Управление системой поддержания пластового давления с использованием моделей конечно-автоматного вида

А.п. веревкин, о.в. кирюшин, Уфимский государственный нефтяной технический университет, г Уфа

управление системой поддержания пластового давления с использованием моделей конечно-автоматного вида

Закачка воды в пласт системой поддержания пластового давления (ППД) с помощью кустовых насосных станций (КНС) является наиболее распространенным и эффективным средством управления нефтеотдачей пластов. Однако задача автоматизации такой системы да конца не решена вследствие распределенности ее структуры, большого количества неизмеряемых параметров, по которым должно проводится управление, необходимости учета большого числа технологических ограничений и т.д. [1].

В качестве объекта автоматизации рассматривалась система ППД одного из месторождений, структура которой является достаточно типичной для месторождений Западной Сибири (рисунок 1).

Технологический процесс в системе поддержания ППД включает в себя этапы добычи артезианской воды, дегазации ее в сепараторах, отстоя в резервуаре, закачки с помощью агрегатов высокого давления (АВД). В состав системы входят вододобывающие артезианские скважины (Н-11...Н-18), сепараторы для дегазации артезианской воды (булиты Б-1, Б-2 и Б-3), АВД

для закачки воды в пласт (Н-1_Н-9),

резервуары установки подготовки нефти(УПН) для отстоя водонефтяной эмульсии (Р-1), магистрали и трубопроводная арматура.

Система управления технологическим процессом должна парировать:

• изменение расходных характеристик АВД,связанные с изменением напряжения питания электродвигателей, давлений в выкидной и всасывающих линиях (величина изменения расходов АВД может достигать 10 % при характерных скоростях изменения - от 0,1 до 0,2 %/мин);

• изменение подачи жидкости в резервуары УПН (величина изменений

может достигать 10-20 %, а скорость изменения в аварийных ситуациях - до 2 %/мин);

• изменение числа и характеристик насосов артезианских скважин (величина изменений - до 15-30 %, скорость - до 5-8 %/мин);

• изменение давления газовой подушки в сепараторах (величина изменений при исправном регуляторе - до 10 %, скорость - до 2-5 %/мин).

На основе имитационных экспериментов было выявлено, что существующая система управления не способна к парированию возмущений такой интенсивности, поэтому принято решение о разработке более совершенной системы управления ситуационного типа, когда управления (и их интенсивности) выбираются, исходя из ситуации, характеризуемой всей совокупностью параметров КНС.

ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ППД

Задачи управления с точки зрения их важности могут быть разделены на два уровня. Задачи верхнего уровня:

• стабилизация режимов закачки воды в пласт при наличии возмущений со стороны пласта, напряжения питания электродвигателей, изменения характеристик АВД;

• стабилизация режимов работы КНС при наличии возмущений со стороны пласта по количеству жидкостей, поступающей на УПН;

• обеспечение безаварийного включения АВД, то есть обеспечение реализации управлений по числу включенных в работу АВД.

К задачам нижнего уровня относятся задачи поддержания технологических параметров: уровней в сепараторах, давления газовой подушки в сепараторах, уровня в резервуарах УПН, давления на всасе АВД.

Необходимо при этом учитывать ограничения на число операций включения/ отключения насосов артезианских скважин, насосов откачки жидкости УПН и АВД.

При разработке более совершенной системы управления в качестве управляющих воздействий на объект рассматривались:

• управление работой дискретного клапана сброс газа из сепараторов (поддержание давления в сепараторах косвенно влияет на давление всаса АВД и расход жидкости с УПН);

• включение/выключение насосов артезианских скважин и изменение производительности некоторых из них за счет использования частотно регулируемого привода (регулиро-

15 ЛЕТ НА РЫНКЕ!

Россия, 123060, г. Москва, ул Расплетина, д, 5

Тел.: 14991198 7561,198 9649,198 9704 Факс: 14991198 7561 Е-таН: eLna@sniip.ru I ууут,elnavf.ru

Автоматизированные системы управления непрерывными процессами в газовой и атомной промышленности, тепловой и гидроэнергетике.

,1

внедренческая фирма

Новейшие отечественные технологии Высокое качество и надежность

Промышленные

контроллеры

Инвестиции

tв строительство объектов энергетики

Проектирование и строительство малых современных газотурбинных электростанций с паровым циклом

I

Рис. 1 - Технологическая схема КНС

вание подачи от скважин позволяет поддерживать уровень и давление в сепараторах);

• включение/выключение насосов откачки жидкости с УПН, что позволяет регулировать уровень в резервуаре УПН, давление всаса АВД и подачу жидкости из сепараторов;

Сложность разработки алгоритмов управления обусловлена особенностями КНС как объекта управления:

• сильной взаимосвязью управляемых параметров как между собой, так и с управляющими параметрами, что не позволяет выделить для каждого управляемого параметра собственный (главный) управляющий параметр;

• наличием жестких ограничений на отдельные технологические параметры; в частности, если не обеспечивается давление жидкости на всасе АВД, работа последних должна блокироваться (см. ПБ 09-170-97 и ПБ 09-297-99). По аналогичным причинам должна блокироваться работа насосов откачки жидкости с УПН при понижении уровня в резервуарах ниже допустимого значения. Работа АВД должна блокироваться также по минимально допустимым уровням в сепараторах и в резервуаре УПН;

• число управляющих параметров меньше числа управляемых параметров.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ ПОДУШКИ И УРОВНЕЙ В СЕПАРАТОРАХ

Для решения задачи предложен метод дискретно-частотного комбинированного управления.Принцип комбинированного управления применительно к рассматриваемому объекту реализован на основе непосредственного измерения расходов с АВД, с УПН и из сепараторов.

Определение внутренних переменных:

• НН = (Н > Н+);НМ = (Н < Н+) и (Н > Н-);НЬ = (Н < Н-) - логические переменные, соответствующие превышению максимально допустимого уровня, номинальному уровню и снижению уровня ниже минимально допустимого;

• ДН = Н - Нпред. - изменение уровня;

• VN =

и (ДН < ДН+); VP = (ДН > ДН+) - логические переменные, соответствующие падению уровня, его неизменности и росту;

Коал-г

я

расчетное значение числа включенных насосов (функция [---.] - округление, Сном - номинальный расход одного насоса).

Правила для определения приращения частоты ЧРП:

Если (НМ и VN) или ^ и VZ) или ^ и VN) то Дш = 0,1;

Если ^ и VP) или (НМ и VZ) или (НН и VN) то До = 0 и К“ = 0 и К- = 0;

Если (НМ и VP) или (НН и VZ) или (НН и VP) то Дсо = -0,1.

Если ( Дш > ютах - ю) то = К = 1; Дш = 0.

Если (-Дш > ю - ют(„) то К = 1; Дш = 0.

ю = ю + Дш (здесь ю и Дш - текущая частота и ее приращение).

К 2Т = К Й+ + К - К - коррекция расчетного значения числа включенных насосов.

Правило определения количества включаемых/выключаемых насосов:

• Если

то {включение насосов}

К= Эка* - т^баео

аёё ш аёё

• иначе {выключение насосов}

К= Т/'баёб - V

аёё = *Чёё ^ ^ _

Здесь приняты обозначения: К &?',

- соответственно расчетное и фактическое количества включенных насосов артезианских скважин; К и

- дополнительные переменные для коррекции расчетного значения числа включенных насосов; Квкл. и Квыкл. - количества включаемых и выключаемых насосов.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВД

Входными параметрами для алгоритма являются: Нрез. - уровень в резервуаре УПН; Рвс. - давление на всасе АВД; Р2 - давление газовой подушки в сепараторах; 04^ - заданное давление Р2; 5вкл. - запрос на включение очередного АВД; САВД - номинальный расход включаемого САВД; пнас. - число работающих насосов. Используемые константы:

ДО?84 - шаг по изменению давления

Р2;

- минимальное значение давления всаса;

- уровень по давлению всаса;

Т7. , Т,°. и I,. - соответственно мини-

А3а5 о45

мальное, среднее и максимальное значения уровней в резервуаре УПН;

D^i D2 - минимальное и максимальное значения Р2; KG1 и KG2 - коэффициенты наклона характеристики Рвс^АВД) при 1 и 2-х работающих насосах УПН при GABfl > 1000 м3/час. Внутренние переменные: ДР2 - задаваемое приращение давления Р2; - прогнозируемое значение Рвс.

Выходные переменные: S^. - разрешение включение очередного АВД; Бзапрет

- запрещение включение очередного АВД; и S^B - сигналы на включение и выключение насоса УПН; и - рекомендации к включению и выключению АВД; - заданное давление Р2.

Алгоритм формирования управлений имеет вид:

1. Правило поддержания давления.

Если (Рвс. < ) то

если (Р2 < D- ) то ДР2 = ДЕ)|М иначе

если (Пнас = 1) то Sj£ иначе .

иначе

2. Операции при включении очередного АВД.

Если (БвКЛ) то

если (Рвс > ) то БРазР.

если (Пнас = 1) то = Kg1*Gn + Pвс

иначе = D““ Kg2*Gn + Pвс;

если (D^“ > Dgj ) то ^

иначе

есл и (Df8 < Dj ) то AP, = AD*“ иначе

если (Пнас = 1) то SJS иначе Sзапpет.

3. Если ^с > D^) и

и (не SвKЛ) то AP, = - ADf.

4. Если (Hpез > ) то

если (пнас = 1) то иначе S^f.

5. Если (Hpез < ) то

если (Пнас = 2) и ^вс > Dfa) то S“ иначе Sjg*

6. Pеализация управлений:

D|M = -£)Ф + ap,;

если ( ) и (Пнас = 1) то Пнас = 2;

если ( S^g ) и (Пнас = 2) то Пнас = 1.

трансформация продукционной системы в модЕЛЬ КоНЕчно-АвтомАтного видА

Для реализации разработанных алгоритмов управления на базе промышленных контроллеров необходима их интерпретация в виде логических выражений конечно-автоматного вида. Для этого предложен метод формирования таких выражений, адекватных исходным правилам, включающий в себя алгоритмы разрешения конфликтов и выявления тупиковых ситуаций, основанные на промежуточном представлении наборов правил в виде сетей Петри. Метод реализуется путем выполнения следующих шагов:

• ш аг 1. Подготовка ПС. B исходном наборе правил возможно использование лингвистических высказываний и нечетких переменных. Для них необходима замена четкими переменными.

• шаг 2. Обобщение правил. Проводится сокращение числа правил путем

объединения правил, имеющих одинаковые антецеденты или консеквенты.

• Шаг 3. Представление набора правил в виде сетей Петри. Поскольку для данного класса сетей разработаны алгоритмизируемые методы определения их свойств, анализ набора правил сводится к более простым и надежным процедурам анализа сетей Петри (определения живости, безопасности и др.). В случае сильной разветвленности сети проводится декомпозиция на подсети.

• Шаг 4. Синтез логических выражений для переменных состояния. Свойства полученных подсетей обычно определяются путем построения графа достижимости, определения количества состояний в которых может находится каждая подсеть. Для кодирования состояний вводятся логические переменные состояния Ri.

Предлагается синтезировать логические выражения для переменных состояния с помощью укрупненных таблиц состояний, описанных в [2].

• Шаг 5. Синтез логических выражений для управляющих воздействий. На заключительном шаге записываются логические выражения для управляющих воздействий.

В результате применения методики формируется конечно-автоматная модель, адекватная исходной ПС, и легко реализуемая в большинстве логических контроллеров.

Поскольку для управления КНС разработаны два автономных алгоритма (алгоритм управления давлением газа и уровнем в сепараторах и алгоритм поддержания режимов работы АВД и уровня в резервуарах УПН), то далее с использованием описанного метода будут синтезироваться две независимые автоматные модели.

Для интерпретации первого алгоритма вводятся следующие логические переменные: DWP - переменная, соответствующая приращению частоты ЧРП А ш = 0,1; DWN - переменная, соответствующая приращению частоты ЧРП А ш = - 0,1; К0 и К1 - переменные, соответствующие состояниям переменных К = 1 и К’р = 1 соответственно; W0 = (штах - ш < 0,1) - ограничение частоты ЧРП сверху, W1 = (ю - (от(П < - 0,1) -ограничение частоты ЧРП снизу.

Тогда алгоритм управления можно представить в виде набора правил:

Рис. 2

Если (НМ и VN) или ^ и VZ) или ^ и VN) то DWP = "1";

Если (Н1_ и УР) или (НМ и VI) или (НН и то

DWP = "0", DWN = "0", К0 = "0", К1 = "0";

Если (НМ и УР) или (НН и VI) или (НН и УР) то DWN;

Если W0 то К1 = "1", DWP = "0", DWN = "0";

Если W1 то К0 = "1", DWP = "0", DWN = "0".

Анализ правил конфликтов не выявляет. Набор правил относится к комбинационному типу, поэтому логические выражения для выходных переменных могут быть получены непосредственно по правилам:

DWP = (НМ^ + HL*VZ + HL*VN)*NOT(HL*VP + НМ^ +

+ НН^)^0Т^0 + W1),

DWN = (НМ^ + НН^ + НН^)* N0^^ + НМ^ +

+ НН^)^0Т^0 + W1),

К0 = N0^^ + НМ^ + НН^^0, К1 = N0^^ + НМ^ + НН^^1. При интерпретации второго алгоритма производится подготовка правил путем их записи в терминах двузначной логики. Для этого вводятся вспомогательные переменные:

P0 = (Рвс < ^ )*1 = (Рвс > ^ );

P2 = (Р2 < В+2 ); P3 = (Рвс > В* );

N1 = (Пнас = 1),^2 = (Пнас = 2);

13ш = КС1*СМ + Рвс; 0““ = КС2*СМ + Рвс;

PP1 = ^ > О- );

pp2 = да > = да < ^ );

Н0 = (Нрез > 1° );Н1 = (Нрез > 4);

Н2 = (Нрез < V

DP1 = (ДР2 = - ДО|м);

DP2 = (ДР2 = ДО^).

Исходные правила могут быть представлены в виде:

Секция 1.

если P0 и P2 то DP2; если P0 и и N1 то Б?-! ; если P0 и и то Б^;

Секция 2.

если Бвкл и Р3 то Бразр.;

если Бвкл и Р3 и

или (N2 и PP2)) то Бразр.;

если Бвкл и Р3 и ((N1ёPP1)ёёё(N2ёPP2)) и PZ то DP2;

если Бвкл и Р3 и ((N1ёPP1)ёёё(N2ёPP2)) и PZ и N1 то 8^;

если Бвкл и Р3 и ((N1ёPP1)ёёё(N2ёPP2)) и PZ и N1 то Бзапрет;

Секция 3.

если Р1 и Н0 и то DP1;

Секция 4.

если Н1 и N1 то Б^; если Н1 и то Б^^; если Н2 и N2 и Р3 то ; если Н2 и то 8^.

Анализ правил показывает, что конфликты между правилами отсутствуют, а секции правил относятся к комбинационному типу.

Сеть Петри для координирующего автомата имеет вид, представленный на рисунке 2, где каждому переходу поставлена в соответствие секция правил.

Для переменных состояния координирующего автомата получены выражения:

1^! = И.2 Т + + Ь^ЫгТ,

^2 = КД + 1^2 Т.

Логические выражения для выходных

координат:

йР1 = *Р1*Н0^ ;

DP2 = ^* Я2 *Р0*Р2 + R1*R2*Sвкл*P3* ((И1*РР1) + (N2*PP2))*PZ;

БЇЇ = Йі* Ь^2 *P0*P2*N1 +

+ К1^2*Бвкл*Р3* ((N1*PP1) + (N2*PP2))*PZ*N1 + R1*R2*Н1*N1;

вде = R1*R2*Н2*N2*Р3;

= ^*£г*Н^1;

8^ = R1%*P0*P2*N1 + R1*R2*H2*N2 + R1*R2*H2*P3;

Бразр. = R1*R2*Sвкл*P3*(N1*PP1 + N2*PP2);

Бзапрет = £,*^^3* ((N1*PP1) + (N2*PP2))*PZ*N1.

АНАЛИЗ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛУЧЕННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Для оценки эффективности разработанных алгоритмов на имитационной модели проведены сравнительные эксперименты с существующей и синтезированной системами управления, которые показали, что синтезированная система отрабатывает возмущения заявленной интенсивности со стороны АВД,обеспечивает меньшую амплитуду колебаний уровней в сепараторах при минимальном количестве включений/выключений насосов ВДАС. Даже при возникновении возмущений по расходу САВД = 500 м3/час система управления как

по уровням в сепараторах, так и по давлениям успешно его парирует, поддерживая параметры в заданных пределах.

В ходе работы алгоритм управления поддерживает величину давления на всасе АВД не ниже 1,0 атм при любых допустимых изменениях расхода на АВД.

В номинальном режиме работы системы уровень в резервуаре УПН изменяется в пределах ±1,5 м относительно среднего уровня, равного 6 м, при изменении расхода на УПН ±200 м3/час и включении/ выключении АВД.

Таким образом, предлагаемый алгоритм управления обладает требуемым качеством управления давлением на всасе АВД и уровнем в резервуаре УПН и обеспечивает поддержание технологических параметров строго в допустимых пределах.

Литература:

1. Веревкин А.П., Кирюшин О.В. Управление кустовой насосной станцией на базе продукционной системы.//Математические методы в технике и технологиях ММТТ-14: Сб. трудов Международ. науч. конф., Смоленск, 2001. -С.154.

2. Веревкин А.П., Кирюшин О.В. Разработка логических алгоритмов для целей реализации на микроконтроллерах.// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2001, № 11. -С. 5-8.

Газосигнализаторы «Нікеп»

испытаны временем и морозом

Компания «^кеп Ке1к1», являющаяся признанным лидером на рынке систем газосигнализации, уже около 40 лет успешно поставляет свои сигнализаторы в Россию и страны СНГ.

За долгие годы эксплуатации в суровых условиях России сигнализаторы «№кеп» доказали свою точность, высокое качество и надежность, предотвратив множество аварий. Все приборы сертифицированы, внесены в государственный реестр СИ, а также имеют разрешение на применение и сертификат о взрывозащищенности. Сервисный центр в Москве. Возможно проведение апробации портативных сигнализаторов.