатов. Результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих научных конференциях и семинарах: 12-я, 13-я, 14-я, 15-я, 16-я, 17-я студенческие научно-практические конференции «Нефть: экономика, политика, наука и культура» (Альметьевск, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.); 2-я, 7-я, 8-я, 9-я Международные научные конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007, 2012, 2013, 2014); Международные молодежные научные конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ» (Ухта, 2009, 2012, 2013, 2014 гг.); Молодежная научно-практическая конференция ТАТНЕФТЬ-ЭНЕРГОСЕРВИС (Альметьевск, 2010 г.); International Student Scientific and Practical Conference «Oil &Gas Horizons» (Moscow, 2011, 2012, 2013 гг.); 8-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА, МЭИ» (Москва, 2012 г.); X-th International Yough Oil & Gas Forum (Almaty, 2013 г.); 67-я Международная молодежная научная конференция «Нефть и газ – 2013. РГУ им. Губкина» (Москва, 2013 г.); First international science-technical congress for students and young professionals behind the Ural Mountains: «West-Siberian Petroleum Conference’2013» (Tyumen, 2013 г.); Региональная научно-практическая конференция «Научная сессия ученых АГНИ» (Альметьевск, 2012, 2013, 2014 гг.); Международная научно-практическая конференция

«Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе» (Тюмень, 2013 г.), 2-я Международная конференция «Интеллектуальные технологии обработки информации и управления ITIPM’2014» (Уфа, 2014 г.), Proceedings of the 16th International Worcshop on Computer Science and Information Technologies CSIT’2014 (Sheffield, England, 2014 г.), Международная летняя школа-семинар по искусственному интеллекту для студентов, аспирантов и молодых ученых (Тверь – Протасово, 2015 г.).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в более чем 50 печатных работах, из них 6 статей в журналах, включенных в «Перечень…» ВАК, 1 статья зарубежном рецензируемом издании, включенном в международную базу Scopus, 1 монография, 1 патент на изобретение, 2 патента на полезные модели; 5 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 125 наименований и приложений, и содержит 221 страницу, в том числе 101 рисунок и 22 таблицы.

Способы регулирования режимов работы электроприводов дожимных насосных станций

Как правило, продукция нефтяных добывающих скважин состоит из смеси нефти, пластовой воды (обычно со средним содержанием солей до 300 г/л), газа (органического СН4С4Н10 и неорганического H2S, СО2 происхождения), а также механических смесей (частицы цемента, песка, глины, известняка), выносимых из пласта [5, 6, 71, 72]. При интенсивном перемешивании данная смесь образует эмульсию, в которой мелкие капли воды находятся во взвешенном состоянии, и поэтому не отстаиваются, и не сливаются друг с другом. Система сбора и подготовки нефти, являющаяся важной частью проекта обустройства нефтяного месторождения, состоит из взаимосвязанных технологических процессов, которые включают: размещение добывающих и нагнетательных скважин; пункты сбора, подготовки нефти и попутного нефтяного газа, а также системы поддержания пластового давления, электроснабжения объектов, контроля, автоматизации процессов и др. [73, 74]. Особенности сбора и подготовки нефти зависят от площади месторождения и изученности залежей нефти, нахождения на месторождении объектов различного назначения (технологические объекты и жилые помещения, здания и др.), количества скважин и их дебитов, характера и физико-химических свойств добываемой нефти, местных природных условий и др. Необходимым в процессе проектирования системы сбора и подготовки нефти является учет того, что за время эксплуатации месторождения число скважин, дебиты и их расположение будет изменяться в зависимости от параметров нефтеносного пласта, давлений на устьях скважин, схемы воздействия на нефтяную залежь и др. факторов.

В работах [5, 6, 31, 71, 73] отмечается, что единой технологической схемы промыслового сбора, транспорта и подготовки нефти не существует вследствие того, что все существующие схемы трансформируются в зависимости от большого числа важных факторов (физико-химических свойств добываемой нефти, ее обводненности, дебитов, технологических решений разработки залежи, способов извлечения продукции, режимов работы, климатических и геологических характеристик объекта разработки). Промысловая система сбора и подготовки продукции скважин является сложным инженерным комплексом объектов, расположенных на территории разрабатываемого месторождения и коммуникационных сооружений. Она предназначена для транспортировки добываемой продукции скважин к центральным пунктам сбора, определения количества и качества нефти, осуществления технологических операций по подготовке нефти, попутного газа и пластовой воды до требуемых параметров, разделения жидких и газообразных фаз, нейтрализации посторонних примесей и утилизации вредных веществ [6, 31, 71]. Как правило, нефть, вода (в газовых скважинах содержится жидкая фаза в виде капелек и паров воды, а в газоконденсатных также присутствуют жидкие углеводороды) и механические примеси (песок, цемент, глина, частицы пород пласта) образуют смесь в виде интенсивно перемешивающейся эмульсии. Для доставки е потребителям, сооружаются системы транспорта, сбора нефти и попутного нефтяного газа, отделения примесей и освобождения от посторонних фаз, а также системы измерения количества и качества добываемой нефти. Механические примеси и пластовая вода (около 80% от общего дебита с минерализацией до 300 г/л), поступающие вместе с нефтью, вызывают повышенную коррозию резервуаров и разрушение трубопроводов труб, а попутный нефтяной газ может являться причиной гидроударов и разрушения транспортных магистральных нефтепроводов. К основным технологическим операциям нефтеподготовки относятся: 1) измерение параметров (количества, качества, покомпонентного анализа) добываемой продукции со скважин; 2) сбор и транспортирование нефти с автоматизированных групповых замерных установок к пунктам сбора и резервуарным отстойным паркам; 3) сепарирование нефте-газо-жидкостной смеси на отдельные фазы: нефть, газ и вода, удаление механических примесей; 4) распределение отделенной воды на компрессорные станции и транспортировка газа до газораспределительных узлов; 5) транспорт нефти на установки комплексной подготовки нефти (УКПН), где происходит обессоливание, обезвоживание (деэмульсация), стабилизация нефти; 6) обеспечение автоматизированного учета на пунктах подготовки и сдачи нефти транспортным организациям путем установки систем измерения количества и показателей качества нефти (СИКН).

Модель входных и выходных переменных ДНС в виде совокупности термов с прямоугольной формой функции принадлежности

Отличительной особенностью предлагаемой конструкции дожимной насосной станции является передача функций регулирующих клапанов частотно-регулируемому приводу. Это обусловлено тем, что регулирование напора и подачи путем открытия и закрытия регулирующих клапанов имеет низкую экономическую эффективность, потери мощности и напора при работе на полуоткрытые клапаны, прорывы в магистральных трубопроводах и др. В состав дожимной насосной станции системы транспорта и подготовки нефти входят два низковольтных асинхронных электродвигателя насосов (Н-3, 4), резервуар (Е-3), клапаны (1-18), обратные клапаны (ОК-1, 2, 3 и 4), фильтры (Ф-1, 2 и 3), узел учета нефти и система измерения количества и показателей качества сырой нефти (СИКНС), а также низковольтный преобразователь частоты, повышающий и понижающие трансформаторы и встроенный контроллер для управления высоковольтными асинхронными электродвигателями (ВАД) насосов (Н-1, 2). Продукция скважин с месторождения поступает на площадку ДНС, обрабатывается деэмульгатором, который подается с блока реагента и через сепаратор-пробкоуловитель поступает в трехфазный нефтегазовый сепаратор первой ступени. После этого пластовая жидкость поступает в подогреватель нефти, где нагревается до 60 градусов по Цельсию. Затем нагретая пластовая жидкость направляется в концевой сепаратор и в резервуар (Е3), где проходит окончательное разгазирование. Рассматриваемым объектом на ДНС является концевой резервуар Е-3, в который жидкость поступает после конечного сепарирования с РВС-1 с цеха добычи нефти и газа ЦДНГ-1, а также двумя насосами откачивается из резервуара, расположенного на рассматриваемом объекте с ДНС-1 в резервуар Е-3 через узел учета нефти. Далее жидкость поступает на насосы внешней откачки (Н-1, Н-2).

Технологическая схема предусматривает транспортирование потока через узел защиты от повышения давления в СИКНС. В качестве топлива для подогревателей нефти используется попутный нефтяной газ. На газовой и жидкостной линиях предусмотрены узлы учета. Газ из сепараторов поступает в газосепаратор и подается на компрессорную станцию. С концевого сепаратора газ направляется на собственные технологические нужды, где используется для подогрева нефти, продувки факельного коллектора, розжига факела, а остальной газ направляется на факел. Дренаж технологических аппаратов осуществляется в дренажную емкость (ДЕ). Утечки с насосов собираются в емкость сбора утечек ЕУ. Для аварийного опорожнения подогревателей нефти предусмотрена аварийная емкость ЕА. Откачка жидкости из подземных емкостей ДЕ, ЕУ, ЕА осуществляется на вход нефтегазового сепаратора (аппараты, не относящиеся к объекту управления на рисунке 2.1 не показаны). Блок нагрева нефти, блок дозирования реагента, автоматическая установка пожаротушения насосной внешнего транспорта, входящие в состав ДНС содержат индивидуальные локальные системы управления (ИЛСУ), выполненные на основе микропроцессорной техники и обеспечивающие выполнение функций защит, блокировок, контроля и управления всего технологического оборудования, входящего в состав блочно-комплектной дожимной установки. ИЛСУ должна обеспечивать оперативность управления (менее 1 с) и функционально полный набор функций диагностики параметров контролируемого оборудования для обмена с верхним уровнем управления. С учетом общей концепции структура АСУТП ДНС является трехуровневой в соответствии с магистрально-модульным принципом построения, уровни которой представляют собой следующую иерархическую структуру: – нижний уровень является уровнем контрольно-измерительных приборов (КИП), состоящий из датчиков, сигнализаторов, анализаторов, вычислителей, преобразователей, исполнительных механизмов и электрических приводов, которые установлены на технологическом оборудовании, предназначенном для получения оперативной информации и управления ДНС; – средний уровень является уровнем программируемых логических контроллеров (ПЛК), состоящий из контроллеров и средств отображения информации, которые установлены в специальных шкафах управления и предназначены для передачи информации с уровня КИП и ее преобразования в управляющие воздействия исполнительными устройствами нижнего уровня; – верхний уровень является уровнем автоматизированных рабочих мест (АРМ) или человеко-машинного интерфейса (Human-Machine Interface (HMI)), состоящий из устройств визуализации технологического процесса и SCADA мнемосхем дистанционного мониторинга и контроля, предназначенных для обработки, хранения и представления информации, поступающей со среднего уровня и принятия управляющих решений технологическим процессом работы ДНС. Так как данная система направлена на функционирование в режиме автоматического управления, обеспечение безопасности и повышение эффективности процессов на дожимных станциях, актуальность создания АСУТП ДНС значительно возросла, особенно в последнее время в связи с повышением стоимости нефти, энергоресурсов, реагентов, затрат на содержание и обслуживание оборудования. На насосных агрегатах Н-1…Н-4 установлены следующие защиты: по минимальному давлению на приеме (предотвращение кавитации) (0,4 МПа), по максимальному давлению на выходе (предотвращение прорыва трубопровода) (5,2 МПа), максимальной температуры подшипников (предотвращение перегрева) (70оС) и максимального уровня утечек нефти сальников (0,2 м). Для измерения избыточного давления во всех технологических аппаратах и трубопроводах предусмотрены датчики Метран-150-CG с основной погрешностью 0,1…0,25 % и пределами измерения 0…100 МПа. Измерение давления и расхода (производимое расходомерами Метран-350) на выходе ДНС производится манометрами и расходомерами 19 и 20 (рисунок 2.1), установленными на выходных трубопроводах насосов Н-1, Н-2. Измерение уровня в резервуаре, высота которого составляет 5 м, а объем 200 м3 производится датчиком уровня 21 типа ДУУ4. Также установлены значения верхнего и нижнего минимального уровня на расстоянии 0,5 м от высоты резервуара с помощью сигнализаторов уровня ультразвукового СУР-5, от которых срабатывает режим «Авария» и закрываются входные клапаны 17, 18 и 6 (рисунок 2.1).

Программируемый логический контроллер составляет основу системы автоматизации ДНС и производит математические и логические операции, необходимые действия для управления технологическим процессом транспорта нефти, а также осуществляет управление (ПИД-регулятор) в зависимости от динамики протекания рабочих процессов станции [38, 56, 57]. Однако, ПИД-регуляторы, составляющие основу систем автоматизированных электроприводов с преобразователями частоты, не позволяют обеспечить высокое качество управления нелинейными технологическими процессами, к которым относятся объекты ДНС. Следовательно, повышаются энергозатраты и значительно снижается энергосберегающий эффект от внедрения ЧРЭП. На рисунке 2.2 изображена функциональная структура системы управления электроприводами дожимной насосной станции (концептуальная модель дожимной насосной станции) [45], входными переменными которой являются Q6 - расход через клапан 6 (рисунок 2.1) поступающей эмульсии в резервуар с ДНС-lс, Q17 - расход через клапан 17 поступающей эмульсии в резервуар с ЦДНГ-1, Q18 - расход через клапан 18 поступающей эмульсии в резервуар с РВС-1, совых1 - угловая скорость на выходе основного насоса, совых2 - угловая скорость на выходе резервного насоса, Qz суммарный расход нефтяной эмульсии, поступающей на ДНС. Выходными переменными ДНС являются: уровень жидкости LE3 в резервуаре, Qeuxi, Рвихі - расход и давление соответственно на выходе основного насоса Н-1, Qeux2, Рвых2 - расход и давление соответственно на выходе резервного насоса Н-2, fi(V и// ; - функции преобразования Рвых1 и Рвых2 в зависимости от Qeblxl и Qeblx2, Qi, Q2 - каналы обратной связи, составленные из отдельных значений расходов Qeuxi и Qeblx2 на выходе насосов Н-1 и Н-2.

Схемы комплексной автоматизации высоковольтного электропривода дожимной насосной станции

Проблема регулирования величины уровня на существующих насосных установках ДНС заключается в том, что значение L изменяется в пределах (0М-5) м, а оптимальные настройки ПИД-регулятора рассчитываются для участка с диапазоном изменения L (2-3) м. Поэтому спроектированный таким образом регулятор оптимально функционирует только на данном участке изменения L, а на других участках, среди которых есть и существенно нелинейные участки, имеет место неоптимальное регулирование, из-за того, что типовой ПИД-регулятор не располагает средствами своей авто настройки. Именно поэтому процесс регулирования носит неустойчивый характер (сбои и остановы, нежелательные циклы включения-отключения) и сопровождается снижением качества процесса подготовки нефти, а, следовательно, готовой продукции, а также надежности технологического оборудования. Сложность динамики технологического процесса, многосвязность выходных параметров ДНС, недостаток знаний о протекающих физико-химических процессах и множество других влияющих факторов, не позволяют эффективно применять ПИД-регуляторы для управления ДНС. Однако характеристику работы ПИД-регулятора в некоторых случаях можно улучшить с помощью алгоритмов нечеткой логики, за счет возможности оперировать неполными или неточными данными об объекте управления. Нечеткая логика управления целесообразна в нелинейных системах, идентификация которых сильно затруднена, но есть возможность по условию задачи применить знания эксперта [12, 36, 103, 104].

Проведенный обзор [58, 59, 38, 41, 60, 61, 42, 62, 63, 64, 44, 65, 66, 67, 68, 69, 70] по типовым нечетким регуляторам (ТНР) и принципам их построения выявил следующее: типовые нечеткие регуляторы оказываются малочувствительными к возмущениям в достаточно широком диапазоне и демонстрируют лучшие характеристики по сравнению с классическими регуляторами; для составления управляющих правил ТНР требуется интуиция разработчика и хорошее знание объекта управления, вследствие чего в литературе практически отсутствует какая-либо методика для непосредственного синтеза ТНР. Следовательно, к числу основных недостатков ТНР относятся большое время отклика и низкая точность регулирования [42, 43, 44], что затрудняет построение на их основе многомерных ТНР. Основополагающей причиной перечисленных недостатков ТНР является неоправданное сохранение в их структуре автономного сравнивающего устройства, а также интерпретация входных и выходных лингвистических переменных нечеткими термами.

Также, можно отметить тот факт, что использование ТНР имеет значительную погрешность при управлении технологическими процессами и объектами, которые необходимо контролировать в реальном масштабе времени. К таким процессам можно отнести транспорт нефти на ДНС. Поэтому для управления процессами на дожимной насосной станции наиболее приемлемыми являются нечеткие регуляторы с дискретными термами функции принадлежности (МНРсДТ) [44]. Рассмотрим структурную схему МНРсДТ на основе ПИД-регулятора с переменными коэффициентами (рисунок 2.20), в которой входной лингвистической переменной является уровень нефти в резервуаре (Lзад), а выходными лингвистическими переменными – коэффициенты пропорциональной (Кп), интегральной (Ки) и дифференциальной (Кд) составляющих ПИД-регулятора [77, 96, 97].

Весь участок регулирования (рисунок 2.19) разбит на 10 зон, анализ существующего процесса регулирования уровня нефти в резервуаре ДНС показывает [2 5], что для автоматического задания оптимальных значений коэффициентов передачи пропорциональной (Кп), интегральной (Ки) и дифференциальной (Кд) составляющих ПИД-регулятора на всех участках кривой на рисунке 2.19 целесообразно использовать МНРсДТ. Это позволит на всем диапазоне регулирования величины L оптимизировать коэффициенты и, таким образом, обеспечить для всех участков кривой L примерно одинаковые числовые значения таких показателей качества регулирования, как время и точность регулирования, а также перерегулирование и колебательность. Совершенно очевидно, что выравнивание упомянутых показателей на всех участках регулирования величины L способствует существенному повышению качества готовой продукции и надежности технологического оборудования. Функции принадлежности термов входной лингвистической переменной «Значение L» с их расположением на универсальной числовой оси изображены на рисунке 2.21.

Реализация автоматизированной системы управления дожимной насосной станцией в SCADA-системе STARDOM YOKOGAWA

Под частотным управлением понимается управление электродвигателем переменного тока путем изменения амплитуды и частоты питающего напряжения. Частотное управление асинхронными электродвигателями осуществляется двумя основными способами: 1) скалярный (вольт-частотный) в соответствии с функциональной характеристикой, связывающей напряжение и частоту статора электродвигателя (JJ7 / = const - линейный закон управления, III f2= const -квадратичный закон управления); 2) векторный. Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы используют блочно-модульные принципы комплектования и реализуются по структурам скалярного и векторного частотного управления. Выбор структуры реализации и закона скалярного управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода для конкретного производственного механизма определяется требованиями к статическим (в первую очередь к диапазону регулирования скорости) и динамическим характеристикам электропривода. Принцип организации скалярного частотного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором при питании от источника напряжения следует из схемы двухфазного асинхронного двигателя в неподвижной системе координат а, /?. Все физические переменные (напряжения, токи и потокосцепления) рассматриваются в этом случае как скалярные переменные. Характер согласования напряжения и частоты определяется законом частотного регулирования и задается отношением U\ff\ . Практически управление осуществляется изменением напряжения U\ в функции 122 частоты fi - U\l fx = const. Из структурных схем асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором во вращающейся системе координат, ориентированной по результирующему вектору потокосцепления ротора, следует, что принципиально может быть реализована система управления асинхронного электропривода, содержащая по аналогии с электроприводом постоянного тока две системы регулирования [12-15]: - САР скорости, которая за счет изменения частоты fx поддерживает заданное значение скорости; - САР потокосцепления, которая за счет изменения напряжения U\, поддерживает постоянство потокосцеплений: ъЧ т или W2).

Это значит, что может быть обеспечена управляемость асинхронного электропривода, аналогичная управляемости электропривода постоянного тока при независимом регулировании напряжения якоря и потока возбуждения двигателя, может быть обеспечена путем одновременного регулирования частоты fx и напряжения U\ статорной обмотки. Если при этом электропривод должен обеспечивать не только регулирование скорости, но и формирование равномерно ускоренного характера протекания переходных процессов и ограничение момента при механических перегрузках, то система регулирования скорости должна содержать внутренний подчиненный контур регулирования момента. Управление электромагнитным моментом двигателя при заданной частоте f\ достигается также изменением напряжения U\. С учетом того, что диапазон регулирования скорости насосов невелик и механизмы такого класса не требуют обеспечения высокой кратности пускового и максимального моментов, в качестве законов регулирования и1/ могут быть приняты законы U1jf1 = const и U1\ f1 = const.

Последний является более сложным в реализации, но за счет дополнительного снижения напряжения позволяет уменьшить потребляемую из сети энергию. Для повышения пускового момента на малых скоростях до требуемых значений должна быть предусмотрена возможность настройки вольт-частотной характеристики. Определяя параметры вольт-частотной характеристики, нижним частотам ставят в соответствие значения напряжений выше, чем при выбранном законе регулирования. На рисунке 3.17 приведены вольт-частотные характеристики преобразователя при следующих законах регулирования: Ц(/1) = Цфн А WW (3.2) С/і(/і) = С1фн UJ ; (3.3) С корректировкой вольт-частотной характеристики (характеристика 2) і(/і)= 1мин+Кн- 1мин){н (3.4) Рисунок 3.17 - Вольт-частотная характеристика схемы автоматизации высоковольтного электропривода: 1 - при законе регулирования ujfi = const ; 2 при законе регулирования ujtf =const и скорректированной вольт-частотной характеристикой; 3 - при законе регулирования Ux\ fx = const Максимальную частоту инвертора, соответствующую номинальному режиму работы насоса, определяем из условия обеспечения номинальной рабочей скорости насоса юн =151.84 рад /с. Принимается ближайшее целое значение частоты 124 инвертора /имакс = /1н = 50 Гц. Минимальная рабочая частота инвертора определяется из условия обеспечения минимальной рабочей скорости насоса со. р.мин = сотЛ = 95.3рад/с. Принимается целое значение минимальной рабочей частоты инвертора /рмин=30Гц. Для обеспечения пусковой характеристики принимается минимальная частота инвертора /и мин = 5 Гц. Механические характеристики со(м) разомкнутой системы с низковольтным преобразователем частоты при законе регулирования ujf? = const для ряда выбранных значений выходной частоты инвертора в интервале от 5 до 50 Гц рассчитываются по выражениям [112]: M{s,f1) (3.5) / соп л 1н S А J Ы X л дЗ R1 -R -U12 (/) -0.7 A 50 J 157.1- -s-50 3.99-A) +1.036 + 0.787] + V 1.036-0.787 5-53.7 1фн u1{f1) = u A WW = 220 V50y h \ JU 50 V / По результатам расчета на рисунке 3.18 построено семейство механических характеристик со(м) системы с низковольтным преобразователем частоты при изменении частоты питания. Анализ приведенных на рисунке 3.18 механических характеристик электропривода и нагрузки показывает, что при законе регулирования Uxlfi= const не удается обеспечить пуск электропривода при выборе начальной частоты инвертора /и-мин = 5 Гц. С целью обеспечения двукратного пускового момента экспериментально выполнен подбор параметров начального участка вольт-частотной характеристики преобразователя. Они имеют следующие значения: и1мин =10 В ,/имин = ЗГц. В результате вольт-частотная характеристика представлена зависимостью (3.4). Механические характеристики системы с низковольтным преобразователем частоты, рассчитанные по выражениям (3.5) с учетом выбранной настройки вольт-частотной характеристики (3.3), приведены на рисунке 3.19.