Содержание к диссертации
Введение
1 Цели и задачи систем коррозионного мониторинга электрохимической защиты газопровода. Анализ развития-систем коррозионного мониторинга .. 8
1.1 Электрохимическая защита газопроводов 8
1.2 Современное состояние вопроса построения систем коррозионного мониторинга 12
1.3 Анализ .технологических подходов построения систем коррозионного мониторинга 15
1.4 Постановка научной задачи и частные задачи исследования 17
1.5 Выводы 18
2 Разработка информационной модели системы коррозионного мониторинга 20
2.1 Анализ математического моделирования растекания тока в грунте. 20
2.2 Разработка методики системного анализа предметной области параметров 32
2.3 Разработка структуры системы коррозионного мониторинга 42
2.4 Методика построения памяти и базы данных контроллера 45
2.5 Модернизация автомата состояний протокола обмена Modbus RTU с возможностью отправки аварийных сообщений 47
2.6 Методика передачи данных по каналу связи GSM CSD 52
2.7 Методика функционирования контроллера ЭХЗ для КИП 53
2.8 Разработка методики построения системы коррозионного мониторинга 55
2.9 Автономная система коррозионного мониторинга 61
2.10 Выводы 64
3 Алгоритмическое и программное обеспечение системы коррозионного мониторинга 66
3.1. Разработка структурной схемы элементов контроллеров ЭХЗ 66
3.2 Разработка алгоритмического обеспечения контроллеров ЭХЗ 69
3.3 Разработка программного обеспечения контроллеров ЭХЗ 75
3.4 Разработка экспериментальной системы коррозионного мониторинга с использованием SCADA пакета 79
3.5 Выводы 86
4 Оценка эффективности разработки системы коррозионного мониторинга электрохимической защиты газопроводов 87
4.1 Стадии и этапы создания автоматизированной системы коррозионного мониторинга 87
4.2 Виды работ по обслуживанию, текущему и капитальному ремонту системы ЭХЗ 89
4.3 Расчет стоимости внедрения системы коррозионного мониторинга. 91
4.4 Расчет экономического эффекта от применения системы коррозионного мониторинга 92
4.5 Расчет эффективности применения системы коррозионного мониторинга системы ЭХЗ 92
4.6 Выводы 95
Заключение 96
Список использованных источников 98
Приложение
- Современное состояние вопроса построения систем коррозионного мониторинга
- Разработка методики системного анализа предметной области параметров
- Разработка алгоритмического обеспечения контроллеров ЭХЗ
- Виды работ по обслуживанию, текущему и капитальному ремонту системы ЭХЗ
Введение к работе
Актуальность исследования. Российская газовая промышленность является крупнейшей отраслью, которая удовлетворяет наибольшую часть энергетической потребности страны. Предприятием ОАО «Газпром» построены и эксплуатируются более 160 тысяч километров магистральных газопроводов, около 4 тысяч площадок компрессорных и газораспределительных станций, установок добычи и комплексной подготовки газа. Техническая надежность функционирования такой разветвленной газотранспортной системы зависит от многих факторов, связанных с состоянием металла трубопроводов, состоянием их изоляционных покрытий, эффективностью работы систем активной электрохимической защиты.
Расположение газопроводов в труднодоступных местах осложняет мониторинг их состояния и увеличивает вероятность возникновения отказов. Причем даже незначительные отклонения реальных условий эксплуатации от принятых за исходные приводят всю систему к предельному состоянию.
Большое влияние на надежность трубопровода оказывает наличие многих факторов (механических, технологических и других). Важным фактором, приводящим к снижению надежности газопроводов, является коррозийное повреждение наружных поверхностей трубопроводов вследствие наличия электрохимической коррозии. По состоянию на 2009 год срок эксплуатации около 30% газопроводов составил более 30 лет, а к 2015 году средний возраст всех газопроводов превысит 30 лет.
В таких условиях контроль за процессом электрохимической коррозии и коррозионным состоянием газопровода является важной задачей обеспечения надежности газотранспортной системы (ГТС). Эффективным способом повышения надежности ГТС является внедрение автоматизированной системы коррозионного мониторинга (СКМ). Внедрение СКМ в значительной степени повышает оперативность работы служб защиты от коррозии, обеспечивая их достоверной информацией о состоянии средств электрохимической защиты и коррозионном состоянии газопровода в режиме реального времени.
В связи с этим, разработка и внедрение системы коррозионного мониторинга представляется актуальной задачей.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы коррозионного мониторинга газопроводов, обеспечивающий дистанционный контроль и управление средствами ЭХЗ.
Задачи исследования:
Анализ существующих СКМ с последующим определением современных требований к ним;
построение аналитико-множественной модели параметров электрохимической защиты (ЭХЗ) на основе анализа математической модели растекания тока в грунте и существующей нормативной документации;
разработка структуры и методики построения системы коррозионного мониторинга;
разработка обобщенной модели универсального промышленного контроллера для ЭХЗ;
разработка алгоритмического и программного обеспечения универсальных контроллеров для станций катодной защиты (СКЗ) и контрольно-измерительных пунктов (КИП);
внедрение в опытную эксплуатацию разработанной системы коррозионного мониторинга.
Научная новизна. Теоретическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований заключается в следующем:
- получена аналитико-множественная модель параметров ЭХЗ учитывающая характеристики объекта мониторинга и параметров электрохимической защиты;
- разработана методика построения универсального промышленного контроллера для ЭХЗ;
- разработан автомат состояний, описывающий возможность передачи аварийных сообщений с использованием протокола Modbus RTU;
- разработана методика построения системы коррозионного мониторинга и использованием различного оборудования и возможностью интеграции в системы АСУ ТП.
Практическая ценность работы. Разработанная система коррозионного мониторинга с использованием программного комплекса «Орион» и SCADA пакета «Энтек» прошла опытную эксплуатацию на ряде объектов ОАО «ГАЗПРОМ»:
- в 2008 году на объекте ООО «Газпром ПХГ» Ставропольский филиал;
- в 2009 году на объекте ООО «Газпром добыча Астрахань»;
- в 2010 году на объекте ООО «Газпром ПХГ» Касимовский филиал;
- в 2010 году на объекте ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Уфа»;
- на объектах других дочерних организаций ОАО «ГАЗПРОМ».
Разработанная система коррозионного мониторинга в 2009 году прошла межведомственные испытания на объекте ООО «Газпром ПХГ» Ставропольский филиал, внесена в реестр допущенного к применению на объектах ОАО «ГАЗПРОМ» оборудования и рекомендована к использованию на объектах ОАО «ГАЗПРОМ» по представленной технической документации ООО НПП «Сфера-МК».
Разработанные универсальные контроллеры для СКЗ и КИП использованы при построении различных систем АСУ ТП на объектах дочерних организаций ОАО «ГАЗПРОМ», а также за рубежом при построении системы АСУ ТП «КАЗТРАНСОЙЛ» в республике Казахстан.
По результатам проделанной работы получены акты об использовании и внедрении.
Апробация работы. Основные научные результаты докладывались на IX Межрегиональной научно-практической конференции (Краснодар, КВВАУЛ, 2007); на Х Юбилейной международной научно-практической конференции (Краснодар, КВВАУЛ, 2008); на международных научно-практической конференциях (Одесса, 2008-2009); на III международной конференции «Актуальные вопросы противокоррозионной защиты» (Москва, Газпром ВНИИГАЗ, 2009).
Публикации. Основное содержание и результаты работы изложены в 5 тезисах к докладам и 5 статьях.
Основные положения, выносимые на защиту:
принципы построения и структура системы коррозионного мониторинга с использованием универсальных контроллеров для ЭХЗ;
обобщенная модель и структура универсальных контроллеров для ЭХЗ;
алгоритмы функционирования и обработки данных, а также программное обеспечение универсальных контроллеров для ЭХЗ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 146 страницах. Диссертация содержит 41 рисунок, 14 таблиц, список литературы из 103 наименований и 8 приложений на 37 страницах.
Современное состояние вопроса построения систем коррозионного мониторинга
Анализ существующих систем коррозионного мониторинга является необходимой задачей. Важность данной работы в том, что позволяет определить приоритетные направления развития в этой области [63].
Повышение надежности газотранспортной системы является одной из ключевых задач ОАО «Газпром». Одним из способов повышения надежности является построение автоматизированный системы коррозионного мониторинга с использованием самых передовых технологий в этой области [2, 62]. В 2007-2008 годах руководством ОАО «Газпром» было принято решение о разработке «Подсистемы контроля и управления средствами защиты от коррозии филиала эксплуатационной организации ОАО «Газпром». Одной из подсистем является система коррозионного мониторинга. В 2009 году были утверждены технические требования на подсистему контроля и управления средствами защиты от коррозии, включающую систему коррозионного мониторинга [21, 69].
Таким.образом, следует что ОАО «Газпром» в настоящее время уделяет большое внимание повышению надежности газотранспортной системы в целом и построению системы коррозионного мониторинга в частности, что позволяет сделать вывод об актуальности предложенного научного исследования.
Проведённый анализ систем» коррозионного мониторинга позволяет сделать вывод, что большинство систем не предназначены для универсального использования, и ориентированы на определенных производителей; станций; катодной защиты и каналообразующего оборудования [56, 71, 82]. Многие производители- станций катодной защиты, такие как «Нефтегазкомплекс-ЭХЗ» г. Саратов, «Парсек» г. Москва и др; являются производителями СКЗ и предлагаемая ими система коррозионного мониторинга:ориентирована только на,использование с их собственными СКЗ. Такие производители как «Радиотелеком» Т. Санкт-Петербург ориентированы только на использование собственных каналообразующих модулей и программного обеспечения;, что не позволяет, интегрировать данную систему в другие системы АСУ ТП.
Следует отметить, что системы коррозионного мониторинга, производимые иностранными фирмами, ориентированы на высокую телекоммуникационную оснащенность регионов установки оборудования, что практически не может быть реализовано, в условиях севера.
В данной работе были проанализированы основные производители систем коррозионного мониторинга (табл. 1.1).
В результате проведенного анализа СКМ выявлено, что все производители СКМ устанавливают в СКЗ собственные промышленные контроллеры для контроля и управления СКЗ, при этом в некоторых изделиях контроллер выполняет роль, блока управления СКЗ. Однако большинство из представленных систем используют собственные протоколы передачи данных, что не позволяет использовать совместно различные системы. Использование собственного протокола приводит к другому ограничению СКМ — возможности использования собственного,» программного обеспечения «верхнего» уровня, которое в большинстве случаев значительно уступает существующим SCADA пакетам. Большинство систем осуществляют контроль параметров только СКЗ что-не позволяет получить полноценную информацию о защищенности всей газотранспортной системы в целом.
Таким образом, Ві результате проведенного анализа систем можно сделать выводы по развитию СКМ в следующих направлениях: - универсализация-1 протоколов передачи данных с объектов контроля системы ЭХЗ; - более широкое использование технологий на основе сотовых сетей, при этом распространение будут получать технологии на основе пакетной передачи данных с выходом в интернет: GPRS, EDGE, 3G и др.; - подключение к СКМ таких объектов системы ЭХЗ, как контрольно-измерительные пункты, станции дренажной защиты, блоки совместной защиты и др. Это- позволит получать более подробную картину о состоянии системы ЭХЗ; - использование в качестве программного обеспечения «верхнего» уровня системы стандартных SCADA пакетов.
Разработка методики системного анализа предметной области параметров
Для описания предметной области параметров представим функционирование процесса электрохимической защиты газопровода как систему контролируемых параметров электрохимической защиты. Количество различных видов контролируемых параметров ЭХЗ является ограниченным числом. То есть, анализируя большое количество разнообразных параметров ЭХЗ, можно составить полное описание всех видов контролируемых параметров предметной области. Так, мониторинг защищенности газопровода определяется набором контролируемых параметров выпрямителя станции катодной защиты, вспомогательными параметрами станции катодной защиты, а также набором параметров определяющих защищенность газопровода. Поэтому система коррозионного мониторинга является изучаемым объектом и его можно описывать на примере типичной системы коррозионного мониторинга. Таким образом, моделирование отдельно взятого процесса, выраженное в описании его особенностей, перечня необходимых для него функциональных атрибутов будет иметь схожий вид для любой системы коррозионного мониторинга [23, 31, 32, 78, 88].
Модель предметной области параметров может быть представлена в виде совокупности множеств: где F = \fi\i = l,Ij множество параметров источника тока (выпрямителя); О = ]рт т -1, М] множество параметров электрохимической защиты; Р — \Рк I = Ъ-К) множество типов контролируемых параметров; G = {gj\j = U} множество объектов контроля;
Множество контролируемых параметров источника тока представлено в таблице 2.1. Необходимо отметить, что данное описание источника катодного тока может сужаться или расширяться в зависимости от типа используемого источника тока. Это выделение позволяет определить наиболее характерные параметры источника тока.
Контролируемые параметры электрохимической защиты сведены в таблицу 2.2. Таким образом, определено множество параметров контроля электрохимической защиты: где Р(О) количество элементов множества О.
Система коррозионного мониторинга должна накапливать данные о работе системы электрохимической защиты. Типы контролируемых параметров представлены в таблице 2.3.
Таким образом, определено множество типов контролируемых параметров: где Р(Р) количество элементов множества Р.
Определим: множество: объектов контроля системы коррозионного мониторинга; Как было определено в ходе анализа математической модели растекания тока; в грунте; основными, объектами контроля системы коррозионного мониторинга являются станции катодной защиты и контрольно-измерительные пункты [46]. Определим основные объекты контроля (табл. 2.4)..
Таким образом, определено множество объектов контроля системы коррозионного мониторинга: где P(G) количество элементов множества-G. , ,
Взаимосвязи между элементами предметной области параметров системы коррозионного мониторинга, т.е. между множествами; F,0,P,G,Rj опишем с помощью булевых матриц смежности, которые описывают соответствующие отношения R между компонентами; предметной области. Элементы данных матриц равны 1, если между соответствующими компонентами имеется отношение (связь), и равны 0, в противном случае. 1) ri(F,G) - отношение объект контроля - параметры контроля. Каждый объект контроля обладает набором контролируемых параметров. Для модели предметной области параметров соответствие объектов контроля и контролируемых параметров представлено матрицей бинарных отношений (табл. 2.5).
Разработка алгоритмического обеспечения контроллеров ЭХЗ
Разработанная? модель контроллера-; ЭХЗ; реализует множество? одновременно выполняющихся функций ; таких как измерение, обработка, накопление: и передача: данных. Алгоритмическая реализация, всех этих функций требует от контроллера ЭХЗ механизмов- ПОЇ распределению ресурсов между различными одновременное выполняющимися задачами, т.е. режима многозадачности; В" современных персональных; компьютерах: распределением: ресурсов компьютера занимается операционная? система; однако, использование; многозадачных операционных систем в микроконтроллерах требует большого количества ресурсов контроллера только для функционирования: самой» операционной? системы; Для» реализации возможности выполнения нескольких задач одновременно-алгоритмическое обеспечение: контроллера ЭХЗ: организовано на автоматном принципе программирования; главный алгоритм которого для; контроллера:ЭХЗ=приведен:нарисункеЗ.З;
Основной алгоритм; контроллера ЭХЗ; представляет собой: последовательность нескольких алгоритмовкаждый из которых выполняет свои,функции по измерению и обработке данных, накоплению данных, и передаче данных. В; начале главного; алгоритма происходит настройка всех дочерних алгоритмов, определяются, все необходимые константы- и переменные определяющие режим функционирования контроллера: ЭХЗ. Далее в циклическом режиме вызываются все дочерние алгоритмы,. причем эти алгоритмы также; должны быть построены по автоматному принципу, чтобы при каждом вызове дочернего алгоритма выполнялась определенная часть алгоритма, далее управление передается следующему дочернему алгоритму.
Таким образом, при построении алгоритма функционирования контроллера ЭХЗ по автоматному принципу реализуется режим псевдомногозадачности позволяющий реализовывать несколько алгоритмов одновременно. Однако при проектировании такого рода алгоритмов необходимо обращать особое внимание на временные задержки при выполнении частей алгоритмов, они не должны быть большими чтобы не задерживать выполнение других алгоритмов [56, 57, 90, 97].
Таким образом, основной алгоритм контроллера ЭХЗ построен по автоматному принципу, позволяющему одновременно выполнять несколько дочерних алгоритмов реализующих его основные функции. В приложении Е приведен главный алгоритм контроллера для СКЗ, функция fun_main.
Накопление данных является одной из основных задач контроллера, и для ее реализации был разработан алгоритм позволяющий производить накопление данных. Для накопления архивных данных системное время контроллера ЭХЗ должно быть привязано к времени по Гринвичу. Временные интервалы сохранения архивных данных должны быть привязаны к началу текущего часа, суток или месяца, в зависимости от интервала архивирования. Данная привязка необходима для реализации, возможности сравнения накопленных результатов двух различных контроллеров ЭХЗ. Таким образом, для накопления данных время. контроллера ЭХЗ должно быть синхронизировано с временем по Гринвичу и привязано к началу суток. [40, 47, 57]
На рисунке 3.4 представлена блок-схема, описывающая алгоритм накопления данных. После инициализации переменных накопления данных контроллер ЭХЗ запрашивает системное время контроллера. После получения системного времени контроллера производится расчёт временной метки следующей записи в архиве и рассчитывается временной интервал до наступления времени сохранения записи в БД. Для отслеживания интервала времени создается таймер и передается управления главному алгоритму контроллера. При следующем получении управления от главного алгоритма происходит проверка таймера на истечение необходимого периода до сохранения записи в БД. В случае если таймер истек, происходит запрос текущих параметров объекта от алгоритма измерения и обработки данных и формирование записи с полученными данными и текущей меткой времени.
После формирования в буфере записи происходит открытие файла БД и перемещение указателя файла на свободную запись. Далее производится сохранение записи в файле БД и последующее закрытие файла. На этом сохранение очередной записи с данными завершается, и алгоритм переходит к состоянию установки таймера до следующей итерации сохранения данных.
Виды работ по обслуживанию, текущему и капитальному ремонту системы ЭХЗ
Согласно действующей нормативной документации, стандартам организаций, межотраслевым стандартам текущее обслуживание системы ЭХЗ должно производиться специализированными подразделениями эксплуатирующей организации, а ремонт средств ЭХЗ специализированными подрядными организациями. В таблице 4.2 представлены основные виды работ по обслуживанию, текущему и капитальному ремонту [79]. Внедрение системы мониторинга позволяет произвести экономию по трем основным статьям расходов дочерней компании ОАО «Газпром». 1) Внедрение СКМ позволяет значительно снизить затраты на обслуживание средств ЭХЗ. Основные работы по обслуживанию средств ЭХЗ связаны с контролем защищенности газопровода и заданием оптимальных режимов работы средств ЭХЗ. Внедрение СКМ позволит производить сбор-данных о состоянии средств? ЭХЗ- в. автоматическом режиме.
Кроме того, СКМ" позволяет на основании собранных данных формировать необходимые отчетные документы. СКМї позволяет диспетчеру дистанционно задавать режим работы- средств ЭХЗ. Согласно ГОСТ 9.602-2005 и ГОСТ 51164-98 обход СКЗ без системы мониторинга должен производиться не реже двух раз в месяц. С установленной системой мониторинга обход СКЗ должен производиться не реже одного-раза в два месяца. Таким образом, внедрение СКМ позволит в значительной степени снизить затраты, на обслуживающий персонал и затраты на автотранспорт. СКМ позволяет также значительно снизить затраты на электроснабжение средств ЭХЗ за счет оптимизации режимов работы. 2) Текущий ремонт оборудования, средств ЭХЗ производится эксплуатирующей организацией. Текущий ремонт, как правило, связан с заменой неисправных модулей средств ЭХЗ. Основной- причиной выхода из строя средств ЭХЗ является выход оборудования в недопустимые режимы работы. СКМ имеет возможность сигнализации диспетчеру о выходе оборудования в недопустимые режимы работы. СКМ позволяет в кратчайшие сроки произвести изменение режима работы оборудования ЭХЗ и избежать выхода оборудования из строя. 3) Капитальный ремонт средств ЭХЗ, как правило, связан в заменой установки катодной защитой, заменой анодной группы заземлителей и силовых линий. СКМ позволяет в-значительной степени увеличить срок между капитальными ремонтами средств ЭХЗ за счет дистанционного уменьшения и перераспределения токов между смежными установками катодной защиты. Это в значительной степени позволяет продлить срок службы анодной группы и средств ЭХЗ. Расчет экономического эффекта осуществляется исходя из того, что на обслуживании у подразделения эксплуатирующей организации находится порядка 50 СКЗ.
Данное количество СКЗ соответствует уровню филиала» эксплуатирующей организации уровня линейного производственного управления или филиала управления подземного хранения газа. Стоимость работ по внедрению СКМ для 50 СКЗ приведена.в таблице 4.3, по данным службы защиты от коррозии Ставропольского управления подземного хранения ООО «Газпром ПХГ». 1) Составление технического задания. Выполняется заказчиком в соответствии с техническими требованиями на систему. 2) Разработка проектной документации. Работа выполняется подрядчиком, в результате выполнения работ заказчик получает технический проект СКМ и комплект рабочей документации. 3) Закупка оборудования. Выполняется комплектующей организацией. Закупка совершается в соответствии с проектными решениями. 4) Монтаж-оборудования! 5) Наладка оборудования: Включает наладку оборудованиям средств ЭХЗ; системы в-целом; а также проведение приемо-сдаточных-испытаний. б)?Техническое обслуживание системы-,Проводится вsсоответствии? с регламентом технического, обслуживания установленного оборудования. Для расчета экономического эффекта от применения GKM5 приведены стоимости работ по обслуживанию и ремонтусистемы ЭХЗдля базового (без использования СКМ) и для предлагаемого (с использованием СКМ) вариантов- (табл. 4.4), по данным службы, защиты, от. коррозии Ставропольского управления подземного хранения 000: РазпромгИХР ; Основные показатели прямой эффективности подразделяются на; абсолютные и относительные. К группе абсолютных показателей можно отнести
