автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Моделирование и исследование режимов функционирования комплекса технологических объектов газодобывающего предприятия

, / % ^ / ~ * -

^ ' ' /

Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина

На правах рукописи УДК 681.3:519.876.2:658.52.011.56

Ваулина Елена Васильевна

Моделирование и исследование режимов функционирования комплекса технологических объектов газодобывающего предприятия

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

(промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: к.т.н., проф. Попадько В.Е. к.т.н., доц. Сарданашвили С.А.

Москва - 1999 год

Содержание

стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................... ......................4

ГЛАВА 1. Характеристика газодобывающего предприятия (ГДП) и современные информационные технологии в управлении промышленными технологическими комплексами......8

1.1. Особенности технологического процесса функционирования ГДП как объекта управления........................9

1.2. Характеристика основных режимно-технологических задач, решаемых в процессе планирования и

управления газодинамическими режимами ГДП........................16

1.3. Модели технологических объектов, входящих

в состав ГДП........................................................................21

1.4. Анализ информационных систем управления

промышленными технологическими комплексами......................31

Выводы к главе 1................................................................38

ГЛАВА 2. Математическое, алгоритмическое и

информационное представление технологических объектов ГДП ..40

2.1. Технология объектно-ориентированного алгоритмического проектирования сложных технологических систем......................40

2.2. Представление базовых классов объектов ГДП

в терминах объектно-ориентированной технологии.....................48

2.3. Представление производных классов объектов ГДП

в терминах объектно-ориентированной технологии.....................67

Выводы к главе 2.................................................................90

ГЛАВА 3. Компьютерное моделирование режимов работы объектов и подсистем ГДП (на примере П.Ямбурггаздобыча) ...91

3.1. Моделирование режимов работы отдельных объектов

и подсистем ГДП.....................................................................91

3.2. Совместный расчет подсистемы ДКС - МГК.......................112

3.3. Моделирование режимов работы технологической системы "скважина (устье) - куст - промысловая газосборная сеть -

- ДКС - УКПГ - МГК"......................................................................118

Выводы к главе 3................................................................122

ГЛАВА 4. Вопросы практического применения разработанных систем моделей, методов и алгоритмов.....................................................123

4.1. Основные режимно-технологические задачи управления, планирования и оптимизации ГДП, основанные на объектно-ориентированной технологии моделирования...........................123

4.2. Методы повышения адекватности моделей

основных технологических подсистем ГДП.............................128

4.3. Реализация разработанных методов и алгоритмов решения

режимно-технологических задач в компьютерном комплексе........143

Выводы к главе 4...............................................................154

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..................................155

ЛИТЕРАТУРА........................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Технологическая схема П.Ямбурггаздобыча. ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты расчета режима работы комплекса технологических объектов ГДП.

Введение.

Газовая промышленность является ключевой в экономике Российской Федерации, поэтому решение вопросов рационального использования природных и технических ресурсов ни у кого не вызывает сомнений.

Газовая промышленность объединяет большое количество крупных производственных комплексов - газодобывающие предприятия, газоперерабатывающие заводы, газотранспортные и газораспределительные системы и др., основными среди которых являются газодобывающие предприятия (ГДП), осуществляющие добычу и подготовку газа к транспорту по магистральным газопроводам (МГ).

Неразрывность технологических процессов добычи и подготовки природного газа требуют рассматривать все технологические объекты ГДП как единую газодинамическую систему. Поэтому в рамках газодобывающего предприятия задача рационального использования природных и технических ресурсов заключается в том, чтобы при минимальном наборе управляющих воздействий определить такие варианты режимов эксплуатации технологических объектов ГДП, методы управлений и перспективного планирования, которые, с одной стороны, основываются на общей стратегии управления ГДП и рассматривают всю систему объектов как единое целое, а с другой стороны, учитывают ограничения для каждого технологического объекта, которые накладываются существующими условиями эксплуатации объектов добычи, подготовки природного газа и возможностями оборудования.

Решение этих задач основывается на проведении различных вариантов моделирования в едином технологическом режиме всего комплекса объектов ГДП от пласта до головной компрессорной станции (ГКС). Современный уровень развития техники и технологии позволяет проводить моделирование, адаптацию полученных моделей к реальным процессам и решать такие задачи управления и планирования.

Целью работы является разработка и исследование интегрированной системы моделей и алгоритмов планирования и управления комплексом технологических объектов ГДП.

Основными задачами исследования являются:

- анализ технологии функционирования ГДП;

- построение иерархической системы классов технологического комплекса

объектов ГДП от скважины до головных КС;

- разработка единого информационного, математического и алгоритмического представления отдельных технологических объектов и всего комплекса ГДП на основе объектно-ориентированной технологии (ООТ);

- разработка алгоритмов и компьютерных процедур моделирования стационарных режимов работы комплекса технологических объектов ГДП;

- проведение компьютерного моделирования режимов работы отдельных объектов, выделенных подсистем и всего комплекса объектов ГДП;

- разработка методов повышения адекватности моделей технологических объектов и подсистем реальным условиям их функционирования;

Научная новизна:

1) на основе системного анализа ГДП и объектно-ориентированной технологии разработаны иерархическая система и состав классов комплекса технологических объектов ГДП;

2) разработана методика информационного, математического и алгоритмического представления технологических объектов как отдельных классов ГДП;

3) разработан алгоритм моделирования комплекса технологических объектов ГДП: скважина (устье) - куст скважин - газосборная сеть (ГС) - дожимная компрессорная станция (ДКС) - установка комплексной подготовки газа (УКПГ) - межпромысловый газосборный коллектор (МГК);

4) разработан алгоритм адаптации предложенных моделей к реальным условиям эксплуатации на основе методов статистического анализа, идентификации параметров моделей, статистической проверки гипотез.

Практическая ценность работы. Разработанные методы и алгоритмы моделирования технологических объектов вошли в состав компьютерного комплекса, который может быть использован как диспетчерскими службами предприятия, так и проектными организациями для решения задач планирования и управления режимами работы ГДП. Основные практические результаты получены на примере реальных технологических объектов П.Ямбурггаздобыча.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Межреспубликанской научно-технической конференции "Автоматический контроль и управление производственными процессами" (Минск, 1995г.), конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 1995г.), Выставке-конференции, посвященной проблемам создания и маркетинга программно-аппаратных систем в России "Компью-Маркетинг'96" (Москва,

1996г.), Второй Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 1997г.).

По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ.

Диссертационная работа содержит 162 страницы машинописного текста (основной текст изложен на 155 страницах), имеет 43 рисунка и состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 68 наименований и двух приложений.

Первая глава содержит описание газодобывающего предприятия, его состав и особенности функционирования. В структуре ГДП выделены самостоятельные технологические подсистемы, для каждой из которых сформулированы режимно-технологические задачи моделирования, вариантного планирования и управления. В главе представлен обзор разработанных ранее моделей основных технологических объектов ГДП, постановок и методов решения задач моделирования. На примере информационной управляющей системы, действующей на ПО "Надымгазпром", рассмотрены основные принципы функционирования современных многоуровневых автоматических систем управления промышленными технологическими комплексами.

Вторая глава содержит математическое, алгоритмическое и информационное представление технологических объектов ГДП на основе технологии объектно-ориентированного проектирования сложных технологических систем. Рассмотрена схема отношений классов основных технологических объектов ГДП. В соответствие с предложенной формой представления структуры и состава класса рассмотрены все технологические объекты газодобывающего предприятия.

В третьей главе приведены результаты моделирования режимов работы объектов и подсистем ГДП на примере П.Ямбурггаздобыча: подсистемы скважина (устье) - куст скважин - промысловая газосборная сеть (ГС); межпромыслового газосборного коллектора (МГК); дожимной компрессорной станции (ДКС); подсистемы ДКС - МГК; всего комплекса объектов: скважина (устье) -куст скважин - ГС - ДКС - УКПГ - МГК - вход ГКС.

Четвертая глава посвящена вопросам практического применения разработанных систем моделей, методов и алгоритмов. Рассмотрены основные режимно-технологические задачи управления, планирования и оптимизации ГДП, основанные на объектно-ориентированной технологии моделирования, методы

повышения адекватности моделей основных технологических подсистем ГДП и вопросы реализации разработанных методов и алгоритмов в компьютерном комплексе.

Глава 1. Характеристика газодобывающего предприятия (ГДП) и современные информационные технологии в управлении промышленными технологическими комплексами.

1.1. Особенности технологического процесса функционирования ГДП как объекта управления.

Газодобывающее предприятие (ГДП) - основной производственный комплекс в газовой промышленности. В его состав входят: газоносный пласт (пласты), сеть газовых скважин, объекты добычи, сбора и подготовки природного газа, внутрипромысловые и выходные коллекторы, а также ряд вспомогательных объектов. Отдельные элементы этой системы рассредоточены на площади в десятки и сотни квадратных километров, но все они взаимосвязаны непрерывным технологическим процессом и подчинены единой цели - бесперебойному снабжению потребителей газом в нужных количествах и соответствующего качества.

Система "газоносный пласт - скважина" - основной объект ГДП. При разработке месторождений природного газа продуктивный пласт вскрывается системой скважин, варианты расположения которых могут быть различными. На забое скважины поддерживается давление меньше пластового, под действием этого перепада (АРСКВ = Рпл - Р3) в скважины поступает природный газ. Под действием перепада давления на забое и устье скважины ( АРус = Р3 - Рус) газовый поток поднимается по стволу скважины, и далее - по газосборным сетям на установки комплексной подготовки газа (УКПГ). Здесь осуществляется очистка и осушка газа от твердых примесей, агрессивных компонентов и влаги, а также его охлаждение перед подачей в магистральный газопровод. В зависимости от характеристик газоносного пласта, природного газа, условий окружающей среды в состав УКПГ могут входить различные технологические объекты: дожим-ные компрессорные станции (ДКС), установки низкотемпературной сепарации (НТС), абсорбционной или адсорбционной осушки.

Различают две структуры сбора и подготовки газа - централизованную и децентрализованную /32, 38/.

При централизованной структуре (Рис. 1.1 а.) газ из скважин по шлейфам поступает на УПГ, где осуществляется его предварительная подготовка, и далее подается на головные сооружения промысла, где происходит окончательная его осушка и охлаждение перед подачей в МГ.

При децентрализованной структуре (Рис.1.1б.) на УКПГ осуществляется полная подготовка газа к дальнему транспорту.

УПГ

Головное сооружение

Установка регенерации ДЭГа

т

Установка абсорбционной осушки

X

Установка подготовки и стабилизации конденсата

Конденсат

а) схема централизованного сбора и подготовки газа и конденсата

Газ в МГ

УКПГ

и—.

ч—•

б) схема децентрализованного сбора и подготовки газа и конденсата Рис. 1.1. Схемы сбора и подготовки газа.

Управление строится исходя из особенностей технологических объектов, технологических информационных потоков и организации процессов сбора, передачи и обработки информации. Структура системы управления основным производством определяются степенью рассредоточенности этих объектов, а также технологией процессов подготовки газа к транспорту. Под структурой управления понимается разделение функций управляющей системы между функциональными частями и размещением аппаратуры, обрабатывающей информацию, по узловым точкам. Характер распределения и обработки информации на ГДП обусловлен общим алгоритмом управления, который наиболее полно характеризует структурные отношения в системе /38, 56/.

ГДП, как объект управления, относится к сложным системам и характери-

зуется рядом специфических особенностей. Это: большое число элементов системы; различная природа технологических объектов (пласт, подземное и наземное оборудование); рассредоточенность объектов и параметров управления; комлекс "пласт - скважина - промысловое оборудование - газопровод - потребитель" представляет собой единую неразрывную систему, связанную непрерывным технологическим циклом.

Разработка и эксплуатация объектов добычи газа базируется как на первоначальной, так и на текущей геолого-промысловой, технологической и технико-экономической информацией. Режимы технологических процессов подготовки и транспорта газа зависят от режима работы пласта и скважин и характеризуются нестационарностью, вызываемой изменением планов добычи газа, нештатными режимами, температурными условиями, и т.д. Основной объект добычи -продуктивный газоносный пласт - характеризуется нехваткой информации из-за ограниченности видов измерений и управляющих воздействий на процесс, происходящий в пласте, а также сложностью описания движения многофазных смесей в пласте, в частности, из-за постоянно изменяющихся параметров (производительность, давление, другие коллекторские и физико-химические свойства). С другой стороны, процессы, протекающие в пласте, достаточно инерционны, поэтому результаты какого-либо воздействия на пласт могут быть оценены только через большой промежуток времени.

Эксплуатация месторождений Западной Сибири и Крайнего Севера осложняется тяжелыми природно-климатическими условиями, а также рядом специфических особенностей, характерных для этих регионов. Вследствие суровых природно-климатических условий возникают сложности получения достоверной геолого-промысловой информации. По этой причине проектные решения дорабатываются в процессе разработки и эксплуатации месторождения. Значительная удаленность от потребителей и основных промышленных центров, строительство протяженных и дорогостоящих магистральных газопроводов, а также огромные затраты на обустройство месторождений определяют высокую себестоимость добычи газа. Сравнительно низкие пластовые давления определяют необходимость раннего ввода в эксплуатацию ДКС. Большие абсолютные запасы месторождений приводят к тому, что газодобывающее предприятие эксплуатирует одно-два газовых месторождения. Однако, для северных месторождений характерны сравнительно большие остаточные запасы газа в залежах, т.к. на конечной стадии разработки при существенном снижении пластового давления подача газа по магистральному газопроводу нерентабель

на. При этом отсутствие энергоемких местных потребителей заставляет искать новые экономически оправданные проектные решения. Кроме того, в отличие от ГДП, расположенных в других регионах России, где при эксплуатации одним ГДП нескольких месторождений возможно регулирование динамики изменения экономических показателей, здесь изменение геолого-промысловых, экономических и экологических показателей разработк