Содержание к диссертации
Введение
I. Обоснование разработки 10
1. Краткая характеристика АГКМ и систем автоматизации промысла 10
1.1. Краткая характеристика залежи 10
1.2. Астраханский газовый комплекс 10
1.3. Газопромысловое управление 11
1.4. Общий обзор SCADA-систем управления промыслом АГКМ 12
2. Необходимость соблюдения технологических регламентов 14
2.1. Влияние стабильности параметров и состава ГЖС на входе АГПЗ на работу установок завода 14
2.1.1. Взаимосвязь между установками заводами в процессе получениятоварных продуктов 17
2.1.2. Влияние колебания ГЖС на входе завода 18
2.1.3. Влияние повышенного давления ГЖС иа входе завода 19
2.1.4. Влияние низкого давления ГЖС на входе завода 19
2.1.5. Влияние стабильности параметров ГЖС на процессы абсорбции идесорбции 19
2.2. Важность соблюдения эксплуатации скважин в установленныхоптимальных режимах 21
2.3. Влияние перепадов давления на эксплуатационную долговечностьтрубопроводов 24
2.4. Общий перечень проблем 25
3. Создание ИИУС как путь решения имеющихся проблем 26
4. Сбор, обработка и передача значений датчиков промысловых объектов какоснова функционирования ИИУС 29
4.1. Технологический процесс добычи газа 30
4.2. Промысловая локальная автоматика 32
4.3. Система телемеханики 35
4.3.1. Описание основных подсетей 37
4.3.2. Описание RTU 38
4.3.2.1 Подсистема Обработки RTU 39
4.3.2.2. Подсистема Обработки I/O RTU 39
4.3.2.3. Подсистема связи RTU 40
4.3.2.4. Описание основных элементов конфигурации RTU 40
5. Анализ и сравнение существующих методик в дайной области с предлагаемой моделью ИИУС 43
5.1. Сравнение с проектной системой автоматического распределения 43 расхода II очереди промысла
5.2. Сравнение с предлагаемой при реконструкции I очереди промысла 45 методикой регулирования
5.3. Сопоставление с другими разработками 47
II. Концептуальная модель управляющей подсистемы 50
1. Особенности реализации ИИУС 50
1.1. Постановка задачи 51
1.2. Промысловые параметры, обрабатываемые в ИИУС 53
1.3. Отношение «расход-давление» применительно к различным промысловым объектам 55
1.4. Взаимосвязь величин, отображающих производительность УППГ, условия появления величины изменения производительности скважин 56
2. Основные задачи ИИУС 57
2.1. Модель регулирования по давлению - методика расчета изменения заданной общей производительности УППГ 57
2.2. Режимы эксплуатации скважин ИИУС 61
2.3. Методика распределения величины изменения общего расхода по скважинам 62
2.4. Методика выборки скважин-регуляторов (очередность изменения) 64
3. Дополнительные возможности, реализуемые ИИУС 66
3.1. Модель контроля минимального устьевого давления 66
3.2. Модель поиска дополнительных ресурсов производительности наскважинах 67
3.3. Модель интенсивной загрузки промысла 69
3.4. Модель температурной компенсации 71
3.5. Модель оптимизации расходов скважин 73
3.6. Модель программного дублирования функции каскадного останова 74
3.7. Модель контроля минимальной разрешенной производительности УППГ 75
3.8. Модель дополнительного контроля трубопровода 76
4. Структурная схема и потоки данных управляющей подсистемы 77
III. Описание математической модели управляющей подсистемы 79
1. Общие положения 79
1.1, Взаимосвязь основных промысловых параметров 79
1.2. Влияние изменения режимов добычи на промысле и отбора ГЖС на заводе на давление на входе завода 80
1.2.1. Рпрзлн рЄГ - реагирование на изменение отбора ГЖС на заводе 80
1.2.2. Fnp cyMM KOMn - реагирование на отличие суммарнойпроизводительности скважин от заданной общей производительности УППГ на текущей итерации 81
1.2.2.1. Возможность появления F K0Mn шм 82
1.2.2.2. Возможность появления F К0МП Дпсп 82
1.2.2.3. Возможность появления F KOMn KOp 83
1.3. Взаимосвязь основных параметров скважины: устьевое давление Рует(ЖВ и производительность FCKB 85
2. Методика расчета управляющих воздействий 86
2.1. Расчет величины изменения заданной общей производительности Fnp Здп рег при регулировании по давлению 86
2.1.1. Грубая регулировка 87
2.1.2. Тонкая регулировка 88
2.1.3. Демпфирование (упреждающее регулирование) 90
2.2. Запасы регулирования 91
2.3. Использование дополнительных моделей, влияющих на запасырегулирования 93
2.3.1. Модель контроля минимальной разрешенной производительности УППГ 93
2.3.2. Модель интенсивной загрузки промысла 93
2.3.3. Модель контроля минимального устьевого давления 94
2.3.4. Модель поиска дополнительных ресурсов производительности наскважинах 96
3. Методика распределения управляющих воздействий 98
3.1. Методика выбора скважин-регуляторов 98
3.1.1. Расчет показателя продуктивности скважины 99
3 1.2. Расчет показателя регулируемости скважины 99
3.1.3. Расчет показателя перспективности скважины 100
3.1.4. Расчет показателя подготовленности скважины 100
3.1.5. Расчет показателя удаленности скважины 100
3.1.6. Расчет основного показателя очередности 101
3.2. Распределение выдаваемого управляющего воздействия на скважины 101
3.2.1. Сопоставление необходимого и возможного управляющихвоздействий на основе анализа запасов регулирования 101
3.2.2. Алгоритм методики распределения управляющих воздействий 103
4. Описание дополнительных возможностей ИИУС 104
4.1. Модель температурной компенсации 104
4.2. Модель программного дублирования функции каскадного останова 105
4.3. Модель оптимизации расходов скважин 106
IV. Информационная подсистема ИИУС 108
1. Цель создания ИП ИИУС 108
2. Необходимость контроля за основными параметрами эксплуатации скважин 109
3. Взаимодействие SCAD А-системы II очередей промысла АГКМ идействующих локальных вычислительных сетей 110
4. Распараллеливание потока и разбор телеграмм 111
5. Спроектированные в рамках исследования базы данных 112
6. Серверное программное обеспечение ИП ИИУС 115
7. Предоставление информации конечным пользователям 115
V. Особенности внедрения и результаты эксплуатации ИИУС на АГКМ 119
1. Проблемы внедрения на АГКМ 119
1.1. Описание СМ1420 и ОСРВСМ 119
1.2. Описание конфигурации УВК и выбор языковых средств программирования 120
1.3. Трудности, возникшие при написании ИИУС 121
1.3.1. Отсутствие необходимой документации 122
1.3.2. Особенности создания выполняемой задачи 122
1.3.2.1. Организация хранения переменных процесса 123
1.3.2.2. Использование перекрытий для размещения в оперативной 123 памяти
1.4. Нетребовательность программного обеспечепия к техническим возможностям ЭВМ 125
2. Математическое обоснование выбора значений основных конфигурационных параметров управляющей подсистемы 125
2.1. Критерий разброса показателя давления 126
2.2. Критерий статистического распределения выборок 128
2.3. Критерий удаления выборочного среднего от номинального значения 130
3. Результаты эксплуатации 131
Выводы 133
Библиография 134
Приложения 143
- Необходимость соблюдения технологических регламентов
- Основные задачи ИИУС
- Методика расчета управляющих воздействий
- Математическое обоснование выбора значений основных конфигурационных параметров управляющей подсистемы
Введение к работе
Актуальность проблемы
Газоконденсатне месторождения (ГКМ) занимают особое место в топливно-энергетической системе страны.
К основным особенностям технологического процесса, протекающего на промысле, относятся:
непрерывность производственного цикла;
большие объемы обрабатываемого природного газа;
значительное число технологических агрегатов, участвующих в процессе сбора и подготовки газа к транспорту;
влияние на производственный процесс внезапно проявляющихся внешних воздействий (происходящих как на промысле, так и на газоперерабатывающем заводе), неподдающихся параметризации;
многочисленность контролируемых параметров, поступающих от технологических объектов;
жестка;: взаимосвязь между технологическими компонентами и наличие положительных и отрицательных обратных связей между ними;
различная физическая природа технологических процессов, протекающих на газовом промысле.
На современном этапе совершенствование структуры управления газодобывающих предприятий тесно связано с разработкой и внедрением автоматизированных систем управления, использующих последние достижения в области вычислительных средств, систем автоматизации и коммуникации.
Однако в настоящее время существует немало продолжительно эксплуатирующихся автоматизированных систем управления технологическими процессами промыслов ГКМ, которые не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным SCADA-системам (Supervisory Control And Data Acquisition System), например, из-за устаревания оборудования. К числу таких систем относится и штатная SCADA-система II очереди промысла Астраханского ГКМ, пущенная в эксплуатацию в 1988, в составе которой отсутствует функция автоматического регулирования.
Вследствие отсутствия данной функции, общая производительность промысла регулировалась посредством ручной выдачи управляющих воздействий диспетчерским персоналом на каждую скважину. Такая ситуация, из-за большого объема обрабатываемых данных (для управления каждой скважиной необходимо оценить, как минимум, 8 аналоговых и 12 дискретных значений с датчиков, а также данные с датчиков отсечных клапанов на входе газоперерабатывающего завода)-и времени затрачиваемого диспетчером на ручную выдачу с учетом количества действующих скважин промысла АГКМ, приводила к менее качественному регулированию по сравнению с автоматическим. Поэтому разработка информационно-измерительной управляющей системы (ИИУС), решающей поставленные задачи, актуальна.
Создание такой системы позволит:
поддерживать более стабильные параметры газожидкостиой смеси (ГЖС) на входе газоперерабатывающего завода, что сглаживает колебания режима скважин и объектов газопромыслового управления (ГПУ) и установок газоперерабатывающего завода (ГПЗ) и ведет к уменьшению непроизводительных потерь материально-технических и топливно-энергетических ресурсов и сокращению эксплуатационных расходов;
обеспечить более близкую к максимальной по сравнению с ручным регулированием нагрузку завода и, как следствие, увеличить выработку и улучшить качество товарной продукции;
обеспечить систематическое и неукоснительное соблюдение технологического регламента эксплуатации скважин, что ведет к увеличению межремонтного цикла, а также к уменьшению их остановов и, соответственно, простоев, сказывающихся на выработке товарной продукции;
эксплуатировать основной фонд скважин в оптимальном режиме, что ведет к уменьшению затрат на периодические работы по интенсификации притока при-забойных зон скважин.
Учитывая важность функции регулирования, была поставлена задача разработать многофакторную модель управления производительностью промысла, спроектировать и встроить в существующую систему сбора информации от промысловых объектов принципиально новый механизм безопасного автоматического регулирования производительности II очереди промысла с учетом вышеперечисленных особенностей - информационно-измерительную управляющую систему автоматического управления производительностью скважин II очереди Астраханского газопромысла с обеспечением дополнительных повышенных мер против оаварийной защиты промыслового оборудования с целью повышения экологической безопасности производства.
Следует отметить, что данная проблема актуальна и для других промыслов, в частности, некоторых ГКМ Крайнего Севера. Кроме этого, разработка может применяться и на других производствах, в SCADA-системах которых есть возможность программной выдачи управляющих воздействий на объекты управления, и существует временная задержка влияния выданного управляющего воздействия иа контрольную точку измерения.
Цели и задачи работы
Целью работы является создание информационно-измерительного управляющей системы (ИИУС), обеспечивающей поддержание заданного номинального давления на входе ГПЗ посредством автоматического регулирования производительности (расхода) скважин совместно с приоритетным ручным вмешательством диспетчерского персонала.
Круг задач, рассмотренных и решенных при выполнении диссертационной работы, включает:
Исследование промысла как объекта управления и формулировка целей управления.
Разработка методики эффективного соотношения максимального использования производительного потенциала скважин и стабильного обеспечения завода необходимым количеством ГЖС при выработке управляющих воздействий.
Разработка математической модели, алгоритма и программной реализации системы стабилизации давления на входе газоперерабатывающего завода.
Разработка структуры баз данных для хранения и отображения большого объема информации об изменении данных технологического процесса в течение времени.
Разработка межплатформеггаого взаимодействия разнородных систем с целью создания дополнительных удаленных рабочих мест пользователей, имеющих доступ к оперативной и архивной информации, для наблюдения за промысловыми объектами и ходом технологического процесса.
Научная новизна работы:
Сформулирован новый комплексный подход к управлению сложным технологическим процессом добычи ГЖС на промысле по основным измеряемым параметрам: давление и расход, позволяющий поддерживать стабильность давления при случайных воздействиях со стороны газоперерабатывающего завода и объектов промысла на общий отбор ГЖС с учетом обеспечения оптимальных режимов работы скважин Астраханского месторождения.
На основе комплексного подхода разработана математическая модель процесса стабилизации давления при его отклонении от заданного номинального значения путем воздействия на исполнительные механизмы скважин с целью изменения производительности, с учетом временного запаздывания реакции системы на выданные воздействия.
Создана база данных основных измеряемых параметров объектов промысла на основе разбора протокола обмена информации полевых датчиков с верхним уровнем SCADA-системы с целью накопления информации, необходимой для анализа их работы.
Разработана новая много платформенная информационная модель представления технологического процесса, отличная от применяемой на Астраханском ГКМ и значительно расширяющая ее возможности (большее количество рабочих мест пользователей, удобный графический интерфейс, возможность оперативной обработки больших массивов хранимых данных).
На основе совмещения полученной математической модели с моделями, повышающими качество управления, безопасность эксплуатации и уровень информационного обеспечения, разработана комплексная ИИУС распределенного авто-
матического регулирования технологического процесса добычи и транспортировки ГЖС в реальном масштабе времени с учетом приоритетного автоматизированного диспетчерского управления.
Практическая ценность работы:
ИИУС, реализующая описанную математическую модель, внедрена в промышленную эксплуатацию на Астраханском газоконденсатном месторождении в составе ИУС II очереди промысла.
Предложенная математическая модель принята за основу при разработке программы регулирования для реконструируемой I очереди промысла Астраханского месторождения специалистами фирмы «Cegelec Anla-gen- und Automatisierungstechnik Gmbh & Co. KG Oil, Gas, Networks» (Германия), что подтверждено отзывом фирмы и записано в соответствующем «Техническом проекте» на реконструкцию (часть 5, п. 3.10).
Сформирована постоянно пополняемая база данных изменения во времени основных величин объектов промысла, используемая для анализа их работы и подбора параметров регулирования в соответствии с промысловой ситуацией.
На защиту выносятся следующие положения:
Концептуальная модель стабилизации давления газожидкостной смеси с учетом максимального использования производительного потенциала скважин и стабильного обеспечения завода необходимым количеством ГЖС.
Методика выборки скважин-регуляторов и изменения их производительности и технологических режимов в зависимости от условий эксплуатации промысла.
Математическая модель и алгоритм распределенного автоматического регулирования технологического процесса добычи и транспортировки ГЖС в реальном масштабе времени для поддержания стабильного давления ГЖС на входе завода.
Информационная модель представления хода технологических процессов промысла под управлением ИИУС на основе обработки измерительной информации, поступающей по линиям телемеханики с датчиков объектов промысла.
Необходимость соблюдения технологических регламентов
Астраханский газоперерабатывающий завод (АГПЗ) предназначен для переработки пластового газа Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) с получением товарных продуктов: товарного газа, газовой серы (жидкой, комовой, гранулированной), бензина (Нормаль-80, Регуляр-92, Премиум-95), дизельного топлива, котельного топлива (мазута), сжиженных газов (ПБФ, БТ) [4].
Технологические объекты АГПЗ выделены в 5 производств: производство №1 - сепарация пластового газа и очистка от кислых компонентов; производство №2 - производство серы; производство №3 - переработка стабильного конденсата и ШФЛУ; производство №5 - осушка и отбензинивание газа; стабилизация углеводородного конденсата; фильтрация вод и сжигание отходов, полигон закачки стоков в пласт; производство №6 - склады серы, стабильного конденсата, нефтепродуктов, сжиженных газов; производство гранулированной серы; отгрузка.
Перед дальнейшим изложением необходимо заметить, что в диссертации значения давления приведены не в единицах СИ - Па, а в технологических - кГ/см (1 килограмм-силы на квадратный сантиметр = 98066,5 Па), так как именно с такой размерностью данные поступают с контроллеров и фигурируют в официальных отчетных документах на АГКМ.
Пластовая смесь от шести установок предварительной подготовки газа без промысловой обработки единым потоком (без разделения на промысле на газ, углеводородный конденсат и пластовую воду) подается па вход завода под давлением, находя 7 ftщимся в переделах 69-72 кГ/см", и температурой в интервале 30-36 С.
Стабильность технологического режима всех установок АГПЗ и качество выпускаемой товарной продукции зависит от ГПУ не только в соблюдении технологического регламента (давление, температура) в подаче пластового газа (ГЖС) с промысла, но и от ведения процесса подачи без резких перепадов давления. В инструкции по взаимодействию между подразделениями написано, что «при нормальной эксплуатации технологический персонал АГПЗ и ГПУ обязан четко соблюдать нормы технологического режима своих установок, подавать в газоконденсатопроводы и трубопроводы продукты с параметрами и качеством, соответствующими регламентам, вести технологический процесс без резких изменений параметров режима, которые могут вызвать нарушения режима У-171 или УППГ-1, 2, ЗА, 4, 6, 9 и привести к аварийным ситуациям».
Схема потоков между установками АГПЗ, на которые влияет нарушение граничных значений и колебания давления ГЖС, представлены на рисунке 1 и в таблице 2.Рис. 1. Установки переработки АГПЗ и взаимосвязи между ними
Установка сепарации пластового газа высокого давления У-171 предназначена для приема с промысла сырого газа, гашения жидкостных пробок, замера и подготовки отсепарированных газа и конденсата к дальнейшей переработке, заключающейся в тонкой сепарации от капельной жидкости и грубого выделения из жидкой углеводородной фазы воды и механических примесей.
Установка очистки природного газа от сероводорода и соединений окиси углерода У-172 предназначена для очистки сырого отсепарированного газа от H2S, С02, COS методом абсорбции. В качестве абсорбента используется водный раствор смешанного абсорбента: диэтаноламин и метилдиэтаноламин (или амины).
Установка осушки и отбензингшания очищенного газа У-174 предназначена для удаления воды, остаточных сернистых соединений и тяжелых углеводородов из обессеренного газа с целью достижения показателей товарного газа. Установка состоит из двух секций: секция осушіш газа (осуществляется адсорбционным методом на молекулярных ситах) и секция отбензинивания газа (осуществляется за счёт процесса низкотемпературной сепарации).
Установка получения серы У-151 предназначена для получения элементарной серы из кислого газа, выделенного в процессе сероочистки природного газа. Процесс состоит из двух фаз: 1) адсорбции и 2) регенерации и охлаждения.
Установка стабилизации конденсата У-121 из двух одинаковых параллельно работающих линий и включает следующие стадии: двухступенчатая дегазация конден сата с одновременным отстоем от воды, электрообессоливание конденсата и стабилизация конденсата.
Установка очистки и компримирования газа У-141 предназначена для очистки и компримироваиия газов, являющихся побочным продуктом установок стабилизации конденсата, обработки производственных сточных вод, сероочистки методом адсорбции.
Первой установкой завода является установка сепарации пластового газа У-171/271, где пластовая смесь разделяется на отсепарированный газ, нестабильный конденсат и пластовую воду.
Отсепарированный газ на установке сероочистки У-172/272 проходит очистку от кислых компонентов (H2S, С02), где получают обессеренный и кислый газы. Обессеренный газ направляется на осушку и отбензинивание (У-174/274), откуда выходит как товарный газ потребителю.
Нестабильный конденсат с У-171/271 поступает на стабилизацию на установку стабилизации конденсата У-121/221, откуда уходит как стабильный конденсат на комбинированную установку У-1.731 для получения нефтепродуктов.
Пластовая вода с установки сепарации направляется на установку нейтрализации пластовых вод У-122/222, откуда откачивается на полигон для закачки в пласт.
Кислые газы с установки У-172/272, У-141/241, У-1.731 направляются на установку производства серы (У-151/251), где получают серу техническую жидкую и комовую. Далее жидкая сера поступает на установку грануляции серы, на которой получают серу газовую гранулированную.
Газы среднего давления (газ стабилизации У-120/220 и газы расширения амина У-172/272) поступают на предварительную очистку установки У-141/241, где получают углеводородный обессеренный газ, который направляется на У-172/272 на дополнительную очистку.
Из стабильного конденсата на установках У-731, У-732 и У-734 получают нефтепродукты и сжиженные газы (бензины автомобильные Н-80, Р-92, П-95, дизельные топлива, котельные топлива - мазут, бутан технический, смесь пропана - бутана технических).
Эксплуатационные показатели всех установок завода зависят от первичных и вторичных факторов. В число первичных факторов входят и такие параметры как давление, температура, состав сырьевого газа на входе установки.
В инструкции по эксплуатации завода написано что для обеспечения нормальной эксплуатации необходимо:- Строго выдерживать технологический режим по установкам завода в пределах норм технологического режима, определенных регламентом установок.- lie допускать резких колебаний температуры, уровня и давления в аппаратах.Все изменения в режиме производить плавно, без резких колебаний.- Рекомендуется поддерживать постоянную производительность по сырью...
Вследствие того, что в результате событий, происходящих на промысле пуск/останов скважин и др.) и/или на заводе (уменьшение/увеличение загрузки установок), меняется входное давление ГЖС на входе завода, может происходить отложение (PTe[f PH0M) или вынос (Ртек РНом) жидкой фазы в газоконденсатопроводе. Соответственно меняется состав сырья, что ведет к изменению целевой нагрузки по установкам серы. Это связано с тем, что изменение состава сырья обусловлено изменением процентного содержания жидкой фазы, влияющей на выработку кислого газа, т.к. от потока жидкости производительность завода зависит больше, чем от потока собственно газа.
Если жидкости меньше, то снижается загрузка завода, если больше завод начинает «захлебываться», т.к. емкости установки У-171 рассчитаны на определенной объем жидкости и, если они заполняются, то часть газа не успевает отсепарироваться.
Сложность же обеспечения основной задачи по переработке - поддержание заданного расхода по кислому газу на У-151 - заключается в том, что режим суммарной загрузки комплекса регулируется расходом товарного газа на У-174. Т.е. конечный результат (выход кислого газа) достигается путем изменения режима на другой установке, который не всегда удается сразу подобрать. Пока необходимый режим будет подобран, из-за меняющегося отбора ГЖС заводом колебания давления на входе будут продолжаться.
Поэтому задача диспетчерского персонала ГПУ по возможности (путем изменения дебита скважин) «гасить» колебания давления ГЖС на входе АГПЗ, возникающих из-за флуктуации промысла и завода. [8, 9]Любая нестабильность в подаче сырья ведет ко множеству различных проблем.
При колебаниях нарушается технологический режим и с установки сепарации далее распространяется на остальные установки. Как следствие, с У-171 идет не полностью отсепарированныи газ с содержанием тяжелых углеводородов, соответственно жидкие тяжелые углеводороды попадая на У-172, вызывают вспенивание реагента, и, растворяясь в нем, далее выносятся на У-151.
Вспенивание абсорбента особенно усиливается при повышенных температурах и выделении из него растворенных газов. Применение антивспенивателей не приводит к значительному снижению вспениваемости абсорбента в блоке регенерации, поскольку эти вещества быстро теряют свои свойства при высоких температурах. [10, 11]
Следует отметить, что на печах У-151 должно соблюдаться строгое соотношение между воздухом и поступающим кислым газом, а попадание тяжелых углеводородов нарушает это соотношение, т.к. на сжигание углеводородов требуется больше кислорода, чем для сжигания сероводорода. Причем чем тяжелее углеводород, тем больше надо 02. Отсутствие необходимого количества кислорода на химическую реакцию с
Основные задачи ИИУС
Для определения необходимости выдаваемого воздействия, его величины и направления система оперирует текущим местоположением давления на интервале граничных значений (рис.9), утвержденного специалистами ГПУ.
Конфигурационные параметры давления содержат следующие величины: Рном - номинальное давление - определяющая величина, к которому ИИУС за счет изменения заданной общей производительности УППГ (и, как следствие,суммарной производительности скважин) стремиться привести текущее давление на входе завода. Ропт.мш» Рош-.иерх - граничные значения, определяющие интервал регламентных (приемлемых) значений текущего давления. Pmin, Рпмх - граничные значения, определяющие интервалы критических отклонений текущего давления от номинала. Ркрит, Рпред - значения аварийно высокого давления, при превышении которых необходимо предпринимать экстренные меры, существенно снижающих производительность промысла.
Перечисленные параметры образуют 6 интервалов (зон): зона нечувствительности. Определяет значение номинального давления с учетом погрешности датчиков измерения давления. Никаких действий в системе не предпринимается. зона демпфирования (зона регламентных значений). При нахождении в данном интервале используются алгоритмы для максимально точного (настроечного) приведения текущего давления к номиналу. Кроме этого, выполняет функцию упреждающего регулирования при диагностировании завышенного предыдущего выданного воздействия. В данной зоне рассчитываются наименьшие воздействия среди остальных зон. зона тонкой регулировки. Незначительное отклонение от регламентного интервала вызывает расчет корректирующего воздействия. Величина воздействия рассчитывается динамически в зависимости от местоположения на интервале. зона грубой регулировки. Критичное отклонение текущего давления от номинального значения, оказывает наибольшее воздействие на величину заданной общей производительности УППГ. зона поскважинной остановки. При аварийном росте давления на входе завода в результате непредвиденных ситуаций (текущее давление выше значения установленного критического давления) происходит поочередное закрытие скважин, на которых установлено соответствующее разрешение на основе. При данной ситуации ресурсы на уменьшение суммарной производительности скважин УППГ должны быть уже исчерпаны, т.к. скважины, доступные для регулирования, будут эксплуатироваться на минимально разрешенном расходе в результате воздействия грубых регулировок, направленных на понижение. зона остановки всех скваэ/син. При значении давления выше предельного осуществляется закрытие всех скважин УППГ. Данный механизм дублирует каскадный останов скважин средствами локальной автоматики при аварийных ситуациях.
Две последние зоны используются в модели программного дублирования функции каскадного останова, который описан далее.
В зависимости от удаленности текущего давления от номинального и попадания его в соответствующий интервал (зону) и местоположения в этой зоне для определения величины необходимой корректировки используются не только различные граничные значения, но и методики расчета и направления величины изменения общей производительности УППГ, распределяемой в дальнейшем по скважинам с учетом доступных ИИУС ресурсов.
Различие в коэффициентах, на основе которых рассчитывается изменение общей производительности, между тонкой и грубой регулировкой обусловлено различностью задач, возлагающихся на них.
У грубой регулировки значительно больший коэффициент, так как она служит для быстрейшего приведения текущего давления в зону регламентных значений, в связи с существенным отличием текущего давления от номинального (зоны регламентных значений). Возникающие колебания давления, которые могут возникнуть, нивелируются в дальнейшем посредством тонких регулировок и/или операций демпфирования.
На окончательную величину тонкой регулировки влияет анализ производной по давлению. Если на протяжении нескольких активаций ИИУС выявляется постоянное по знаку удаление от номинала, то предпринимается усиление выдаваемого управляющего воздействия на определенный коэффициент. Если диагностируется планомерное приближение - величина воздействия снижается.
Стоит отметить, что расчет величины корректировки при демпфировании существенно отличается от остальных. Наступление начала процедуры демпфирования является переход давлением значения номинала, в результате проведения регулировки по давлению. Начальная величина демпфирования - значение изменения заданной общей производительности УППГ, вызываемой половиной минимальной тонкой корректировкой, с каждой встречной регулировкой (с обратным знаком) по демпфированию она уменьшается вдвое. Конечное значение - минимально возможное изменение производительности в ИИУС - 1000 м3/час, так как система для удобства представления информации работает со значениями расхода, округленными до целых тысяч. Как видно, при операции демпфирования только при первом расчете используется значение коэффициента, затем ИИУС работает только с уменьшаемым значением предудыщего воздействия. Новая произведенная тонкая или грубая регулировка прервет цикл демпфирования, затем после наступления условия демпфирования рассчитается новая начальная величина и цикл уменьшения величины демпфирования начнется заново.
После выдачи тонкой или грубой регулировок включается таймер задержки (цикл ожидания), для того, чтобы изменения расхода, выданные на скважины посредством регулирования, сказались надавлений на входе завода.
У каждого вида регулировки существует свой приоритет. Наивысший приоритет имеет «грубая», наименьший «демпфирование». Ожидание повторной выдачи
Методика расчета управляющих воздействий
Смысл регулирования по давлению - рассчитать новое значение общей заданной производительности промысла, которое распределяется по скважинам до наступления следующей итерации в зависимости от изменения давления на критичную величину на текущей итерации:
Коэффициент крег зависит от удаления текущего давления Рпр от номинального Рном на интервале граничных значений (рис.9 на стр.63): чем больше удаление, тем больше величина крег, зависящая от выбираемой по алгоритму формулы и вспомогательных настроечных коэффициентов.
Текущее значение давления Рпр всегда находиться в одном из определенных в математической модели интервалов на всем диапазоне возможных значений давления на входе завода (их подробное описание дано в концептуальной модели): - зона нечувствительности; - зона демпфирования (зона регламентных значений); - зона тонкой регулировки; - зона грубой регулировки; - зона поскважинной остановки; - зона остановки всех скважин. Как было описано выше, в зависимости от текущего значения давления Рпр и величины его отличия от номинального значения Рном для его приведения в математической модели используется три вида регулировок (рис.23): - грубая регулировка (зависит от коэффициента krpj6_per); - тонкая регулировка (зависит от коэффициента кТП1К_р.г); - операция демпфирования. После выдачи регулировки необходимо учитывать инерционность системы, т.к. выданное воздействие на скважины, находящихся на различном удалении от УППГ, окажет влияние на давление на входе завода только некоторый промежуток времени.
Поэтому, после выдачи регулирующего воздействия, вызванного грубой или тонкой регулировкой, система выставляет временной счетчик задержки tper, необходимый для предотвращения повторной выдачи воздействия, пока выданные на скважины изменения не отразятся на общем результирующем давлении на входе завода (данное условие не относится к операции демпфирования). На время действия счетчика приостанавливается выдача всех регулировок с таким же или меньшим приоритетом (самый высокий приоритет у грубой регулировки) с аналогичным вектором направления. То есть, например, грубая регулировка при необходимости будет произведена, даже несмотря на то, что не окончен цикл ожидания после выдачи тонкой регулировки с аналогичным вектором направления.
Данное условие не распространяется на операцию демпфирования. Она будет произведена тогда, несмотря на таймер ожидания, когда был пройден номинал давления при выдаче любого корректирующего воздействия с противоположным вектором направления воздействия.
Величины tpcr, ктш,крег, кгрув_рег - основные настроечные параметры системы.
В процессе эмпирического эксперимента для подбора их оптимальных значений варьировались не только процентные отношения регулировок kT0IIK_per и кгруб_ре,-, но и учитывались различные расстояния до скважин каждого УППГ (средние, максимальные, минимальные и др.), влияющие на параметр tper.
Методика выбора оптимальных значений указанных параметров для описываемой системы рассмотрена в отдельной главе.
При значительных отклонениях (превышение предельно допустимых значений Ршіп или Ртах) используются формулы грубой регулировки:где кГруб_рег - процентное отношение от текущей общей заданной производительности УППГ при попадании давления в зону грубой регулировки;к„одСтр - коэффициент усиления, вспомогательный коэффициент для зоны грубой регулировки, определяющий скорость увеличения коэффициента kper по мере удаления текущего давления от номинала.
Смысл действий, заключенных в скобках, в формулах (9) и (10) состоит в оценке удаленности текущего давления Рпр от соответствующего граничного значения (Pmi„7или Рта )- При равенстве текущего давления последнему граничному значению формулы принимают вид:
Однако, чем больше удаление, тем больше должно быть выдаваемое управляющее воздействие, вследствие этого коэффициент кгруй_рег в математической модели рассчитывается динамически. Для этого был введен дополнительный коэффициент кподстр, влияющий на скорость изменения коэффициента грубой регулировки kn)yg_pcr. В описываемой системе для АГКМ кІІ0ДС1.р = 0,8.
Исходя из этого, формула (8) для расчета нового значения общей заданной производительности промысла при выдаче грубой регулировки при необходимости существенного увеличения будет иметь вид: а при необходимости существенного уменьшения: Таким образом, исходя из п. 2.1, ИИУС рассчитает необходимость выдачи грубой регулировки, когда текущее давление Рг1р находится за граничными значениями (Pnii„ или Ртах), при следующих обстоятельствах: - если таймер ожидания обнулен; - если не выполняется грубая регулировка с аналогичным вектором направления. Исходя из вышеизложенного, при грубой регулировке функция расчета величи ны Fnp_M1IJcr в общем случае зависит от следующих параметров: когда давление Рпр ниже номинального Р110М и необходима тонкая регулировка на повышение, но происходит постепенный его рост; когда давление Р„р выше номинального Р„им и необходима тонкая регулировка на понижение, но происходит постепенное его уменьшение. Тогда У грубой регулировки значительно больший выходной коэффициент kpcr, так как она служит для быстрейшего приведения текущего давления в зону оптимальных значений, в связи с существенным отличием текущего давления от номинального. Возникающие колебания давления, которые могут возникнуть, нивелируются в дальнейшем посредством тонких регулировок и/или операций демпфирования.
Таким образом, исходя из п. 2.1, ИИУС рассчитает необходимость выдачи тонкой регулировки, когда текущее давление Рпр находится в предельно допустимом интервале [Praj„ -г- PmaxL но не попадает в подинтервал оптимальных значений, при следующих обстоятельствах:- если таймер ожидания обнулен;- если не выполняются грубая или тонкая регулировки с аналогичным вектором направления.
Исходя из вышеизложенного, при тонкой регулировке функция расчета величины FnpjwlI_pi.r в общем случае зависит от следующих параметров:
Используется для максимально точного приближения текущего давления к номинальному в случае равновесного режима работы завода. Данная регулировка является корректирующей, выдающая встречные воздействия при прохождении значения Рном, вследствие завышенного вычисления предыдущего воздействия, поэтому одним из условий ее применения является различность знаков между текущим изменением заданной общей производительности, рассчитываемого операцией демпфирования FfleMo и предыдущим выданным FRCMaj,pea:
Начинаясь от значения изменения общей производительности УППГ, вызываемой половиной минимальной тонкой корректировкой, с каждой новой встречной регулировкой по демпфированию (при переходе номинального давления Р,10М, но оставаясь в интервале оптимальных значений [Р01П_1Ш + Р0ііт_верх]) она уменьшается вдвое.
Рассчитываемое изменение заданной общей производительности FJJCM„ при демпфировании может принимать значения от половины минимальной тонкой регулировки, так как по формулам (15) и (16)
Математическое обоснование выбора значений основных конфигурационных параметров управляющей подсистемы
Основными конфигурационными параметрами ИИУС являются величины грубой и тонкой регулировок и значение временного интервала для ожидания результата выданного управляющего воздействия.
Для выбора оптимальных значений перечисленных параметров был использован аппарат математической статистики.
На основе знания технологического процесса экспертами (специалистами заинтересованных служб ГПУ) были выбраны интервалы изменения значений: для грубой регулировки: 9 .. 15 с шагом 2; для тонкой регулировки: 3 .. б с шагом 1; для времени ожидания: 7 .. 15 с шагом 4.
Путем последовательного перебора всех возможных комбинаций значений было получено 36 выборок значений текущего давления на входе завода.
С учетом длительного времени общего числа производимых выборок, иа промысловую ситуацию влияло различное множество факторов, происходящих на заводе и промысле. Вследствие этого, у некоторых выборок, различающихся незначительным изменением конфигурационных параметров, гистограммы давления существенно отличаются.
Так как эксперименты для оптимального подбора конфигурационных параметров проводились на действующем оборудовании в режиме реального времени, то объем каждой выборки в зависимости от промысловой ситуации варьировался от 1000 до 1400 значений (16-24 часа с поминутной фиксацией значения давления при каждой активизации ИИУС).
Учитывая сложность проведения экспериментов на работающей системе по выявлению оптимальных конфигурационных параметров, в данном случае анализ основывается на выборочном методе исследования. Суть этого метода: если по результатам изучения сравнительно небольшой ее части можно получить с достаточной для практики достоверностью необходимую информацию по всей совокупности, то нет необходимости в сплошном наблюдении.
Следующим шагом явилось исключение из получившихся выборок значений давления, когда промысел работал на минимальном или максимальном (в основном) режиме, то есть когда отсутствовали запасы регулирования (хотя бы в одну сторону) для управления технологическим процессом.
В результате в каждой выборке остались значения текущего давления тех временных промежутков, когда ИИУС могла влиять на изменение давления на входе завода при помощи управляющих воздействий (рис.29).
Основным критерием для оценивания приемлемости использования каждого набора конфигурационных параметров являлась степень разброса (отклонения) показателя давления на входе завода от заданного номинального значения. За основу была взята, переработанная в рамках диссертационного исследования, методика расчета среднеквадратичного отклонения.
В математической статистике для оценки степени разброса (отклонения) какого-то показателя от его среднего значения используются понятия дисперсии и стандартного отклонения [130-132]. Чем выше дисперсия или стандартное отклонение, тем сильнее разбросаны значения переменной относительно среднего.
Дисперсия выборки или выборочная дисперсия (от английского variance) - это мера изменчивости переменной. Выборочной дисперсией значений исследуемой величины называется среднее арифметическое квадратов отклонений наблюдаемых значений этой величины от их среднего арифметического:где х - выборочное среднее;N- число наблюдений в выборке.Рис.29. Пример гистограммы полученной выборки по давлению
Дисперсия меняется от нуля до бесконечности. Крайнее значение 0 означает отсутствие изменчивости, когда значения переменной постоянны.
Выборочная дисперсия обладает одним существенным недостатком: если среднее арифметическое выражается в тех же единицах, что и значения исследуемой величины, то, как следует из формулы, задающей дисперсию, последняя выражается уже в квадратных единицах. Этого недостатка можно избежать взяв в качестве меры рассеивания арифметический квадратный корень из дисперсии.
Стандартное отклонение, среднее квадратическое отклонение (от английского standard deviation) вычисляется как корень квадратный из дисперсии:
При модификации среднее значение выборки х было заменено на величину номинального давления Рном. Таким образом при расчете среднеквадратичного отклонения от номинального значения ар для каждой полученной выборки значений текущего давления использовалась формула:гдеPi - значения текущего давления обрабатываемой выборки;Рном - заданное номинальное давление.Чем меньше величина ар, тем более приближена кривая давления к номиналу. В результате произведенных вычислений по данному критерию оптимальным набором конфигурационных параметров является выборка №1, выделенная на рисунке 30 красным цветом.
При относительном равенстве значений ар оценивание приемлемости использования находится по следующим дополнительным критериям:- статистическое распределение выборок относительно интервала демпфирования(зоны оптимальных значений);- удаления выборочного среднего от величины заданного номинального давления.
Данная ситуация могла возникнуть, например, при отсутствии выборки №1. Тогда выборки №4, №8, №10 и №11 имели бы сравнимые значения критерия ар.Статистическое распределение задается в виде последовательности интервалов и соответствующих им частот (в качестве частоты, соответствующей интервалу, принимают сумму частот, попавших в этот интервал).
С помощью статистического распределения можно выяснить процентную составляющую попадания значений давления в заданный интервал. На рисунке 31 представлено частотное распределение для 11 выборок. Бледным цветом выделено процентное попадание в интервал птимальных значений, серединой которого является номинальное давление на входе завода.1 Для данного статистического распределения критериальным является интервал (табл.4), включающий в себя интервал оптимальных значений давления и прилежащие значения [74.4-75.0].При использовании данного статистического распределения в роли критерия для выявления приемлемости использования между выборками №4, №8, №10 и №11 при относительном равенстве критерия ор и без учета выборки №1 (имеющей лучшие показатели и по этому критерию), предпочтение использования можно отдать выборкам №4 (99.27%) и №11 (98.9%). У этих выборок процент попадания значений текущего давления на входе завода в критериальный интервал имеет наибольшее значение.
В данном статистическом распределении увеличено количество разбиений и уменьшен критериальный интервал (табл.5) до уровня интервала демпфирования
