Информационно-измерительная и управляющая система стабилизации давления добываемой газожидкостной смеси Астраханского месторождения

Андреев, Александр Александрович

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная и управляющая система стабилизации давления добываемой газожидкостной смеси Астраханского месторождения

кандидата технических наук: Андреев, Александр Александрович
город: Астрахань
год: 2005
специальность ВАК РФ: 05.11.16

Диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Информационно-измерительная и управляющая система стабилизации давления добываемой газожидкостной смеси Астраханского месторождения»

Автореферат диссертации по теме "Информационно-измерительная и управляющая система стабилизации давления добываемой газожидкостной смеси Астраханского месторождения"

На правах рукописи

Андреев Александр Александрович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ДАВЛЕНИЯ ДОБЫВАЕМОЙ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ АСТРАХАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие

системы

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических нау!

Астрахань - 2005

Работа выполнена в Астраханском государственном университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Петрова И.Ю.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники

Республики Башкортостан доктор технических наук, профессор Ураксеев МЛ.

доктор технических наук, доцент Анохин А.Н.

Ведущая организация:

Северо-Каспийский газотехнический центр ООО «Газнадзор», г. Астрахань.

Защита состоится 17 декабря 2005 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.009.03 при Астраханском Государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20А. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского Государственного университета.

Автореферат разослан 16 ноября 2005 г.

Ученый секретарь Петрова И.Ю.

диссертационного совета, д.т.н., проф.

2 f»H 2 If30 72

Zfoi о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Газоконденсатные месторождения (ГКМ) занимают особое место в топливно-энергетической системе страны.

К основным особенностям технологического процесса, протекающего на промысле, относятся:

• непрерывность производственного цикла;

• большие объемы обрабатываемого природного газа;

• значительное число технологических агрегатов, участвующих в процессе сбора и подготовки газа к транспорту;

• влияние на производственный процесс внезапно проявляющихся внешних воздействий (происходящих как на промысле, так и на газоперерабатывающем заводе), неподдающихся параметризации;

• многочисленность контролируемых параметров, поступающих от технологических объектов;

• жесткая взаимосвязь между технологическими компонентами и наличие положительных и отрицательных обратных связей между ни-

• различная физическая природа технологических процессов, протекающих на газовом промысле.

На современном этапе совершенствование структуры управления газодобывающих предприятий тесно связано с разработкой и внедрением автоматизированных систем управления, использующих последние достижения в области вычислительных средств, систем автоматизации и коммуникации.

Однако в настоящее время существует немало продолжительно эксплуатирующихся автоматизированных систем управления технологическими процессами промыслов ГКМ, которые не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным SCADA-системам (Supervisory Control And Data Acquisition System), например, из-за устаревания оборудования. К числу таких систем относится и штатная SCADA-система II очереди промысла Астраханского ГКМ, пущенная в эксплуатацию в 1988, в составе которой отсутствует функция автоматического регулирования.

Вследствие отсутствия данной функции, общая производительность промысла регулировалась посредством ручной вьщачи управляющих воздействий диспетчерским персоналом на каждую скважину. Такая ситуация, из-за большого объема обрабатываемых данных (для управления каждой скважиной необходимо оценить, как минимум, 8 аналоговых и 12 дискретных значений с датчиков, а также данные с датчиков отсечных клапанов на входе газоперерабатывающего завода) и времени затрачиваемого диспетчером на ручную выдачу с учетом количества действующих скважин промысла АГКМ, приводила к менее качественному регулированию по сравнению с автоматическим. Поэтому разработка информационно-

ми;

измерительной управляющей системы (ИИУС), решающей поставленные задачи, актуальна.

Создание такой системы позволит:

• поддерживать более стабильные параметры газожидкостной смеси (ГЖС) на входе газоперерабатывающего завода, что сглаживает колебания режима скважин и объектов газопромыслового управления (ГПУ) и установок газоперерабатывающего завода (ПТЗ) и ведет к уменьшению непроизводительных потерь материально-технических и топливно-энергетических ресурсов и сокращению эксплуатационных расходов;

• обеспечить более близкую к максимальной по сравнению с ручным регулированием нагрузку завода и, как следствие, увеличить выработку и улучшить качество товарной продукции;

• обеспечить систематическое и неукоснительное соблюдение технологического регламента эксплуатации скважин, что ведет к увеличению межремонтного цикла, а также к уменьшению их остановов и, соответственно, простоев, сказывающихся на выработке товарной продукции;

• эксплуатировать основной фонд скважин в оптимальном режиме, что ведет к уменьшению затрат на периодические работы по интенсификации притока призабойных зон скважин.

Учитывая важность функции регулирования, была поставлена задача разработать многофакторную модель управления производительностью промысла, спроектировать и встроить в существующую систему сбора информации от промысловых объектов принципиально новый механизм безопасного автоматического регулирования производительности II очереди промысла с учетом вышеперечисленных особенностей - информационно-измерительную управляющую систему автоматического управления производительностью скважин II очереди Астраханского газопромысла с обеспечением дополнительных повышенных мер противоаварийной защиты промыслового оборудования с целью повышения экологической безопасности производства.

Следует отметить, что данная проблема актуальна и для других промыслов (в частности, некоторых ГКМ Крайнего Севера). Кроме этого, разработка может применяться и на других производствах, в БСлЬа-системах которых есть возможность программной выдачи управляющих воздействий на объекты управления, и существует временная задержка влияния выданного управляющего воздействия на контрольную точку измерения.

Цели и задачи работы

Целью работы является создание информационно-измерительного управляющей системы (ИИУС), обеспечивающей поддержание заданного номинального давления на входе ГПЗ посредством автоматического регу-

лирования производительности (расхода) скважин совместно с приоритетным ручным вмешательством диспетчерского персонала.

Круг задач, рассмотренных и решенных при выполнении диссертационной работы, включает:

1. Исследование промысла как объекта управления и формулировка целей управления.

2. Разработка методики эффективного соотношения максимального использования производительного потенциала скважин и стабильного обеспечения завода необходимым количеством ГЖС при выработке управляющих воздействий.

3. Разработка математической модели, алгоритма и программной реализации системы стабилизации давления на входе газоперерабатывающего завода.

4. Разработка структуры баз данных для хранения и отображения большого объема информации об изменении данных технологического процесса в течение времени.

5. Разработка межплатформенного взаимодействия разнородных систем с целью создания дополнительных удаленных рабочих мест пользователей, имеющих доступ к оперативной и архивной информации, для наблюдения за промысловыми объектами и ходом технологического процесса.

Научная новизна работы:

1. Сформулирован новый комплексный подход к управлению сложным технологическим процессом добычи ГЖС на промысле по основным измеряемым параметрам: давление и расход, позволяющий поддерживать стабильность давления при случайных воздействиях со стороны газоперерабатывающего завода и объектов промысла на общий отбор ГЖС с учетом обеспечения оптимальных режимов работы скважин Астраханского месторождения.

2. На основе комплексного подхода разработана математическая модель процесса стабилизации давления при его отклонении от заданного номинального значения путем воздействия на исполнительные механизмы скважин с целью изменения производительности, с учетом временного запаздывания реакции системы на выданные воздействия.

3. Создана база данных основных измеряемых параметров объектов промысла на основе разбора протокола обмена информации полевых датчиков с верхним уровнем ЗСАОА-системы с целью накопления информации, необходимой для анализа их работы.

4. Разработана новая многоплатформенная информационная модель представления технологического процесса, отличная от применяемой на Астраханском ГКМ и значительно расширяющая ее возможности (большее количество рабочих мест пользователей, удобный

графический интерфейс, возможность оперативной обработки больших массивов хранимых данных).

5. На основе совмещения полученной математической модели с моделями, повышающими качество управления, безопасность эксплуатации и уровень информационного обеспечения, разработана комплексная ИИУС распределенного автоматического регулирования технологического процесса добычи и транспортировки ГЖС в реальном масштабе времени с учетом приоритетного автоматизированного диспетчерского управления.

Практическая ценность работы:

1. ИИУС, реализующая описанную математическую модель, внедрена в промышленную эксплуатацию на Астраханском газоконденсатном месторождении в составе ИУСII очереди промысла.

2. Предложенная математическая модель принята за основу при разработке программы регулирования для реконструируемой I очереди промысла Астраханского месторождения специалистами фирмы «Cegelec Anla-gen- und Automalisierungstechnik Gmbh & Co. KG Oil, Gas, Networks» (Германия), что подтверждено отзывом фирмы и записано в соответствующем «Техническом проекте» на реконструкцию (часть 5, п. 3.10).

3. Сформирована постоянно пополняемая база данных изменения во времени основных величин объектов промысла, используемая для анализа их работы и подбора параметров регулирования в соответствии с промысловой ситуацией.

Достоверность полученных результатов:

Достоверность подтверждена статистическими данными опытно-промышленной и промышленной эксплуатации ИИУС в составе штатной SCADA-системы II очереди АГКМ в течение ряда лет.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и научных работников «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов» (2 доклада) в Астраханском государственном университете (г. Астрахань, 2002), Всероссийской научно-практической конференции «Наука и инновационные технологии для регионального развития» (1 доклад) в Приволжском Доме Знаний (г. Пенза, 2003) и Пятой межрегиональной научной конференции «Студенческая наука - экономике России» (2 доклада) в Северо-Кавказском государственном техническом университете (г. Ставрополь, 2005).

Отдельные разделы работы отмечались наградами и дипломами в конкурсах ООО «Астраханьгазпром» на лучшую научно-техническую разработку.

Алгоритм работы представленной системы зарегистрирован в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (РосПатент №990748).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка, содержащего 132 источника, приложения; изложена на 152 страницах машинописного текста, иллюстрирована 33 рисунками и 5 таблицами.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Концептуальная модель стабилизации давления газожидкостной смеси с учетом максимального использования производительного потенциала скважин и стабильного обеспечения завода необходимым количеством ГЖС.

2. Методика выборки скважин-регуляторов и изменения их производительности и технологических режимов в зависимости от условий эксплуатации промысла.

3. Математическая модель и алгоритм распределенного автоматического регулирования технологического процесса добычи и транспортировки ГЖС в реальном масштабе времени для поддержания стабильного давления ГЖС на входе завода.

4. Информационная модель представления хода технологических процессов промысла под управлением ИИУС на основе обработки измерительной информации, поступающей по линиям телемеханики с датчиков объектов промысла.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении содержится общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулирована цель, научная новизна, практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлено описание Астраханского газоконден-сатного месторождения, приведены основные структурные подразделения, входящие в состав ООО «Астраханьгазпром», рассмотрены объекты и особенности технологического процесса добычи, транспортировки и переработки ГЖС.

При рассмотрении выделены основные проблемы, возникающие из-за отсутствия в штатной вСАБА-системе II очереди промысла АГКМ функции автоматического регулирования производительностью скважин, и последствия, к которым может привести нарушения технологического регламента вследствие отсутствия данной функции.

На основе произведенного анализа предложено решение об увеличение степени автоматизации промысла - создание информационно-измерительной управляющей системы.

При создании ИИУС был проанализирован механизм обеспечения 8САОА-системы II очереди промысла АГКМ текущими данными, приходящими с полевых датчиков, работа средств локальной автоматики на скважине и процесс взаимодействия верхнего уровня, на котором функционирует созданная ИИУС, с нижним уровнем, на котором происходит сбор информации с промысловых объектов, по линиям телемеханики.

Разработанная модель управления промыслом АГКМ описывает все стадии сбора и транспортировки газа до газоперерабатывающего завода и позволяет выполнять установленное производственное задание, эксплуатируя промысловые объекты (скважины, трубопроводы) в режиме оптимальной нагрузки, чем существенно отличается от многих применяемых систем на других промыслах, где функционирует множество локальных систем управления.

В конце главы приведен обзор систем управления, установленных на других ГКМ, и некоторых предлагаемых технических решений автоматизации, имеющихся на рынке. Отмечено, что степень автоматизации за счет применения предлагаемых технологий, увеличивается в основном за счет применения современных контроллеров, в то время как применение разработанной ИИУС не требует дополнительных капиталовложений на оборудование и может быть реализовано на системах, в которых наличествуют программные механизмы для связи и управления промысловыми объектами. Также отмечено, что, несмотря на давность ввода вСАБА системы II очереди промысла АГКМ в эксплуатацию (1988) и внедрения в нее ИИУС, конечным объектом управления является скважина, в отличие от многих действующих 8САБА-систем (например, промыслов Крайнего Севера), где конечным объектом управления является куст скважин.

Помимо этого произведено сравнение по качественному составу функций регулирования между неработающими, в силу определенных причин, системами регулирования, предусматриваемыми по контракту на I и II очередях промысла АПСМ, и разработанной ИИУС.

Астраханское месторождение состоит из двух основных зон (рис.1): промысла под управлением Газопромыслового управления и газоперерабатывающего завода.

II очередь промысла АГКМ находится под управлением штатной БСАБА-системы, в составе которой отсутствует функция автоматического регулирования. Для представления хода технологического процесса и текущей промысловой ситуации диспетчерскому персоналу ГПУ только по каждой скважине необходимо оценить около 70 параметров (до 50 дискретных и 20 аналоговых значений), поступающих как с первичных измерительных преобразователей, так и с логических контроллеров, установленных на скважине.

С учетом большого числа скважин, трубопроводов и других технологических объектов общее количество измеряемых и вычисляемых значений достигает 10000. Номенклатура используемых датчиков достаточно

разнообразна: датчики давления, расхода, температуры, уровня Н28, датчики контроля состояний и др. Автоматизация процесса обработки информации с целью принятия решений по регулированию позволит уменьшить нагрузку на диспетчерский персонал и исключить ряд ошибок, связанных с «человеческим фактором».

II очередь промысла АГКМ состоит из 4 установок предварительной подготовки газа (УППГ), к каждой из которой подсоединено до 25 скважин. Потоки газожидкостной смеси, добываемой на скважинах, смешиваются на УППГ и транспортируются по трубопроводам до завода.

Перед подачей на завод, благодаря наличию общей перемычки, происходит смешивание потоков ГЖС со всех УППГ.

Процессы, происходящие на промысле и на заводе, являются обособленными. Технологически общей точкой соприкосновения является давление ГЖС, добываемой на промысле, на входе АГПЗ. Однако, информационно системы управления заводом и промыслом совершенно не связаны между собой. 8САОА-система II очереди промысла может диагностировать изменение режима технологических установок завода только по изменению давления Р,1р ибш, зависящего от отбора ГЖС заводом, поставляемой промыслом.

Эксплуатационные показатели всех установок завода зависят от первичных и вторичных факторов. В число первичных факторов входят и такие параметры как давление, температура, состав сырьевого газа на входе установки.

Любая нестабильность в подаче сырья на завод и эксплуатация объектов промысла с нарушениями режимов ведут ко множеству различных проблем.

В рамках исследования произведен анализ нарушений технологических регламентов и вызываемые этим проблемы.

На газоперерабатывающем заводе основными факторами, связанными с нестабильной подачей ГЖС и влияющими на технологический процесс переработки сырья, являются:

- изменение процентного содержания жидкой фазы в составе ГЖС;

- колебания давления ГЖС на входе завода;

- низкое давление ГЖС на входе завода;

- высокое давление ГЖС на входе завода.

Все вышеперечисленные причины могут привести к останову установок завода, потерям товарной продукции, ухудшению экологической обстановки и др.

Для объектов промысла при добыче и транспортировке ГЖС на завод основными факторами являются:

- нарушение технологического регламента скважин;

- колебания давления в трубопроводе.

Несоблюдение установленных технологических режимов скважин и их изменений в процессе разработки приводят к уменьшению дебита скважин, уменьшению межремонтного цикла, повышению затрат на интенсификацию притока, обводнению призабойной зоны, преждевременному выходу скважин из строя и др., что соответственно ведет к дополнительным материальным затратам на эксплуатацию скважин.

Учитывая важность функции регулирования был предложено спроектировать, разработать и встроить в существующую систему сбора информации от промысловых объектов с применением ЭВМ, средств автоматики и телемеханики принципиально новый механизм безопасного автоматического регулирования производительностью скважин II очереди промысла - информационно-измерительную управляющую систему, которая:

- реализована на технических средствах Главной ЭВМ II очереди промысла, без применения дополнительных технических устройств;

- содержит специальные механизмы реагирования на внезапные отклонения потребления заводом добываемой газожидкостной смеси, удерживая заданное номинальное давление на входе завода с учетом текущего состояния и режимов работы скважин на основе ежеминутного контроля поступающей по линиям телемеханике информации от датчиков промысловых объектов в реальном масштабе времени;

- повышает степень автоматизации управления промыслом до уровня комплексного автоматического управления в сочетании с повышенными мерами безопасности эксплуатации и механизмом автоматической компенсации температурных отклонений подачи газожидкостной смеси;

- имеет развитые средства диагностики и сигнализации отклонений от штатных режимов эксплуатации промысловых объектов;

- позволяет сочетать режим автоматического управления выделенным фондом скважин с режимом автоматизированного дистанционного диспетчерского управления и режимом локального управления отдельными скважинами средствами локальной автоматики на площадках скважин в любых комбинациях;

- повышает степень информационности, отображая всю необходимую для управления промыслом информацию на разработанных изображениях, для рабочих мест диспетчерского персонала промысла;

- увеличивает информационный охват за счет разработки дополнительных удаленных рабочих мест пользователей для специалистов с возможностью проведения дополнительных аналитических расчетов над накопленной информацией.

В соответствии с вышеизложенным, цель создания ИИУС, основанной на разрабатываемой в рамках диссертационного исследования многофакторной модели автоматического управления производительностью промысла, заключается в повышении степени автоматизации и информатизации, поэтому ИИУС состоит из двух взаимосвязанных и дополняющих друг друга частей, перечисленных в порядке значимости:

- подсистемы управления (УП);

- информационной подсистемы (ИП).

Во второй главе описывается концептуальная модель управляющей подсистемы разрабатываемой ИИУС, построенная на основе проведенных в рамках диссертации исследований.

Астраханский газовый комплекс как объект автоматизации характерен многообразием непрерывных технологических процессов добычи, подготовки и транспорта газа с прямыми и обратными связями, протекающих в условиях повышенной взрыво- и газоопасности, тесно взаимосвязанных между собой.

На процесс стабилизации давления газожидкостной смеси оказывают влияние два основных собирательных возмущающих воздействия (Р„р вом и Ргпз_возд)> влияющие соответственно на производительность скважин и промысла в целом и на отличие текущего давления от номинала (рис.2).

ИУ— измерит устр-ва ВУУ— вычислит -угдэавп устр-во

ОУ— объект управления УО —уст-во отображения

ОЭ — о&ьехт-этапоп

Рис.2. Представление промысла как объекта регулирования

Для выполнения подсистемой управления возложенных задач при построении концептуальной модели были разработаны:

- методика расчета изменения общей производительности УППГ при отклонении давления от номинального значения вследствие изменением заводом режима потребления ГЖС (модель регулирования по давлению);

- методика распределения величины изменения общей производительности УППГ по скважинам в соответствии с заданными для них режимами эксплуатации для обеспечения в режиме оптимальной нагрузки;

- методика выбора скважин-регуляторов - расчета критерия очередности выборки изменяемых скважин при распределении изменения;

- модель макро-управления диспетчерским персоналом общей производительностью УППГ (модель регулирования по расходу);

- механизм реагирования на процессы, влияющие на производительность УППГ, независящие от ИИУС;

- модель контроля минимальной разрешенной производительности УППГ;

- модель контроля минимального устьевого давления;

- модель поиска дополнительных ресурсов производительности на скважинах;

- модель интенсивной загрузки промысла;

- модель оптимизации расходов скважин;

- модель программного дублирования функции каскадного останова и диагностирования аварийной ситуации;

- модель температурной компенсации;

- методика проверки работоспособности датчиков и каналов передачи информации;

- механизм подсчета резервов производительности УППГ и индикации диспетчерскому персоналу необходимости выделения дополнительных ресурсов при их нехватке для стабилизации давления на текущем этапе;

- модель информационного сопровождения ИИУС на Главной ЭВМ II очереди для диспетчерского персонала и др.

Основная задача подсистемы управления - обеспечение систематического и неукоснительного соблюдения технологического регламента эксплуатации скважин и точного постоянного соответствия давления на входе установок АГПЗ установленному номиналу в автоматическом режиме регулирования расхода скважин II очереди промысла при наличии запасов регулирования.

Все УППГ II очереди промысла работают по сходной технологической схеме, поэтому при разработке концептуальной модели было принято решение регулировать каждый поток ГЖС от УППГ раздельно, выработав единый алгоритм.

Целесообразность данного разделения заключается в возможности:

- задания различной нагрузки на УППГ, для использования выбранных УППГ как регуляторов;

- дополнительно сгруппировать весь фонд скважин II очереди промысла АГКМ по признаку принадлежности к УППГ;

- дополнительного контроля датчиков давления.

В качестве контролируемых значений давления используются конечные датчики давления трубопровода каждого УППГ, а датчик общего потока используется для проверки адекватности их текущих показаний. » В ИИУС для поддержания давления на входе завода у номинального

значения используются два основных параметра, характеризующих производительность УППГ: » - суммарная производительность скважин УППГ, представляющая со-

бой сумму производительности всех скважин, подключенных к данному УППГ и включенных в контур автоматического регулирования;

- заданная общая производительность УППГ (уставка производительности УППГ), рассчитываемая ИИУС или вручную задаваемая диспетчером, при которой должно обеспечиваться необходимое давление на входе завода.

Эти два параметра связаны между собой: при наличии резервов уменьшения/увеличения производительности ИИУС обеспечивает равенство величины суммарной производительности скважин УППГ величине заданной общей производительности путем распределения по скважинам разницы между значениями при их отличии.

Для поддержания давления потока ГЖС на входе завода, добываемого на промысле, у номинального значения при разработке концептуальной модели была выработана методика расчета изменения общей производительности УППГ при изменении давления. При критичном отклонении от заданного значения ИИУС оперирует местонахождением давления на интервале граничных значений (рис.3). Значения данного интервала - регламентные величины, определенные по итогам опроса экспертов - специалистов ГПУ.

На данном интервале располагаются следующие контрольные точки:

• номинальное давление - определяющая величина, к которому ИИУС за счет изменения суммарной производительности УППГ стремиться привести текущее давление на входе завода.

• минимальное и максимальное регламентные давления - определяют интервал приемлемых значений давления.

• минимальное и максимальное давления - граничные значения, определяющие интервалы критических отклонений текущего давления от номинала.

• критическое и предельное давления - значения аварийно высокого давления, при превышении которых необходимо предпринимать экстренные меры, существенно снижающих производительность промысла.

Рис.3. Интервал граничных значений давления

В результате разбиения основного интервала на части образуются 6

зон:

• зона нечувствительности. Определяет значение номинального давления с учетом погрешности датчиков измерения давления. Никаких действий в системе не предпринимается.

• зона демпфирования (зона регламентных значений). При нахождении в данном интервале используются алгоритмы для максимально точного (настроечного) приведения текущего давления к номиналу. Кроме этого, выполняет функцию упреждающего регулирования при диагностировании завышенного предыдущего выданного воздействия.

• зона тонкой регулировки. Незначительное отклонение от оптимального интервала вызывает расчет корректирующего воздействия. Величина воздействия рассчитывается динамически в зависимости от местоположения на интервале.

• зона грубой регулировки. Существенное отклонение текущего давления от номинального значения, оказывает наибольшее воздействие на величину заданной общей производительности УППГ.

• зона поскважинной остановки.

• зона остановки всех скважин.

После выдачи грубой или тонкой регулировок включается таймер задержки (цикл ожидания), для того, чтобы изменения расхода, выданные на скважины посредством регулирования, сказались на давлении на входе завода.

У каждого вида регулировки существует свой приоритет. Наивысший имеет грубая, наименьший - опреация демпфирования. Ожидание повторной выдачи групповой уставки после регулировки может прервать только регулировка с более высоким приоритетом или любая с противоположным знаком, невзирая на включенный таймер.

Рассчитанные в результате автоматического регулирования по давлению или диспетчерского управления по расходу управляющие воздействия для УППГ автоматически распределяются по скважинам, находящимся в контуре автоматического регулирования и доступных для управления ИИУС.

Для каждой скважины задается разрешенный режим работы (минимальная и максимальная границы расхода), в которых ИИУС может изменять значение производительности скважины на основе анализа текущей промысловой ситуации для поддержания заданного давления на входе завода (рис.4). Анализируя разницу между текущим расходом и граничными значениями по всем скважинам, находящимся в контуре автоматического регулирования и доступных для управления ИИУС, система подсчитывает и предоставляет данные диспетчерскому персоналу о запасах на уменьшение/увеличение общей производительности УППГ.

Рис.4. Интервалы разрешенного и благоприятного значений производительности скважины

Помимо этого, по согласованию с геологическим отделом, внутри разрешенного режима работы введен специальный подинтервал - благоприятный режим работы, при эксплуатации в котором достигается максимальный эффект использования добывных возможностей скважины.

Под управлением ИИУС скважина эксплуатируется на всем интервале разрешенного режима только в особенных случаях (при недостатке запасов регулирования), во всех остальных случаях ИИУС стремится поддерживать расход скважины в интервале благоприятного режима, позволяя скважине работать в режиме оптимальной нагрузки.

Для гибкого подхода к выбору очередности регулирования скважин при распределении управляющего воздействия на основе статических и динамических коэффициентов рассчитывается критерий очередности для каждой скважины.

При создании концептуальной модели подсистемы управления ИИУС, кроме модели решения основной задачи, разработано множество дополнительных моделей, позволяющих существенно повысить качество управления и безопасность эксплуатации промысла, например:

1. Диспетчерское управление по расходу (макроуправление производительности УППГ в целом с автоматическим распределением дополнительной нагрузки по доступному фонду скважин);

2. Программное дублирование функции проводного каскадного останова в двух режимах:

- превентивное автоматическое снижение суммарной загрузки УППГ вплоть до автоматической остановки отдельных скважин УППГ при приближении давления в магистральном газоконденса-топроводе к точке срабатывания каскадного останова;

- дублирование каскадного останова при значении давления в магистральном газоконденсатопроводе выше точки срабатывания проводного каскадного останова;

3. Контроль загрузки магистрального газоконденсатопровода выше минимально допустимого уровня;

4. Автоматическая температурная компенсация при изменении расхода скважины для минимизации тепловых потерь и стабилизации теплового режима общего потока ГЖС;

5. Автоматическое снижение максимального расхода скважины, установленного технологическим регламентом, при понижении устьевого давления ниже точки, предписываемой технологическим регламентом (приоритетное ведение технологического режима в соответствии с устьевым давлением);

6. Интенсификация эксплуатации скважин по расходу выше точки установленной текущим регламентом при наличии двух условий:

- достаточный задел по устьевому давлению для повышения производительности скважины в рамках регламента по давлению на устье скважины;

- отсутствие запасов производительности для необходимого повышения суммарной загрузки УППГ с целью поддержания номинального давления на входе завода;

7. Кратковременная интенсивная загрузка УППГ путем повышения производительности отдельных скважин. Выбор скважин и степень повышения их кратковременной загрузки (штатный интенсивный режим) осуществлять автоматически из списка маркированных скважин, прошедших специальные испытания на тест-сепараторе на повышенной производительности.

Структурная схема потоков данных управляющей подсистемы ИИУС схематично представлена на рисунке 5.

МОДУЛИ УП ИИУС

1 С<ш*ш«1«е 1ж«чми& к ^вряфошп фмгож вв цишлт фаШМЯК ___

2 Рт« шобхоихкпо яяшшпп обиайяфоаавокжмяыюеш № спбшшмит шмии к* зхог»

6 Мштж кмпердгурнэй

7 Вцн^улриипцях жнмйткйх&сшшкхаск

8 Ртапрлца хфоянограс ИИУС «,,■.&*«*

Рис.5. Структурная схема потоков данных УП ИИУС

В третьей главе описывается математическая модель управляющей подсистемы ИИУС, содержащая математическое описание концептуальной модели. Изложены математический аппарат принятия решений, вход-

ные и выходные переменные (промысловые данные, конфигурационные и динамически изменяемые параметры, команды управления), взаимосвязь основных промысловых параметров, факторы, влияющие на ход расчета управляющих воздействий и дальнейшего распределения по скважинам.

Целевая функция управления (при равновесном стабилизированном состоянии системы) имеет вид:

Рпр-» Р»ом = const, где Р„р - давление потока ГЖС на входе завода;

Р„ои - заданное номинальное давление на входе завода.

Следовательно, необходимо добывать такое количество ГЖС, чтобы после отбора заводом необходимого для работы установок количества, на датчике давления на замерном узле на входе завода давление общего потока ГЖС находилось у заданного номинального давления.

Наибольший интерес вызывает расчет величины управляющего воздействия при автоматическом регулировании по давлению.

При отклонении давления на критичную величину (в зависимости от попадания в соответствующий интервал - рис.3) величина корректирующего воздействия зависит от следующих факторов:

при грубой регулировке

ши> ^груб рег» Ктдстрэ Рпр» Ршл Рmin)*

при тонкой регулировке

^iip_HHjMr Д^пр_И11» ^rOHic j>er, ^прони» Рпр» Pma« Pmin? Ррегл_вери Ррегл_ннз? ^вр)>

при демпфировании

^"пр_1ди_рег пр_здн» kwwjtn Pfipi Pnuii Pmim Ррегл мрх» Рр«гл_ви» 'д)' где F„p MBjer - рассчитываемая ИИУС величина изменения заданной общей производительности УППГ, распределяемая по скважинам УППГ, для приведения давления к номиналу при изменении режима работы установок завода [м3/час];

F„p здн - заданная общая производительность УППГ;

Ртах, Pmin, Рр<гл_верх, Ррепг.киз - граничные значения интервала давления;

Р*пр - величина производной по давлению;

кфуб_рег> ктонк_рег - коэффициент при попадании давления в зону регулировки, являющийся основой для расчета;

кподстр " коэффициент усиления, вспомогательный коэффициент для зоны грубой регулировки, определяющий скорость увеличения коэффициента kper по мере удаления текущего давления от номинала;

произв - коэффициент влияния изменения производной, усиливает или снижает значение Fnp 3JJHJÄr, в зависимости от поведения производной по давлению;

¡д - шаг текущего цикла демпфирования.

В математической модели помимо расчета величины управляющего воздействия при автоматическом регулировании по давлению приведено математическое описание всех разработанных в концептуальной модели дополнительных возможностей ИИУС. Проведено комплексное объедине-

ние всех подмоделей в единое целое для построения алгоритма функционирования подсистемы управления ИИУС.

Выбор информационных и управляющих параметров, использованных в математической модели, реализующей концептуальную модель управляющей подсистемы ИИУС, сделан на основе опроса специалистов подразделений, непосредственно участвующих в сборе и транспорте газа (8 экспертов из 4 служб Газопромыслового управления).

В четвертой главе изложены основные аспекты построения информационной подсистемы разрабатываемой ИИУС.

Для увеличения степени информатизации, необходимой для своевременного изменения конфигурационных и динамических параметров управляющей подсистемы ИИУС и привлечения большего числа специалистов, наблюдающих за ходом технологического процесса, были разработаны:

- модель межплатформенного взаимодействия разнородных систем;

- алгоритм разбора сообщений, поступающих на вход UNIX-сервера, вызванного распараллеливанием потоков телеграмм протокола обмена данными между датчиками объектов промысла и штатной SCADA-системой;

- база данных текущего состояния промысловых объектов;

- база данных почасового сканирования;

- база данных истории событий;

- база данных трендовых аналоговых значений;

- база данных архивных значений;

- механизм визуализации значений, имеющихся в базе данных, конечным пользователям.

Основная задача информационной подсистемы - обеспечение конечных пользователей информацией о состоянии объектов промысла и ходе технологического процесса добычи и транспортировки ГЖС.

Информационная подсистема ИИУС помимо новых изображений ИИУС, встроенных в стандартный видеонабор SCADA-системы, представляет собой модель межплатформенного взаимодействия (ОСРВСМ - UNIX - Windows) для произведения статистических и аналитических расчетов и доступа пользователям по ЛВС к информации, отображающей различные аспекты состояния объектов промысла (рис.б).

Использование ИИУС позволяет значительно повысить эффективность эксплуатации промысла за счет дополнительного, высокоэффективного контроля технологических объектов с использованием новейших компьютерных технологий. Ведение архивов, наличие полнофункционального механизма поиска, аналитических функций системы и др. дает возможность специалистам выяснять причину случившихся нештатных ситуаций и принимать необходимые меры для предотвращения их появления в дальнейшем.

Благодаря использованию WEB-интepфeйca, С01-скриптов и структурированных 8<ЗЬ-запросов достигается эффективное использование созданных баз данных в процессе наполнения информации и предоставления ее конечным пользователям (динамически сформированные №ЕВ-страницы, таблицы, графики, диаграммы и пр.).

ОСРВСМ ОТО

4 шшюи! рьБичмк ммп

а а а а

Основная часть Управлвоще* Подсистемы

ИИУС

ХГП

Модуль иршема ^ телеграмм от 1 промысловых объектов^

Промысдввы* «(ъ(КТЫ

сервер

(серверная часть 1Ш)

¡Временные программы, I модаф нцврующяе в формирующие вовне Офамстры ._по задай ян м алгоритмам_|

х ?Т в й!

*н

БД мипхВ

объектов

прошел*

а ЕД

У «СВОДКА» О*

ч БД исторхн

Я со6игк&

И ЕД

трендов их

значений

1-й-!-

1115

411

-1Ц

;М8 \Vtndowi

¡(клиентская часть ШТ)

ПДС

ТТНИПТ)

Отлм

Руководство ГПУ

Рис.6. Структурная схема ИП ИИУС

Существенное повышение объема, качества и удобства работы с промысловой информацией в режиме реального времени, увеличение точек наблюдения за ходом технологического процесса добычи и транспортировки ГЖС позволяют оперативно отслеживать наступление нештатных ситуаций, корректировать нормативные величины и настроечные параметры управляющей подсистемы ИИУС, улучшая качество управления промыслом.

Автоматизация процесса ведения отчетов (сводные промысловые данные) позволяет освободить диспетчерский персонал от рутинных операций, высвобождая время для более тщательного ведения технологического процесса.

В пятой главе излагаются особенности реализации представляемой ИИУС на АГКМ, математическое обоснование выбора значений основных конфигурационных параметров подсистемы управления и экономическое обоснование целесообразности применения разработанной системы в целом:

- результаты промышленной эксплуатации,

- сравнительный анализ промысловой ситуации до и после внедрения

ИИУС,

- экономическая эффективность (текущая и в долгосрочной перспективе).

Сложность проведения методики подбора оптимальных значений основных конфигурационных параметров подсистемы управления заключалась в том, что все тесты на изменение параметров, проводились в течение длительного времени на ЭВМ технологического процесса.

Интервал изменения основных конфигурационных значений при регулировании по давлению (граничные значения интервала давления, величина коэффициентов грубой и тонкой регулировок, время ожидания результатов воздействия) был выбран экспертами (специалистами ГПУ) эмпирически на основе знаний технологического процесса. Суть методики заключалась в следующем:

- пошаговое изменение каждого из параметров в рамках определенного экспертами интервала с фиксированием значений группы величин (измерение текущего давления на входе завода, расчет удаленности давления от номинального значения, определение запасов производительности УППГ);

- выборка из полученных значений (для каждого теста) групп, в которых присутствуют и запас регулирования на понижение суммарного расхода УППГ и запас регулирования на повышение, т.е. временные промежутки, в которых ИИУС имела средства на выдачу управляющих воздейтвий для поддержания заданного давления в любую сторону;

- на основе примененных методов математической статистики были выбраны такие конфигурационные параметры регулирования, при которых имело место наименьшее отклонение текущего давления от заданного номинального значения (с учетом дополнительных критериев).

В конце главы отмечается, что рассматриваемая ИИУС позволяет существенно повысить эффективность использования существующего аппаратного обеспечения автоматизации И очереди промысла за счет внедрения режима автоматического регулирования производительности скважин И очереди промысла АГКМ с приоритетным вмешательством диспетчерского персонала в процесс управления:

- уменьшить непроизводительные потери материально-технических и топливно-энергетических ресурсов и сократить эксплуатационные расходы;

- увеличить выработку и улучшить качество товарной продукции;

- уменьшить количество остановов скважин и, соответственно, простоев, сказывающихся на выработке товарной продукции;

- уменьшить затраты на периодические работы по интенсификации притока призабойных зон скважин и др.

Алгоритм ИИУС и его программная реализация могут успешно применяться на ЭВМ с низкими техническими возможностями и не зависят от характеристик датчиков измерений, что доказывают результаты эксплуатации ИИУС на Главной ЭВМ II очереди промысла (СМ1420, ОСРВСМ, Фортран).

На рисунках 7 и 8 приведены примеры изменения давления на входе завода до и после внедрения ИИУС. Результатом является (при наличии запасов регулирования) более низкий диапазон изменения давления ±0,5

кг/см2 (рис.8), по сравнению с ±2,5 кг/см2 при использовании только ручного диспетчерского управления (рис.7).

> РОсг/ем1)

Ршм+0£

Ршн - - ——■ , _ . и | || .' " , —;".. - -| ' .

Рмож-0 £ ...............................................................................................................

Рш> 73Д1 аЫ

I I I I I I I II I»'

ТС**)

Рис.8. Пример графика давления при управлении совместно с ИИУС

В приложении приведены расчет экономической эффективности от внедрения ИИУС (АНИПИГаз), технологические документы об эксплуатации ИИУС, диаграммы изображения хода технологического процесса на УППГ под управлением ИИУС, структура таблиц баз данных разработанной системы, примеры сформированных Ш^В-страниц и отчетов, выдаваемых ИИУС, фрагменты исходного кода управляющей и информационной подсистем и др.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе исследования промысла как объекта управления построена многофакторная модель автоматического регулирования производительностью скважин промысла, обеспечивающая стабилизацию давления добываемой газожидкостной смеси на входе газоперерабатывающего завода.

2. В рамках исследования разработан новый комплексный подход к управлению сложным технологическим процессом добычи ГЖС на промысле - методика оптимального соотношения максимального использования производительного потенциала скважин и стабильного обеспечения завода необходимым количеством ГЖС при выработке управляющих воздействий.

3. Разработана математическая модель процесса стабилизации давления потока ГЖС при его отклонении от заданного номинального значения посредством автоматической выдачи управляющих воздействий на скважины, исходя из учета промысловой ситуации.

4. Разработанная информационная модель межплатформенного взаимодействия разнородных систем позволяет повысить информативную составляющую, облегчающую восприятие большого объема информации и увеличивающую количество пользователей для наблюдения за ходом технологического процесса.

5. Функционирующие в рамках информационной модели базы данных дают возможность доступа к оперативной и архивной информации, позволяя на основе обработки этой информации улучшать эксплуатационные характеристики объектов промысла и подбирать параметр регулирования в соответствии с промысловой ситуацией.

6. Программная реализация разработанной комплексной ИИУС распределенного автоматического регулирования технологического процесса добычи и транспортировки ГЖС в реальном масштабе времени с учетом приоритетного автоматизированного диспетчерского управления позволяет:

- поддерживать более стабильные параметры газожидкостной смеси на входе газоперерабатывающего завода, что сглаживает колебания режима скважин и объектов газопромыслового управления и установок завода;

- повысить качество управления, обеспечивая более близкую к максимальной по сравнению с ручным регулированием нагрузку завода при использовании тех же информационных параметров;

- обеспечить систематическое и неукоснительное соблюдение технологического регламента эксплуатации скважин.

7. ИИУС нетребовательна к параметрам первичных измерительных преобразователей, аппаратному и программному обеспечению и при соответствующих настройках конфигурационных параметров может быть эффективно реализована на низкопроизводительных ЭВМ с малым объемом оперативной памяти.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Замосковин П.П., Андреев A.A., Богомолов Н.С. и др. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Программный Комплекс «Автоматическое регулирование производительности II очереди промысла Астраханского газоконденсатного месторождения» №990748

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

3. Андреев A.A. Информационно-аналитическая система как средство повышения качества эксплуатации промысла. //Материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и научных работников «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов». - Астрахань, 2002. - С. 97-99.

4. Андреев A.A. Программный комплекс «Автоматическое управление производительностью II очереди промысла АГКМ». //Материалы меж-

дународной научно-практической конференции студентов, аспирантов и научных работников «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов». - Астрахань, 2002. - С. 99-101.

5. Андреев A.A. Использование программных средств для повышения безопасного функционирования промысла Астраханского газоконден-сатного месторождения //Южно-Российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. - Астрахань, 2003. - №1. - С. 74-76.

6. Андреев A.A. Использование информационных технологий для повышения производительности и безопасности функционирования газопромысла. //Сборник статей Всероссийской научно-практической конференции «Наука и инновационные технологии для регионального развития». - Пенза, 2003. - С. 95-97.

7. Андреев A.A. Информационная система «Мониторинг II очереди промысла Астраханского газоконденсатного месторождения. //Научные труды АстраханьНИПИгаза. Разведка и освоение нефтяных и газоковден-сатных месторождений. Выпуск №4. - Астрахань, 2003. - С. 235-240.

8. Андреев A.A. Автоматическое управление производительностью скважин //Материалы Пятой межрегиональной научной конференции «Студенческая наука - экономике России». Т.1. 4.1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2005. - С. 46-47

9. Андреев A.A. Программные решения повышения экологической безопасности газодобычи на Астраханском газоконденсатном месторождении //Материалы Пятой межрегиональной научной конференции «Студенческая наука - экономике России». Т.1. 4.1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2005. - С. 48-49

Подписано в печать 14.11.2005 г. Заказ № 808. 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. т. (8512) 54-01-87,54-01-89, E-mail: asupress@vaadex.ru

OB - 2 2 В 2 2

РНБ Русский фонд

2006-4 28010

i

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Андреев, Александр Александрович

Введение

I. Обоснование разработки

1. Краткая характеристика АГКМ и систем автоматизации промысла

1.1. Краткая характеристика залежи 1.2. Астраханский газовый комплекс

1.3. Газопромысловое управление

1.4. Общий обзор SCADA-систем управления промыслом АГКМ

2. Необходимость соблюдения технологических регламентов

2.1. Влияние стабильности параметров и состава ГЖС на входе АГПЗ на 14 работу установок завода

2.1.1. Взаимосвязь между установками заводами в процессе получения 17 товарных продуктов

2.1.2. Влияние колебания ГЖС на входе завода 18 Ai 2.1.3. Влияние повышенного давления ГЖС на входе завода

2.1.4. Влияние низкого давления ГЖС на входе завода ф 2.1.5. Влияние стабильности параметров ГЖС на процессы абсорбции и 19 десорбции

2.2. Важность соблюдения эксплуатации скважин в установленных 21 оптимальных режимах

2.3. Влияние перепадов давления на эксплуатационную долговечность 24 трубопроводов

2.4. Общий перечень проблем

3. Создание ИИУС как путь решения имеющихся проблем

4. Сбор, обработка и передача значений датчиков промысловых объектов как 29 основа функционирования ИИУС

4.1. Технологический процесс добычи газа

4.2. Промысловая локальная автоматика

4.3. Система телемеханики

4.3.1. Описание основных подсетей

4.3.2. Описание RTU 38 4.3.2.1 Подсистема Обработки RTU

4.3.2.2. Подсистема Обработки I/O RTU

4.3.2.3. Подсистема связи RTU

4.3.2.4. Описание основных элементов конфигурации RTU

5. Анализ и сравнение существующих методик в данной области с 43 ''Ф предлагаемой моделью ИИУС

5.1. Сравнение с проектной системой автоматического распределения 43 расхода II очереди промысла

5.2. Сравнение с предлагаемой при реконструкции I очереди промысла 45 методикой регулирования

5.3. Сопоставление с другими разработками 47 И. Концептуальная модель управляющей подсистемы

1. Особенности реализации ИИУС

1.1. Постановка задачи

1.2. Промысловые параметры, обрабатываемые в ИИУС

1.3. Отношение «расход-давление» применительно к различным 55 промысловым объектам

1.4. Взаимосвязь величин, отображающих производительность УППГ, и 56 условия появления величины изменения производительности скважин

2. Основные задачи ИИУС

2.1. Модель регулирования по давлению - методика расчета изменения 57 заданной общей производительности УППГ

2.2. Режимы эксплуатации скважин ИИУС

2.3. Методика распределения величины изменения общего расхода по 62 скважинам

2.4. Методика выборки скважин-регуляторов (очередность изменения)

3. Дополнительные возможности, реализуемые ИИУС

3.1. Модель контроля минимального устьевого давления

3.2. Модель поиска дополнительных ресурсов производительности на 67 скважинах

3.3. Модель интенсивной загрузки промысла

3.4. Модель температурной компенсации

3.5. Модель оптимизации расходов скважин

3.6. Модель программного дублирования функции каскадного останова

3.7. Модель контроля минимальной разрешенной производительности 75 УППГ

3.8. Модель дополнительного контроля трубопровода

4. Структурная схема и потоки данных управляющей подсистемы 77 III. Описание математической модели управляющей подсистемы

1. Общие положения

1.1. Взаимосвязь основных промысловых параметров

1.2. Влияние изменения режимов добычи на промысле и отбора ГЖС на 80 заводе на давление на входе завода

1.2.1. РПр3днрег ~ реагирование на изменение отбора ГЖС на заводе

1.2.2. Рпрсуммкомп - реагирование на отличие суммарной 81 производительности скважин от заданной общей производительности УППГ на текущей итерации

1.2.2.1. Возможность появления РК0МПИЗМ

1.2.2.2. Возможность появления Ркомп дисп

1.2.2.3. Возможность появления Ркомпкор

1.2.3. Обобщенный учет параметров Рпр3/Шрег и Рпрсуммкомп 83 1.3. Взаимосвязь основных параметров скважины: устьевое давление Руст скв 85 и производительность Рскв

2. Методика расчета управляющих воздействий

2.1. Расчет величины изменения заданной общей производительности 86 РпрзДНрег при регулировании по давлению

2.1.1. Грубая регулировка

2.1.2. Тонкая регулировка

2.1.3. Демпфирование (упреждающее регулирование)

2.2. Запасы регулирования

2.3. Использование дополнительных моделей, влияющих на запасы 93 регулирования

2.3.1. Модель контроля минимальной разрешенной производительности 93 УППГ

2.3.2. Модель интенсивной загрузки промысла

2.3.3. Модель контроля минимального устьевого давления

2.3.4. Модель поиска дополнительных ресурсов производительности на 96 скважинах

3. Методика распределения управляющих воздействий

3.1. Методика выбора скважин-регуляторов

3.1.1. Расчет показателя продуктивности скважины

3.1.2. Расчет показателя регулируемости скважины

3.1.3. Расчет показателя перспективности скважины

3.1.4. Расчет показателя подготовленности скважины

3.1.5. Расчет показателя удаленности скважины

3.1.6. Расчет основного показателя очередности

3.2. Распределение выдаваемого управляющего воздействия на скважины

3.2.1. Сопоставление необходимого и возможного управляющих 101 воздействий на основе анализа запасов регулирования

3.2.2. Алгоритм методики распределения управляющих воздействий

4. Описание дополнительных возможностей ИИУС

4.1. Модель температурной компенсации

4.2. Модель программного дублирования функции каскадного останова

4.3. Модель оптимизации расходов скважин

IV. Информационная подсистема ИИУС

1. Цель создания ИП ИИУС

2. Необходимость контроля за основными параметрами эксплуатации скважин

3. Взаимодействие SCADA-системы II очередей промысла АГКМ и 110 действующих локальных вычислительных сетей

4. Распараллеливание потока и разбор телеграмм

5. Спроектированные в рамках исследования базы данных

6. Серверное программное обеспечение ИП ИИУС

7. Предоставление информации конечным пользователям

V. Особенности внедрения и результаты эксплуатации ИИУС на АГКМ

1. Проблемы внедрения на АГКМ

1.1. Описание СМ1420 и ОСРВСМ

1.2. Описание конфигурации УВК и выбор языковых средств 120 программирования

1.3. Трудности, возникшие при написании ИИУС

1.3.1. Отсутствие необходимой документации

1.3.2. Особенности создания выполняемой задачи

1.3.2.1. Организация хранения переменных процесса

1.3.2.2. Использование перекрытий для размещения в оперативной 123 памяти

1.4. Нетребовательность программного обеспечения к техническим 125 возможностям ЭВМ

2. Математическое обоснование выбора значений основных 125 конфигурационных параметров управляющей подсистемы

2.1. Критерий разброса показателя давления

2.2. Критерий статистического распределения выборок

2.3. Критерий удаления выборочного среднего от номинального значения

3. Результаты эксплуатации 131 Выводы 133 Библиография 134 Приложения

Введение 2005 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Андреев, Александр Александрович

Актуальность проблемы

Газоконденсатные месторождения (ГКМ) занимают особое место в топливно-энергетической системе страны.

К основным особенностям технологического процесса, протекающего на промысле, относятся:

• непрерывность производственного цикла;

• большие объемы обрабатываемого природного газа;

• значительное число технологических агрегатов, участвующих в процессе сбора и подготовки газа к транспорту;

• влияние на производственный процесс внезапно проявляющихся внешних воздействий (происходящих как на промысле, так и на газоперерабатывающем заводе), неподдающихся параметризации;

• многочисленность контролируемых параметров, поступающих от технологических объектов;

• жесткая взаимосвязь между технологическими компонентами и наличие положительных и отрицательных обратных связей между ними;

• различная физическая природа технологических процессов, протекающих на газовом промысле.

На современном этапе совершенствование структуры управления газодобывающих предприятий тесно связано с разработкой и внедрением автоматизированных систем управления, использующих последние достижения в области вычислительных средств, систем автоматизации и коммуникации.

Однако в настоящее время существует немало продолжительно эксплуатирующихся автоматизированных систем управления технологическими процессами промыслов ГКМ, которые не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным SCADA-системам (Supervisory Control And Data Acquisition System), например, из-за устаревания оборудования. К числу таких систем относится и штатная SCADA-система II очереди промысла Астраханского ГКМ, пущенная в эксплуатацию в 1988, в составе которой отсутствует функция автоматического регулирования.

Вследствие отсутствия данной функции, общая производительность промысла регулировалась посредством ручной выдачи управляющих воздействий диспетчерским персоналом на каждую скважину. Такая ситуация, из-за большого объема обрабатываемых данных (для управления каждой скважиной необходимо оценить, как минимум, 8 аналоговых и 12 дискретных значений с датчиков, а также данные с датчиков отсечных клапанов на входе газоперерабатывающего заводами времени затрачиваемого диспетчером на ручную выдачу с учетом количества действующих скважин промысла АГКМ, приводила к менее качественному регулированию по сравнению с автоматическим. Поэтому разработка информационно-измерительной управляющей системы (ИИУС), решающей поставленные задачи, актуальна.

Создание такой системы позволит:

• поддерживать более стабильные параметры газожидкостной смеси (ГЖС) на входе газоперерабатывающего завода, что сглаживает колебания режима скважин и объектов газопромыслового управления (ГПУ) и установок газоперерабатывающего завода (ГПЗ) и ведет к уменьшению непроизводительных потерь материально-технических и топливно-энергетических ресурсов и сокращению эксплуатационных расходов;

• обеспечить более близкую к максимальной по сравнению с ручным регулированием нагрузку завода и, как следствие, увеличить выработку и улучшить качество товарной продукции;

• обеспечить систематическое и неукоснительное соблюдение технологического регламента эксплуатации скважин, что ведет к увеличению межремонтного цикла, а также к уменьшению их остановов и, соответственно, простоев, сказывающихся на выработке товарной продукции;

• эксплуатировать основной фонд скважин в оптимальном режиме, что ведет к уменьшению затрат на периодические работы по интенсификации притока при-забойных зон скважин.

Учитывая важность функции регулирования, была поставлена задача разработать много факторную модель управления производительностью промысла, спроектировать и встроить в существующую систему сбора информации от промысловых объектов принципиально новый механизм безопасного автоматического регулирования производительности II очереди промысла с учетом вышеперечисленных особенностей - информационно-измерительную управляющую систему автоматического управления производительностью скважин II очереди Астраханского газопромысла с обеспечением дополнительных повышенных мер противоаварийной защиты промыслового оборудования с целью повышения экологической безопасности производства.

Следует отметить, что данная проблема актуальна и для других промыслов, в частности, некоторых ГКМ Крайнего Севера. Кроме этого, разработка может применяться и на других производствах, в БСАБА-системах которых есть возможность программной выдачи управляющих воздействий на объекты управления, и существует временная задержка влияния выданного управляющего воздействия на контрольную точку измерения.

Цели и задачи работы

Целью работы является создание информационно-измерительного управляющей системы (ИИУС), обеспечивающей поддержание заданного номинального давления на входе ГПЗ посредством автоматического регулирования производительности (расхода) скважин совместно с приоритетным ручным вмешательством диспетчерского персонала.

Круг задач, рассмотренных и решенных при выполнении диссертационной работы, включает:

1. Исследование промысла как объекта управления и формулировка целей управления.

2. Разработка методики эффективного соотношения максимального использования производительного потенциала скважин и стабильного обеспечения завода необходимым количеством ГЖС при выработке управляющих воздействий.

3. Разработка математической модели, алгоритма и программной реализации системы стабилизации давления на входе газоперерабатывающего завода.

4. Разработка структуры баз данных для хранения и отображения большого объема информации об изменении данных технологического процесса в течение времени.

5. Разработка межплатформенного взаимодействия разнородных систем с целью создания дополнительных удаленных рабочих мест пользователей, имеющих доступ к оперативной и архивной информации, для наблюдения за промысловыми объектами и ходом технологического процесса.

Научная новизна работы:

1. Сформулирован новый комплексный подход к управлению сложным технологическим процессом добычи ГЖС на промысле по основным измеряемым параметрам: давление и расход, позволяющий поддерживать стабильность давления при случайных воздействиях со стороны газоперерабатывающего завода и объектов промысла на общий отбор ГЖС с учетом обеспечения оптимальных режимов работы скважин Астраханского месторождения.

2. На основе комплексного подхода разработана математическая модель процесса стабилизации давления при его отклонении от заданного номинального значения путем воздействия на исполнительные механизмы скважин с целью изменения производительности, с учетом временного запаздывания реакции системы на выданные воздействия.

3. Создана база данных основных измеряемых параметров объектов промысла на основе разбора протокола обмена информации полевых датчиков с верхним уровнем БСАБА-системы с целью накопления информации, необходимой для анализа их работы.

4. Разработана новая многоплатформенная информационная модель представления технологического процесса, отличная от применяемой на Астраханском ГКМ и значительно расширяющая ее возможности (большее количество рабочих мест пользователей, удобный графический интерфейс, возможность оперативной обработки больших массивов хранимых данных).

5. На основе совмещения полученной математической модели с моделями, повышающими качество управления, безопасность эксплуатации и уровень информационного обеспечения, разработана комплексная ИИУС распределенного авто8 матического регулирования технологического процесса добычи и транспортировки ГЖС в реальном масштабе времени с учетом приоритетного автоматизированного диспетчерского управления.

Практическая ценность работы:

1. ИИУС, реализующая описанную математическую модель, внедрена в промышленную эксплуатацию на Астраханском газоконденсатном месторождении в составе ИУС II очереди промысла.

2. Предложенная математическая модель принята за основу при разработке программы регулирования для реконструируемой I очереди промысла Астраханского месторождения специалистами фирмы «Cegelec Anla-gen- und Automatisierungstechnik Gmbh & Co. KG Oil, Gas, Networks» (Германия), что подтверждено отзывом фирмы и записано в соответствующем «Техническом проекте» на реконструкцию (часть 5, п. 3.10).

3. Сформирована постоянно пополняемая база данных изменения во времени основных величин объектов промысла, используемая для анализа их работы и подбора параметров регулирования в соответствии с промысловой ситуацией.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Концептуальная модель стабилизации давления газожидкостной смеси с учетом максимального использования производительного потенциала скважин и стабильного обеспечения завода необходимым количеством ГЖС.

2. Методика выборки скважин-регуляторов и изменения их производительности и технологических режимов в зависимости от условий эксплуатации промысла.

3. Математическая модель и алгоритм распределенного автоматического регулирования технологического процесса добычи и транспортировки ГЖС в реальном масштабе времени для поддержания стабильного давления ГЖС на входе завода.

4. Информационная модель представления хода технологических процессов промысла под управлением ИИУС на основе обработки измерительной информации, поступающей по линиям телемеханики с датчиков объектов промысла.

Заключение диссертация на тему "Информационно-измерительная и управляющая система стабилизации давления добываемой газожидкостной смеси Астраханского месторождения"

выводы