автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная и управляющая система оптимизации температурного режима газотранспортной сети

На правах рукописи

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ОПТИМИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ НА ПРИМЕРЕ АСТРАХАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4848837

Астрахань - 2011

4848837

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Астраханский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Петрова Ирина Юрьевна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Есауленко Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор Филин Виктор Андреевич

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН

Защита диссертации состоится 28 апреля 2011 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20А. Автореферат диссертации размещен на сайте университета www.aspu.ru. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Автореферат разослан 25 марта.2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Щербинина О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Астраханское газоконденсатное месторождение (ГКМ) занимает лидирующее положение среди подобных месторождений как по степени присутствия в добываемой пластовой смеси особо опасной компоненты - сероводорода, объем которого превышает 25%, так и по уровню автоматизации функции контроля и управления промысловыми объектами.

Основные особенности технологического процесса добычи из промысловых скважин Астраханского ГКМ и транспортировки на переработку пластового флюида состоят в следующем:

• сверхглубокое залегание продуктивных пластов;

• многокомпонентный состав пластовой смеси (газ, вода, конденсат) с аномально высоким содержанием сероводорода;

• высокая температура гидратообразования пластовой смеси:+28°С.

Несмотря на высокую степень автоматизации промысла в действующей системе отсутствует реально действующая функция глобального автоматического регулирования температурного режима газотранспортной сети.

Систематический недогрев газа может привести к гидратообразованию на входе завода, что вызовет его полный аварийный останов. С другой стороны существенное завышение температуры газа на промысле приведет к нарушениям режимов его переработки на газоперерабатывающем заводе и одновременно к гигантским экономическим потерям из-за непроизводительных затрат топливного газа на избыточный подогрев пластового флюида на площадках скважин.

В связи с изложенным, создание экономичной и безопасной информационно-измерительной управляющей системы (ИИУС) автоматического управления температурным режимом газотранспортной сети, повышающей степень автоматизации до уровня системы автоматического управления (САУ), способной в условиях безлюдной технологии неограниченно долгое время с высокой эффективностью в энергосберегающем безгидратном режиме транспортировки пластового флюида от промысловых скважин до установок переработки обеспечивать систематическое и четкое высокоточное соответствие температурного режима транспортировки установленному номиналу - актуальная задача. Проблема исследования. Промысловая ситуация в части температурного режима трубопроводной сети характеризуется двумя разнонаправленными процессами: 1) экономия топливно-энергетических ресурсов на необходимый подогрев пластового флюида в начальных пунктах транспортировки - площадках скважин; 2)обеспечение технологического процесса транспортировки пластового

флюида при весьма высокой температуре, выше температуры гидратообразова-ния, равной 28°С.

Диспетчерский режим регулирования температуры пластового флюида в газотранспортной сети не обеспечивает точного соблюдения необходимого температурного режима каждой скважины, что приводит к повышенным затратам очищенного газа на подогрев пластового флюида.

Автоматизация позволит решить проблему поставки пластовой смеси на переработку в безгидратном низкотемпературном экономичном режиме. Цели и задачи работы. Целью работы является разработка ИИУС, предназначенной для автоматического выравнивания и высокоточного поддержания заданного температурного режима транспортировки пластового флюида по газотранспортной сети от промысловых скважин до установок сепарации газа в энергосберегающем безопасном режиме.

Сформулированные и решенные в процессе выполнения диссертационного исследования задачи включают:

1. Исследование промысловой зоны в качестве объекта автоматизации и определение целевых функций управления.

2. Разработка и исследование математических моделей оптимизации температурных режимов газотранспортной сети промысла с минимизацией энергетических затрат на подогрев пластового флюида на площадках скважин и повышенными мерами безопасности поставки пластовой смеси на переработку.

3. Разработка структуры базы данных, содержащей температурные зависимости для участков прокачки газа (шлейфы скважин, магистральные трубопроводы).

4. Разработка методик автоматического регулирования температурных режимов газотранспортной сети, динамической паспортизации температурных зависимостей для подогревателей газа и трубопроводной системы.

5. Разработка алгоритмов управления и комплекса программ, обеспечивающих реализацию функций оптимизации температурного режима газотранспортной сети промысла в автоматическом режиме в виде специализированной ИИУС.

6. Проверка адекватности математических моделей и эффективности работы ИИУС.

Научная новизна работы:

1. Сформулированы комплексные требования к специализированной ИИУС энергосберегающего типа на основе исследования существующей системы контроля и управления Астраханским газовым промыслом и разработаны базовые принципы низкотемпературного режима транспортировки высокоток-

сичных пластовых флюидов, обеспечивающие ресурсосберегающую режим функционирования ИИУС оптимизирующего типа.

2. Разработана методика формирования и спроектирована специализированная база данных для динамической паспортизации температурных режимов скважин и участков магистральных трубопроводов с оригинальными элементами экстраполяции, обеспечивающими результативный переход в смежные, ранее не применявшиеся температурные зоны эксплуатации подогревателей на площадках скважин.

3. На основе комплексных требований и базовых принципов разработан комплекс математических моделей и методик оптимизации температурного режима трубопроводной системы газового промысла, расширяющий функции действующей системы контроля и управления промыслом и повышающий уровень автоматизации режимов глобального температурного регулирования до уровня систем автоматического управления.

4. Разработаны алгоритмы автоматического регулирования температурных параметров газотранспортной сети, применение которых в системе управления промыслом повышает экономическую эффективность и безопасность технологического процесса, создан комплекс программ по обеспечению оптимальных температурных режимов работы скважин и газотранспортных сетей.

Практическая ценность работы:

1. Разработана специализированная ИИУС, базирующаяся на приведенных математических моделях, которая внедрена в эксплуатацию в составе действующей БСАЭА системы контроля и управления Астраханским газовым промыслом.

2. Сформированы и постоянно динамически актуализируются температурные паспорта скважин и участков магистральных трубопроводов, используемые ИИУС для точного расчета и выдачи на исполнительные механизмы в реальном масштабе времени температурных поправок, обеспечивающих требуемый температурный режим.

Применение ИИУС в управлении Астраханским газовым промыслом показало работоспособность и высокую эффективность созданных моделей и методик, реализованных в разработке, подтвержденную расчетами экономического эффекта. Годовой экономический эффект от применения ИИУС в собственном производстве ООО «Газпром добыча Астрахань» в соответствии с расчетом составляет 23 млн. руб.

Разработка носит инновационный характер, защищена авторским патентом на полезную модель №.97544 «Информационно - измерительная управ-

ляющая система автоматического управления температурными параметрами объектов газового промысла».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Требования к ИИУС, обеспечивающие целостную концепцию безопасного энергосберегающего управления температурными параметрами газотранспортной сети в режиме автоматического регулирования под контролем, но без участия человека.

2. Базовые принципы энергосберегающего режима работы системы предварительной подготрвки (подогрева) добываемой пластовой смеси на основе зонированного подхода к управлению температурными режимами.

3. Методика формирования и актуализации в реальном масштабе времени специализированной базы данных в режиме автоматической динамической паспортизации температурных профилей скважин и участков газотранспортной сети (шлейфов, магистральных трубопроводов) на основе сбора и обработки данных от промысловых датчиков.

4. Комплекс математических моделей и методик, обеспечивающих автоматическое поддержание температурных градиентов газотранспортной сети промысла в стабильном низкоэнергоемком безгидратном режиме поставки пластовой смеси на переработку.

5. Алгоритмы эффективного и безопасного автоматического регулирования работы подогревателей промысловых скважин, определяющие качественный температурный режим газотранспортной сети от скважин до установок переработки сырья, и комплекс программ, реализующих алгоритмы управления газотранспортной системы Астраханского промысла.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов на основе использования методов компьютерного моделирования, системного анализа, экспериментальных данных подтверждена данными эксплуатации ИИУС в составе штатной системы АСУТП Астраханского ГКМ. В результате системного анализа выявлена иерархичность ИИУС, зонированная структура управления промысловыми скважинами на основе примененного матричного метода формирования температурных зависимостей для газотранспортной сети. ИИУС используется на Астраханском газовом промысле в течение 2009-2011гг.:

• в режиме автоматической паспортизации температурных зависимостей для подогревателей газа и участков газотранспортной сети (декабрь 2009г.- сентябрь 2010г.);

• в режиме пробной тестовой эксплуатации (октябрь 2010г.- февраль 2011г.);

6

• в режиме автоматического управления температурными параметрами подогревателей газа и газотранспортной сети промысла в целом - с марта 2011г. Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на четырех международных конференциях и корпоративном конкурсе ОАО «Газпром»: III международная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» - «ДИСКОМ-2007»; международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «Астинтех-2008»; XII международная отраслевая научно-практическая конференция «Россия периода реформ», 2008 год; IV международная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» - «ДИСКОМ-2009»; конкурс ОАО «Газпром» по компьютерному проектированию и информационным технологиям в Санкт-Петербурге в 2010 году (1 место в номинации «Лучший проект в области информационных технологий»). Получена Национальная технологическая премия 2008 года в области науки и техники (1 место в высшей номинации - за выдающийся вклад в развитие новых технологий).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 10 опубликованных научных работах, в том числе в 4 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографии, состоящей из 111 наименований, и 11 приложений, общий объем 128 страниц основного текста, 17 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика разработки, обоснована актуальность решаемой задачи, сформулирована цель, объект и предмет исследования, научная новизна, практическая ценность работы, патентная защищенность и основные положения, выносимые на защиту, а также сведения о достоверности полученных результатов и апробации работы.

В первой главе дана краткая характеристика Астраханского газохимического комплекса, рассмотрены объекты и особенности технологического процесса добычи, предварительной подготовки и транспортировки пластового флюида.

В процессе анализа системы автоматизации газодобывающего предприятия выявлены проблемы, возникающие из-за отсутствия в применяемой системе АСУТП Астраханского промысла технических решений, обеспечивающих точное соответствие температурных профилей по шлейфам от скважин сборных манифольдов и участкам магистральных трубопроводов.

Разработанная ИИУС базируется на платформе существующих технических средств (серверов, линий связи, коммуникационного оборудования, полевых контроллерах), что не влечет за собой необходимости дополнительных капитальных вложений. Существенным отличием предлагаемого в рамках созданной ИИУС подхода к управлению от других систем контроля и управления промысловыми объектами является степень детализации функций управления, когда объектом управления является отдельная скважина, а не куст скважин или трубопроводная система в целом. В рассматриваемой ИИУС реализован режим макрорегулирования, опирающийся на детально проработанные механизмы температурного баланса на каждой скважине.

Газопромысловая система состоит из шести самостоятельных промысловых зон - установок предварительной подготовки газа (УППГ), рассчитанных на добычу 12 млрд. куб. метров газа в год.

Каждый промысловый объект, например скважина, одновременно контролируется тремя независимыми ЗСАОА-системами. Фрагмент системы представлен на рисунке 1.

Две системы располагаются на верхнем уровне и образуют резервированную сдвоенную систему верхнего уровня, третья система (а всего подобных систем шесть - по числу УППГ) размещена в зоне соответствующей УППГ и контролирует одну из шести промысловых зон.

Учитывая колоссальную важность функции поддержания глобального температурного баланса направляемой на переработку пластовой смеси весьма актуальной является работа по созданию и дооснащению действующей системы контроля и управления Астраханского промысла принципиально новым программным механизмом безопасного низкоэнергоёмкого автоматического обеспечения качественного приведения температурного профиля промысла к оптимальному равновесному состоянию, который должен:

• реализовываться на существующих вычислительных мощностях системы автоматизации промысла;

• содержать программные механизмы приведения температурного режима подачи газа на переработку к номинальному значению и его поддержанию неограниченно длительное время с использованием промысловых средств автоматики и связи без вмешательства человека;

• иметь полноценные средства диагностики и оповещения об отклонениях температурного профиля от штатных состояний на объектах промысла;

• иметь развитые программные средства, основанные на оригинальных математических методах и моделях оптимизирующего типа, обеспечивающих надежное, безопасное и качественное функционирование промысла в штатных, предаварийных и аварийных ситуациях;

• осуществлять качественное управление режимами подогрева газа на площадках скважин, имеющих дополнительный подвод пластовой смеси от скважин - сателлитов, не имеющих самостоятельных подогревателей вблизи устья скважин;

• предоставлять на рабочие места диспетчерского персонала обработанную макроинформацию с целью качественного и всеобъемлющего сопровождения температурного режима добычи и транспортировки газа;

• предоставлять на рабочие места специалистов и руководства промысла автоматически формируемые сводки об отклонениях системы подогрева газа от штатных состояний и нарушениях сроков восстановления их работоспособности в полном объёме.

Учитывая изложенное, в ИИУС управления температурным режимом газотранспортной сети, помимо собственно неукоснительной эксплуатации скважин в разрешенных температурных режимах, реализованы дополнительные воз-

9

можности («динамический температурный паспорт скважины», «выравнивание температурного профиля», «обеспечение требуемого температурного градиента» и др.), суть которых раскрыта при описании базовых принципов и комплекса математических моделей и методов.

При несоблюдении технологических режимов и регламентов высока вероятность перехода технологического процесса в состояния, приводящие к получению низкокачественной товарной продукции или угрожающие окружающей среде в связи с возможными при этом выбросами вредных веществ в атмосферу.

Базовым требованием к реализуемой ИИУС является зонированный подход к управлению температурными режимами газотранспортной сети промысла в автоматическом режиме, обеспечивающий:

- условия для оптимизации температурных режимов работы подогревателей на площадках скважин;

- реализацию стратегии экономии затрат очищенного газа, расходуемого на подогрев пластовой смеси.

Вторая глава посвящена описанию базовых принципов ИИУС температурного режима промысла, созданных на основе проведенных диссертационных исследований.

Для поддержания температурного баланса при разработке базовых принципов была выработана методика расчета величины корректировки температуры.

При моделировании технологического процесса целесообразно различать температурные зависимости, локализованные по уровням управления.

На локальном уровне для конкретных скважин, охватывающем зону от площадки скважины до входного блока манифольдов на площадке УППГ используются зависимости «температура газа после подогрева - температура газа на входе манифольда» для рабочей зоны расходов, устанавливаемой для каждой скважины.

На верхнем уровне от выхода УППГ до крановых узлов магистральных трубопроводов используются зависимости «температура газа на выходе УППГ -температура газа на ближайшем к перемычке крановом узле» для зоны расходов, установленной для магистрального трубопровода.

Предлагаемый зонированный подход к промыслу как к объекту управления (рис. 2) позволяет:

■ использовать отдельные УППГ в качестве автоматических температурных компенсаторов для промысла в целом;

■ реализовать ступенчатый принцип поддержания температурного режима на участках: скважины - УППГ и УППГ - завод, обеспечивающий выравнива-

ние температурных режимов скважин перед перемешиванием пластовой смеси на сборных манифольдах площадок УППГ. Это в свою очередь минимизирует потери на смешивание потоков с различными температурными характеристиками;

■ выделить отдельные промысловые зоны, имеющие общие признаки и технологические зависимости с учетом привязки к трубопроводу и УППГ;

■ оптимизировать работу скважин и энергетические затраты на подготовку и транспортировку сырья;

■ прогнозировать и предотвращать возможное гидратообразование.

(1)- скважинные контуры регулирования

(2) - магистральные контуры регулирования

Рисунок 2. Двухконтурная схема температурного регулирования

К числу базовых принципов относятся:

1. оптимизация режимов работы подогревателей на площадках скважин;

2. минимизация тепловых потерь в сборных пунктах;

3. двухступенчатая зонированная схема регулирования температуры;

4. предотвращение гидратообразования при транспортировке;

5. экономия топливно-энергетических ресурсов.

Количество и разнообразие обрабатываемых промысловых параметров и сигналов делает сложной дальнейшую автоматизацию технологического процесса без применения систем глобального регулирования, действующих в режиме автоматического управления.

При транспортировке пластовой смеси по газотранспортной сети промысла должны быть решены две конкурирующие задачи: 1) экономия затрат на подогрев пластовой смеси па площадках скважин за счет минимизации температуры поставки пластовой смеси на вход завода и 2) сохранение температурного фона транспортируемого сырья на уровне выше температуры гидратообразова-ния на всех участках газотранспортной сети, в том числа на выходе магистральных газокондесатопроводов.

Создание и применение ИИУС специализированного типа с использованием математических моделей и методик, расширяющих возможности действующей SCADA системы промысла и базирующейся на декларированных принципах построения системы, является эффективным результативным средством решения проблемы безгидратной поставки пластовой смеси на переработку в энергосберегающем безопасном режиме.

В третьей главе описывается математическая модель ИИУС.

Изложены математический аппарат принятия решений, входные и выходные величины (данные, получаемые с датчиков промысла, вспомогательные параметры, уставки и команды управления), факторы, влияющие на расчет температурных воздействий и их распределение по подогревателям площадок скважин.

Целевую функцию управления для стационарного режима транспортировки газа можно записать в виде:

Тмт -» Т,я„ = const,

где Т„т - измеренная температура пластовой смеси в магистральном трубопроводе на входе перерабатывающего завода;

Т„„ - заданная температура пластовой смеси в магистральном трубопроводе на входе перерабатывающего завода.

Наибольший интерес представляет расчет температурных поправок с учетом теплотворной способности подогревателей.

При отклонении температуры пластового флюида на входе завода на значимую величину (рис. 3) выполняется соответствующая корректировка исходящих температур для площадок скважин.

Если значение измеренной температуры находится в «мертвой» зоне, никакие регулировки не применяются. При этом измеренная температура у точки входа завода от данной УППГ Т„,м определяется соотношением:

(Т НОМ

дтш)<т изм >(Т ном 12

где Т„ом - номинальная температура - заданное значение температуры для трубопровода;

ДТ,„ - приращение температуры, равное половине длины «мертвой» зоны.

Если измеренное значение температуры оказывается в правой зоне демпфирования при нарастании температуры из зоны более низких по отношению к температуре Тяом значений, выполняется встречная малоразмерная корректировка уставок для подогревателей скважин (демпфирование) с целью компенсировать избыток температуры и предотвратить развитие событий с завершающим позиционированием температуры в последующих более отдаленных зонах (правой штатной зоне переходного периода и зоне минимизации Тта).

Рисунок 3. Зоны регулирования температуры

Размер корректировки является долей (в процентах) от величины, необходимой для приведения промысла из граничного положения Топ. в штатной зоны переходного периода к температуре Тном .

Пусть для перевода температуры пластовой смеси на входе завода из позиции Топт.„| в позицию Тном требуется изменение температуры в этой точке на расчетную величину ДТдсм, тогда величина встречной демпфирующей корректировки ЛТДСМ (при выходе значения измеренной температуры за пределы «мертвой» зоны) определяется следующим образом:

ДТдем(|) Кдем^)* ДТдем(М)>

где кдем(1) - коэффициент приведения для операции встречного демпфирования на 1 -ой итерации. По результатам экспериментальных исследований и оценок экспертов для Астраханского промысла кдем = 0,5 на начальной стадии демпфирования.

Если текущее демпфирование приводит к переходу через «мертвую» зону в последующую зону демпфирования, производится встречное демпфирование, при этом величина корректировки по модулю выбирается меньше, чем предыдущая демпфирующая корректировка в противоположном направлении.

Выбор долей (процентов) для модификации демпфирующих затухающих разнонаправленных воздействий выбирается на основании экспериментальных данных и экспертных оценок. Для Астраханского промысла:

кдем(Н-1) = 0>5 * Кдем(|),

где кде„(|) - коэффициент приведения для операции встречного демпфирования на ¡-ой итерации;

кдсм(1+1) - коэффициент приведения для операции встречного демпфирования на (¡+1)-ой итерации.

Параметрические величины представляют собой:

- Тном - номинальная температура - заданное значение температуры для трубопровода, которое должно быть достигнуто средствами ИИУС в автоматическом режиме за счет изменения уровня подогрева газа на площадках скважин, подключенных к данному трубопроводу;

- Топтв - верхняя граница интервала допустимых по технологическому регламенту значений температуры газа на входе завода;

- Топт.Н1, Топтн2 - нижние границы интервалов допустимых по технологическому регламенту значений температуры газа на входе завода. В области низких температур зоны оптимального значения указанной температуры определяются более строго (в двух интервалах), поскольку актуальной является задача минимизации расходов тепла на подогрев газа на площадках скважин. Если текущая температура позиционируется в левой штатной зоне переходного периода и включен режим оптимизации топливно-энергетических затрат, корректировка уставок по температуре выполняется в редуцированном варианте - при этом, если текущая температура фиксируется в соседней зоне демпфирования, последующие корректировки не выполняются. Этим обеспе-

чивается минимизация расхода тепловой энергии на подогрев газа с учетом безгидратного режима его доставки на завод;

- Т„„„ - минимально разрешенная температура газа на входе завода, обеспечивающая безгидратный режим поставки газа на переработку в течение длительного времени;

- Тмакс- максимально допустимая температура поставки газа, разрешенная технологическим регламентом;

- Ткрит - температура газа на входе завода, ниже которой безгидратный режим поставки газа оказывается невозможным.

Указанные параметры образуют 6 «температурных» зон (рис. 3.):

- «мертвая» зона. Устанавливает значение номинальной температуры.;

- зоны демпфирования. Это зоны самых малых воздействий. В зоне демпфирования включаются механизмы обеспечения периодической сходимости результатов у номинальной величины;

штатная зона переходного периода. В этой зоне обеспечивается приведение температуры к номиналу при небольших отклонениях температуры от заданного номинального значения. Величина воздействия является пропорциональной функцией степени отклонения от номинального значения, которая динамически рассчитывается ИИУС;

- зона усиленного нагрева. В этой зоне фиксируются существенно низкие значения текущей температуры газа. Повышение температуры для данного трубопровода осуществляется с заведомым превышением рассчитанных значений с тем, чтобы предотвратить гидратообразование;

- зона экстренного нагрева. В этой зоне фиксируются аномально низкие значения текущей температуры газа. Повышение температуры для данного трубопровода осуществляется с максимальным использованием теплотворной

способности подогревателей скважин, подключенных к данному трубопроводу-

- зона минимизации Тгаза. В этой зоне фиксируются аномально высокие значения текущей температуры газа. Подогреватели всех скважин, подключенных к данному трубопроводу, выводятся на режим минимального подогрева.

- После выдачи любого вида регулировки активируется таймер ожидания. Ожидание необходимо для того, чтобы результаты подогрева пластовой смеси на площадках скважин сказались на точке входа завода.

- Каждый тип регулирования имеет свой приоритет. Высший приоритет имеют зона экстренного тах нагрева и зона минимизации Тгаза, низший приоритет имеет зона демпфирования. Зона усиленного нагрева и штатная зона переходного периода имеют промежуточное значение приоритета. Время ожида-

ния будет прерываться регулировкой более высокого приоритета или любой другой регулировкой в противоположном направлении. Регулировка противоположного направления может быть активирована, если в процессе ожидания результатов предыдущей корректировки была пройдена «мертвая» зона. Для гибкого подхода к выбору очередности регулирования скважин внутри каждого i-ro этапа, на основе нормативных и динамических коэффициентов рассчитывается комплексный показатель очередности скважин по следующей формуле:

K=(f,A,¡ + f2A2i + f3A3¡ + fjA-u) As¡, K=°

где Ai¡ - показатель теплотворной способностиости скважины, величина, пропорциональная отношению интервала регулирования температуры газа скважины на текущем этапе к максимальному интервалу скважин, доступных для регулирования в данном направлении.

A2¡ - показатель амплитуды регулирования, величина, пропорциональная отношению величины паспортного диапазона регулирования скважины к максимальному диапазону из всех, доступных для регулирования скважин. Аз¡ - показатель достоверности. Зависит от времени накопления паспортных данных. Характеризуется общим количеством измерений зависимостей разности температур газа на площадке скважине и манифольде для различных расходов рабочей зоны в диапазоне изменения исходящей температуры газа. А« - показатель удаленности, зависящий от удаления скважины от входных манифольдов.

Así - показатель уровня автоматизации, применяемый для исключения скважин, не пригодных для автоматического регулирования в данный момент.

А 0

fi, f2, f3, £| - весовые коэффициенты для показателей Ап, A2¡, Азь A4¡. Их величины зависят от того, какой показатель выбран в качестве приоритетного для создания текущего пула скважин контура глобального регулирования температуры. Для различных скважин могут быть определены оригинальные главенствующие параметры. Это позволяет учитывать как требования регламентирующих работу промысла служб и отделов, так и удобство управления фондом скважин для оперативного персонала. При этом безусловно учитывается приоритетное позиционирование скважин в зоне оптимального режима.

Разработанный комплекс математических моделей и методик обеспечения оптимального температурного режима трубопроводной системы газового промысла, расширяет функции действующей системы контроля и управления промыслом и повышает уровень автоматизации режимов глобального температурного регулирования до уровня систем автоматического управления.

На основе комплекса математических моделей с учетом зонированного подхода к управлению разработана архитектура ИИУС централизованного автоматического управления работой подогревателей на площадках скважин и трубопроводной системы газового промысла.

В четвертой главе излагаются принципы формирования и динамической актуализации в реальном масштабе времени специализированной базы данных, основу которой составляют температурные паспорта скважин, содержащие зависимости температурных параметров для участков трубопроводов от скважин до сборных пунктов для различных расходов газа:

- температура газа после подогрева в подогревателе на площадке скважины

(тг);

- температура газа, приходящего на сборный блок входных манифольдов для каждой скважины при установленном значении температуры газа на площадке скважины(Тм).

При этом создавался так называемый «температурный профиль» скважины (разность температур (Тг - Тм), профилированная по температуре исходящего от скважины газа) в рабочих диапазонах работы скважины по расходу (рис. 4).

Ожажкна Кз 122

Темпжазура ксходяаего та, »С

мЗ/час

30 35 40 45 5® 55 60 65

ШИШ 50.44 ид? 14,21 11,11

11000 ?Д7 ?,?3 ОД1 н,м ид 17,12

1286» %п »43 9,1» 13,24 17,»?

13000 М" 4.П «.-- »,47 М2 11,49

14000 ¡Я~ Щ 5» ил> -.¿-у

15000 5,43 5.4§ 5,55 5,58 7/2 8,И а,и

1«®0 ш Х24 'а» 5Х 6,П 9,а 10,61 М,*7

17000 4.4 4.г>' 4,»1 «де 5,14 ил? мда

18000 5 ,и 5,5! ~>м !,«1 744 МС гадз

15(000 4,й8 4, и 4Д§ 4,23 7.55 10,4"

20000 4,61 4,66 4,": 4,Ш 5,7« в,а ¡0,42 ИД?

21000 1.» 4.04 4,0« 4,14 7,12 зд? нм

22800 4,04 4,£г9 4,14 № 7,71

2300» 4,1 4, а 4,1 ; 8,78 Йбр

24000 3,5? 3.5: м< Щ.22 14,4?

25000 3,82 5,48 ¡0.1? !«,42

26000 4,1 4Л5 4 Л 5,4> Ш2 1$М

Рисунок 4. Паспортные данные температурного профиля скважины \V122 - разности температур газа на площадке скважины и входа на манифольде от скважины в °С

Высокая точность приведения температуры пластовой смеси на входе перерабатывающего завода к требуемому номиналу обеспечивается специальными методами отбраковки недостоверных значений на ранних этапах сбора и обработки информации и оригинальным методом «матричной» экстраполяции надежных измерений рабочей температурной зоны скважины с учетом весовых коэффициентов в смежную зону потенциально возможных режимов работы.

Рабочая зона в таблице на рисунке 4 выделена зеленым (темным) цветом. Значения, указанные фиолетовым (светлым) цветом представляют собой зону экстраполяции.

Спроектированная специализированная база данных для динамической паспортизации температурных режимов скважин и участков магистральных трубопроводов позволяет при ее использовании в рамках ИИУС осуществлять поставку на переработку пластовой смеси в гарантированном высокоточном температурном режиме.

В пятой главе рассматриваются алгоритмы автоматического регулирования температуры средствами ИИУС. Комплекс математических моделей и методик реализован в виде алгоритмов автоматического управления температурными параметрами, на основе которых создан комплекс программ ИИУС. На рисунке 5 приводится схема основного алгоритма работы ИИУС .

18

Рисунок 5 Блок-схема основного алгоритма ИИУС

При создании ИИУС разработаны алгоритмы автоматического регулирования температурных параметров газотранспортной сети, применение которых в системе управления промыслом повышает экономическую эффективность и безопасность технологического процесса.

Создан комплекс программ по обеспечению оптимальных температурных режимов работы скважин и газотранспортных сетей.

В шестой главе излагаются результаты применения и эффект от внедрения ИИУС. Освещены проблемы внедрения ИИУС на Астраханском промысле. Обосновывается выбор метода автоматической регистрации температурных режимов участков трубопроводов с учетом актуального состояния подогревателей на площадках скважин, приводящего к снижению энергетических затрат на по-

догрев пластовой смеси. Определяется область применения ИИУС. Ценность создания представляемой ИИУС заключается не только в выработке научной концепции управления температурными режимами газотранспортной сети промысла, но и в реализации предложенных алгоритмов ее работы в составе действующей АСУТП промысла с увеличением уровня автоматизации системы обеспечения необходимых температурных режимов до уровня системы автоматического управления.

Годовой экономический эффект от применения ИИУС в собственном производстве Астраханского промысла в соответствии с оценкой экономического эффекта, выполненной Газопромысловым управлением ООО «Газпром добыча Астрахань», превышает 23 млн. руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате исследования создана и внедрена в промышленное производство Астраханского газоконденсатного месторождения информационно - измерительная управляющая система оптимизации температурных режимов газотранспортной сети.

Созданная ИИУС:

1. соответствует требованиям энергоэффективности и безопасности коммерческого применения в условиях максимальной степени автоматизации технологических процессов, обслуживающих добычу и транспортировку высокотоксичных и агрессивных пластовых смесей.

2. повышает уровень автоматизации системы глобального регулирования температурных режимов газотранспортной сети промысла от штатного уровня автоматизированной системы дистанционного диспетчерского управления до уровня системы автоматического управления энергосберегающего типа, способной длительное время поддерживать оптимальный температурный режим газотранспортных сетей промысла под контролем, но без вмешательства человека;

3. базируется на оригинальных авторских принципах комплексного макроуправления взаимосвязанными участками газового промысла и газотранспортной сети на основе предложенного зонированного подхода к управлению температурными режимами в условиях безлюдной технологии.

4. обрабатывает поступающую в реальном масштабе времени от промысловых датчиков, управляющих контроллеров, диспетчерских рабочих мест информацию, содержащую температурные характеристиками систем подогрева газа и газотранспортной сети. Формирует и актуализирует температурные зави-

симости для участков газотранспортной сети в виде специализированной базы данных, лежащей в основе высокоточного расчета управляющих воздействий для температурных режимов подогревателей на площадках скважин в автоматическом режиме регулирования температуры средствами ИИУС.

5. построена на авторских алгоритмах автоматического регулирования температурных параметров газотранспортной сети и соответствующей программной реализации, применение которых в системе управления промыслом повышает экономическую эффективность и безопасность технологического процесса.

6. обеспечивает на основе использования данных автоматической паспортизации средствами ИИУС в реальном масштабе времени температурных характеристик семейства двухуровневых трубопроводных систем распределенной газотранспортной сети промыслового предприятия высокоточное поддержание температуры транспортируемой пластовой смеси в узловых точках газотранспортной сети, что приводит к снижению затрат очищенного газа на подогрев пластового флюида на площадках скважин строго до уровня, необходимого и достаточного для безгидратной поставки сырья на переработку в соответствии с техническими регламентами.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в

список ВАК РФ:

1. Елфимов, В. В. Новое в автоматизации промысла ООО «Астраханьгазпром» / В. В. Елфимов, П. П. Замосковин, А. А. Андреев // Наука и техника в газовой промышленности. - 2000. - № 5. - С. 73-76.

2. Замосковин, П. П. Автоматизированная система газогидродинамических исследований для формирования оптимальных технологических режимов эксплуатации скважин Астраханского газоконденсатного месторождения / П. П. Замосковин, В. Е. Родованов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2010.-№ 12,- С. 17-22.

3. Замосковин, П. П. Методика расчета управляющих воздействий математической модели автоматического регулирования производительности скважин / П. П. Замосковин, А. А. Андреев // Прикаспийский журнал : управление и высокие технологии. - 2010. -№ 4(12). - С. 24-28.

4. Пономаренко, Д. В. Расчет управляющих воздействий в математической модели автоматического управления промыслом / Д. В. Пономаренко, В. В. Ко-

жакин, П. П. Замосковин // Газовая промышленность. - 2010. - № 12. С. 1923.

Статьи в материалах конференций, сборниках, журналах:

1. Елфимов, В. В. Автоматизация промысла ООО «Астраханьгазпром» / В. В. Елфимов, П. П. Замосковин, А. А. Андреев И Наука и технология углеводородов. - 2001. - № 4. - С. 204-208.

2. Инновационная программно-ориентированная технология эксплуатации газовых скважин Астраханского месторождения с приоритетным диспетчерским управлением / Авязов Д. 3., Андреев А. А., Замосковин П. П. // Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» - «ДИСКОМ-2007» : материалы 3 Международной научно-технической конференции, 10-13 апреля 2007 г., Москва.

3. Модели регулирования давления, расхода и температуры на скважинах в программно-ориентированной системе автоматического управления промыслом / Замосковин П. П., Андреев А. А. // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «Астинтех-2008» : материалы международной научной конференции, 2008 г., Астрахань, 2008.

4. Замосковин, П. П. Концепция автоматического управления промыслом Астраханского газоконденсатного месторождения / П. П. Замосковин, А. А. Андреев // Геология, бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконден-сатных месторождений. - 2007. -№ 3. - С. 22-26.

5. Концептуальная модель комплексной системы автоматического управления Астраханским газовым промыслом / Авязов Д. 3., Андреев А. А., Замосковин П. П. // Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами -«ДИСКОМ-2009 : сб. докладов 4 Международной научно-технической конференции, 2009 г., Москва.

Патенты:

1. Пат. 97544 Российская Федерация, МПК7 в 05 В 19/418. Информационно-измерительная управляющая система автоматического управления температурными параметрами объектов газового промысла / Замосковин П. П., Ко-жакин В. В., Михайленко С. А. ; заявитель и патентообладатель ООО «Газпром добыча Астрахань». - № 2009144062/25 ; заяв. 27.03.09 ; опубл. 10.09.10, Бюл. № 25. - 3 с.: ил.

Заказ № 2348. Тираж 100 экз.

_Уч.-изд. л. 1.4. Усл. печ. л. 1.3_

Оттиражировано в Издательском доме «Астраханский университет» 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20 Тел. (8512) 48-53-47 (отдел маркетинга), 48-53-45 (магазин); тел. 48-53-44, тел./факс (8512) 48-53-46 E-mail: asupress@yandex.ru

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ

1.1. Тенденции развития ИИУС

1.2. Краткая характеристика Астраханского ГКМ и ИИУ С 16 промысла

1.2.1. Газопромысловое управление

1.2.2. Система ИИУС промысла

1.2.3. Газоперерабатывающий завод

1.3. Проблемы при несоблюдении температурного режима

1.4. Комплексное решение проблем на базе создаваемой 21 ИИУС

1.5. Сравнение существующих методик глобального регулирования температуры с предлагаемой ИИУС

1.6. Выводы

ГЛАВА 2. БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИИУС ОПТИМИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ АГКМ

2.1. Учет особенностей Астраханского промысла

2.2. Базовые принципы построения специализированной 34 ИИУС

2.2.1. Оптимизация режимов работы подогревателей на площадках скважин

2.2.2. Минимизация тепловых потерь в сборных пунктах

2.2.3. Двухступенчатая зонированная схема регулирования 35 температуры

2.2.4. Предотвращение гидратообразования при 35 транспортировке

2.2.5. Экономия топливно-энергетических ресурсов

2.2.6. Общие принципы построения специализированной ИИУС

2.3. Выводы

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКС МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

3.1. Общие положения

3.1.1. Температурные зависимости для локального и 42 верхнего уровней

3.1.2. Корреляция значений температур в контрольных точках замера и зависимость от расхода газа

3.1.3. Совокупность промысловых параметров и их функциональная зависимость

3.1.4. Влияние изменения суммарной производительности скважин и потребления сырья заводом на температурный 47 режим входа завода

3.1.4.1. Реакция на изменение потребления газа заводом

3.1.4.2. Реакция на изменение суммарной 50' производительности скважин

3.1.5. Выравнивание температурного профиля на сборных манифольдах УППГ

3.1.6. Обеспечение динамического температурного паспорта 56 скважины

3.2. Модели ИИУС

3.2.1. Модель температурной компенсации - методика расчета величины корректировки температуры

3.2.2. Модель автоматического выравнивания температурного профиля добываемой смеси на сборных 69 манифольдах УППГ

3.2.3. Модель контроля гидратообразования

3.2.4. Модель минимизации энергетических затрат и обеспечения динамического температурного паспорта 73 магистральной трубы

3.2.5. Модель температурной компенсации при изменении расхода скважины

3.3. Методики ИИУС

3.3.1. Методика распределения величины изменения температуры на магистральном трубопроводе по скважинам

3.3.2. Методика динамического изменения времени 81 ожидания

3.3.3. Методика выбора последовательности выдачи уставок в контуре глобального регулирования

3.3.4. Архитектура ИИУС 85 3.4. Выводы

ГЛАВА 4. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ БАЗА ДАННЫХ

4.1. Формирование динамического температурного паспорта 92 скважины

4.2. Обеспечение актуальности данных рабочих зон температур для подогревателей

4.3. Формирование температурных зависимостей для магистральных трубопроводов

4.4. Выводы

ГЛАВА 5. АЛГОРИТМЫ ИИУС

5.1. Блок-схема алгоритма ИИУС

5.2. Выводы

ГЛАВА 6. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ И ЭФФЕКТ ОТ ВНЕДРЕНИЯ ИИУС

6.1. Проблемы внедрения ИИУС на Астраханском промысле

6.2. Особенности использования Главного сервера промысла

6.3. Область применения ИИУС

6.4. Экономический эффект от применения ИИУС

Актуальность проблемы

Астраханское газоконденсатное месторождение (ГКМ) занимает лидирующее положение среди подобных месторождений как по степени присутствия в добываемой пластовой смеси особо опасной компоненты — сероводорода, объем которого превышает 25%, так и по уровню автоматизации контроля и управления промысловыми объектами.

Основные особенности технологического процесса добычи из промысловых скважин Астраханского ГКМ и транспортировки на переработку пластового флюида состоят в следующем:

- сверхглубокое залегание продуктивных пластов;

- многокомпонентный состав пластовой смеси (газ, вода, конденсат) с аномально высоким содержанием сероводорода;

- наличие в пластовом флюиде углеводородсодержащих элементов и в связи с этим высокая температура гидратообразования:+28°С;

- существенные объемы добываемой газожидкостной смеси;

- аномально высокие давления газа на устье скважин;

- значительное количество узлов и агрегатов, применяемых в процессе добычи и транспорта газа;

- многокилометровая рассредоточенность промысловых объектов;

- непрерывность технологического процесса;

- высокая степень автоматизации газового промысла и значительное число контролируемых параметров технологического процесса;

- ведение производственного процесса на фоне спонтанных внешних проявлений, возникающих как в промысловых зонах, так и при транспортировке и переработке добываемого сырья;

- многовекторная разнонаправленная взаимосвязь между технологическими объектами промысла и газоперерабатывающего завода.

Астраханское ГКМ изначально введено в эксплуатацию под контролем автоматизированной" системы управления-, технологическим процессом (АСУТП), в; которой применялись новейшие на момент пуска достижения .в области систем локальной и централизованно!! автоматики, вычислительных, средств сбора, хранения и выдачи? управляющих воздействий, в. том числе дистанционнь1х, на объекты газового промысла с применением выделенных» линий; связи.

Несмотря на высокую степень автоматизации промысла* в.рамках действующей системы АСУТП, характеризующейся существенной централизацией на? уровне дистанционного диспетчерского контроля и управления, в системе АСУТП отсутствует реально действующая функция автоматического регулирования температурного ^режима от скважин до . входа газоперерабатывающего завода.

При добыче и транспортировке пластового флюида крайне важной; технологической . задачей является точное определение верхней" температурной; границы; теплотворной^ способности подогревателей; на площадках скважин. При отсутствии точной идентификации границы, уставки по температуре газа для площадок скважин (а это единственное место, где добываемый пластовый флюид может быть подогрет) могут носить завышенный характер. Это, в свою очередь, чревато пагубными последствиями для всего процесса; добычи газа, так как завышение возможности подогрева газа, на: площадках скважин (выданные уставки по: температурам газа на скважинах не обеспечиваются из-за фактически; более слабой и, практически, непараметрируемой мощностью» отдельных подогревателей) приведет к существенному дисбалансу между ожидаемой" и фактической низкой степенью подогрева! газа. Систематический недогрев газа может привести к гидратообразованию на входе , завода и в транспортных коммуникациях на пути движения пластовой смеси, что • может вызатьполный останов завода. С другой; стороны, существенное завышение температуры газа на промысле приведет к нарушениям режимов его переработки на газоперерабатывающем заводе и одновременно к гигантским экономическим потерям из-за непроизводительных затрат топливного газа на избыточный подогрев пластового флюида на площадках скважин.

В связи с изложенным, создание экономичной и безопасной информационно-измерительной, управляющей системы (-ИИУС) автоматического управления-температурным профилем, повышающей степень автоматизации до уровня системы автоматического управления (САУ), способной в условиях безлюдной технологии неограниченно долгое время с высокой эффективностью в энергосберегающем безгидратном режиме транспортировки пластового флюида от промысловых скважин до установок переработки обеспечивать систематическое и четкое высокоточное соответствие температурного режима транспортировки установленному номиналу - актуальная задача.

Проблема исследования

В силу разрозненности имеющихся эмпирических данных о температурных режимах трубопроводной сети промысла и отсутствия в составе действующей системы контроля и управления Астраханским газовым промыслом функции пополнения и поддержания температурных зависимостей в актуальном состоянии для вновь вводимых и действующих скважин и трубопроводов, в существующей системе отсутствует полная достоверная база для принятия результативных диспетчерских решений о величине необходимых уставок по температуре подогрева пластового флюида на площадках скважин.

В существующей системе для Астраханского месторождения решения о необходимости изменения температуры подогрева пластового флюида на площадках скважин принимаются диспетчером газового промысла в условиях дефицита и неопределенности условно-постоянных нормативных данных по температурным режимам трубопроводной сети, что в сочетании с большим количеством обслуживаемых скважин может приводить, с учетом человеческого фактора, к снижению уровня безопасности высокотоксичного технологического процесса.

Промысловая ситуация в части температурного режима газотранспортной сети характеризуется двумя разнонаправленными процессами: 1) экономия топливно-энергетических ресурсов на необходимый подогрев-пластового флюида1 в начальных пунктах транспортировки - площадках скважин; 2) обеспечение технологического процесса транспортировки пластового флюида при весьма высокой температуре, выше температуры гидратообразования, равной 28°С.

В диспетчерском режиме регулирования степени подогрева газа имеющаяся неопределенность в градиентах температур на участках трубопроводной сети вынуждает диспетчера во избежание проявления неблагоприятного режима гидратообразования оперировать максимально высокими значениями уставок по температуре газа для площадок скважин в ущерб экономическим показателям по затратам топливно-энергетических ресурсов.

Диспетчерский режим регулирования температуры пластового флюида в газотранспортной сети не обеспечивает точного соблюдения необходимого температурного режима каждой скважины, что приводит к дополнительным потерям при перемешивании потоков от разных скважин в сборных пунктах на пути транспортировки пластовой смеси, не позволяет оперировать температурными режимами на макроуровне и оптимизировать, с учетом этого, режимы отдельных групп скважин, объединенных по технологическому принципу.

Цели и задачи работы

Целью работы является разработка информационно-измерительной управляющей системы, предназначенной для автоматического выравнивания и высокоточного поддержания заданного температурного режима транспортировки пластового флюида по газотранспортной сети от промысловых скважин до установок сепарации газа в энергосберегающем безопасном режиме.

Сформулированные и решенные в процессе выполнения диссертационного исследования задачи включают:

1. Исследование промысловой зоны в качестве объекта автоматизации и определение целевых функций управления.

2. Разработка математических моделей конфигурирования и поддержания температурного режима трубопроводной системы промысла с минимизацией энергетических затрат на подогрев газа.

3. Разработка структуры специализированной базы данных, содержащей температурные зависимости для участков прокачки газа (шлейфы скважин, магистральные трубопроводы).

4. Разработка методик автоматического регулирования температурных режимов газотранспортной сети, динамической паспортизации температурных зависимостей для подогревателей газа и трубопроводной системы.

5. Разработка алгоритмов управления и комплекса программ, обеспечивающих реализацию функций поддержания температурного режима газотранспортной сети промысла в автоматическом режиме в виде специализированной ИИУС.

6. Проверка адекватности математических моделей и эффективности работы ИИУС.

Объект исследования

Объектом исследования является двухуровневая зонированная многокомпонентная распределенная газотранспортная сеть предварительной подготовки (подогрева) и транспортировки пластового флюида от промысловых скважин до единого узла переработки добываемого сырья на примере Астраханского ГКМ.

Предмет исследования

Предметом исследования является действующая автоматизированная система контроля и управления Астраханским газовым промыслом и математические модели оптимизации температурных режимов газотранспортной сети промысла с минимизацией энергетических затрат на подогрев пластового флюида на площадках скважин и повышенными мерами безопасности поставки пластовой смеси на переработку в гарантированном безгидратном режиме.

Научная новизна работы

1. Сформулированы комплексные требования к ИИУС на основе исследования существующей системы контроля и управления Астраханским газовым промыслом и разработаны базовые принципы, обеспечивающие энергосберегающий режим работы рассматриваемой ИИУС.

2. Разработана методика формирования и спроектирована специализированная база данных для динамической паспортизации температурных режимов скважин и участков магистральных трубопроводов с оригинальными элементами экстраполяции, обеспечивающими результативный переход в смежные, ранее не применявшиеся температурные зоны эксплуатации подогревателей на площадках скважин.

3. На основе комплексных требований и базовых принципов разработан комплекс математических моделей и методик оптимизации температурного режима трубопроводной системы газового промысла, расширяющий функции действующей системы контроля и управления промыслом и повышающий уровень автоматизации режимов глобального температурного регулирования до уровня систем автоматического управления.

4. Разработаны алгоритмы автоматического регулирования температурных параметров газотранспортной сети, применение которых в системе управления промыслом повышает экономическую эффективность и безопасность технологического процесса, создан комплекс программ по обеспечению оптимальных температурных режимов работы' скважин и газотранспортных сетей.

Практическая ценность работы:

1. Разработана специализированная ИИУС, базирующаяся» наг приведенных математических моделях, которая внедрена1 в эксплуатацию в составе1 действующей 8€АОА системы контроля и: управления .Астраханским газовым промыслом;

2. Сформированы и постоянно динамически актуализируются температурные паспорта скважин и участков магистральных трубопроводов, используемые ИИУС для точного расчета и выдачи на исполнительные механизмы в реальном масштабе времени температурных поправок, обеспечивающих требуемый температурный режим.

Применение ИИУС в управлении Астраханским газовым промыслом показало работоспособность и высокую эффективность созданных моделей и методик, реализованных в разработке, подтвержденную расчетами экономического эффекта. Годовой экономический эффект от применения ИИУС в собственном производстве ООО «Газпром добыча Астрахань» в соответствии с расчетом составляет 23 млн.,руб.

Разработка носит инновационный характер, защищена авторским патентом на полезную модель №.97544 «Информационно - измерительная управляющая система автоматического; управления температурными параметрами объектов газового промысла».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Системообразующие требования к ИИУС, обеспечивающие целостную концепцию безопасного энергосберегающего управления температурными параметрами. газотранспортной сети в режиме автоматического регулирования под контролем, но без участия человека.

2. Базовые принципы энергосберегающего режима работы системы предварительной подготовки (подогрева) добываемой пластовой смеси на основе зонированного подхода к управлению температурными режимами.

3. Методика формирования и актуализации в реальном масштабе времени специализированной базы, данных в режиме автоматической динамической паспортизации температурных профилей скважин и участков'газотранспортной сети (шлейфов, магистральных трубопроводов) на основе сбора и обработки данных от промысловых датчиков.

4. Комплекс математических моделей и методик, обеспечивающих автоматическое поддержание температурных градиентов газотранспортной сети промысла в стабильном низкоэнергоемком безгидратном режиме поставки пластовой смеси на переработку.

5. Архитектура ИИУС централизованного автоматического управления работой подогревателей на площадках скважин и трубопроводной системы газового промысла, базирующаяся на оригинальных моделях и методиках управления температурными параметрами распределенных газотранспортных сетей.

6. Алгоритмы эффективного и безопасного автоматического регулирования работы подогревателей промысловых скважин, определяющие качественный температурный фон газотранспортной сети от скважин до установок переработки сырья, и комплекс программ, реализующих алгоритмы управления газотранспортной системы Астраханского промысла.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов на основе использования методик компьютерного моделирования, системного анализа, экспериментальных данных подтверждена данными эксплуатации ИИУС в составе штатной системы АСУТП Астраханского ГКМ [8]. В результате системного анализа выявлена иерархичность ИИУС, зонированная структура управления промысловыми скважинами на основе примененного матричного метода формирования температурных зависимостей для газотранспортной сети. ИИУС используется на Астраханском газовом промысле в течение 2009-2011гг.:

• в режиме автоматической паспортизации температурных зависимостей для подогревателей газа и участков газотранспортной сети (декабрь 2009г.- сентябрь 2010г.);

• в режиме пробной тестовой эксплуатации (октябрь 2010г.- февраль 2011г.);

• в режиме автоматического управления температурными параметрами подогревателей газа и газотранспортной сети промысла в целом - с марта 2011г.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на четырех международных конференциях и корпоративном конкурсе ОАО «Газпром»: III международная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» - «ДИСКОМ-2007»; международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «Астинтех-2008»; XII международная отраслевая научно-практическая конференция «Россия периода реформ», 2008 год; IV международная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» - «ДИС-КОМ-2009»; конкурс ОАО «Газпром» по компьютерному проектированию и информационным технологиям в Санкт-Петербурге в 2010 году (1 место в номинации «Лучший проект в области информационных технологий»). Получена Национальная технологическая премия 2008 года в области науки и техники (1 место в высшей номинации - за выдающийся вклад в развитие новых технологий).

Публикации

Основные положения диссертационной работы отражены в 10 опубликованных научных работах, в том числе в 4 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографии, состоящей из 111 наименований и 11 приложений, общий объем 128 страниц основного текста, 17 рисунков.

7. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ На примере Астраханского газового промысла исследована в качестве объекта управления распределенная газотранспортная сеть предварительной подготовки (подогрева) и транспортировки на переработку пластового флюида.

В результате исследования создана и внедрена в промышленное производство Астраханского газоконденсатного месторождения информационно -измерительная управляющая система оптимизации температурных, режимов: газотранспортной сети. Созданная ИИУС:. .

1. соответствует требованиям энергоэффективности и безопасности: коммерческого применения в условиях максимальной степени: автоматизации технологических процессов, обслуживающих добычу и транспортировку высокотоксичных и агрессивных пластовых смесей.

2. повышает уровень автоматизации системы глобального регулирования: температурных режимов газотранспортной сети промысла от штатного уровня автоматизированной системы дистанционного диспетчерского" управления до уровня системы автоматического управления энергосберегающего типа, способной длительное время поддерживать оптимальный температурный режим промысла под контролем, но без вмешательства-человека;

3. базируется на оригинальных авторских принципах комплексного макроуправления взаимосвязанными участками газового промысла и газотранс

• ;,• П4 портной сети на основе предложенного зонированного»подхода к-управлению температурными режимами в условиях безлюдной технологии.

4. обрабатывает, поступающую в реальном, масштабе времени от промысловых датчиков; управляющих, контроллеров, диспетчерских рабочих мест информацию, содержащую температурные; характеристики? систем подогрева газа и газотранспортной сети: Формирует и актуализирует, темпера--турные зависимости: для,участков газотранспортной сети в виде.специали-зированной базы данных, лежащей; в основе высокоточного расчета управляющих воздействий для температурных режимов подогревателей на площадках скважин в автоматическом режиме регулирования температуры средствамиИИУС.

5. построена на авторских алгоритмах автоматического регулирования температурных параметров- газотранспортной- сети и соответствующей- программной реализации, применение которых в системе управления промыслом повышает экономическую эффективность и безопасность технологического процесса.

6. обеспечивает на основе использования данных автоматической паспорта-' зации: средствами ИИУС в. реальном масштабе времени' температурных характеристик семейства, двухуровневых трубопроводных систем распределенной; газотранспортной сети промыслового предприятия высокоточное поддержание температуры транспортируемой пластовой смеси в узловых точках газотранспортной сети, что приводит к снижению.затрат очищенного газа на подогрев пластового флюида на площадках скважин строго до уровня, необходимого и достаточного для безгидратной поставки сырьяна переработку в соответствии с техническими регламентами.

Годовой экономический эффект от применения ИИУС в собственном производстве Астраханского промысла в соответствии; с оценкой экономического- эффекта^ выполненной Газопромысловым управлением 000 «Газпром добыча Астрахань», превышает 23 млн. руб.

1. Абдуллаев, А. А. Система оперативного управления Уренгойским промыслом / А. А. Абдуллаев и др.. // Приборы и системы управления. -1987.-№2.- С. 9-11.

2. Абдуллаев, А. А. Система управления Ямбургским газоконденсатным промыслом / А. А. Абдуллаев и др. // Приборы и системы управления.1990.-№3.-С. 1-3.

3. Аветисов, А. Г. Методы прикладной математики в инженерном деле при строительстве нефтяных и газовых скважин / А. Г. Аветисов, А. И. Булатов, С. А. Шаманов М. : ООО Недра-Бизнесцентр, 2003. - 239 с. : ил. -ISBN 5-8365-0145-9.

4. Алексеев, В. Е. Программирование на языке Фортран-77 / В. Е. Алексеев, А. С. Ваулин, Е. Э. Иванцова. -М. : Высшая школа, 1992. 159 с. : ил. -ISBN 5-06-002345-1.

5. Ананенков, А. Г. АСУ ТП промыслов газоконденсатного месторождения Севера / А. Г. Ананенков, Г. П. Ставкин, Э. Г. Талыбов. М. : ООО Недра-Бизнесцентр, 2003. - 231 с. : ил.

6. Бекиров, Т. М. Комплексный подход к сбору, подготовке и транспортированию газа в районах Крайнего Севера / Т. М. Бекиров, В. Е. Губяк, В. А. Сулейманов. М. : ВНИИЭгазпром, 1991. - 61 с.

7. Браух, В. Программирование на Фортране-77 для инженеров / В. Браух. -М. : Мир, 1987. -410 с. : ил.

8. М.Брюханов, В. Н. Теория автоматического регулирования / В. Н. Брюханов, М. Г. Косов, С. П. Протопопов. М. : Высшая школа, 2003. -268 с. : ил. - ISBN 5-06-003953-6.

9. Вяхирев, Р. И. Разработка и эксплуатация газовых месторождений / Р. И. Вяхирев, А. И. Гриценко, Р. М. Тер-Саркисов. М. : ОАО Издательство Недра, 2002. -880 с. : ил. - ISBN 5-8365-0101-7.

10. Вяхирев, Р. И. Теория и опыт добычи газа / Р. И. Вяхирев, Ю. П. Корота-ев, Н. И. Кабанов. М. : ОАО Издательство Недра, 1998. - 479 с. : ил. -ISBN 5-247-03801-0.

11. Гвоздев, Б. П. Эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений : справочное пособие / Б. П. Гвоздев, А. И. Гриценко, А. Е. Корнилов. М. : Недра, 1988. - 575 с.

12. Гиря, В. Мониторинг месторождений на основе постоянно действующих цифровых геолого-технологических моделей / В. Гиря, Н. Урусова, Т. Рычкова // Нефть и капитал. 2003. - № 5.

13. Горин, А. Е. Базы данных реального времени в системах автоматизации производства / А. Е. Горин, А.Ф. Каневский // Промышленные АСУ и контроллеры. 2003 - № 12.

14. Гмурман, В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В. Е. Гмурман. М. : Высшая школа, 2000. - 479 с. : ил. - ISBN 5-06-003464-Х.

15. Грейф, В. К. Современные АСУТП в нефтегазовой промышленности / В. К. Грейф // Промышленные АСУ и контроллеры. 2003 - № 3.

16. Гридин, В. Системно-информационное обеспечение топливно-энергетического комплекса / В. Гридин // Нефть и капитал. 2005. - № 1.

17. Гумеров, Л.Г. Безопасность, длительно эксплуатируемых магистральных нефтегазопроводов / Л.Г;. Гумеров; Р.О Гумеров; К.М; Гумеров. - М- : ОООэНедрагБизнесцентр; 2003. - 310 с.: ил. - ISBN 5-8365-0125-4.

18. Децюк,.В. Фирма SIEMENS в мире автоматизации / В. Дещок // Современные технологишавтоматизации: 1998:.- № 3; - 34-35: ' .

19. Дмигрий Булыгин, Д. Геолого-промысловая модель,как инструмент мониторинга месторождений;: / Дмитрий Д; Булыгин, Р. Фахретдинов // Нефть и капитал. 2003 .-№ 3.

20. Елфимов, В. В. Автоматизация промысла ООО «Астраханьгазпром» / В. В. Елфимов, П. П. Замосковин, А. А. Андреев // Наука и технология углеводородов. 2001. - № 4. - С. 204-208.

21. Елфимов, В. В. Классификация эксплуатационных скважин AFKM по продуктивности / В. В. Елфимов, А. Е. Андреев // Наука'и техника углеводородов. 2001. - № 4. - С. 36-37.

22. Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники / Н. В. Кельцев. М. : Химия, 1976. - 512 с.

23. Кеннард, М. JL Борьба с цотерями диэтаноламина. / М. JI. Кеннард,// Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1980. - № 4. - С. 63-67.

24. Кембел, Д. Очистка и переработка'природных газов / Д. Кембел.- М. : Недра, 1977. 133 с.

25. Коротаев, Ю. П. Системное моделирование оптимальных режимов:эксплуатации, объектов добычи природного газа / Ю. П. Коротаев. М. : Недра, 1989.-264 с.

26. Коротаев, Э. И. Автоматизация управлениям технологических системах / Э. И. Коротаев, А. В. Кутышкин, А. Г. Схиртладзе. -Барнаул : Алтайский ГТУ, 1996.-187 с. : ил.

27. Крамер^ Г., Математические методы, статистики- / Г. Крамер. -М. : Мир, 1975. -648 с.: ил.

28. Круглое, Ю. И. .Оптимизация режима работы газоконденсатных скважин Астраханского ГКМ / Ю. И. Круглов и др. //. Наука и техника углеводородов. 2001. - № 4. - С. 52-54.

29. Круглов, Ю. И. Особенности разработки Астраханского газоконденсат-, ного месторождения / Ю. И: Круглов, А. К. Токман, А. И. Масленников // Наука и техника углеводородов., 2001. - № 4. -С. 44-46.

30. Зб.Курочкин, В. В. Эксплуатационная долговечность нефтепроводов / В. В. Курочкин, Н. А. Малюшин, О. А. Стёпанов. М. : ООО Недра-Бизнесцентр, 2001. - 231 с. : ил. - ISBN 5-8365-0079-7.

31. Лыков, А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. М. : Высшая школа, 1967.-599 с.

32. Мартин, Дж. Программирование для вычислительных систем реального времени / Дж. Мартин. М. : Наука, 1975. - 359 с.: ил.

33. Масленников, А. И. Температурная характеристика Астраханского газо-конденсатного месторождения / А. И. Масленников и др. // Научные труды АстраханьНИПИгаза. 2003. - № 4. - С. 65-67.

34. Менделевич, В. А. Управление исполнительными устройствами в программно-техническом комплексе «САРГОН» / В. А. Менделевич // Промышленные АСУ и контроллеры. 2003 - № 3.

35. Мирзаджанзаде А. X. Основы технологии добычи газа / А. X. Мирзад-жанзаде, О. JL Кузнецов, К. С. Басниев. М. : ОАО Издательство Недра, 2003. - 880 с.: ил. - ISBN 5-247-03885-1.

36. Мишин, В. М. Исследование систем управления / В. М. Мишин. -М. : ЮНИТИ-Дана, 2003. -527 с. : ил. ISBN 5-238-00566-0.

37. Мясников, В. А. Автоматизированные и автоматические системы управления технологическими процессами / В. А. Мясников, В. М. Вальков, И. С. Омельченко. М. г Машиностроение, 1978. -232 с. : ил.

38. ООО «Астраханьгазпром» (Историческая справка) // Наука и техника углеводородов. 2001. - № 4. - С. 10-16.

39. Освоение скважин : справочное пособие / под ред. P.C. Яремийчука. М. : ООО Недра-Бизнесцентр, 1999. - 473 с. : ил. - ISBN 5-8365-0017-7.

40. Основные положения по автоматизации, телемеханизации и автоматизированным системам управления технологическими процессами транспортировки газа. М. : РАО «Газпром», 1996.

41. Основные положения по автоматизации, телемеханизации и созданию информационно-управляющих систем предприятий добычи и подземного хранения газа. -М. : РАО «Газпром», 1997

42. Отраслевая система оперативно-диспетчерского управления (ОСОДУ) ЕСГ России : общесистемные требования : часть II : требования к системам управления добычей и подземным хранением газа. М. : РАО «Газпром», 1999.

43. Первозванский, А. А. Курс теории автоматического регулирования / А. А. Первозванский. М. : Наука, 1986. - 616 с. : ил.

44. Первозванский, А. А. Математические модели в управлении производством / А. А. Первозванский. М. : Наука, 1975*. -617с.: ил.

45. Повышение эффективности освоения газовых месторождений Крайнего Севера : сб. науч. Трудов / под ред. Р.И.Вяхирева. Mi: Наука, 1997.

46. Пономаренко, Д. В. Расчет управляющих воздействий в математической модели автоматического управления промыслом / Д. В: Пономаренко, В. В'. Кожакин, П. И: Замосковин // Газовая промышленность. 2010. - № 12. С. 19-23.

47. Почкалов, А. АСУ ТП добычи, нефти «Регион-2000» / А. Почкалов, Н. Печеркин, Р. Крутских // Нефть и капитал. 2002. - № 6.

48. Проект промысла кислого газа Астрахань II. Окончательная документация. -М. : Машиноимпорт. 1988.

49. Проталинский, О. М. Автоматизированная система управления разработкой газового месторождения с применением нейронной сети / О. М. Проталинский, Р. С. Дианов // Промышленные АСУ и контроллеры. -2003.-№ 12.

50. Райбман, Н. С. Построение моделей процессов производства / Н. С. Рай-бман, В. М. Чадеев. М. : Энергия, 1975. -376 с. : ил.

51. Рамм, В. М. Абсорбция газов / В. М. Рамм. М. : Химия, 1986. - 656 с.

52. Роберте, Дж. Теплота и термодинамика : пер. с англ. / Дж. Роберте. М. -Л., 1950.

53. Совершенствование систем разработки, добычи и подготовки газа на месторождениях Крайнего Севера / под ред. Р.И. Вяхирева. М. : Наука, 1996.-415 с.

54. Советов, Б. Я. Моделирование систем / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев-М. : Высшая школа, 1985. 271 с.: ил.

55. Стюарт, Э. Дж;, Сокращение потерь.реагента на установках очистки аминами / Э. Дж Стюарт, Р. А. Ланнинг //Нефтегазовые технологии:,- 1995. №2.-С. 53-56. . .л

56. Тараненко, Б. Ф. Автоматическое управление газопромысловыми*объект тами / Б. Ф. Таранснко, В. Т. Герман. .- М. : Недра, 1976. 213 с.

57. Т6р-Саркисов, Р. М. Разработка хместорождений природных газов / P. M. Тер-Саркисов. М. : ОАО Издательство Недра, 1999. - 659 с. : ил. - ISBN 5-247-03833-9.

58. АСУ и контроллеры. 2003 - № 3;

59. Управляющие вычислительные машины в АСУ технологическими процессами/ под ред. Т. Харрисона. Т. 2. -М. : Мир, 1976. 532'с. : ил.

60. Фомичев, И. АСУ ТП «Космотроника» / И. Фомичев И Современные технологии автоматизации. 1997. - № 2. - С. 54-60.

61. Черняев, В: Д. Системная надежность трубопроводного транспорта углеводородов'/ В. Д. Черняев, К. В. Черняев, В. Л. Березин М. : Недра, 1997. -517 с.

62. Чудиевич, Д. А. Взаимовлияние основных технологических параметров сероочистки на расход пеногасящих реагентов / Д. А. Чудиевич и др. // Научные труды АстраханьНИПИгаза. 2003. - № 4. - С. 169-173.

63. Шашурин, С. Пути повышения эффективности АСУ ТП / С. Ша-шурин // Нефть и капитал. 2002. - № 6.

64. Юревич, Е. И. Теория автоматического регулирования / Е. И. Юревич. Л.: Энергия, 1975. - 416 с. : ил.

65. Юсупов, Р. М. Современная концепция создания АСУ нефтедобывающего производства / Р. М. Юсупов // Нефть и капитал. 2001. - № 3.

66. Ямбурггаздобыча» : история и развитие газовой промышленности. -М. :ИРЦГазпром, 1997.-С. 141-151.

67. Astrakhan II : sour Gas Project : final documentation. Calgary : La-farge Coppee Lavalin, 1987.

68. Deitel, H. M. An Introduction to operating systems: UNIX, VAX, CP/M, MVS, VM / H. M. Deitel. -Massachusetts : Addison-Wesley Publishing Company Reading, 1987. 359 p.

69. Katzan, H. Fortran 77 / H. Katzan. Litton Educational Publishing, Inc., 1978. -208 p.

70. Pratt, T. W. Programming language : design and implementation / T. W. Pratt. N. J. : Prentice-Hall, Inc., 1975. - 574 p.

71. Ullman, J. D. Principles of database systems / J. D. Ullman. -Stanford : Computer Science Press, Inc., 1980. 334 p.

72. Waiters, P. Solaris 8 : Administrator's Guide / Waiters, P. O'Reilly, 2003.-332 p.