ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НА ГАЗОВОМ ПРОМЫСЛЕ

Полезная модель представляет собой программно-аппаратный комплекс, предназначенный для управления различными механизмами технологического комплекса на газовом промысле. Полезная модель обеспечивает возможность оптимального управления различными процессами технологического комплекса с обеспечением наилучших критериев качества при регулировании.
Известны патенты, в которых описаны способы регулирования процессов на нефтегазовых промыслах с предварительным созданием математических моделей на основе измеряемых данных, например, патент ЕР №2606402 от 26.06.2013 «Вычислительное устройство и способ для многокомпонентной оптимизации в режиме реального времени» (патентообладатель [СА] MFG TECHNOLOGY NETWORK INC, Кл. МПК G05B 13/04; G05B 19/418), патент США №. №6266619 от 24.07.2001 «Способ и устройство разработки месторождения» (патентообладатель Halliburton Energy Serv Inc [US], кл. МПК Е21В 43/00; Е21В 43/12; G06F 19/00) и т.д. Данные способы и устройства включают построение математических моделей на основе измеряемых данных работы технологического комплекса и обеспечение дальнейшей регулировки процессов на основе получившейся модели.
Известен патент США №7672825 от 12.01.2010 «Способ для контроля выработки нефти и/или газа в пластах с применением системы управления на основе обратной связи» (патентообладатель ExxonMobil Res & Eng Со [US], Кл. МПК F17D 1/00; G01F 1/28; G01F 1/74; G01F 1/86; G01F 15/02). Способ заключается в том, что на основе физических параметров углеводородов и других жидкостей в пласте и скважине вычисляется множество математических моделей пласта высокого порядка и/или низкого порядка, математическая модель обновляется итеративно в соответствии с данными, получаемыми с датчиков, так чтобы разница между вычисленными и наблюдаемыми значениями минимизировалась, в течение как минимум одного шага обновления из множества математических моделей выбирается оптимальная математическая модель (или их комбинация), для которой средняя разность между вычисленным значением и зафиксированным значением минимальна, на основании этого реализуется алгоритм оптимального управления.
Недостаток данного технического решения заключается в том, что для большого количества параллельных процессов технологического комплекса необходимость постоянно сравнивать математические модели и выбирать наиболее близкую приводит к существенному увеличению количества операций в системе, а, следовательно, к усложнению процесса регулирования в режиме реального времени.
Известен патент РФ №2461707 от 09.04.2008 «Моделирование переходного режима бурильной колонны в процессе бурения» (патентообладатель Лоджинд Б.В. (NL), кл. МПК Е21В 44/00, G05B 19/00). Способ включает следующие стадии: создание конечноразностной модели для моделирования режима работы бурильной компоновки, выполнение моделирования операции бурения с использованием конечноразностной модели, анализ результата моделирования и выборочное модифицирование операции бурения на основании анализа.
Недостаток данного способа заключается в следующем: для построения математической модели с использованием конечноразностных уравнений требуются существенные знания о физике моделируемых процессов, то есть модель невозможно построить только лишь на основе измеряемых статистических данных. Это усложняет процесс моделирования и регулирования, снижает степень автоматизированности процесса моделирования и, соответственно, управления и увеличивает требования к квалификации персонала на промысле. К тому же данный способ используется для управления режимом работы бурильного оборудования и не предназначен для иных технологических процессов и механизмов комплекса.
Известна система автоматического управления технологическими процессами на газовом промысле (см. патент на изобретение №2344339 от 12.07.2007, кл. МПК F17D 3/00). Система включает датчики для регистрации параметров технологических процессов (давление, расход газа), установленных на входе и выходе установки комплексной подготовки газа (УКПГ), а так же на каждой технологической нитке УКПГ, автоматизированную систему управления технологическим процессами (АСУ ТП), систему исполнительных механизмов, благодаря которым осуществляется регулирование параметров технологической системы. Данная система включает АСУ ТП, обеспечивающую поддержание расхода газа и давления в каждой технологической нитке УКПГ и в целом в УКПГ в пределах заданных значений min и max. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
зд
зд
Система работает следующим образом: в течение заданного интервала времени Т, например одного часа, измеряется разность между заданным расходом газа F и фактическим расходом газа УКПГ, и по этим данным осуществляет оптимизацию регулирования технологически комплексом, заключающуюся в выборе шага регулирования давления и текущего расхода газа на выходе УКПГ. Недостаток данного технического решения заключается в отсутствии гибкости процесса регулирования УКПГ, в большой величине ошибки регулирования, т.к. невозможно спрогнозировать значения регулируемых параметров в каждой технологической нити УКПГ, в результате на выходе УКПГ получается большой разброс значений параметров расхода газа и давления. Кроме того, данная автоматическая система управления применима к регулированию параметров только на УКПГ, и не применима для других механизмов и технологических систем газового промысла.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении наилучшего критерия качества при регулировании, т.е. в минимизации ошибки между заданной величиной и измеряемой величиной технологического параметра, в обеспечении более точного и гибкого процесса регулирования. Так же технический результат заключается в упрощении процесса регулирования, в уменьшении количества операций, производимых системой при моделировании и регулировании переходных процессов, в универсальности, то есть в возможности использования данного технического решения для различных механизмов и технологических процессов на газовом промысле.
Технический результат достигается за счет того, что программно-аппаратный комплекс управления технологическими процессами на газовом промысле представляет собой автоматизированную систему управления технологическими процессами, включающую установленные на электрощитовом оборудовании последовательно соединенные модуль контрольно-измерительных приборов, первичные и вторичные преобразователи измеряемых технологических параметров, программируемый логический контроллер с поддержкой протокола MODBUS, MODBUS-OPC сервер, блок управления, содержащий модуль моделирования технологических параметров переходных процессов, обеспечивающий моделирование переходных процессов в зависимости от величины изменения положения механизма технологического комплекса в виде полиномов второго и третьего порядка, полученных аппроксимацией сплайнами, а так же модуль моделирования систем автоматического регулирования, базирующийся на использовании моделей переходных процессов технологических параметров в зависимости от величины изменения положения механизма технологического комплекса в виде полиномов второго и третьего порядка, полученных аппроксимацией сплайнами, систему регуляторов, осуществляющую регулирование технологическими параметрами через исполнительные механизмы технологического комплекса.
Техническое решение в схематичном виде проиллюстрировано на рисунке 1. Программно-аппаратный комплекс управления технологическими процессами на газовом промысле представляет собой автоматизированную систему управления технологическими процессами, включающую установленные на электрощитовом оборудовании (1) последовательно соединенные модуль контрольно-измерительных приборов (КИП) (2), первичные и вторичные преобразователи измеряемых технологических параметров (3), программируемый логический контроллер (ПЛК) с поддержкой протокола MODBUS (4), MODBUS-OPC сервер (5), блок управления (6), содержащий модуль моделирования переходных процессов технологических параметров (6а), обеспечивающий моделирование переходных процессов в зависимости от величины изменения положения механизма технологического комплекса в виде полиномов второго и третьего порядка, полученных аппроксимацией сплайнами, а так же модуль моделирования систем автоматического регулирования (6б), базирующийся на использовании моделей переходных процессов технологических параметров в зависимости от величины изменения положения механизма технологического комплекса в виде полиномов второго и третьего порядка, полученных аппроксимацией сплайнами, систему регуляторов (7), осуществляющую регулирование технологическими параметрами через исполнительные механизмы (ИМ) технологического комплекса.
В качестве электрощитового оборудования (1) может быть использован электрический щит или электрический шкаф. В модуль КИП (2) для различных механизмов газового промысла могут входить различные приборы, например, расходомеры, приборы, измеряющие скорость вращения газотурбинного двигателя для энергетической установки.
Данное техническое решение работает следующим образом. При изменении положения исполнительного механизма в технологической системе инициируется переходный процесс. От датчиков измеряемых технологических параметров, установленных на соответствующих участках УКПГ данные поступают на модуль КИП (2) АСУ ТП, где в режиме реального времени производит измерение технологических параметров переходного процесса. Первичные и вторичные преобразователи технологических параметров (3) преобразуют полученный сигнал, ПЛК (4) по протоколу MODBUS передает преобразованные данные на MODBUS-OPC сервер (5), который преобразует данные с протокола MODBUS в протокол ОРС, затем данные поступают в блок управления (6), где в модуле моделирования технологических параметров переходных процессов (6а) осуществляется моделирование зависимости изменения технологического параметра от времени на основе аппроксимации сплайнами, полиномами второго и третьего порядка, так что моделирование конечного значения технологического параметра осуществляется с помощью аппроксимации сплайном зависимости длительности переходного процесса от величины изменения положения механизма - полиномом третьей степени, а изменение значения параметра в ходе переходного процесса - полиномом второй степени.
При каждом изменении положения исполнительного механизма (например, крана запорной арматуры для технологической нити УКПГ) инициируется переходный процесс, система датчиков (2) регистрирует данные о переходном процессе, а блок управления (6) на основании зарегистрированных данных осуществляет моделирование переходного процесса. Для каждого изменения положения исполнительного механизма в блоке управления вычисляется аппроксимирующий полином второго порядка (см. рис. 2). Набор таких полиномов для разных положений исполнительного механизма является моделью зависимости изменения технологического параметра от времени при переходных процессах. Так же для каждого изменения положения исполнительного механизма в блоке управления (6) вычисляется аппроксимирующий полином третьего порядка (см. рис. 3). Набор таких полиномов для разных положений исполнительного механизма составляет кубический сплайн, являющийся моделью зависимости изменения периода переходного процесса от положения исполнительного механизма (см. рис. 4).
Далее, после построения математической модели, в модуле моделирования систем автоматического регулирования (6б) блока управления (6) производится расчет коэффициентов ПИД-регулятора для задания управляющего воздействия, которое передается на систему регуляторов (7). От системы регуляторов (7) управляющий сигнал преобразуется в соответствующий протокол данных, и передается на исполнительные механизмы технологического комплекса для осуществления регулирования. Таким образом, система может решать разнообразные задачи, например, после подбора коэффициентов ПИД-регулятора на основании данной модели система может поддерживать заданное значение расхода газа путем вычисления такого положения входного крана, чтобы обеспечить наилучшие критерии качества системы регулирования (то есть минимизировать ошибку между прогнозируемой и реальной величиной заданного технологического параметра).
Особенностью данного технического решения является то, что для осуществления в блоке управления (6) моделирования переходного процесса полиномами второго и третьего порядка на каждом шаге изменения положения ИМ требуются данные всего о трех точках переходного процесса: значения параметра в начале переходного процесса (t1, p1), в середине периода переходного процесса (t2, р2), при завершении переходного процесса (t3, р3). То есть для создания такой модели требуется минимальный массив измеряемых данных, это является актуальным для технологических комплексов с большим числом регулируемых процессов.
В самом деле, эти три точки переходного процесса могут быть получены в результате измерения всего четырех параметров переходного процесса: 1. длительности чистой задержки (времени, прошедшего с момента изменения положения ИМ до момента начала изменения технологического параметра); 2. длительности переходного процесса при текущем изменении положения ИМ без учета чистой задержки; 3. разницы значений технологического параметра до переходного процесса и после; 4. значения технологического параметра в середине периода переходного процесса, на основе которого вычисляется коэффициент нелинейности, характеризующий во сколько раз значение технологического параметра в середине периода переходного процесса отличается от среднего значения между начальным и конечным значениями (фактически, коэффициент отражает вогнутость/выгнутость параболы, моделирующий переходный процесс на данном интервале значений, см. рис. 2).
Таким образом, для данного программно-аппаратного комплекса достаточно небольшого массива измеряемых данных, чтобы смоделировать переходный процесс, к тому же, не требуется знаний о физике переходного процесса, моделирование осуществляется только на основе измеряемых статистических данных, поэтому данное техническое решение может быть использовано для управления различными механизмами технологического комплекса газового промысла. Например, данное техническое решение позволяет управлять расходом газа в трубопроводах УКПГ и расходом газа газотурбинных установок энергетического комплекса, то есть различными по своей сути технологическим процессами, при этом управление осуществляется централизованно.
Кроме того, программно-аппаратный комплекс обеспечивает гибкость и точность управления, так как позволяет спрогнозировать изменение технологических параметров на каждом шлейфе УКПГ. За счет этого достигается наилучший критерий качества при регулировании, т.е. минимизируется ошибка между заданной и реально измеренной величиной технологического параметра.
Патентный поиск показал, что данное техническое решения является новым, не известным из предыдущего уровня техники. Кроме того, данное техническое решение является промышленно применимым. При этом, данное техническое решение не является математической моделью или алгоритмом как таковым, а является устройством, реализующим механизм управления технологической системой оптимальным образом, обеспечивая при этом наилучшие критерии качества регулирования.