Автоматизовані системи управління на виробництві

УДК685.5.043:621.64.029

д.т.н. Семенцов Г.Н., Бляут Ю.Є.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

ІЄРАРХІЯ І ОСОБЛИВОСТІ АВТОМАТИЗОВАНОГО УПРАВЛІННЯ ГАЗОТРАНСПОРТНОЮ СИСТЕМОЮ

Масштаби споживання газу у сучасних умовах викликають необхідність збільшення надійності газотранспортної системи (ГТС) і відповідно її пропускної спроможності, що в свою чергу в значній мірі підвищує вимоги до якості управління ГТС. Велика протяжність трубопроводів, розподілений характер об'єктів ГТС, жорсткий технологічний взаємозв'язок об'єктів транспортної магістралі, складність природно-кліматичних умов та інші особливості створюють додаткові трудності в управлінні.

Технологічними об'єктами управління в ГТС, для яких створюються АСУТП, є магістральний газопровід (МГ), комплекси газотранспортного обладнання спільно з компресорною станцією (КС) і прилеглою лінійною ділянкою, а також станції підземного зберігання газу (СПЗГ).

Відомо [1], що до складу газотранспортної системи України входять магістральні газопроводи, які з'єднані з 13 підземними сховищами газу і мають протяжність близько 37 тис.км, 71 компресорна станції (108 компресорних цехів) та 1450 газорозподільчих станцій. Загальна кількість газоперекачувальних агрегатів становить 692 одиниці, у тому числі 438 з газотурбінним приводом, 158 з електроприводом та 96 газомотокомпресорів.

Технологічні процеси ГТС мають наступні особливості: неперервність при розподілених технологічних об'єктах; залежність режиму роботи ГТС від режиму роботи газотранспортних підприємств (ГТП) і газовидобувних підприємств (ГВП), а також режиму газоспоживання; нестаціонарність, яка викликана нерівномірністю газоспоживання і аварійними режимами; інерційність (запізнення від моменту надходження газу в МГ).

Сучасні ГТС характеризуються об'єднанням великої кількості технологічних параметрів, які безпосередньо або побічно впливають на техніко-економічні показники, тому ефективна робота технологічного комплексу організовується за так званим ієрархічним принципом.

Газотранспортна система в Україні організована у вигляді трьох груп задач управління, які в ієрархічному відношенні утворюють три рівня (рис.1).

АСУТП-1

АСУТП-n

Нижній

рівень

Верхній

рівень

	Рисунок 1- Ієрархія управління ГТС

До верхнього рівня відносяться задачі організації, синхронізації і координації взаємозв'язку технологічних операцій і обладнання. Об'єктом управління у цьому випадку є весь технологічний процес з технологічним обладнанням.

До середнього рівня відноситься вирішення задач оптимізації технологічних режимів окремих ділянок і процесів. Об'єктами управління на цьому рівні є технологічні процеси разом з обладнанням і локальними системами автоматизованого керування (САК). Крім цього, до функцій управління на цьому рівні входить виявлення і ліквідація аварійних режимів, перемикання обладнання в технологічних схемах, розрахунок техніко-економічних показників процесів та ін. Наведені функції управління відносно складні і не можуть бути в цілому покладені на автоматизовані пристрої. Тому у системах управління технологічними процесами (АСУТП) застосовують керуючі обчислювальні машини (КОМ), а в процесах управління бере участь людина-оператор КОМ.

До нижнього ієрархічного рівня відносяться задачі контролю і стабілізації окремих режимних параметрів. Вони вирішуються локальними автоматичними системами і пристроями без участі людини і тому системи регулювання нижнього ієрархічного рівня називають також системами автоматичного керування (САК). Об'єкти регулювання на цьому рівні − елементарні процеси з відповідними технологічними апаратами.

Багаторівнева структура сучасних ГТС диктує необхідність максимальної формалізації вирішення задач автоматизації на всіх ієрархічних рівнях. Ефективність побудови таких систем залежить від локальних систем автоматичного керування нижнього рівня, які здійснюють вимірювання, регулювання і контроль технологічних параметрів, які характеризують технологічний процес.

Розроблення системи управління складними ГТС можна віднести до задач, ефективне вирішення яких не можливе без застосування системних методів аналізу, глибоких досліджень статичних та динамічних властивостей системи, вивчення її зовнішніх зв'язків і взаємозв'язків її елементів.

При дослідженні і розробленні складних систем управління технологічними процесами у газовій промисловості одним із головних етапів є створення і використання різних математичних моделей, обумовлення діапазону їх використання.

Необхідність моделювання процесів викликана тим, що фізичні моделі для ГТС або відсутні, або використовуються недостатньо достовірні дані. На практиці використовують наступний спосіб управління режимами газопостачання. В першу чергу визначається деяка група споживачів, кожна із яких має резервний вид палива (в літній період це теплові або атомні електростанції). У випадку порушення балансу між надходженням газу і попиту на нього, так звані буферні споживачі із виділеної групи обмежуються. Аналіз реальних ситуацій показує, що перерозподіл потоку газу і коливання його подачі значно знижують техніко-економічні показники всіх елементів ГТС.

Вирішення задачі оптимізації управління потоками газу в системах магістральних газопроводів за деяким критерієм ускладнюється необхідністю розгляду не окремої ділянки ГТС, а всієї системи в цілому, стохастичністю характеру більшості вихідних даних, відсутністю аналітичних виразів для розв’язку рівнянь, які описують нестаціонарні явища у розгалужених газопроводах. Навіть простий числовий розв’язок стаціонарної спрощенної системи цих рівнянь, які є ідеалізацією реальних явищ в трубопроводі, досить складна задача. Спроба наближеного аналітичного розв’язку “глобальної задачі” оптимізації нереальна. Тут, очевидно, треба шукати деякі компромісні розв’язки, які дають принципіальну можливість управління в реальному часі і, які відображають всі найбільш суттєві риси об’єкта управління.

Як згадувалося вище, ГТС – типовий приклад великих систем. Важкість управління такими системами обумовлена необхідністю обліку значного числа різноманітних факторів. Подібні труднощі виникають також на стадії проектування великих систем. Тому актуальним є використання сучасної комп'ютерної техніки і різних методів імітаційного моделювання.

Одним із факторів, який ускладнює управління ГТС, є нерівномірність газоспоживання, так як технологічні процеси споживачів носять, в загальному випадку, нестаціонарний характер [2]. Коливання тиску в газопроводі також носять неустановлений характер, так як змінюється величина відбору газу споживачами і можливе вмикання і вимикання будь-якого з багаточисленних елементів газопроводу. Отже, такі збурюючі дії, як вмикання та вимикання буферних споживачів і перекачувальних агрегатів, відкриття та закриття кранів на лінійній частині, утворення гідратів, витоків та ін., вже призводять до того, що газопровід працює в неусталеному режимі.

Для регулювання споживання газу і аналізу аварійних ситуацій необхідно розробити математичні моделі процесів, які виникають в ГТС і які задовільняли би вимогам точності системи автоматичного управління і були максимально простими.

Для вирішення задач управління ГТС при застосуванні сучасних методів управління необхідно знати динамічні характеристики об’єктів ГТС. Для цього доцільно використовувати формалізацію технологічних процесів ГТС. Наявність математичної моделі об’єктів ГТС дозволить правильно вибрати параметри структури, а також технічні засоби управління, визначити критерії оптимальності і визначити точність та ін. Вихідну модель явищ і процесів в ГТС не завжди вдається вибрати з високою точністю, яка б відповідала реальному явищу і процесу.

Таким чином, при вирішенні задачі побудови математичних моделей необхідно враховувати такі особливості ГТС [3]:

– стохастичний характер основних процесів в системах (наприклад, випадкова зміна споживання газу);

– суттєва нестаціонарність режимів работи ГТС (збурення, можливі зміни структури мережі трубопроводів внаслідок відкриття чи закриття засувок в процесі експлуатації);

– інерційність технологічних процесів ГТС;

– наявність значного числа взаємодіючих елементів, які характеризуються великою кількістю вхідних і вихідних змінних. Крім цього, ГТС мають властивість суцільності, яка характеризується наявністю зв’язку кожного елементу системи з іншими елементами так, що зміни в одному елементі призводять до змін в інших;

– складний характер залежностей між вхідними і вихідними змінними, нелінійність зв’язку між ними, наприклад, коефіцієнт гідравлічного опору нелінійно залежить від швидкості руху газу в трубопроводі;

– нестаціонарність статичних і динамічних характеристик об’єктів внаслідок відкладення гідратів і конденсату, виникнення водяних пробок, замерзання вологи в трубопроводі, зміна параметрів об’єктів в процесі їх старіння чи заміни новими;

– просторовий розподіл параметрів об’єктів (наприклад, рух газу в трубопроводах описується диференціальним рівнянням в часткових похідних);

– вплив навколишнього середовища (наприклад, тиск і температура в різний час дня і року).

– для цілого ряду елементів ГТС (компресорної станції, лінійної арматури та ін.) стала часу об’єкта автоматичного управління значно менша до сталої часу лінійної частини газопроводів (приблизно 3-6 год. на 100 км довжини), тому в загальній структурі технологічної ланки достатньо використання статичних характеристик.

Відомі аналітичні методи дослідження ГТС можна застосувати для випадків, коли розглядається простий елемент. Однак при аналізі складних ділянок ГТС задача дослідження ускладнюється тим, що режими роботи описуються системою диференціальних рівнянь в часткових похідних із врахуванням законів потокорозподілення (Кірхгофа) у вузлах контурів ГТС. Лінійна частина ГТС є системою з розподіленними параметрами, тому динамічні характеристики визначаються при ступеневих зовнішніх діях розв’язком деференціальних рівнянь в часткових похідних. Аналитичний розв’язок цих рівнянь може бути також отриманий класичними методами, наприклад, методом Фурьє або методом Д’Аламбера [2]. При застосуванні цих методів, розв’язок представляється або у вигляді нескінченного ряду падаючих і відображених хвиль, або у вигляді нескінченного ряду гармонік. Через громіздкість і складність такого роз’язку використання їх для задач автоматичного управління системами газоспоживання незручне.

Отже, найважливішою задачею управління газотранспортної системи є підвищення надійності експлуатації елементів ГТС, зменшення витрат на обслуговування та ремонт.

Література

1. Скріпка О.А. Контроль технічного стану відцентрових нагнітачів газоперекачувальних агрегатів на принципах нейронних мереж: Автореф.дис…канд.техн.наук: 05.11.13 / Ів-Франк.нац.техн.ун-т нафти і газу.– ІваноФранківськ, 2007.– 19 с.

2. Трубопровідний транспорт газу // М.П.Ковалко, В.Я.Грудз, Б.В.Михалків, Д.Ф.Тимків, Л.С.Шлапак, О.М.Ковалко; за редакцією М.П.Ковалко – Київ: Агенство з раціонального використання енергії та екології, 2002.– 600 с.

3. Щербаков С.Г. Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа. М.: Издательство "Искра".– 1982.– 205 с.