автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный анализ и автоматическое управление процессом транспортировки вязкой нефти

На правах рукописи

Горшкова Кристина Леонидовна

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ТРАНСПОРТИРОВКИ ВЯЗКОЙ НЕФТИ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 ОКТ 2015

Самара -2015

005563533

005563533

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация и информационные технологии» государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Альметьевский государственный нефтяной институт» (ГБОУ ВПО «АГНИ»)

Научный руководитель: - Табачникова Татьяна Владимировна,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электроэнергетики ГБОУ ВПО «АГНИ»

Официальные оппоненты: - Куликов Геннадий Григорьевич, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (г. Уфа), профессор кафедры автоматизированных систем управления

-Саакян Рустам Рафикович, доктор технических наук, профессор, филиал ФГБОУ ВПО «Российский государственный социальный университет» (г. Анапа), профессор кафедры техносферной безопасности, информатики и математики

Ведущая организация: -ФГБОУ ВПО «Пермский национальный

исследовательский политехнический

университет»

Защита состоится «02» декабря 2015 г. в 10 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д212.217.03 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: 443100, Россия, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус № 6, ауд. № 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, Россия, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18.

Отзывы на автореферат просим высылать в двух экземплярах, заверенных печатью, по адресу: 443100, Россия, г.Самара, ул.Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, Главный корпус, учёному секретарю диссертационного совета Д212.217.03; тел. (846) 337-04-43,е-таН: radch@samgtu.ru.

Автореферат разослан «¿У» р/стЯГМ 2015 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д212.217.03

доктор технических наук, доцент в Е 3отеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. В нефтегазовой промышленности, как в России, так и ряда других нефтедобывающих стран мира, основные углеводородные запасы составляют тяжелые, сверхвязкие и высокосернистые нефти, характеризующиеся многофазностью и дисперсностью. Зависимость дисперсных свойств нефти от температуры в климатических условиях России определяющим образом влияет на эффективность её транспортировки. Это обстоятельство определяет важную проблему при оптимизации режимных параметров транспортировки нефти, влияющих на экономическую эффективность и себестоимость не только добычи и переработки нефти, но и на себестоимость производства в большинстве хозяйственных отраслей. ,

Сложность и системный характер проблемы усугубляется не только влиянием энергозатрат связанных с транспортировкой высокосернистой (ВСН) и сверхвязкой (СВН) нефти на себестоимость производства продукции потребителей, но и сложным характером зависимости вязкости потока от температуры, которая определяется физико-химическим составом нефти. Вязкость нефти также зависит от внешних климатических условий, объемных соотношений ВСН и СВН, расстояния транспортировки потока смешанной (вязкой) нефти, изоляции емкостей и трубопроводов и др. Все эти факторы в совокупности формируют неопределённость при математическом моделировании технологического процесса транспортировки. В известных исследованиях эти факторы рассматривались без учета их взаимовлияния.

Выраженный системный характер проблемы требует её структуризации путем декомпозиции и выявления наиболее значимых факторов, влияющих на процесс транспортировки вязкой нефти в трубопроводе, с целью эффективного управления ими. При этом, в силу сложного характера взаимовлияния этих факторов, в том числе температуры и вязкости нефти, в ходе разработки соответствующей системы управления необходимо учитывать наличие непрогнозируемой неопределенности при математическом описании процесса как объекта управления.

Вышеизложенное позволяет утверждать актуальность решаемой в диссертации проблемы разработки системы автоматического управления температурой потока нефти на основе системного функционально-ориентированного математического моделирования для повышения эффективности ее транспортировки.

Цель работы: повышение эффективности транспортировки вязкой нефти в трубопроводе путем адаптивного управления температурным режимом потока нефти с моделью - идентификатором состояния в контуре системы управления на основе системного математического моделирования процесса

первичной подготовки нефти.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить

следующие задачи:

1. На основе системного анализа иерархической структуры технологического комплекса первичной подготовки нефти формализовать процесс подготовки и транспортировки потоков нефти как объекта управления.

2. Разработать критерии качества управления температурным режимом и адекватную им структуру системы управления температурой потока нефти.

3. Разработать функционально-ориентированную на применение в системах управления в качестве идентификатора состояния - математическую модель процесса температурной обработки потоков нефти.

4. Разработать методику идентификации математических моделей процессов температурной обработки потоков ВСН, СВН и смешанной (вязкой) нефти и провести их верификацию.

5. Разработать алгоритм и адаптивную систему автоматического управления процессом температурной обработки потока вязкой нефти при транспортировке с идентификатором состояния в контуре управления

Методы исследования. Методы системного анализа сложных объектов и процессов, теория нечетких множеств и нечеткая логика, теория теплообмена, теория идентификации, теория автоматического управления, теория математической статистики и теория вероятностей. Научная новизна.

1. На основе системного анализа иерархических структур первичной подготовки и транспортировки вязкой нефти разработана математическая модель этого процесса, функционально ориентированная на применение в системах управления в составе идентификатора состояния, содержащая в своей структуре новые блоки - вычислительный блок функционально-ориентированной модели, нечеткие регуляторы, учитывающие неопределенность при математическом моделировании из-за взаимного влияния температуры потока и вязкости нефти.

2. Разработана методика идентификации температурного режима потока смешанной нефти, позволяющая по непрерывным наблюдениям косвенных параметров с высокой достоверностью определять температуру потока в характерной заданной точке.

3. Разработан алгоритм управления температурой потоков нефти с использованием нечеткого регулятора, учитывающий неопределенный характер объекта управления и влияние на него глубоких внешних и внутренних возмущений.

4. Разработана автоматическая система управления процессом температурной обработки потока вязкой нефти, содержащая подсистему адаптивного автоматического управления температурой нефти с моделью-идентификатором состояния в контуре и нечетким регулятором, отличающаяся обеспечением стабильного качества температуры потока нефти в условиях неопределенности.

Практическая значимость работы заключается: 1.В обоснованной системной структуризации критериев качества первичной подготовки нефти и адекватной этим критериям структуре математических моделей процессов температурной обработки и транспортировки потоков

нефти, обеспечивающих достаточную точность и экономное использование вычислительных ресурсов как при автономном применении моделей в расчётной практике, так и при использовании их в составе идентификатора состояния в контуре адаптивных подсистем управления температурой потока вязкой нефти в заданной точке.

2. В математических моделях процессов температурной обработки потоков нефти и методике их идентификации по измерениям качественных параметров, обеспечивающих эффективный расчёт текущих и прогнозируемых показателей качества температуры потока нефти и других текущих технико-экономических показателей.

3. В разработанной автоматической подсистеме адаптивного управления температурой потока с идентификатором состояния в 'контуре, обеспечивающей повышение эффективности транспортировки потока вязкой нефти при первичной подготовке.

Практическая полезность подтверждается: актом внедрения в проекты новых объектов НГДУ «Нурлатнефть» ОАО «Татнефть» №11198/ВнСл(120) от 28.05.2015; актом внедрения в учебный процесс ГБОУ ВПО «Альметьевский государственный нефтяной институт».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Функциональная схема системы управления температурой потока нефти, содержащая новые элементы - вычислительный блок функционально-ориентированной модели, нечеткие регуляторы и их связи, учитывающая влияние на температуру потока нефти внешних и внутренних факторов, зависящих от выявленных неопределенностей.

2. Функционально ориентированная на применение в системах управления в качестве идентификатора состояния - математическая модель процесса температурной обработки потока вязкой нефти.

3. Алгоритм управления температурой потока транспортируемой вязкой нефти с использованием нечеткого регулятора с адаптивной системой и методика идентификации математической модели процесса её температурной обработки по прямым измерениям температур, учитывающая влияние температуры окружающей среды на вязкость.

4. Подсистема адаптивного автоматического управления температурой потока нефти с моделью-идентификатором состояния в контуре и нечетким регулятором.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях: кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств» Уфимского государственного нефтяного технического университета (г.Уфа), кафедры «Автоматика и управление» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева (г. Казань), кафедры «Управление и системный анализ теплоэнергетических и социотехнических комплексов» Самарского государственного технического университета (г. Самара), на расширенном заседании кафедры «Автоматизация и информационные технологии»

Альметьевского государственного нефтяного института 2009-2015 гг., а также получили положительную оценку на конференциях и семинарах: Международная научно-практическая конференция «Молодая наука России: вопросы теории и практики» Волгоград 2010г.; XI Молодежная научно-практическая конференция молодых работников ОАО «Татнефть» посвященной 55-летию НГДУ «Азнакаевскнефть», Азнакаево 16 сентября 2011г.; III Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» г.Новосибирск, 2011r.j Межрегиональная научно-техническая конференция, Ухтинский государственный технический университет, г.Ухта 2011; XV Международной научно-практической конференции «Наука и современность - 2012» г. Новосибирск; IX Международная научно-практическая конференция «Ашировские чтения» посвященной 100-летию Аширова К.Б., 2012г.; Молодежная научно-практическая конференция молодых работников ОАО «Татнефть» посвященной 50-летию НГДУ «Елховнефть», Альметьевск 21 сентября 2012; XII Всероссийское совещание по проблемам управления (ВСПУ-2014), Москва, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН 16-19 июня 2014 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 6 в рецензируемых изданиях из перечня рекомендованного ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 183 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 165 страницах, содержит 72 рисунка и Ш таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определены цели и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе системного подхода и анализа иерархических структур (рис. 1,2) выявлен и формализован процесс подготовки и транспортировки потоков нефти как объект управления.

Анализ показывает, что на всех стадиях производственного процесса добычи и подготовки вязкой нефти происходит подогрев её потоков: при механизированной добыче нефти - третья ступень первой стадии; при транспортировке нефти - первая ступень второй стадии; при предварительной подготовке нефти - вторая ступень третьей стадии и при подготовке товарной нефти - вторая ступень четвертой стадии. Таким образом, энергозатратный подогрев потока вязкой нефти происходит на всех стадиях технологического процесса.

Основной источник неопределенности - это компонентный состав СВН и ВСН (физико-химический состав), который влияет на теплоемкость этих жидкостей, а значит, определяет теплоперенос их потоков при транспортировке. Также следует учитывать влияние климатических условий, расстояние транспортировки потока нефти, изоляцию емкостей и трубопроводов. Эти факторы в совокупности увеличивают степень

неопределенности, которая при математическом моделировании отражается взаимным влиянием температуры и вязкости потоков на всех стадиях. При этом сложно прогнозировать изменение начальной температуры СВН и ВСН в емкостях Е, и Е2 и температуру потока при их смешивании в емкости Е3 (см. рис.3) при одном и том же расходе пара, так как изменяется компонентный состав потоков.

Во»Р1 |/мЦ— «котить—

1-я СТАДИЯ • 2-« СТАДИЯ 3-я СТАДИЯ

Скмжхяы жфтиа» Нефтепровод ПрСОМ|ЖТвл»аи нишитивм г»фтк

• +

*

ирубнфокк

*

3-«стуя1 ■^Ьмхагрм*: еэеегуеетеав

*

яобами КкУяасучгг* ■ОЙШфж МШрИ!

* Еяосшгрсы 1 * 1 -1-

_±_ Уяпвша

4« с^ям. Ут г** вокв

Сааяим

| сточасъхвож*

4-я СТАДИЯ Устдовел

ловдоовга »фтк

-■■ +

Обемомм»» м»

31

Рисунок 1 - Иерархическая структура производственного процесса добычи и подготовки

нефти

Системный анализ рассматриваемого производственного процесса показывает, что для количественной оценки влияния различных факторов на температуру потоков нефти необходимо системно-структурированное математическое моделирование процесса температурной обработки нефти.

В работе подробно исследован блок, определяющий третью стадию подготовки нефти: технологический комплекс первичной подготовки нефти, иерархическая структура которого представлена на рисунке 2. Именно на этой стадии присутствует больше всего факторов, влияющих на возникновение неопределенностей при моделировании и управлении температурой потока транспортируемой нефти.

В качестве базовой рассматривается типовая технология первичной подготовки СВН, которая предусматривает её разубоживание ВСН и дальнейшую транспортировку вязкой нефти (15 км) до установки подготовки нефти (УПН).

Влияние состава нефти на температуру и вязкость смешанного потока вносит дополнительную сложность в проблему раскрытия неопределённости при математическом моделировании для каждого из потоков (ВСН и СВН), так как зависимость вязкости от температуры не подчиняется линейным закономерностям и требует для своего определения системного анализа производственного процесса первичной подготовки нефти.

Рисунок 2 - Иерархическая структура технологического комплекса первичной подготовки

сверхвязкой нефти

Во второй главе произведена декомпозиция иерархической структуры технологического комплекса первичной подготовки потоков нефти (рис. 2), разработаны структурная схема системы управления температурой потока нефти с нечетким регулятором (рис. 3) и ее функциональная схема (рис. 4). В нее введены новые элементы: дополнительный источник теплового воздействия - змеевик в емкости ВСН с управляемымэлектроприводом задвижки подачи пара, нечеткие регуляторы и вычислительный блок.

На рисунке 3: НА 1, НА 2, НАЪ- насосные агрегаты для перекачки ВСН, СВН и смешанной нефти до установки подготовки нефти (УПН); ТЕХ, ТЕ 2, ТЕЗ- датчики температур; Е,, Е2 - емкости для аккумуляции СВН и ВСН; Е} -емкость для смешивания потоков СВН И ВСН. В схеме предлагаются два контура системы управления температурой нефти с нечеткими регуляторами. Контур управления температурным режимом ВСН является основным (внешним), так как в объемном соотношении доля ВСН всегда больше доли СВН, и к тому же ВСН технологически допускает больший диапазон регулирования температурой. Исполнительными органами в системе являются электроприводы задвижек эз\ и эзг для подачи пара в змеевики емкостей Е1 и Е2 для повышения температуры потока смешанной нефти (т.В).

WQedCn. ГЦр

Рисунок 3 - Структурная схема системы управления температурой потока нефти с нечеткими регуляторами

На рисунке 4: вжХ,вж2,вжг,вжА - температуры ВСН, СВН, смешанной нефти и в т.С на входе в УПН, град; вжХ,зад, вжЪмд- заданные температуры для ВСН и СВН, град\вспй, вспй - температуры стенок змеевиков в емкостях ВСН и СВН нефти, град-, впЬвп1 - температуры пара в змеевиках в емкостях ВСН и СВН, град-, TEA, tes- датчики температур; токи в цепи якоря

электроприводов задвижек для подачи пара в змеевики, A; UbU2- напряжение в цепи якоря электроприводов задвижек для подачи пара в змеевики, В; Gnl,Gn2 -расход пара в змеевиках, м3/с ; fei, fei- датчики расхода пара; С,ж1,Сж.2,Сж3 - расход ВСН, СВН и вязкой нефти, .и3/с; вос- температура окружающей среды, град.

Для количественной оценки работы предложенной системы управления температурой потока нефти при первичной подготовке нефти разработаны критерии качества управления температурным режимом (рис.5), т.к. именно они определяют управляющее воздействие в условиях неопределенности. В качестве критериев выбраны: квадратичный критерий отклонения, статическая

ошибка, перерегулирование и время регулирования по температуре. Для динамической вязкости граничные параметры заданы ГОСТ Р 51858-2002.

Зная фактическую температуру в т. В (вжЪ), можно определить температуру в т. С по дифференциальному уравнению В.Г. Шухова:

(И сжЗ

где кт - коэффициент теплопередачи через стенку трубопровода, Вт/м2 0С\ о - диаметр трубы, л,; сж3 - теплоемкость, Дж/кг-°С-, ОжЪ- расход смешанной нефти, кг/с-, вж4 - температура потока нефти в т. с, град; вос - температура окружающей среды, град-, х - ускорение свободного падения, м/с1-, ¡о -

гидравлический уклон, м/м.

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

вжЛ{Р-вос-1

= ехр

к-Р кТ 1 ^ где ож4(Ь)- зависимость распределения

.. сжЪ ' ^жЪ У

температуры потока смешанной нефти по длине трубопровода и, Г® = й• С»еЗ• Л' к7-=

На основании рассчитанной температуры в т. С вж1 (Ц

требуемая величина вжЪ ]ад в точке В.

формируется

Рисунок 4 - Функциональная схема системы управления температурой потока нефти с нечеткими регуляторами

перерегулированием ад

• 100% и минимальным временем

Поддержание в установившемся режиме отклонения температуры в т. В вжЪ в пределах +5% от требуемого значения вжУтд с минимально возможным

@ж3.зад

регулирования (,ж}, способствует повышению эффективности транспортировки потока нефти.

Для внешнего контура системы управления (рис. 4) в качестве оценки управления принят квадратичный критерий отклонения:

о

где Ад г(1) = вжф)-вжЪ,зад - отклонение текущей величины от заданной.

Основные критерии качествауправлеиня температуриымрежимом патока вязкой

нефти

квадратичный Григорий по отклонению

статическая ошибка Д

перерегулирование &

время регулирования г

Рисунок 5 -Критерии качества управления температурным режимом технологического процесса первичной подготовки и транспортировки потоков нефти

Произведена систематизация аналитических зависимостей формирующих функционально-ориентированную модель (ФОМ). Для отражения зависимости критериев качества от температурного режима технологического процесса первичной подготовки СВН, как объекта управления, вводятся векторы: состояния потока, связанные уравнениями ФОМ (1)...(12) = качества потока

ЗЕ(0 ^жь^жьрж^жх,уж2фжърж^ж2ужъ^жъ,ржъмжъ\; непрерывного

наблюдения где вжЬвж2,вжЪ - температуры ВСН, СВН и

смешанной нефти, град; встЬ вст2- температуры стенок змеевиков в емкостях ВСН и СВН, град; ¡\,12- токи в цепи якоря электроприводов задвижек для подачи пара в змеевики, л;й),1,а,2-скорости вращения электроприводов задвижек (рад/с); <{\,4>г- углы поворота заслонок в задвижках; физико-химический состав ВСН, СВН и смешанной нефти, т.е. массовая доля: воды, концентрации хлористых солей, механических примесей, серы, смол, парафина, насыщенных паров, асфальтенов; фракционный состав; уж\,ужЪужЪ;

Цж\^жЪ^г\Рж\-РжЪРжЪ ~ кинематические (м2/с), динамические вязкости

(Па с) и плотности ВСН, СВН и смешанной нефти (кг/л/3).

Определение вектора состояния потока и вектора непрерывного наблюдения проводится на базе уравнений: теплового баланса с применением статической модели процесса подогрева ВСН, СВН и определение температуры общего потока нефти; распределения температуры в потоке транспортируемой нефти при стационарном течении; постоянного тока с независимым возбуждением электроприводов задвижек.

ФОМ при тепловой обработке потоков ВСН, СВН и вязкой нефти и их транспортировке состоит из дифференциальных и алгебраических уравнений:

<10^

Л

Лвст\

Л

:1 ж • °ст\ - °ж1 ' "12 ж'

\вп- кст 1 ■ вст11

Л Ц ¿1 ц 1

Л Л

л

■с2Л —т-Мс

О) (2)

(3)

(4)

<1вж 2 л

Мстг

л

Л ¿2 ¿2 ^2

~к7ж '^ст2~^ж2 'к22ж' ■~кст22 ~кст2 '&ст2'

¿О)

Н

■>2

(5)

Л

М.1 =

ДАл2 А"(. з

¿/о

'ж-1

л

Авж2 (¡1

Л

0ж\ + +

'^3 +

Мое „ +

ос л „ .

. ^ . ^ж! дг ,

Н--:--иж 1 Н - пж\'

л

<М„С Л

-0„

■впг +

л

¿г>жг

л

Сж2 + сжЗ +

Л

л

Л

(6)

(7)

(8) (9)

(Ю) (И)

(12)

Здесь: к1ж = (аг31)/СжГсж1, ="(»г51)/с;*гсж-1 >

Л2ж=(«1е51е)/Сж2-слс2, к22ж=На1е-Зи)/Сж2сж2 - эквивалентные коэффициенты для определения температуры ВСН и СВН в емкостях Е^н Е2\ а[у аи, - коэффициенты теплоотдачи от змеевиков к ВСН и СВН; 5,, 51е -

площадь наружной поверхности змеевиков в емкостях; <7жГ Ож2, сп, сж1, Сж2, С„- расходы и удельные теплоемкости ВСН, СВН и пара соответственно;

к-стП =(«2•52)/Сл ' к™\ =-(а2-52)/Ол с„, кст22=(а2е-52е)1Спе-спе ,

кСт2=-(а2е-52е)1спе-Спе ~ эквивалентные коэффициенты для определения температуры стенок змеевиков в емкостях; а2, а2е - коэффициенты теплоотдачи от пара к змеевикам в емкостях; 52,52е - площади внутренних

поверхностей змеевиков Рж2 'сж2 '

емкостях;

к,г=-

Рж\

к,г =

РжЗ 'сжЗ ■ (С'ж\ +Ож2)

Рж3 ' сжЗ ■ (Сж1 + °ж2) - эквивалентные коэффициенты для определения

температуры потоков ВСН и СВН, где сжЪсж2,сж3- удельные теплоемкости

ВСН, СВН и смешанной нефти.

В уравнениях (3), (4), (8), (9): А. ¿2 - сопротивление и

индуктивность в цепи якоря задвижек ЭЗ, и ЭЬ: Ч, с2 - константы для определения напряжения, возникающего в обмотке якоря и для вращающегося электромагнитного момента; - приведенные моменты инерции; Мс -

момент сопротивления на валу двигателя.

Расход пара, поступающего в емкости Д и Е2: =кСр[-Ц\ и С„2 -

определяется в л3/с, пропорционально углу поворота заслонок Я и й, при этом - коэффициенты открытия заслонки, зависящие от

конструктивного исполнения исполнительного механизма. Температура пара А,, = д°2 (град.), как теплоносителя принята постоянной, поэтому

Спсп

изменение количества тепла пропорционально изменению количества пара: ДЙ2 =ДС/"„ к„ (Дж/сек), где к„ - коэффициент пропорциональности.

Содержащиеся в детерминированной модели соотношения (12) для отклонения вязкости, дают большую погрешность из-за наличия в этих соотношениях неопределенностей, перечисленных выше. Поэтому адаптивная система с моделью - идентификатором дополняется нечетким регулятором.

Вязкость существенно влияет на мощность потребляемую насосом при транспортировке нефти:

Р =

V/

Ду, 3 -10 102-77о °жЪ-'тр.н

где - напор (.«) и к.п.д. насоса, Д",.з,ЛП.з - отклонение динамической и кинематической вязкости от температуры, ускорение свободного падения, Ю- затраты электрической энергии на транспортировку потока вязкой нефти (кВт ч), 1трм - время транспортировки (ч), с - удельные нормы затрат

электрической энергии на транспортировку ^кВт ч/м2

Затраты электрической энергии в дальнейшем отражаются на общей

себестоимости продукции.

В третьей главе приводятся результаты верификации ФОМ в производственных условиях относительно определяющих компонентов 6жЬвж2,вж3 как базового блока идентификатора. На рисунке 6 приведен

суточный график зависимости температуры в функции времени.

Работа модели проверена в ходе опытно-промышленной эксплуатации.

Определены невязки евжх =вжХ-0%жЛ, евжг=вж1-в*ж2. = вжЪ - вжг между измеренной вжЬ вж2, вжЪ и расчетной вж1, вж2, вж3 температурой нефти.

Рисунок 6-Суточный график зависимости Рисунок 7 - График зависимостиотклонения температуры в функции времени измеренной температуры от расчетных данных в

функции времени: выборка №2 из 12 опытов

Для использования статического критерия Стьюдента о допустимости гипотезы применения методик идентификации модели вж\, вжг, 0ж3использованы минимальные (ав |)ш«=<7((е«д.|)тт'' = )тт)"

(^3)тт=^((^)тт) и максимальные (0вж!)тах=^((^з>п^) отклонения

расчетных 9жЪот измеренных, вычисленных по формуле:

мг^?

где О(е0 ), - дисперсия отклонений, ь - число опытов,

(£вж1 )тт(тах) = ~ ^1|пйп(т„)' >ппп(тах) = \вж2 " '

(£0ж3 )тт(тах) = |?жЗ " Мгат(тах) •

Результаты экспериментального исследования режима работы ФОМ разбиты на 2 выборки. На рисунке 7 приведена выборка №2 из 12 опытов. Статические критерии о допустимости гипотезы из таблицы распределения Стьюдента при уровне значимости а=0,05(5%). Для выборки №2 1 = 1,55, |(й )тах | = 2,5, |(й )пиП| = 1,58. Гипотезу о правомерности математической модели температуры потоков нефти вж1, вж2, вж-$ можно считать справедливой.

В четвертой главе сформулирована и решена задача управления температурой потока с ФОМ в качестве идентификатора состояния потока смешанной нефти. В качестве критерия оптимизации в задаче управления вводится квадратичный функционал, подынтегральная функция которого зависит от двух векторных аргументов: вектора состояния ко; и вектора управления 1/(/) =1/(г(0) (обратная связь):

]т = ](г(0Г • б • z(t)+и(0Т ■ К • иЦ))А = °|(г(г)г ■ О. ■ г(0 + иш)т ■ К ■ I/(г(0))Л ,(13)

о

о

где £>, л - весовые матрицы.

Решение соответствующей оптимальной задачи для объекта (1) - (11) в пространстве состояний:

т = АКО+В-иО), з<0=Сг(0, (14)

в условиях ограничений ии) с о приводит (13) к виду

]т = )г • <2 • г(0 + (-Р ■ ))Т • Я • (-Р- г(0)Ж - (15)

о

где и(1(0)=-Р-гк)~ оптимальная обратная связь; /• = -(Г1 вг кт, К-положительно определенная симметричная матрица, являющаяся решением уравнения Рикатги: К А + АТ -К-К-В-ВГХ Вт = 43, (16)

л в- матрицы параметров объекта и управления соответственно, получаемые из уравнений объекта (1... 11) или соответствующей ему передаточной функции вида:

. Цу(01.

' Ц.и(г)] ап5г+а

+... + а]5 + ао

(17)

где ><0- выходной сигнал; Щ)- входной сигнал; I- оператор преобразования Лапласа; Ь„.....ап.....ао~ коэффициенты полиномов числителя и знаменателя

<12* 0 0 0 0 0 0 0 0 "

0 Кт\ 0 0 0 0 0 0

0 0 *22 ж *21 -к- 0 0 0 0 0 0

0 0 0 ксп12 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

к и ; в = _!_ 0

0 0 0 0 С21 0 0 0 Ц 0

л 0

0 0 0 0 0 0 «2 '-2 41 Ь1 0 1

<"21 н 0 0

0 0 0 0 0 0 0

с =

оооооо

о о

о

000000 0 0-^-0

_1_

Б реальных производи |всниыл пл. -----------

возможным измерить все переменные состояния. Достаточным представляется синтез системы управления, позволяющий восстановить недостающие координаты методами оценки переменных с помощью наблюдателя состояния, модель которого может быть представлена следующим уравнением:

1(0 = (А - С ■ С) ■ 2(0 + В ■ и И) + С • >'(г), (18)

где с- матрица наблюдателя системы, которая определяется исходя из условия, что быстродействие наблюдателя в 2...4 раза выше, чем системы.

Алгоритм управления температурой потока транспортируемой вязкой нефти (рис. 8) позволяет принять решение о регулировании температуры в т. С.

Согласно ГОСТ Р 51858-2002 динамическая вязкость должна находиться в пределах 1600 + 5000 мПа с При 20"с, 200 + 500 мПа -с при 40"С и 70-150 мПа с при 70°с. Поэтому температура смешанной нефти в т. С должна поддерживаться в границах от 10 до 20°С. При этом в летнее время этой

температуре соответствует 20 + 40"С в точке В, а в зимнее время - 50+70°С.

Рисунок 8 - Алгоритм управления температурой потока смешанной нефти

Рисунок 9 -Алгоритм идентификации

функционально-ориентированной моделитемпературы потока смешанной нефти

В диссертации предложена методика идентификации математической модели процесса температурной обработки потока смешанной нефти, на основании которой разработан алгоритм работы функционально-ориентированной модели, представленный на рисунке 9. Методика и алгоритмы идентификации параметров математической модели для потока СВН во внутреннем контуре системы управления (рис. 4) и модели для потока ВСН во внешнем контуре идентичны.

В пятой главе разработана автоматическая система управления процессом транспортировки потока смешанной нефти, содержащая подсистему адаптивного автоматического управления температурой потока нефти с моделью-идентификатором состояния в контуре, отличающаяся от известных обеспечением стабилизации заданной температуры потока нефти в условиях неопределенности.

Контур автоматического управления температурой потоков нефти с использованием подачи пара содержит последовательно соединенные звенья (рис. 10): непрерывное наблюдение, ФОМ, нечеткие звенья регулирования и регулирующие органы (задвижки на подачу пара в емкости Е[ и Е2).

Продолжительность периода идентификации ФОМ и ее погрешность могут оказаться слишком высокими в связи с невозможностью учета в структуре идентификатора состояния (ФОМ) неопределенности, связанной зависимостью температуры и вязкости потоков нефти от множества переменных ^л(вж1Лс^жМ,.2^Ж2^0ЖЪМЖ2У. физико-химического

состава и доли СВН, ВСН в потоке смешанной нефти, массовой доли воды, концентрации хлористых солей, механических примесей, серы, смолы, парафинов, насыщенных паров, асфальтенов и др. С целью повышения качества идентификации в условиях таких глубоких возмущений система дополнена нечеткими регуляторами.

Рисунок 10 - Структурная схема адаптивной подсистемы автоматического управления температурой потока нефти (в^,,^" выходные температуры ВСН и СВН)

На рисунке 11 представлена адаптивная система управления с нечетким регулятором. Нечеткий регулятор обеспечивает достаточное быстродействие регулирования и качество переходного процесса по сравнению с ПИ и ПИД-регуляторами в адаптивной системе, повышается эффективность управления транспортировкой вязкой нефти. При этом с помощью идентификатора состояния (ФОМ) в адаптивной системе повышается точность регулирования, так как осуществляется параметрическая корректировка базы правил для нечеткого регулятора. Изменение эмпирических зависимостей ^,.3(^3), вж\(С„\) поступающих на вход вычислительного блока ФОМ с интеграцией по времени в один час позволяет более точно настроить модель и провести коррекцию продукционных правил для нечеткого регулятора.

Таким образом, неполная исходная информация об объекте и условиях его функционирования требует корректировки закона управления, который реализуется посредством анализа поведения объекта при текущем управлении,

при этом управляющий сигнал по обратной связи объекта управления формируется нечетким регулятором.

На рисунке 11: И^ыМ. . и^иМ " передаточные функции объекта;

1^,(5), И^М - передаточные функции отрицательной связи; цМ, и2(5) -управляющее воздействие; б^оь &жй2 - возмущающее воздействие (исходная температура ВСН и СВН); в^ - управляемая переменная.

0Ж\ &ж!.1ад

0жО2 1

»"«.(О

Рисунок 11 - Адаптивная система управления в передаточных функциях Передаточные функции:

кЕЪ

Теъ-8 + \ 3

где кЕЪ, ТЕЪ - коэффициент усиления и постоянная времени для емкости Е3. Передаточные функции стенки змеевиков и емкостей Ег (1=7...2):

^стА*)--

0,.,

в»

«, V, " ОТ,

Передаточные функции исполнительных устройств:

-•,1 + 1

Щ^) = кСУУ

1

Тдв^ +1 5

кДВ1

где к(у - коэффициент согласующего устройства, Тдв - постоянная времени для двигателя в пределах от 0,6 до 1,8 е., кдв - коэффициент передачи для двигателя.

Нечеткий алгоритм составляется с учетом воздействия внешних климатических факторов и неоднородности нагреваемых структур. Разработаны нечеткие правила в режиме реального времени в диапазоне

изменения температуры ВСН от 40°С до 90°С, а СВН от 80°С до 90°С (рис. 12), с учетом изменения подачи пара. При этом скорость передачи тепла от змеевика к потоку ВСН будет выше, так как вязкость цжХ <цж2-

График зависимости температуры ВСН и СВН от расхода пара получен путем изменения угла поворота задвижки при подаче пара в змеевик емкости Е\, Е2 с шагом 10°С (рис. 12). В качестве управляющего воздействия на объект управления в нечетком алгоритме рассматривается скорость перемещения задвижки г5(*) = Л($9(г))/Л.

8Ь " '

gt) - яиких аппроксимации У* '■-------------46

¡5------1 -----\-~---—Г

а) б)

Рисунок 12 - Зависимость температуры нефти от расхода пара: а) для высокосернистой нефти, б) для сверхвязкой нефти

Функция принадлежности (ФП) рассмотрена на примере потока СВН: отклонение температуры =вж2-вх2зад, скорость её изменения

Хв 2 и скорость перемещения задвижки г5(г) показаны на рисунке 13,

где ZR - zero, NB - negative big, PB - positive big, NM - negative medium, PM -positive medium. ФП для потока ВСН определяется аналогично.

На рисунке 14 представлен алгоритм управления задвижкой по подаче пара. За основу взят известный метод автоматической модификации продукционных правил. Он предусматривает выделение зон в режиме реального времени и последующее изменение в соответствии с количеством выделенных зон функций принадлежности термов лингвистических переменных. С этой целью в процессе обогрева нефти управляющая программа выделяет точки перегиба функции изменения температуры ex2.jB зависимости

от изменения расхода пара Gnlj, где (у = 1..3),которые в дальнейшем

становятся границами новых зон. Каждой зоне определяются в соответствии термы лингвистических переменных «Температура», «Расход пара» и строятся их функции принадлежности упомянутых лингвистических переменных.

VI ) -2Я - - \В

¥2 ) -2Я--

А

и Н 14 11 Х

<4,

а)

4*2 )

* а о Хиж

б)

"Л Л Л Л А АЛ/ —' /у \/ууу у у.-!

- -N15 КМ

ж —гм

РВ

-г 0.1 -Об 0.« 0.2 о о.г 04 о.й о.з I В)

Рисунок 13 - Функции принадлежности для отклонения температуры Ав 1=вж2~ вж2.зад (а), скорости еа изменения Хо,2 /<*' (б) и скорости перемещения

задвижки (в)

Так как зависимость «температура нефти-расход пара» носит нелинейный характер, то область значений каждой переменной разбивается на неравные интервалы, например для нелинейной зависимости температуры СВН вж2 от

расхода пара <^¡2 разделены на следующие зоны:

для вж2е[80.82.51 1-\вж2 -82|Л).25 для вж2 е [«/,82.751 \-\вж2-82,^/0.25 для вж2 е [«2,«5.51 \-\ржг-83.Ц0.5 для 0ж2а[82.7,&41 у?2(0ж2)= 1-\вж2-8ЦМ25 для вж2е[83.7,84.81 \-\вж2-84,7^Ю.5 для вж2ч[84,85.5\ 1-|вж2-85,4\Ю.4 для вж2 е [84.7,8б\ \-\вж2 • 8б\/0.5 для вж2 е [«5.55,«б.71 1-\еж2-88\П для вж2£ [86,89.5]

Кривая <?ж2 =/(Сп2) на рисунке 12 разделяется на соответствующие зоны, в пределах которых она имеет постоянный угол наклона к оси абсцисс. Центр каждой зоны по оси Рисунок 14-Логическая схема алгоритма температур на рисунке 15 является функционирования нечеткого регулятора центром термов функции

принадлежности лингвистической переменной «Температура». Аналогичным образом строятся функции принадлежности термов для лингвистической переменной «Расход пара».

Алгоритм работы управляющей части системы формулируется в виде иерархического набора продукционных правил.

Е

УВ4^ ""

-.-а 1 -то / ■

[л»™1

Г

Общие правила управления по расходу пара, осуществляются следующей системой продукционных правил:

1. If (вж2 is вж1,) then (G„2 isGn21);

2. If (б»^ is вж22) then (G„2 isGn2 2);

3. If(^2is вж1Ъ) then (G„2isG„2.3);

4. If (вж2 is вж2Л) then (G„2isGn24);

9. If (^2is^2.9) then (Gn2isG„29).

Сравнительные результаты регулирования температурным режимом потока нефти по заданным законам

регулирования приведены на рисунке 16 (а, б). Результаты компьютерного моделирования технологического процесса температурной обработки и транспортировки потока нефти показали, что нечеткий регулятор обеспечивает наименьшее отклонение температуры от заданного значения по сравнению с альтернативными. Среднее отклонение контролируемого параметра от заданного: для HP - 3,6%, для ПИД-регулятора

- 4,4%, а для ПИ-регулятора - 5,7%. Максимальное перерегулирование: для HP

- 2,4%', для ПИД-регулятора - 4,8%, а для ПИ-регулятора - 6,8%. Температура потока достигает установившегося значения: для HP - 2400 сек, а для ПИ-регулятора и ПИД-регулятора - 3600 сек.

а) б)

Рисунок 16 - Графики изменения температур потока нефти по заданным законам регулирования: а) полное амплитудное значение, б) выделенный фрагмент

Рисунок 15 - Функции принадлежности термов лингвистической переменной «Температура»

Заключение

1. На основе системного анализа иерархических структур первичной подготовки и транспортировки вязкой нефти разработана математическая модель этого процесса, функционально ориентированная на применение в системах управления в составе идентификатора состояния, содержащая в своей структуре новые блоки - вычислительный блок функционально-ориентированной модели, нечеткие регуляторы, учитывающие неопределенность при математическом моделировании из-за взаимного влияния температуры потока и вязкости нефти.

2. Разработана методика идентификации температурного режима потока смешанной нефти, позволяющая по непрерывным наблюдениям косвенных параметров с высокой достоверностью определять температуру потока в характерной заданной точке.

3. Разработан алгоритм управления температурой потоков нефти с использованием нечеткого регулятора, учитывающий неопределенный характер объекта управления и влияние на него глубоких внешних и внутренних возмущений.

4. Разработана автоматическая система управления процессом температурной обработки потока вязкой нефти, содержащая подсистему адаптивного автоматического управления температурой нефти с моделью-идентификатором состояния в контуре и нечетким регулятором, отличающаяся обеспечением стабильного качества температуры потока нефти в условиях неопределенности.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

В изданиях из перечня рецензируемых научных журналах ВАК РФ:

1. Горшкова, К.Л. Применение нечеткой логики в управлении системами на примере регулирования динамического уровня жидкости в емкости/К.Л. Горшкова, Садыков А.Р., Фархутдинов Л.Ф. //Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - №5. - С. 102-110.

2. Горшкова, К.Л. Установка для поверки скважинных термометров с использованием нечеткой логики / К.Л. Горшкова, А.Р. Садыков, А.Р. Якупов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - №6. - С. 142-145.

3. Горшкова, К.Л. Математическая модель тепловых процессов объекта смешивания сверхвязкой и высокосернистой нефти с дальнейшей транспортировкой / К.Л. Горшкова, Д.Н. Нурбосынов, Т.В. Табачникова, А.Ф. Алексеев, Ф.Ф. Алексеев // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2013. - №3. - С. 183-190.

4. Горшкова, К.Л. Синтез нечетких алгоритмов управления на основе метода векторных функций Ляпунова для систем с запаздыванием / К.Л. Горшкова, А.Ф. Алексеев, Ф.Ф. Алексеев, Г.Л. Дегтярев//Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева,-2013.-№2.-вып. 1.-С. 134-140.

5. Горшкова, К.Л. К построению оценок областей устойчивого функционирования систем управления с учетом запаздывания / К.Л. Горшкова,

Ф.Ф. Алексеев, П.С. Широков // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева.-2013.-№2. -вып.1. — С.141-147.

6. Горшкова, K.JI. Системный подход и анализ иерархических структур при формализации процесса подготовки и транспортировки потоков нефти как объекта управления / K.JI. Горшкова, Д.Н. Нурбосынов, Т.В. Табачникова // Научно-технический журнал. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2015.-№7. - С. 18-25.

Другие издания:

7. Горшкова, K.JI. Анализ развития и современный технический уровень в нефтяной промышленности / К.Л. Горшкова // Информационное пространство современной науки: материалы Международной заочной научно-практической конференции, Чебоксары, 2010. - С. 280-281.

8. Горшкова, K.JI. Измерение количества и качества высоковязкой нефти в трубопроводах /К.Л. Горшкова //Молодая наука России: вопросы теории и практики: Материалы международной научно-практической конференции, Волгоград, 2010.-С. 34-35.

9. Горшкова, KJI. К вопросу о применение нечеткой логики (на примере нечетких регуляторов в АСУТП) / К.Л. Горшкова//Перспективы развития информационных технологий: сборник материалов Ш Международной научно-практической конференции, Новосибирск, 2011. - Часть 2,- С. 60-65.

10. Горшкова, К.Л. Применение нечеткой логики и нечетких регуляторов в АСУТП / К.Л. Горшкова // Ученые записки Альметьевского государственного нефтяного института. Альметьевск, 2011,- Том IX. - С. 180-184. П.Горшкова, К.Л. Применение нечетких регуляторов в АСУТП / К.Л. Горшкова//Материалы научной сессии ученых, Альметьевск, 2011. - С 134137.

12. Горшкова, К.Л. Анализ измерения расхода высоковязкой и битумной нефти / К.Л. Горшкова // Межрегиональная научно-техническая конференция, Ухта, 2011.-С. 164-167.

13. Горшкова, К.Л. Проектирование нечетких регуляторов для объектов управления с запаздыванием / К.Л. Горшкова, Х.У. Богданов // Региональная научно-практическая конференция «Научная сессия ученых АГНИ», Альметьевск, 2012.-С. 153-155.

14. Горшкова, К.Л. Применение нечеткой логики для регулирования температуры жидкости в емкости / К.Л. Горшкова, А.Р. Садыков, А.Р. Якупов // Ученые записки АГНИ, Альметьевск, 2012. - С. 193-196.

15. Горшкова, К.Л. Синтез нечеткого регулятора для объекта управления с чистым запаздыванием/ К.Л. Горшкова //Наука и современность - 2012: сборник материалов XV Международной научно-практической конференции, Новосибирск, 2012.-Часть 1.-С. 97-102.

16. Горшкова, К.Л. Система управления температурой с нечеткими регуляторами / К.Л. Горшкова // «Ашировские чтения»: Сб. трудов Международной научно-практической конференции, Самара, 2012. - Том 1. -С. 86-87.

17. Горшкова, КЛ. Разработка интеллектуальной системы управления на базе нечетких алгоритмов / Горшкова КЛ.//Молодежная научно-практическая конференция молодых работников ОАО «Татнефть» посвященной 50-летию НГДУ «Елховнефть», Альметьевск, 2012. - С. 112-114.

18. Горшкова, К .Л. Разработка математической модели технологического процесса предварительной подготовки сверхвязкой нефти и смешивания её с высокосернистой нефтью с дальнейшей транспортировкой / КЛ. Горшкова, Д.Н. Нурбосынов, Т.В. Табачникова // Экология и нефтегазовый комплекс. Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции, Атырауский институт нефти и газа, г.Атырау, РК, 2013. - С.463-469.

19. Горшкова, К Л. Разработка математической модели регулирования с нечеткой логикой на основе интеллектуальной системы синтеза управления технологическим процессом / КЛ. Горшкова //Ученые записки АГНИ, Альметьевск, 2013. - Т.Х1. - №-1. - С. 209-214.

20. Горшкова, КЛ. Анализ оптимальной системы управления при неполных измерениях для динамических объектов / К.Л.Горшкова //Региональная научно-практическая конференция «Научная сессия ученых АГНИ», Альметьевск, 2014. - С. 34-38.

21. Горшкова, КЛ. Синтез нечетких нейрорегуляторов для систем управления сложными объектами с применением динамических сетей и генетических алгоритмов [Электронный ресурс] / КЛ. Горшкова, А.Ф. Алексеев, П.С. Широков // XII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2014. Москва, 2014. - С.1937-1945. -Р(2кимдоступа:Ьйр://\/5ри2014л^^

22. Горшкова, КЛ. Снижение энергетических затрат при первичной подготовке и транспортировке нефти на основе системного анализа общей структуры производства / КЛ. Горшкова, Т.В.Табачникова //Ученые записки АГНИ, Альметьевск, 2015. - Т.ХШ. - №-1. - С. 292-306.

Личный вклад автора. В работах с [1...6] автору принадлежат разработка математических моделей, расчетная часть и выводы, а в работах [6...22] постановка задачи и методический подход.

Подписано в печать 29.09.2015г.

Формат 60x84/16 ПечатьЫБО Объем 1,5 ус.печл. Тираж 100 экз. Заказ № 179 ТИПОГРАФИЯ АЛЬМЕТЬЕВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

НЕФТЯНОГО ИНСТИТУТ 423450,Татарстан, г. Альметьевск, ул. Ленина, 2