ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ОБЪЕКТОВ ГАЗОВОГО ПРОМЫСЛА

Полезная модель относится к вычислительной, информационно-измерительной технике и может использоваться в газодобывающей, нефтедобывающей и других областях промышленности для формирования оптимального низкоэнергоемкого безгидратного режима поставки пластового флюида на переработку, выравнивания и поддержания заданного температурного профиля от промысловых скважин до входа перерабатывающего предприятия в автоматическом режиме.
Известна система сбора данных с помощью штатной SCADA-системы, которая включает технологическую базу данных штатной SCADA-системы, блоки, содержащие конфигурационные параметры, диспетчерский пункт, блоки информационно-управляющей системы, регистрирующей производимые измерения. Недостатком системы является отсутствие автоматического регулирования технологических параметров для добывающего предприятия в зависимости от состояния параметров кустовых скважин.
Известна также информационно-управляющая система стабилизации давления газожидкостной смеси полезная модель №58746. Она включает промысловые объекты (скважины, магистральные трубопроводы), блок конфигурационных параметров, технологическую базу данных штатной SCADA-системы, диспетчерский пункт наблюдения за технологическим процессом, блок регистрации производимых изменений, блок информационно-управляющей системы считывания данных, блок анализа изменения промысловой ситуации и принятия решений, блок расчета изменений производительности, блок распределений рассчитанных воздействий, блок выдачи управляющих воздействий, блок регистрации технологического процесса и истории событий, поток данных с датчиков промысловых объектов (сигналы и измеренные значения).
Информационно-управляющая система стабилизации давления газожидкостной смеси по полезной модели №58746 предназначена для выработки управляющих воздействий для поддержания стабильного давления газожидкостной смеси на входе перерабатывающего предприятия, обеспечивает оптимальную нагрузку при соблюдении технологических регламентов. Она взята за прототип.
Однако информационно-управляющая система стабилизации давления газожидкостной смеси не может осуществлять автоматическое управление температурными параметрами объектов газового промысла.
Задачей, решаемой полезной моделью, является выработка управляющих воздействий для поддержания необходимой температуры газожидкостной смеси на входе перерабатывающего предприятия, обеспечение оптимальной температуры в целях исключения гидратообразования при соблюдении технологических регламентов.
Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, заключается в применении и доработке средств, настроенных на выработку управляющих воздействий по автоматическому регулированию оптимальных параметров температуры для магистрального трубопровода посредством введения блоков и связей в информационно-измерительную управляющую систему (ИИУС), производящих считывание конфигурационных параметров и распределение оптимальной нагрузки на входе перерабатывающего предприятия в зависимости от технологических сценариев кустовых скважин. Для этого в информационно-измерительную управляющую систему автоматического управления температурными параметрами объектов газового промысла вводятся файлы накопления результатов работы ИИУС, блок анализа и вычисления необходимых приращений температуры для поддержания заданного температурного профиля, блок распределения вычисленных температурных уставок по подогревателям площадок скважин с учетом изменения температурных профилей, блок выдачи температурных уставок (вновь вычисленных) на контроллеры скважин, дающих газ, блок выравнивания температурного профиля на манифольде для соответствующего магистрального трубопровода, блок регистрации выполненных изменений с отображением на видеограммах диспетчера промысла и ведением журнала действий и событий, поток данных, отображаемых на видеограммах диспетчера для контроля действий ИИУС и корректировки ее динамических параметров, информационный поток из базы данных для функционирования ИИУС, основной поток данных для работы ИИУС, уточненный поток данных из основного потока данных с учетом корректировок по результатам анализа, основной поток данных из уточненного потока с учетом необходимых приращений температуры на подогревателях скважин, информационный поток вновь рассчитанных уставок по температуре, полученных в результате функционирования ИИУС и результатов динамической отбраковки скважин, не удовлетворяющих условиям регулирования, разрешения на управление, изменению границ регулирования, а также другие основные и уточненные потоки для функционирования блоков ИИУС и выработке корректирующих воздействий по температуре скважин.
Структурная схема информационно-измерительной управляющей системы автоматического управления температурными параметрами объектов газового промысла приведена на Фиг.1.
На Фиг.2 приведена функциональная схема, поясняющая работу блока анализа состояния промысловых объектов перед циклическим прогоном ИИУС.
На Фиг.3 приведена функциональная схема, поясняющая работу блока анализа и вычисления необходимых приращений температуры для поддержания заданного температурного профиля.
На Фиг.4 приведена функциональная схема, поясняющая работу блока распределения вычисленных температурных уставок по подогревателям площадок скважин (нагревательным элементам скважины) с учетом изменения температурных профилей.
На Фиг.5 приведена функциональная схема, поясняющая работу блока распределения вычисленных температурных уставок по подогревателям площадок скважин (нагревательным элементам скважины) с учетом изменения температурных профилей.
На Фиг.6 приведена функциональная схема, поясняющая работу блока выравнивания температурного профиля на манифольде для магистрального трубопровода.
На Фиг.7 приведена функциональная схема, поясняющая работу блока регистрации выполненных изменений, с отображением результатов на видеограммах диспетчера промысла и ведением журнала действий и событий.
Информационно-измерительная управляющая система автоматического управления температурными параметрами объектов газового промысла включает промысловые объекты 1, файлы конфигурационных и настроечных параметров 2, базу данных технологической SCADA-системы 3, диспетчерский пункт контроля и управления техпроцессом 4, файлы накопления результатов работы ИИУС 5, блок считывания параметрических данных ИИУС 6, блок анализа состояния промысловых объектов перед циклическим прогоном ИИУС 7, блок анализа и вычисления необходимых приращений температуры для поддержания заданного температурного профиля 8, блок распределения вычисленных температурных уставок по подогревателям площадок скважин с учетом изменения температурных профилей 9, блок выдачи температурных уставок (вновь вычисленных) на контроллеры скважин, дающих газ 10, блок выравнивания температурного профиля на манифольде для соответствующего магистрального трубопровода 11, блок регистрации выполненных изменений, с отображением результатов на видеограммах диспетчера промысла и ведением журнала действий и событий 12.
Выходы датчиков промысловых объектов 1 через поток данных с датчиков промысловых объектов 13 соединены с первым входом базы данных технологической SCADA-системы 3, а первый выход базы данных технологической SCADA-системы 3 посредством информационного потока в базе данных, откорректированного в результате работы ИИУС (уставки по температуре газа), подготовленного для автоматической отправки на контроллеры скважин средствами SCADA-системы 29 соединен с входами промысловых объектов 1. Второй выход базы данных технологической SCADA-системы 3 посредством потока данных, отображаемых на видеограммах диспетчера для контроля действий ИИУС и корректировки ее динамических параметров 14 соединен с первым входом диспетчерского пункта контроля и управления технологическим процессом 4. Третий выход технологической базы данных технологической SCADA-системы 3 посредством информационного потока из базы данных, для функционирования ИИУС 15 соединен с первым входом блока считывания параметрических данных ИИУС 6. Первый выход диспетчерского пункта контроля и управления техпроцессом 4 через дистанционный поток диспетчерского управления системами подогрева газа на площадках скважин (изменение режимов, выдача уставок по температуре и др.) 28 соединен со вторым входом базы данных технологической SCADA-системы 3. Второй выход диспетчерского пункт контроля и управления техпроцессом 4 посредством потока значимых команд для ИИУС 27 соединен со вторым входом блока считывания параметрических данных ИИУС 6. Выход блока считывания параметрических данных ИИУС 6 основным потоком данных для работы ИИУС 17 соединен с блоком анализа состояния промысловых объектов перед циклическим прогоном ИИУС 7. Выход файла конфигурационных и настроечных параметров 2 потоком конфигурационных данных для работы ИИУС 16 соединен с третьим входом блока считывания параметрических данных ИИУС 6. Выход блока анализа состояния промысловых объектов перед циклическим прогоном ИИУС 7 уточненным потоком данных из основного потока данных с учетом корректировок по результатам анализов 18 соединен со входом блока анализа и вычисления необходимых приращений температуры для поддержания заданного температурного профиля 8. Выход блока анализа и вычисления необходимых приращений температуры для поддержания заданного температурного профиля 8 основным потоком данных из уточненного потока, с учетом необходимых приращений температуры на подогревателях скважин 19 соединен со входом блока распределения вычисленных температурных уставок по подогревателям площадок скважин с учетом изменения температурных профилей 9.
Первый выход блока распределения вычисленных температурных уставок по подогревателям площадок скважин с учетом изменения температурных профилей 9 информационным потоком вновь рассчитанных уставок по температуре, полученных в результате функционирования ИИУС и результатов динамической отбраковки скважин, не удовлетворяющих условиям регулирования, разрешения на управление, изменение границ регулирования 20 соединен с первым входом блока выдачи температурных уставок (вновь вычисленных) на контроллеры скважин, дающих газ 10.
Второй выход блока распределения вычисленных температурных уставок по подогревателям площадок скважин с учетом изменения температурных профилей 9 основным потоком данных уточненного потока после распределения по заданному алгоритму по фонду скважин, дающих газ 21 соединен со входом блока выравнивание температурного профиля на манифольде для соответствующего магистрального трубопровода 11.
Первый выход блока выравнивания температурного профиля на манифольде для соответствующего магистрального трубопровода 11 основным потоком данных, откорректированный в части уставок по температуре газа с целью выравнивания температурного профиля на входных манифольдах 22 соединен со вторым входом блока выдачи температурных уставок (вновь вычисленных) на контроллеры скважин, дающих газ 10, при этом выход блока выдачи температурных уставок (вновь вычисленных) на контроллеры скважин, дающих газ 10 потоком данных информационного потока для записи в базу данных 25 соединен с третьим входом базы данных (БД) технологической SCADA-системы 3. Второй выход блока выравнивания температурного профиля на манифольде для соответствующего магистрального трубопровода 11 основным потоком данных, подготовленным для записи в файлы регистрации и видеограммы диспетчеру 23 соединен с блоком регистрации выполненных изменений с отображением на видеограммах диспетчера промысла и ведением журнала действий и событий 12. Первый выход блока регистрации выполненных изменений с отображением на видеограммах диспетчера промысла и ведением журнала действий и событий 12 потоком данных для записи в файлы истории событий и протоколирование выполненных воздействий 24 соединен с входом блока файлов накопления результатов работы ИИУС 5, а второй выход блока регистрации выполненных изменений с отображением на видеограммах диспетчера промысла и ведением журнала действий и событий 12 потоком данных для визуализации на рабочем месте диспетчера промысла в части подогревателей газа на скважинах и общих температурных показателей 26 соединен со вторым входом диспетчерский пункт контроля и управления техпроцессом 4.
Пример практического применения информационно-измерительной управляющей системы автоматического управления температурными параметрами объектов газового промысла.
С диспетчерского пункта контроля и управления техпроцессом 4 через дистанционный поток диспетчерского управления системами подогрева газа на площадках скважин (изменение режимов, выдача уставок по температуре и др.) 28 через технологическую базу данных штатной SCADA-системы 3 и далее через информационный поток в базе данных, откорректированный в результате работы ИИУС (уставки по температуре газа), подготовленной для автоматической отправки на контроллеры скважин средствами SCADA-системы 29 выдается задание по температуре для каждого трубопровода, обеспечивающего доставку добываемого газа на перерабатывающее предприятие. С датчиков промысловых объектов 1 через поток данных с датчиков промысловых объектов (сигналы и измеренные значения) 13 данные поступают в базу данных технологической SCADA-системы 3 и через информационный поток из базы данных для функционирования ИИУС 15 передаются в блок считывания параметрических данных ИИУС 6. Одновременно с диспетчерского пункта контроля и управления техпроцессом 4 через поток значимых команд для ИИУС 27 дублируется значения уставок в блок считывания параметрических данных ИИУС 6. В этот же блок по потоку конфигурационных данных для работы ИИУС 16 поступают данные для конфигурации по температуре из файла конфигурационных и настроечных параметров 2. Выработанный результат через основной поток данных для работы ИИУС 17 поступает на блок анализа состояния промысловых объектов перед циклическим прогоном ИИУС 7. В блоке 7 согласно функциональной схеме, представленной на Фиг.2, происходит анализ состояния датчиков, линий связи, скважин, магистрального трубопровода и определяются (выявляются) скважины, доступные для автоматического управления температурным профилем, а также доступность магистрального трубопровода для автоматического управления температурным профилем. С выхода блока 7 по уточненному потоку данных из основного потока данных с учетом корректировок по результатам анализа 18 поступает информация в блок анализа и вычисления необходимых приращений температуры для поддержания заданного температурного профиля 8.
В блоке 8 согласно функциональной схеме, представленной на Фиг.3, происходит вычисление общего приращения количества теплоты в магистральном трубопроводе, необходимого для распределения по скважинам, пропорциональное вычисленной величине приращения температуры в магистральном трубопроводе.
С выхода блока 8 изменение температуры по основному потоку данных из уточненного потока с учетом необходимых приращений температуры на подогревателях скважин 19 поступает на блок распределения вычисленных температурных уставок по подогревателям площадок скважин с учетом изменения температурных профилей 9.
В блоке 9 согласно функциональной схеме, представленной на Фиг.4, происходит вычисление новых уставок температуры в соответствии с распределенным на них изменением количества теплоты.
Из блока 9 по основному потоку данных уточненного потока после распределения по заданному алгоритму по фонду скважин, дающих газ, 21 информация поступает в блок выравнивания температурного профиля на манифольде для соответствующего магистрального трубопровода 11.
В блоке 11 согласно функциональной схеме, представленной на Фиг.6, производится вычисление новых уставок температуры скважин в соответствии с измененным для них количеством теплоты и выбор скважин с измененными параметрами - новыми уставками температуры и новыми диапазонами регулирования.
Информационный поток вновь рассчитанных уставок по температуре, полученных в результате функционирования ИИУС и результатов динамической отбраковки скважин, не удовлетворяющих условиям регулирования, разрешения на управление, изменение границ регулирования 20 поступает в блок выдачи температурных у ставок (вновь вычисленных) на контроллеры скважин, дающих газ 10.
В блоке 10 согласно функциональной схеме, представленной на Фиг.5, происходит выдача управляющих воздействий на контроллеры нагревательных элементов выбранных скважин с записью в базу данных технологической SCADA-системы 3.
В блоке 12 (Фиг.7) производится регистрация произведенных изменений для записи в файлы регистрации и визуализация состояния технологического процесса на видеограммах диспетчерского пункта контроля и управления техпроцессом 4.
Система работает в реальном масштабе времени. Данные считываются с датчиков скважин и магистрального трубопровода. На указанные объекты системой выдаются управляющие воздействия и уставки по управлению температурными режимами подогревателей (нагревательных элементов для скважин). Локальные средства автоматики выполнены на промышленных контроллерах Quantum фирмы Schneider Electric (объем памяти 2 Мбайт) со следующими характеристиками используемых модулей (ЦПУ 5×86, тактовая частота 133 МГц; ОЗУ - 4 Мб; ПЗУ - 1 Мб; время обработки логики 0.09 мс/к). Данные контроллеры используют следующие блоки ввода-вывода:
- модули аналогового ввода/вывода со стандартными сигналами 0-10V, ±10V, 0-5V, ±5V;
- модули дискретного ввода/вывода с 32 изолированными входами ~115V и 16 изолированными выходами ~24-48V.
Система функционирует на следующих технических средствах фирмы Sun Microsystems: серверы и рабочие станции управления технологическим процессом под управлением операционной системы Sun Solaris 10 64-bit.
Конфигурация серверов: Sun Fire V240 (количество процессоров - 2; тип процессора - UltraSPARC IIIi; тактовая частота процессора - 1 ГГц; объем оперативной памяти - 1ГБ RAM; жесткий диск - 80ГБ; объем кеш-памяти 2-го уровня - 1 МБ; количество PCI слотов - 3; сетевые интерфейсы - 4×10/100/1000BaseT Ethernet портов и 1×10BaseT порт сетевого управления; порты ввода/вывода - 1 последовательный порт, 1 порт сетевого управления, 2 порт USB, 1 порт Ultra160 SCSI; удаленное управление - ALOM; количество независимых источников питания - 2; дисковод - DVDLW; графическая карта - XVR100).
Конфигурация рабочих станций: Sun Ultra 25 (частота процессора - 1.34 ГГц; тип процессора - UltraSPARC IIIi; объем оперативной памяти - 1 ГБ RAM; жесткий диск - 80ГБ; сетевые интерфейсы - 2×1000 Ethernet; дисковод - DVDLW; графическая карта - XVR100).
В качестве технологической SCADA-системы используется SCADA-система фирмы «Cegelec Aniagen- und Automatisierungstechnik GmbH & Co. KG» (Германия): ViewStar 750. В качестве базы данных технологической SCADA-системы используется высокопроизводительный кластер Sybase.
На диспетчерском пункте контроля и управления техпроцессом происходит визуализация работы системы и состояние технологического процесса, с возможностью выдачи управляющих воздействий. Конфигурация компьютеров диспетчерского пункта контроля и управления техпроцессом: Dell OptiPlex GX620; с процессором Intel x86 Family 15 Model 6 Stepping 4 Genuine Intel ~3192 МГц; основная память 4Гб DDR-2, 533МГц; жесткий диск - 250ГБ; дисковод - HL-DT-ST DVD+-RW GSA-H21N; видеокарта - 256MB ATI RADEON X600 Secondary; операционная система - Microsoft Windows XP Professional 5.1.2600 Service Pack 3 Сборка 2600.
Программная часть системы реализована на 2 языках программирования высокого уровня. Для взаимодействия с технологической SCADA-системой и контроллерами промысловых объектов используется язык программирования высокого уровня С.Для проведения расчетов и взаимодействия между программными модулями используется язык программирования высокого уровня Perl.
Функционирование системы обеспечивается следующими программами: temp_init.exe - программа считывания конфигурационных и настроечных параметров; visual_info.exe - программа визуализации изображений на диспетчерском пункте контроля и управления техпроцессом;
real_state.exe - программа связи с контроллерами и считывания данных из базы данных технологической SCADA-системы; reg_temp.exe - программа вычислений для автоматического управления температурными параметрами объектов промысла; setpoint_temp.exe - программа выдачи управляющих воздействий на контроллеры нагревательных элементов промысловых объектов; archive_journal.exe - программа протоколирования выданных воздействий и ведения журнала истории событий в файлах накопления результатов работы системы.
Система позволяет осуществлять высокоточную стабилизацию температуры газожидкостной смеси на входе газоперерабатывающего предприятия, что сглаживает температурные изменения для отдельных скважин и ведет к уменьшению непроизводительных затрат на дополнительный подогрев пластовой смеси на площадках скважин, улучшению качества переработки продукции за счет обеспечения работы установок в оптимальном температурном режиме. Преимущество информационно-измерительной управляющей системы автоматического управления температурными параметрами объектов газового промысла заключается также в прозрачности для дистанционного диспетчерского воздействия на температурные режимы подогревателей на площадках скважин (нагревательных элементов скважин) в приоритетном режиме.