Теория и практика проектирования систем управления объектами газовой отрасли

Газовая промышленность относится к ключевым отраслям народного хозяйства. В настоящее время развитие ее характеризуется интенсификацией производственных процессов, применением агрегатов большой единичной мощности, созданием предприятий, состоящих из ограниченного числа крупнотоннажных производств, использованием автоматизированных систем для управления технологическими процессами.

Сегодня уже трудно разграничить АСУ от какого-то процесса, технологического или физического. Ни один процесс без систем управления вести нельзя, не говоря уже об оптимизации сложных процессов или объектов. Управлять сложной газовой системой трудно: разработка месторождений — добыча газа — первичная подготовка газа на установках комплексной подготовки газа (УКПГ) или первичной подготовки газа (УШИ) — переработка газа и конденсата на заводах — перекачка газа компрессорными станциями (КС) по магистральным газопроводам. Поэтому автор, используя метод декомпозиции, показал трудности, связанные с управлением сложными объектами [156].

Производственный процесс газовой отрасли представляет собой последовательность этапов, начинающихся с извлечения углеводородного сырья из недр и заканчивающихся поставкой потребителю готовой продукции, полученной из этого сырья. При управлении этим производственным процессом появляется необходимость проведения декомпозиции его структуры в связи с разнообразием составляющих элементов, каждый из которых имеет только ему присущее назначение. Декомпозиция четко выделяет такие технологические объекты, как газодобывающие, транспорт газа, переработка газа и углеводородного конденсата, подземное хранение природного газа. Общими характеристиками для вышеперечисленных объектов являются. значительные капиталовложения, обусловленные крупномасштабностью объектовналичие больших объемов информации, необходимой для управлениякак частичное, так и многократное изменение структуры и состава объекта под воздействием окружающей среды и многих элементов разнообразной природы. Наряду с общими характеристиками имеются и принципиальные отличия, которые свойственны только каждому из перечисленных типов объектов.

Разработка и активное внедрение АСУ на промышленных объектах в газовой отрасли относится к началу 1970;х гг., т. е. значительно позже, чем за рубежом. Первые системы не обладали многими функциями и подсистемами. Эволюция систем управления происходила в зависимости от наших технических и социальных возможностей, от получения технических знаний обществом, начиная от инженерно-технических работников.

Достижения1 научно-технического прогресса (НТП) представляют практически безграничные возможности для автоматизации самого сложного и эффективного управления [64]. Системный подход к повышению эффективности производственных объектов газовой отрасли и состоит в том, чтобы одновременно совершенствовать технологические процессы и вместе с тем совершенствовать управление этими процессами [150].

Фундамент реализации проектного процесса составляют процедуры анализа и синтеза, которые носят итерационный характер и могут выполняться на различных этапах проектирования систем управления. Непроведение некоторых этапов проектирования, например научно-исследовательских работ (НИР), лриводит к разрыву органической связи цепи проектировщик — система. Даже при наличии обратной связи спроектированной системы. Это снижает эффективность систем управления.

Для повышения эффективности системы необходимы новые знания об объекте. И эти знания или требуемую информацию об объекте управления можно получить, осуществив проведение экспериментов для разработки эффективной идеологии управления, используя для этого новые математические модели процессов, методы и алгоритмы их-оптимизации, логики управления и т. д. I t }.

Возникает противоречие между ранее используемой технологией проектирования разработки и внедрения систем автоматизации и предъявляе-, мыми настоящим временем требованиями. Поэтому в условиях функционирования современных программно — вычислительных комплексов становится актуальным анализ теоретических и практических результатов проектирования и внедрения систем управления технологическими процессами объектов газовой отрасли, что позволит: повысить качество проектных работ в цепочке проектировщик — система, направленное на одновременное совершенствование технологического процесса и системы управленияреализовать основные технические решения по проектированию систем управления и тем самым повысить эффективность последних.

С учетом роли газовой отрасли в экономике РФ эти задачи приобретают особую актуальность [7, 8, 163].

Соискатель решает эти задачи при проектировании, систем ! оперативного управления технологическими процессами большого числа разнообразных по своей сути и сложности объектов газовой отрасли на основе многолетнего практического опыта разработки и внедрения АСУТП.

Цель работы. Сформулировать научно-практические основы разработки и внедрения систем автоматизированного управления технологическими процессами, отвечающих основным требованиям, предъявляемым к роли и развитию газовой отрасли РФ и современному этапу ускоренного развития НТП. Поставленная проблема декомпозируется на ряд взаимосвязанных между собой научно-исследовательских задач. Разработать принципиально новые методы и средства взаимодействия проектировщик — система.

Основные задачи исследований требуют:

1. Обобщить опыт проектирования и функционирования систем автоматизации и’управления на объектах газовой промышленности. J.

2. Провести ретроспективный анализ эффективности принятых решений при создании систем управления технологическими процессами различных объектов газовой отрасли.

3. Сформулировать и обосновать основные принципы построения и функционирования системы автоматизированного принятия решений при оперативном управлении технологическими процессами: эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений (ГКМ), объектов подземного хранения газа (ПХГ), объектов переработки газа и конденсата.

4. На основе результатов промысловых и промышленных экспериментов разработать и внедрить модели и прикладные задачи для оперативного управления технологическими процессами газовых месторождений, ПХГ и переработки газа и конденсата.

5. Сформулировать научно-практические основы разработки, и внедрения систем автоматизации технологических процессов и, в конечном итоге, способствовать решению важной народнохозяйственной проблемы — разработке и внедрению систем автоматизации и оперативного управления для ряда базовых объектов и процессов газовой отрасли.

Методы решения поставленных задач. Теоретической основой всех исследований, проведенных в диссертации, является системный анализ, теории автоматического и автоматизированного управлений.

Реализация общей схемы принятия решения всегда осуществляется с частичным использованием математических моделей, отображающих свойства и отношения, интересующие исследователя. Адекватность модели зависит от изученности механизмов физических процессов, происходящих в системе. В этом направлении в диссертации излагаются результаты исследований, проведенных соискателем лично и с группой специалистов, по обоснованию применяемых математических моделей оперативного управления.

При разработке математических моделей соискатель использовал методы математической физики (задачи теории упругости и фильтрации в трещиновато-пористых средах), результаты проведенных промышленных экспериментов на действующих технологических установках. При проведении экспериментальных работ с двухфазной системой газ — пластовая жидкость при движении ее в трубах применялись сертификационные программы, современные средства измерения и регистрации параметров процесса.

Научная новизна. Диссертационная работа представляет собой обоснование предлагаемого научно-практического подхода к оперативному управлению технологическими процессами объектов газовой отрасли при использовании для этих целей современных программно-технических комплексов сбора и обработки информации, входящих в техническое обеспечение АСУТП. В диссертации получены следующие научные результаты:

1. Выработаны научно-практические основы создания и внедрения систем автоматизации и управления объектами газовой отрасли с учетом природной неопределенности их особенностей и нарастающего темпа внедрения информационных технологий.

2. Сформулированы системные основы управления сложными объектами газовой отрасли и сформулированы этапы развития АСУТП, оснащенные современными программно-техническими комплексами (ПТК). Показаны пути практической интеграции программно-вычислительных комплексов в системы автоматизации и управления отдельными объектами газовой отрасли и всей цепочки технологических процессов от добычи до переработки газа.

3. Рекомендованы на этапе проектирования и эксплуатации АСУТП необходимость проведения и финансирования научно-исследовательских работ, позволяющих получить информацию по динамическим и другим характеристикам объекта с целью эффективного использования современных программно-вычислительных комплексов при оперативном управлении технологическими процессами. Реализация этих рекомендаций привела к созданию комплекса моделей и методов оперативного управления, в том числе:

• уточнен механизм обводнения эксплуатационных скважин в трещиновато-пористых коллекторах на примере Оренбургского ГКМ, позволяющий прогнозировать подтягивание подошвенных вод к забоям скважин и принимать решения по выбору режима их работы;

• адаптированы программные комплексы расчета гидравлических характеристик двухфазного потока к условиям функционирования АСУТП добычи газа, позволяющие параметризировать работу скважин и промысловых шлейфов;

• разработан на основе флуктуационных методов бессепарационный оперативный контроль изменения количества жидкости, поступающей от нескольких скважин по шлейфу на УКПГ;

• предложен метод управления процессом добычи газа на завершающей стадии разработки месторождения;

• разработаны системы оперативного управления технологическими процессами (установки очистки природного газа от кислых компонентов, регенерации абсорбента, осушки газа, процесса получения серы) для условий Оренбургского газоперерабатывающего завода (ГПЗ);

• разработан метод оперативного диагностирования характера обводнения эксплуатационных скважин и определения расстояния положения от газоводяного контакта до перфорационных отверстий колонны скважины t при отборе газа из ПХГ.

4. Предложены рекомендации по переходу от традиционной оценки эффективности функционирования систем управления по экономическому критерию к оценке качества системы.

5. Разработаны практические рекомендации подхода к решению экологических проблем и некоторых организационно-экономических вопросов при создании систем автоматизации и управления на объектах газовой отрасли.

Практическая ценность работы и реализация полученных результатов в промышленности. Показанная в диссертации методология подхода к функционированию АСУТП позволяет использовать теоретические и практические достижения в области оперативного управления технологическими процессами в добыче газа, переработке газа и подземного хранения газа.

Применение разработанного подхода в> сочетании с программно-техническими средствами сбора и обработки информации позволяет:

• повысить качество автоматизированного проектирования и внедрения АСУТП;

• повысить качество управления технологическими процессами за счет более обоснованного выбора управляющих решений, разрабатываемых с использованием имитационных систем;

• стимулировать развитие научных работ для эффективного управления технологическими процессами, интегрировать результаты новых научных исследований в виде алгоритмов и программ в постоянно развивающиеся системы автоматизированного управления.

Разработанные соискателем принципы построения систем автоматизированного принятия решений, математические модели оперативного управления, оценка и прогнозирование состояния технологических процессов реализованы В' проектах АСУТП объектов добычи газа, переработки газа и конденсата, ПХГ.

Результаты работы использованы при разработке и внедрении АСУТП объектов: Оренбургского газодобывающего предприятия (ГДП), Шатлык-ского ГДП, Оренбургского ГПЗ (I — II очереди завода), Мубарекского ГПЗ, Уренгойского ГДП, Ямбургского ГДПАстраханских ГДП и ГПЗ, Сосногорского ГПЗ, Сургутского конденсатоперерабатывающего завода, Северо-Ставропольского ПХГ.

Апробация работы. Основные результаты работы рассматривались на научно-технических советах ВПО «Туркменгазпром», ООО «Оренбурггаз-пром», ООО «Волго-УралНИПИГАЗ», «ВНИПИАСУ Газпром», ОАО «Газпром», ООО «Астраханьгазпром», Экспертном совете по автоматизации ОАО «Газпром», XX Международном газовом конгрессе (1997 г., Амстердам).

Структура" и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка использованных источников (168 наименований). Содержание.

Выводы к главе 6.

1. В хронологическом порядке представлена эволюция развития систем автоматизированного проектирования и управления технологическими процессами объектов газовой отрасли.

2. Представлен системный подход к функционированию САПР и управлению объектами газовой отрасли.

3. На основании накопленного опыта представлены рекомендации по автоматизированному проектированию и управлению технологическими объектами.

4. Показаны эволюция критериев и переход к качественной оценке эффективности функционирования АСУТП.

Заключение

.

В диссертации решается проблема формирования инновационного подхода к проектированию и широкому внедрению в газовой отрасли современных, высокоэффективных автоматизированных систем оперативного управления основными технологическими процессами на базе новейших программно-технических комплексов сбора и*обработки информации.

В диссертации представлены результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных автором и руководимыми им коллективами, а также обобщён большой опыт автора по внедрению современных систем автоматизированного управления технологическими процессами в газовой отрасли. Эти результаты могут быть сформулированы в виде следующих основных выводов, предложений и рекомендаций:

1. Определены системные основы автоматизации и управления! объектами газовой отрасли. Выявлены особенности технологических процессов газовой отрасли. Рассмотрена последовательность технологических процессов от добычи до переработки, составляющая основной производственный процесс газовой отрасли. Показаны пути интеграции проектируемых и внедряемых систем управления отдельными объектами газовой отрасли.

2. Проанализированы теоретические и практические результаты проектирования и внедрения систем управления технологическими процессами объектов газовой отрасли, в результате чего это позволит: повысить качество проектных работ в цепочке проектировщик — система направленное на одновременное совершенствование технологического процесса и системы управленияреализовать основные технические решения по проектированию систем управления и тем самым повысить эффективность последних.

3. Традиционный подход к автоматизированному проектированию, разработке и внедрению систем управления не отвечает требованиям (например, по темпам внедрения, эффективности и качеству исполнения) современного развития газовой отрасли и не использует в полной мере новые возможности информационных систем, которые предоставляет НТП. В связи с этим необходимо создание соответствующих научно — практических основ автоматизированного проектирования систем управления.

4. Анализ проблем стратегии проектирования систем оперативного управления объектами в газовой отрасли показал сложность выявления требований к системам на ранних этапах проектирования и отрыв теории построения информационных систем от практики применения конкретных средств для решения задач управления. Показана необходимость введения непосредственно перед этапом проектирования автоматизированной систе-, мы управления, этапа, предусматривающего проведение научно-исследовательских работ, позволяющих получить дополнительную информацию по динамическим и другим характеристикам объекта.

5. Для важнейших объектов на основе результатов проведенных промысловых и промышленных исследований разработаны и внедрены модели и прикладные задачи для проектирования систем оперативного управления технологическими процессами газовых и газоконденсатных месторождений, подземного хранения газа и переработки газа.

В частности, разработаны:

• математическая модель деформируемой трещиновато-пористой среды, позволяющая раскрыть механизм обводнения и прогнозировать подтягивание подошвенной воды к забоям эксплуатационные скважин в трещиновато-пористых коллекторах на примере Оренбургского газоконденсатного месторождения;

• бессепарационный способ оперативного измерения количества жидкости, поступающей от нескольких скважин по шлейфу на УКПГ;

• метод управления процессом добычи газа на завершающей стадии разработки месторождения;

• модели и системы оперативного управления технологическими процессами (очистки природного газа от кислых компонентов, регенерации абсорбента, осушки газа, получения серы по методу Клауса) для условий Оренбургского ГПЗ;

• метод оперативного диагностирования характера обводнения эксплуатационных скважин и определения расстояния положения от газоводяного контакта до перфорационных отверстий колонны скважины при отборе газа из ПХГ;

• для внутрипромысловых систем сбора газа с их последующей интеграцией в АСУТП адаптированы программные комплексы, позволяющие пара-метризировать работу скважин и шлейфов.

6. Предложены рекомендации к решению экологических проблем и некоторых организационно — экономических вопросов при создании систем автоматизации и управления на объектах газовой отрасли.

7. Предложенные в диссертации основы повышения качества проектных работ в цепочке проектировщик — система и реализация основных технических решений по проектированию систем управления — позволяют ускорить внедрение в газовой отрасли эффективных систем управления и более рационально использовать выделенные для этого средства.

8. Показана необходимость перехода от экономического критерия оценки функционирования систем управления к оценке качества системы.

9- Запроектированные на предложенной научно — методической основе с использованием моделей и алгоритмов соискателя автоматизированные системы управления были реализованы в различные годы для решения народно-хозяйственных задач на следующих газодобывающих, газотранспортных и газоперерабатывающих предприятий нашей страны: «Уренгойгаз-пром», «Сургутгазпром», «Туркменгазпром», «Узбекгазпром», «Севергаз-пром», «Оренбурггазпром», «Астраханьгазпром», «Кавказтрансгаз». Это позволило повысить эффективность функционирования указанных объектов за счет улучшения качества управления.

Результаты работ опубликованы в 78 публикациях, в том числе четырех книгах (три монографии), 29 изданиях рекомендованных ВАК Министерства образования РФ и одном авторском свидетельстве.