Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технологии и систем управления процессами нефтеподготовки
1.1 Типовая технологическая схема добычи и подготовки нефти 21
1.2 Способы регулирования режимов работы электроприводов дожимных насосных станций 30
1.3 Анализ характеристик регуляторов, используемых в системах управления дожимными насосными станциями 41
1.4 Обзор существующих систем электроснабжения дожимных насосных станций 47
1.5 Постановка задачи построения автоматизированных систем управления дожимными насосными станциями как сложными
технологическими объектами. 51
Выводы по первой главе 54
Глава 2. Разработка системы управления дожимными насосными станциями на основе нечетких регуляторов с интерпретацией входных и выходных переменных совокупностью дискретных термов
2.1 Конструкция и концептуальная модель дожимной насосной станции, реализованные на основе нечетких регуляторов с дискретными термами 56
2.2 Модель входных и выходных переменных ДНС в виде совокупности термов с прямоугольной формой функции принадлежности 64
2.3 Реализация алгоритма управления процессами ДНС на основе многомерного нечеткого регулятора с дискретными термами 73
2.4 Модель управления процессами в дожимных насосных станциях на основе ПИД-регуляторов с автоматическим заданием оптимальных настроек нечетким регулятором с дискретными
термами (на примере регулятора уровня) 81
2.5 Алгоритм равномерного распределения времени нагрузки между основным и резервным насосами дожимных насосных станций 89
2.6 Обоснование применения в нечетких регуляторах дискретных термов 95 ВЫВОДЫ ПО Второй главе 101
Глава 3. Моделирование переходных процессов в электроприводах дожимных насосных станций
3.1 Математическая модель основных режимов функционирования электроприводов с использованием высоко- и низковольтных преобразователей частоты 103
3.2 Модель скалярного управления АД с повышенным пусковым моментом при питании от ПЧ 121
3.3 Схемы комплексной автоматизации высоковольтного электропривода дожимной насосной станции 129
3.4 Разработка алгоритма управления электроприводом дожимной насосной станции 135
3.5 Анализ энергоэффективности автоматизированных систем высоковольтного электропривода насосной станции 139
Выводы по третьей главе 155
ГЛАВА 4. Автоматизированная система управления дожимной насосной станцией, реализованная на нечетком регуляторе с дискретными термами
4.1 Общая характеристика автоматизированной системы управления дожимной насосной станцией посредством нечеткого регулятора с дискретными термами 158
4.2 Реализация автоматизированной системы управления дожимной насосной станцией в SCADA-системе STARDOM YOKOGAWA 172
4.3 Анализ технико-экономической эффективности систем управления ДНС на основе нечетких регуляторов с дискретными термами 179
Выводы по четвертой главе 187
Основные выводы и результаты 190
Список литературы
- Анализ характеристик регуляторов, используемых в системах управления дожимными насосными станциями
- Модель входных и выходных переменных ДНС в виде совокупности термов с прямоугольной формой функции принадлежности
- Модель скалярного управления АД с повышенным пусковым моментом при питании от ПЧ
- Реализация автоматизированной системы управления дожимной насосной станцией в SCADA-системе STARDOM YOKOGAWA
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Технологические процессы (ТП) добычи, транспорта и подготовки нефтепродуктов являются наиболее энергоемкими в общей структуре затрат нефтегазодобывающих предприятий (НГДП), следовательно, реализация Федерального закона от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» является приоритетным направлением в нефтегазодобывающей отрасли. Согласно проведенным в диссертационной работе исследованиям, потребление электроэнергии насосным оборудованием превышает 70 % в общей смете затрат на электроэнергию НГДП, наибольшая доля в которой приходится на нефтеперекачивающие агрегаты (НПА) насосных станций (НС). В частности, при транспортировке нефти, пластовой воды и попутного газа (нефтяной эмульсии) с месторождения по нефтепроводам устанавливаются дожимные насосные станции (ДНС), являющиеся объектом диссертационного исследования, на которых осуществляется сбор, сепарация, предварительное обезвоживание, учет и дальнейшая транспортировка нефти и попутного газа до центральных пунктов сбора (ЦПС), а также товарных парков. Построение подобных станций на месторождениях является необходимым вследствие наличия примесей, значительной обводненности и газосодержания в добываемой нефти. Автоматизация ДНС и управление режимами ее работы посредством управления НПА непосредственно связана с эффективностью ТП транспорта и подготовки нефти. Поэтому, для повышения эффективности ТП на ДНС, стали применяться системы на основе частотно-регулируемого автоматизированного электропривода (АЭП), широко распространенные в последнее время, особенно, в нефтехимической и металлургической отраслях промышленности, трубопроводном транспорте нефтепродуктов, в коммунальном хозяйстве и насосных станциях.
Управление режимами работы ДНС основано на регулировании угловой скорости двигателей НПА однако в схему автоматизации и управления ДНС включены, как регулируемые, так и нерегулируемые высоковольтные асинхронные электродвигатели (ВАД) большой мощности (от сотен киловатт до нескольких мегаватт), потери электроэнергии в которых от нерегулируемых переходных режимов (особенно пусковых) составляют 20–40 %. Данный факт свидетельствует о необходимости совершенствования систем автоматизации ДНС, что, в значительной степени, осложнено существенным их различием (высоковольтные (ВПЧ), низковольтные (НПЧ), устройства плавного пуска (УПП), низковольтные в составе высоковольтных (НСВ)). В результате, исследование комплекса вопросов, связанных с автоматизацией, анализом переходных процессов АЭП ДНС, а также внедрением и управлением схемами автоматизации насосных станций с мощными асинхронными электродвигателями (АД) насосов является весьма актуальным. К тому же на ДНС заданное значение расхода поддерживается соответствующим давлением (напором) в трубопроводе за счет использования различных технических решений по автоматизации насосных станций. Поэтому процесс поиска новых математических зависимостей, имитационных моделей и разработанных методов алгоритмического и нечеткого управления нельзя счи-
тать законченным и его продолжение представляет теоретическую и практическую значимость в настоящий момент времени. В подавляющем большинстве случаев для управления напором в трубопроводе используются ПИД-регуляторы. Однако, неопределнность характеристик объекта, нелинейность объекта и возмущения, такие как, например, непрерывное изменение подачи нефти на рассматриваемую НС, приводит к колебаниям расхода и давления, как в трубопроводе, так и на ЦПС. Указанные факторы не позволяют получить аналитические зависимости и адекватную математическую модель (ММ) объекта, из-за чего схемы управления и контроля ДНС на основе ПИД-регуляторов нуждаются в периодической и трудоемкой настройке, и являются в последствии причинами повышения эксплуатационных расходов и перерасхода энергоресурсов. Причинами неопределенности в изменении поступающей жидкости на ДНС могут служить различные факторы – изменения физико-химического состава нефти, температуры окружающей среды, геологических и рельефных характеристик местности, циклическая работа и производительность скважин. Из вышесказанного следует, что ДНС является нелинейным объектом управления и классические подходы к управлению данным объектом будут малоэффективны в условиях изменяющихся параметров как самого объекта, так и входных и возмущающих воздействий.
Для управления ДНС можно отметить следующие условия эффективной транспортировки нефтепродуктов, обусловленные требованиями данного ТП: 1) необходимость повышения качества и рентабельности процесса подготовки нефти путем снижения числа повторных циклов переработки нефтяной эмульсии; 2) необходимость поддержания непрерывности подачи нефти на ЦПС, что обуславливает качество процесса подготовки нефти; 3) необходимость уменьшения числа прямых пусков ВАД, как минимум в два раза (в существующей схеме их количество составляет 42–56), приводящих к износу электродвигателей, гидроударам и разрывам трубопроводов; 4) необходимость обеспечения показателей качества переходного процесса при управлении ДНС (время переходного процесса – не более 15 с, перерегулирование – не более 5%, степень затухания – более 60 %; и как следствие из п.п. 3 и 4 – 5) необходимость повышения энергоэффективности режимов работы ДНС и процесса транспортировки нефти на ЦПС в целом, что обусловлено завышенными значениями давлений в трубопроводах, непостоянством подачи нефти на ЦПС, частыми переходными процессами и невысоким качеством управления объектом в классе линейных систем. В связи с вышесказанным, технологические установки ДНС работают в режимах, сопровождающихся чрезмерными колебаниями напора и подачи в трубопроводах, приводящих к дополнительным издержкам на ремонт вышедшего из строя технологического оборудования и запорной арматуры. Для поддержания заданных показателей качества существующая схема управления нуждается в периодической настройке регулятора, для чего необходимы дополнительные выезды бригады и специалиста на ДНС, что приводит к повышению себестоимости транспорта и подготовки нефтепродуктов, а, следовательно, готовой продукции, а также отражается на надежности отдельных устройств объекта, таких как АЭП ДНС, трубопроводов и системы транспорта в целом.
В данных условиях, когда ТП или объект крайне сложно интерпретировать в виде адекватной ММ, а также вследствие невысокой эффективности применяе-
мых схем, алгоритмов и классического ПИД-регулирования, целесообразно использовать нечеткие (Fuzzy) регуляторы (НР), описанные в работах Л. А. Заде, Е. А. Мамдани, М. Сугено, С. Д. Штовбы. В работах по усовершенствованию автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) добычи и транспорта нефти отмечена необходимость применения интегрированных автоматизированных систем управления, а также предложена АСУ с нечетким регулятором для управления кустовыми насосными станциями. Известны работы А. П. Вервкина, И. Д. Ельцова, О. В. Кирюшина, в которых для управления по качеству подготавливаемой нефти и показателям технико-экономической эффективности процессов предложена АСУ с нечетким регулятором для управления кустовыми насосными станциями. Кроме того, известны работы А. И. Каяшева, Е. А Муравьевой, Р. Ф. Габитова и Т. В. Сазоновой, в которых типовые НР характеризуются значительной погрешностью и большим временем отклика, что не позволяет использовать их в быстродействующих технологических процессах, к которым также относятся процессы, протекающие на дожимных насосных станциях. Таким образом, неопределенность характеристик объекта, его нелинейность, большое количество возмущений и изменение нагрузки на аппараты требуют дальнейших исследований для разработки адекватной СУ. Следовательно, основной проблемой является поиск методов и технических решений по эффективному управлению технологическими процессами на дожимной насосной станции.
Степень разработанности темы исследования. Разработка систем автоматизации и совершенствование режимов работы электроприводов в промышленности отражены в работах И. В. Белоусенко, М. С. Ершова, Б. Г. Меньшова, Г. Р. Шварц, А. Д. Яризова и других. Исследованию частотно-регулируемого электропривода с нагрузкой насосного типа посвящены работы Н. Ф. Ильинского, И. Я. Браславского, Б. С. Лезнова и др. С развитием силовой электроники были проведены исследования по внедрению автоматизированных и интеллектуальных систем в производство. Системы управления технологическими процессами с применением нечетких регуляторов были предложены в работах Л. А. Заде, Е. А. Мамдани, М. Сугено, С. Д. Штовбы, А. А. Ускова, М. Б. Гузаирова, Б. Г. Ильясова, В. И. Васильева и др. Вопросам интеллектуализации управления в нефтегазовой промышленности посвящены работы А. П. Веревкина, разработке концепций интеллектуального управления нефтедобычей на основе интеграции системных принципов и общенаучных подходов к построению сложных многоуровневых систем управления посвящены работы К. Ф. Тагировой. В работах А. И. Каяшева, Е. А Муравьевой, Т. В. Сазоновой, А. В. Леоненкова, Р. Ф. Габи-това, Н. П. Деменкова отмечено, что большая погрешность регулирования и низкое быстродействие НР не позволяют должным образом компенсировать взаимное влияния контуров регулирования, что является одной из причин увеличения энергозатрат, а также предложены многомерные нечеткие регуляторы с интерпретацией функции принадлежности регулируемого параметра в форме четких (или дискретных) термов (МНРсДТ). В связи с тем, что данный тип регуляторов обладает большими возможностями по увеличению быстродействия и снижению погрешности регулирования ТП, что позволяет построить алгоритм управления, адекватный реальному технологическому процессу, МНРсДТ требует дополни-
тельных исследований для подтверждения целесообразности их использования в качестве регуляторов исполнительной системы ДНС.
Приведенный анализ состояния проблемы, а также недостаточная изученность МНРсДТ в составе систем управления дожимными насосными станциями позволяют считать, что разработка систем логического управления на основе многомерных нечетких регуляторов с интерпретацией функции принадлежности регулируемого параметра в форме дискретных термов для технологического процесса транспорта нефтепродуктов является актуальной научной задачей, решение которой позволит повысить эффективность технологического процесса транспорта и подготовки нефти на дожимных насосных станциях.
Объект и предмет исследования. Объект исследования – управление технологическими процессами транспорта нефти на дожимной насосной станции как многосвязном объекте на основе многомерного нечеткого регулятора с дискретными термами. Предмет исследования – синтез логических моделей, моделей высоковольтного автоматизированного электропривода и алгоритмов работы МНРсДТ.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности управления режимами работы дожимных насосных станций транспорта и подготовки нефти на основе использования многомерных нечетких регуляторов и моделей технологических процессов и электропривода.
Задачи исследования:
1. Разработка моделей балансирования потоков технологических жидкостей
и параметров технологических аппаратов ДНС с использованием энергоэффектив
ных исполнительных систем, построенных на АЭП под управлением нечетких ло
гических регуляторов (п. 4, 15 паспорта специальности (ПС)).
2. Разработка структурной схемы управления исполнительной системой
ДНС с использованием алгоритма равномерного распределения времени нагрузки
между основным и резервным насосами ДНС, обеспечивающей повышение энер
гоэффективности и надежности АСУ путем равномерного распределения наработ
ки между насосами ДНС в процессе эксплуатации.
-
Разработка ММ АЭП ДНС с учетом элементов схемы (питающая линия, кабель, дроссель, фильтр, трансформаторы, потери на управляющем преобразователе (УПП, НПЧ, ВПЧ)), а также с учетом нагрузки на валу электродвигателя (центробежный насос и гидравлическая сеть)), разработка имитационной реализации модели для анализа влияния переходных режимов работы электропривода на эффективность функционирования ДНС в составе высоко- и низковольтных схем автоматизации (п. 4 (ПС)).
-
Разработка алгоритма управления функционированием ДНС в условиях неполной информации под управлением многомерного нечеткого регулятора автоматизированного электропривода, с целью повышения эффективности ее работы и технологического процесса в целом (п. 3, 5 ПС).
-
Разработка программного комплекса АСУ ТП ДНС в составе экспериментального лабораторного стенда для моделирования переходных процессов пуска АЭП с учетом элементов схемы и нагрузки на валу ВАД при управлении от НР, МНРсДТ и ПИД-регулятора с адаптацией коэффициентов от МНРсДТ, а также для исследования эффективности предложенных решений (п. 10, 18, 19 ПС).
Методы и методология исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории управления, электрических цепей, имитационного моделирования, нечетких логических регуляторов, теории интеллектуальных систем управления, многомерного автоматического регулирования, методы исследований эффективности на физической модели объекта.
На защиту выносятся следующие основные научные результаты:
-
Структура и элементы системы управления ДНС балансирования технологических потоков жидкостей и стабилизации параметров технологических ДНС, с целью повышения эффективности ее работы и технологического процесса в целом.
-
Структурная схема управления АЭП ДНС типа НСВ и алгоритм равномерного распределения времени нагрузки между основным и резервным насосами ДНС, обеспечивающие повышение эффективности и надежности АСУ путем равномерного распределения наработки между насосами ДНС в процессе эксплуатации.
-
ММ ДНС с учетом элементов схемы (питающая линия, кабель, дроссель, фильтр, трансформаторы, потери на управляющем преобразователе (УПП, НПЧ, ВПЧ)), а также с учетом нагрузки на валу электродвигателя (центробежный насос и гидравлическая сеть)) при использовании ВПЧ и НПЧ для высоковольтных систем, а также имитационная реализация модели схем в составе систем управления ДНС для анализа влияния переходных режимов работы электропривода на эффективность функционирования ДНС с применением высоко- и низковольтных схем автоматизации.
4) Алгоритм функционирования ДНС в условиях неполной информации,
модели скалярного управления ВАД с повышенным пусковым моментом в составе
структурной схемы управления с ПИД-регулятором с адаптацией коэффициентов
от МНРсДТ.
5) Программный комплекс АСУ ТП ДНС в составе экспериментального ла
бораторного стенда для моделирования переходных процессов пуска АЭП с уче
том элементов схемы НСВ и нагрузки на валу ВАД при управлении от НР,
МНРсДТ и ПИД-регулятора с адаптацией коэффициентов от МНРсДТ, а также для
исследования эффективности предложенных решений.
Научная новизна результатов диссертационной работы:
1) Новизна предложенной структуры системы управления ДНС, заключается в том, что для управления ТП ДНС применена комплексная исполнительная система (ИС) под управлением многомерной системы управления – МНРсДТ, особенностью которой является использование на стадии фаззификации дискретных термов, в которой учитываются такие технологические параметры, как уровень в концевом резервуаре-сепараторе, расход и давление на выходе ДНС, а также учитывающая взаимное влияние контуров регулирования МНРсДТ при управлении ТП ДНС. При этом использован алгоритм повышения быстродействия системы в каждом цикле сканирования продукционных правил, путем статистического выбора наиболее используемых правил, что позволяет повысить быстродействие и эффективность МНР и ТП ДНС в целом.
-
Разработана ММ ДНС, в которой новым является учет элементов схемы (питающая линия, кабель, дроссель, фильтр, трансформаторы, потери на управляющем преобразователе (УПП, НПЧ, ВПЧ), а также учет нагрузки на валу электродвигателя (центробежный насос и гидравлическая сеть)), также разработана имитационная реализация модели, новизна которой заключается в моделировании переходных процессов в системе, в возможности анализа влияния переходных режимов работы электропривода на эффективность функционирования ДНС в составе высоко- и низковольтных схем автоматизации.
-
Новизна алгоритма функционирования ДНС в условиях неполной информации и модели скалярного управления ВАД с повышенным пусковым моментом в составе структурной схемы ПИД-управления с адаптацией коэффициентов от МНРсДТ заключается в том, что предложенный алгоритм позволяет автоматически осуществлять прямой и плавный пуск резервного и основного ВАД, что увеличивает надежность системы автоматизации, реализует режим попеременной работы двигателей насосов и позволяет в автоматическом режиме при частотном законе регулирования и начальной частоте инвертора 3 Гц обеспечивать пуск насоса, заданный диапазон регулирования и более чем двукратную максимальную перегрузку во всм диапазоне регулирования скорости, что позволяет компенсировать значительные возмущающие воздействия, а также аварийные технологические режимы без потери точности и устойчивости управления системой.
-
Новизна схемы управления АЭП ДНС НСВ и алгоритма равномерного распределения времени нагрузки между основным и резервным насосами ДНС, заключается в том, что обеспечена возможность управления высоковольтными асинхронными электродвигателями в схеме с НСВ; реализован автоматический прямой пуск, например, при поломке НПЧ или невозможности запуска основного электродвигателя по одной из ветвей структурной схемы, с сохранением всех их функций; реализована возможность равномерного распределения наработки между основным и резервным насосами и устранена проблема неравномерно загруженных электроприводов, что обеспечивает повышение эффективности и надежности АСУ ДНС в процессе эксплуатации.
Обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы.
Достоверность представленных в диссертационной работе научных положений, методик разработки, рекомендаций и выводов, подтверждается их непротиворечивостью известным положениям в соответствующих предметных областях, сходимостью результатов экспериментальных исследований, проведенных непосредственно на дожимной насосной станции и вычислительных экспериментов на е имитационной модели, а также адекватностью имитационных моделей.
Теоретическая и практическая значимость работы. Практическая значимость работы подтверждена актами о внедрении результатов работы в области нефтегазодобычи и нефтегазопереработки, в частности в СУ ДНС производственной фирмы ППН-Сервис «ООО «Строй Траст 2008». Практическая значимость работы подтверждена также актами о внедрении результатов работы в исследовательской лаборатории научно-образовательного центра. Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс ГБОУ «Альметьевский государственный нефтяной институт», а также в учебном процессе филиала ФГБОУ
ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (УГНТУ) в г. Стерлитамаке (дисциплина «Проектирование автоматизированных систем»).
Достоверность и апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих научных конференциях и семинарах: XII, XIII, XIV, XV, XVI, XVII студенческие научно-практические конференции «Нефть: экономика, политика, наука и культура» (Альметьевск, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011); II Международная научная конференция «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007, 2012, 2013, 2014); Международные молодежные научные конференции «СЕВЕРГЕОЭКО-ТЕХ» (Ухта, 2009, 2012, 2013, 2014); Молодежная научно-практическая конференция ТАТНЕФТЬ-ЭНЕРГОСЕРВИС (Альметьевск, 2010); International Student Scientific and Practical Conference «Oil &Gas Horizons» (Moscow, 2011, 2012, 2013); XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА, МЭИ» (Москва, 2012); X-th International Yough Oil & Gas Forum (Almaty, 2013); 67-я Международная молодежная научная конференция «Нефть и газ – 2013. РГУ им. Губкина» (Москва, 2013); First international science-technical congress for students and young professionals behind the Ural Mountains: «West-Siberian Petroleum Conference’2013» (Tyumen, 2013); Региональная научно-практическая конференция «Научная сессия ученых АГНИ» (Альметьевск, 2012, 2013, 2014); Международная научно-практическая конференция «Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе» (Тюмень, 2013), II Международной конференции «Интеллектуальные технологии обработки информации и управления» (Уфа, УГАТУ, ITIPM’2014), Proceedings of the 16th International Worcshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT’2014, Sheffield, England, September 16-22, 2014), Applied Mechanics and Materials (AMM, 2015), Scopus.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в более, чем 50 научных изданиях, в том числе: 6 – в журналах, включенных в Перечень ВАК, и зарубежном рецензируемом издании, включенном в международную базу Scopus, 1 монографии, 1 патенте на изобретение, 2 патентах на полезные модели, 5 свидетельствах на регистрацию программ для ЭВМ.
Структура и объм работы. Диссертация изложена на 228 страницах машинописного текста и включает в себя введение, четыре главы, заключение, 101 рисунок, 22 таблицы, список использованных источников из 125 наименований и приложения.
Анализ характеристик регуляторов, используемых в системах управления дожимными насосными станциями
Научная новизна результатов диссертационной работы: 1) Новизна предложенной структуры системы управления ДНС, заключается в том, что для управления ТП ДНС применена комплексная исполнительная система (ИС) под управлением многомерной системы управления – МНРсДТ, особенностью которой является использование на стадии фаззификации дискретных термов, в которой учитываются такие технологические параметры, как уровень в концевом резервуаре-сепараторе, расход и давление на выходе ДНС, а также учитывающая взаимное влияние контуров регулирования МНРсДТ при управлении ТП ДНС. При этом использован алгоритм повышения быстродействия системы в каждом цикле сканирования продукционных правил, путем статистического выбора наиболее используемых правил, что позволяет повысить быстродействие и эффективность МНР и ТП ДНС в целом. 2) Разработана ММ ДНС, в которой новым является учет элементов схемы (питающая линия, кабель, дроссель, фильтр, трансформаторы, потери на управляющем преобразователе (УПП, НПЧ, ВПЧ), а также учет нагрузки на валу электродвигателя (центробежный насос и гидравлическая сеть)), также разработана имитационная реализация модели, новизна которой заключается в моделировании переходных процессов в системе, в возможности анализа влияния переходных режимов работы электропривода на эффективность функционирования ДНС в составе высоко- и низковольтных схем автоматизации. 3) Новизна алгоритма функционирования ДНС в условиях неполной информации и модели скалярного управления ВАД с повышенным пусковым моментом в составе структурной схемы ПИД-управления с адаптацией коэффициентов от МНРсДТ заключается в том, что предложенный алгоритм позволяет автоматически осуществлять прямой и плавный пуск резервного и основного ВАД, что увеличивает надежность системы автоматизации, реализует режим попеременной работы двигателей насосов и позволяет в автоматическом режиме при частотном законе регулирования и начальной частоте инвертора 3 Гц обеспечивать пуск насоса, заданный диапазон регулирования и более чем двукратную максимальную перегрузку во всём диапазоне регулирования скорости, что позволяет компенсировать значительные возмущающие воздействия, а также аварийные технологические режимы без потери точности и устойчивости управления системой. 4) Новизна схемы управления АЭП ДНС НСВ и алгоритма равномерного распределения времени нагрузки между основным и резервным насосами ДНС, заключается в том, что обеспечена возможность управления высоковольтными асинхронными электродвигателями в схеме с НСВ; реализован автоматический прямой пуск, например, при поломке НПЧ или невозможности запуска основного электродвигателя по одной из ветвей структурной схемы, с сохранением всех их функций; реализована возможность равномерного распределения наработки между основным и резервным насосами и устранена проблема неравномерно загруженных электроприводов, что обеспечивает повышение эффективности и надежности АСУ ДНС в процессе эксплуатации. Обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы.
Достоверность представленных в диссертационной работе научных положений, методик разработки, рекомендаций и выводов, подтверждается их непротиворечивостью известным положениям в соответствующих предметных областях, сходимостью результатов экспериментальных исследований, проведенных непосредственно на дожимной насосной станции и вычислительных экспериментов на её имитационной модели, а также адекватностью имитационных моделей.
Теоретическая и практическая значимость работы. Практическая значимость работы подтверждена актами о внедрении результатов работы в области нефтегазодобычи и нефтегазопереработки, в частности в СУ ДНС производственной фирмы ППН-Сервис «ООО «Строй Траст 2008». Практическая значимость работы подтверждена также актами о внедрении результатов работы в исследовательской лаборатории научно-образовательного центра. Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс ГБОУ «Альметьевский государственный нефтяной институт», а также в учебном процессе филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (УГНТУ) в г. Стерлитамаке (дисциплина «Проектирование автоматизированных систем»). Достоверность и апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих научных конференциях и семинарах: XII, XIII, XIV, XV, XVI, XVII студенческие научно-практические конференции «Нефть: экономика, политика, наука и культура» (Альметьевск, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011); II Международная научная конференция «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007, 2012, 2013, 2014); Международные молодежные научные конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ» (Ухта, 2009, 2012, 2013, 2014); Молодежная научно-практическая конференция ТАТНЕФТЬ-ЭНЕРГОСЕРВИС (Альметьевск, 2010); International Student Scientific and Practical Conference «Oil &Gas Horizons» (Moscow, 2011, 2012, 2013); XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА,
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА, МЭИ» (Москва, 2012); Xh International Yough Oil & Gas Forum (Almaty, 2013); 67-я Международная молодежная научная конференция «Нефть и газ – 2013. РГУ им. Губкина» (Москва, 2013); First international scienceechnical congress for students and young professionals behind the Ural Mountains: «West-Siberian Petroleum Conference 2013» (Tyumen, 2013); Региональная научно-практическая конференция «Научная сессия ученых АГНИ» (Альметьевск, 2012, 2013, 2014); Международная научно-практическая конференция «Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе» (Тюмень, 2013), II Международной конференции «Интеллектуальные технологии обработки информации и управления» (Уфа, УГАТУ, ITIPM 2014), Proceedings of the 16th International Worcshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT 2014, Sheffield, England, September 16-22, 2014), Applied Mechanics and Materials (AMM, 2015), Scopus.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в более, чем 50 научных изданиях, в том числе: 6 – в журналах, включенных в Перечень ВАК, и зарубежном рецензируемом издании, включенном в международную базу Scopus, 1 монографии, 1 патенте на изобретение, 2 патентах на полезные модели, 5 свидетельствах на регистрацию программ для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 228 страницах машинописного текста и включает в себя введение, четыре главы, заключение, 101 рисунок, 22 таблицы, список использованных источников из 125 наименований и приложения.
Модель входных и выходных переменных ДНС в виде совокупности термов с прямоугольной формой функции принадлежности
Поскольку физические процессы, протекающие при транспорте и подготовке нефти на ДНС не имеют достаточно точных и адекватных математических моделей, учитывающих весь спектр информации, представленной в форме уникального опыта экспертов предметной области, в качестве регулятора в системе управления ДНС выбран нечеткий логический регулятор с дискретными термами (НРсДТ). Для управления ДНС широкое распространение получили ПИД-регуляторы [11, 32, 34, 37, 77], эффективность которых в нелинейных объектах управления значительно ниже, чем в линейных, главным образом, по следующим причинам: - при регулировании производительности на ДНС концевой резервуар является многосвязным объектом управления с тремя взаимосвязанными регулируемыми параметрами, взаимосяячь которых при использовании ПИД-регуляторов или ТИР не учитывается, что снижает показатели качества и эффективность регулирования; - много мерные ПИД-регуляторы или ТНР также не способны эффективно управлять технологическими процессами ДНС при неадекватно заданной математической модели объекта управления и широком диапазоне изменения возмущающих воздействий, так как без должной настройки и компенсации взаимного влияния контуров регулирования они характеризуются значительной погрешностью, низкой точностью и быстродействием.
Основным принципом использования многомерных НРсДТ (МНРсДТ) является интерпретация входных, выходных переменных и функций компенсации взаимовлияния контуров регулирования совокупностью дискретных термов, т, е, таких термов, функция принадлежности которых имеет прямоугольную форму [60, 61, 62]. Поэтому, на рисунке 2.4 представлена интерпретация выходного параметра / совокупностью из 16 дискретных термов Т; і, їіеза TLBSIA 7 tjj& так как, при этом обеспечивается: достаточная точность регулирования в 0,25 м. Интерпретация остальных выходных параметров QHIJZ. Рк аналогична [44, 96,97],
В результате, формирование правил размещения дискретных, термов основных контролируемых параметров ДНС и их графическая интерпретация позволяет перейти непосредственно к эксперименту, в ходе которого получаются характеристики «ВХОД-ВАІХОД? регулирования параметра в автономном (Zfift) и многосвязном (І/;,? ) режимах работы регулятора уровня жидкости в резервуаре согласно взаимовлиянию контуров регулирования.
Применительно к управлению насосной станцией автономный режим означает следующее: при наступлении рабочего режима уровень жидкости в резервуаре поддерживает только один из трех регуляторов (например, насос И-У), остальные регуляторы - отключены. Тем самым сведено к минимуму их влияние на исследуемый контур. В случае многосвязного режима штатно работают все регуляторы. Поэтому полученная в таких условиях характеристика «Вход-выход» рассматриваемою реіулятора будет учитывать влияние на него остальных контуров МНРсДТ, В соответствий с иэложениым планом эксперимента были получены характеристики «Вход-ВЫХОДИ ДЛЯ регулятора уровня жидкости в резервуаре (рисунок 2.9).
На рисунке 2,9 изображены характеристики «Вход-выход» для автономного Tijr3j=f(Qi) и многосвязного Ti,ijM=f(Q;) режимов работы регулятора, относящиеся к з л е-КтрО двигателю насоса И-і С угловой скороеТЬЕО вращения со/ и расходом О;. Их разность по оси ординат представлена функцией влияния всех остальных контуров регулирования на контур tjm TtEJe- TLFJ - ТіЕіа. Физический смысл построения остальных кривых Qata, Рщл Q: ДЛЯ остальных контуров регулирования в автономном и многосвязном режимах работы, а также функций влияния аналогичен. На рисунке 2.10 представлена компенсационная функция Тгр.ъ, аналитическое выражение универсальных терм-множеств которого соответствуют;
Введение компенсационных функций изменило структуру программы, реализующей МНРсДТ насосной станции. Как следует из рисунка 2.1 І, в такой программе для каждого контура регулирования наряду с регулирующими {РСГІПІР-J, РСППу/. РСПП/jz) присутствуют компенсирующие {КСПП ;, КСПП{)!, КСППцз) системы продукционных правил. Тем самым сводится к минимуму взаимное влияние контуров многомерного нечеткого логического регулятора и происходит повышение показателей качества, регулирования уровня жидкости в резервуаре.
Замена регулирующих и регулируемых параметров насосной станции совокупностью дискретных термов позволяет построить систему продукционных правил для трех коні урн ого нечеткого регулятора. Ннйсе представлена логическая структура программно-реализованного многомерного нечеткого регулятора с дискретными термами (МНРсДТ) дожимной насосной станции.
Для контура с регулируемым параметром До такая система имеет структуру в соответствии с выражением 2,9, из которой следует, что значение параметра LE$ поддерживается на уровне 2,5 м с погрешностью ±0,25 м, а для компенсации влиянии других контуров регулирования на параметр Lyj в консеквентны продукционных правил введены дискретные термы LEJXJ LrjKt6. Системы продукционных правил, относящиеся к регулируемым параметрам «, Щца, Н#и, строятся по аналогичной структуре.
По результатам моделирования установлено, что ПИД-регулятор при увеличении коэффициента нагрузки К„ более чем на 30% от номинального значения не может обеспечить требуемое качество переходного процесса, как по скорости, гак и по перерегулированию. На рисунке 2.12 приведены графики переходных функций при значениях коэффициента нагрузки Кц=0,3; 0,4 (ПИД-регулятор), Ки ОЛ Fuzzy-регулятор, Кц=0,4 многомерный нечеткий регулятор с дискретными термами (МНРсДТ) и Кц=0,4 для ПИД-регулятора с МПРсДТ.
Модель скалярного управления АД с повышенным пусковым моментом при питании от ПЧ
Как следует из рисунка 3.7, расхождение между моделируемыми І(і)м, OifO» M(t)M и экспериментально полученными мгновенными значениями для тока JY/J,, угловой скорости o}(t}f и электромагнитного момента ЩІ)І составляет не более (2 - 3}/о, что позволяет сделать вывод о высокой достоверности исследований" на предложенной модели переходных, режимов электропривода с высоковольтным АД.
Но результатам математического моделирования процессов пуска при прямом подключении АД к сети, установлено, что по сравнению с номинальным ударный и пусковой тОкн увеличиваются соответственно в 8 и 6.5 раза. Пусковой и критический моменты также увеличиваются в 2,2 и 2,5 раза в сравнении с номинальным моментом АД. Время выхода скорости вращения ротора на рабочую угловую скорость равно 4 с, а время окончания переходного процесса - 7 с.
Моделирование электропривода дожимной насосной станции при пуске АД с устройством УПП (рисунок 3.8) произведено по математической модели, в которой описание динамических режимов АД с фильтром, трансформатором и кабелем в статорной цепи выполнены путем численного решения системы дифференциальных уравнений (3,1). записанной в канонической форме и дополненных уравнением движения электропривода.
Модель электропривода включает и себя асинхронный электродвигатель с коротко замкнутым ротором - АД, статорные обмотки которого подключены к блокам I и 2, моделирующие последовательную и параллельную составляющие трехфазной сети UA, OB. lh- (параллельная нагрузка, кабельная линия. приведенные к высоковольтной схеме), понижающий 4 и повышающий 6 транформаторы, синус-фильтр 5, устройство плавного пуска с задатчиком динамики нарастания напряжения 7, выполненный на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.
Модель содержит обобщенную систему управления, на вход которой поступают сигнали обратной связи по угловой скорости, В цепь ротора АД включен блок 3, представляющий собой динамическую нагрузку на валу двигателя. По результатам математического моделирования процессов пуска с УПП, установлено, что ударный и пусковой токи увеличились по сравнению с номинальным соответственно в 3 и 3,5 раза. Пусковой и критический моменты но сравнению с поминальным увеличились соответственно а 1,5 и 2 раза. Время выхода скорости врашсния ротора АД на рабочую угловую скорость составило 7,5 с, а время окончания переходного процесса - 8,7 с,
Моделирование электропривода дожимной насосной станции при пуске АД в составе двухтрансформаторной схемы произведено по математической модели электромеханического комплекса, представленного СДУ по формулам (3.1) в соответствии с рисунком 3,9 г В качестве преобразователя электроэнергии йыбраи транзисторный преобразователь частоты модели FR-AF740 японской фирмы Mitsubishi, силовая схема которого представляет дяухзиенный преобразователь типа неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения (АИІ1) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В качестве элементной базы силовой
Преобразователь имеет микропроцессорную систему управления, и предназначен для управления асинчронным двигателем или группой электродвигателей, обеспечивая плавный пуск и торможение, а также максимально-токовую защиту электродвигателей, защиту схемы от перегрузки (напряжению, моменту), защиту от перегрева транзисторов и другие типы защит, Система управления преобразователем содержит встроенный пропорционально-интегральио-дцффереициальнын (ПИД) регулятора параметры которою вводятся с цифрового пульта управления в зависимости от контролируемого параметра, например, давления в магистральном нефтепроводе. На рисунке 3.9 представлена функциональная схема двухтрансформаторного высоковольтного частотного регулируемого привода, где: 1) Понижающий трансформатор; 2) Низковольтное коммутационное устройство; 3) Дроссель; 4) Преобразователь частоты; 5) Синусоидальный фильтр; 6) Повышающий трансформатор; 7) Высоковольтный короткоэамкнутый АД.
Данная схема имеет ряд преимуществ относительно других схем; гибкость в выборе напряжения питания электродвигателя (6-10 кВ); трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку схемы; минимизация воздействия на статорную обмотку двигателя высших гармонических составляющих тока, что позволяет значительно продлить срок службы двигателя и использовать ЧРЭП для управления электродвигателями со значительно выработанным ресурсом; использование кабельной линии до I км; в 2-2,5 раза более низкая стоимость всей системы по сравнению со схемами, включающими высоковольтные преобразователи частоты (Ы 14),
При выборе данной модели преобразователя частоты (тип. мощность подключаемого электродвигателя, точность и диапазон регулирования, точность поддержания момента на валу) исходили из решаемой электроприводом задачи -регулирование скорости вращения ротора насосов ДНС (рисунок 3,10). Модель электропривода включает в себя асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором - АД статорные обмотки которого подключены к блокам 1 и 2, моделирующие последовательную и параллельную составляющие трехфазной сети [/.[, Ufa Ь\,-. (параллельная нагрузка, кабельная линия, приведенные к высоковольтной схеме), понижающий 4 и повышающий 6 транформаторы, синус-фильтр 5, низковольный преобразователь частоты - НТТЧ, выполненный на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором ЮВТ. Модель содержит обобщенную систему управления, на вход которой поступают сигналы по заданию и обратной связи угловой скорости. В цепь ротора ЛД включен блок 3, представляющий собой динамическую нагрузку на валу двигателя.
По результатам математического моделирования процессов пуска с НПЧ, установлено, что ударный ток увеличивается в 1,3 раза, а пусковой - в 2,2 по сравнению с номинальным, пусковой момент плавно увеличивается до номинального значения, а критический - в 1,7 по сравнению с номинальным. Время выхода скорости на рабочую угловую скорость равно 9 с, а время окончания переходного процесса - 10 с.
Моделирование элекггро при иода дожимной насосной станции при пуске АД и составе ВПЧ (рисунок 3.11) произведено по математической модели электромеханического комплекса, представленного СДУ в (3,1). Модель электропривода включает в себя асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором - АД, статорные обмотки которого подключены к блокам 1 и 2, моделирующие последовательную и параллельную составляющие трехфазной сети UA, U& Uc- (параллельная нагрузка, кабельная линия, приведенные к высоковольтной схеме}, выеококовольный преобразователь частоты - ВПЧ, выполненный на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором ЮВТ. Модель содержит обобщенную систему управления, на вход которой поступают сигналы по заданию и обратной связи угловой скорости. В цепь ротора АД включен блок 3, представляющий собой динамическую нагрузку на валу двигателя.
Реализация автоматизированной системы управления дожимной насосной станцией в SCADA-системе STARDOM YOKOGAWA
В рамках концепции энергосбережения и повышения энергоэффективности используемых технологий происходит планомерный процесс оснащении объектов магистрального транспорта нефти автоматическими системами с частотно-регулируемым электроприводом насосов. Однако опыт внедрения частотно-регулируемых электроприводов показал, что для обеспечения требуемого качества подготовки нефти требуется стабилизация технологического процесса, т, е. такая настройка системы, которая обеспечивает постоянство поступающей продукции на УПВСН, устойчивость системы к внешним климатическим условиям эксплуатации и режимам транспорта нефти, как в период пусконаладочных работ, так и в процессе ее эксплуатации. В связи с этим, актуальными являются исследования, направленные на повышение качества переходных процессов в частотно-регулируемых электроприводах насосных станций в широком диапазоне изменений возмущающих воздействий. Электропривод насосной станции ОНС) представляет собой сложную многомерную систему, реализующую функции передачи механической энергии вращения вала электродвигателя перекачиваемой жидкости. Расход нефтяной эмульсии на выходе насосной станции эавнеит от ряда факторов, среди которых основными являются: режим транспорта нефти, который характеризуется количеством работающих нефтеперекачивающих агрегатов (НПА), уровнем поступившей продукции в резервуаре и степенью сепарации нефтяной продукции, что определяет расход и давление на выходе НПА и на выходном трубопроводе насосной станции.
Расход нефтяной эмульсии после ПС должен иметь постоянное значение в течение всей длительности технологического процесса, что определено технологическим регламентом. Однако, изменения условий окружающей среды (например, температура воздуха, влажность), вывод части скважин на режим или, наоборот, капитальный ремонт приводні к отклонению Qs!MX от прогноз и руемого при проектировании НПЛ значения в широких пределах. При этом указанные возмущающие воздействия имеют различную интенсивность изменения с течением времени. Раскрытие данной темы с учетом реализации программ энергосбережения и ПОВЫШЕНИЯ энергоэффективности технологий позволило сфокусировать внимание на Ні ІА, являющихся элементом электромеханического комплекса НС системы транспорта и подготовки нефти. Вместе с тем, на сегодняшний день остается нерешенным ряд вопросов в области динамики процессов регулирования расхода. Структурная схема системы стабилизации уровня нефти в резервуаре с частоти о-ре гул и руемым электроприводом насосов показана на рисунке
Сигнал с датчика уровня нефти в реіервуаре сравнивается с сигналом задания. Полученная разность сигналов М{ = і-І подается на вход контроллера, который с помощью сигнала Un t задает частоту / и напряжение U, на выходе преобразователей частоты ЛЧІ...ПЧІ {Ї=1,2), В случае, когда уровень нефти на выходе НС отличается от заданного значения, контроллер с помощью сигнала U, изменяет частоту / н напряжение (/„вв входе асинхронных электродвигателей {АДі-АДі) что позволяет изменять угловую скорость вращения а соответствующего электродвигателя іі=І,2) и, следовательно, расход нефти на выходе насоса jQ j уменьшая рассогласование между заданным и выходным значением. Опыт эксплуатации системы стабилизации уровня нефти в резервуаре с частотно-регулируемым электроприводом насосов показал, чта при определенных условиях возможно возникновение автоколебании. Полому анализ факторов, приводящих к нарушению устойчивости системы стабилизации, является важной научно-технической задачей, Преобразованная структурная схема системы стабилизации уровня в резервуаре приведена на рисунке 4.2.
В состав насосной станции системы транспорта и подготовки нефти входят два высоковольтных асинхронных электродвигателя (АД), низковольтный преобразователь частоты, повышающий и понижающие трансформаторы, встроенный контроллер и резервуар. Технологическая схема рассматриваемой дожимной насосной станции (рисунок 2,1) состоит из резервуара (Е-3), трубопроводной арматуры, включающей обратные клапаны, регулируемые и нерегулируемые клапаны, и двух: электроприводов, включающих приводные асинхронные электродвигатели центробежных насосов (основного И- J и резервного Н-2). Эмульсия в резервуар поступает через клапаны К-33, 36 и 37, открытие и закрытие клапанов Я1-/5. 16 и 17 позволяет подавать эмульсию НИ прием насосов, Зависимость напора н расхода насоса от угловой скорости электродвигателя описывается следующим выражением 7]: где Нф - фиктивный статический напор, м; $ф - фиктивное гидравлическое сопротивление насоса, с:/м5; Q— подача насоса (объем жидкости, перекачиваемой насосом в единицу времени), м-7с; ю и ыу— текущая и номинальная скорости вращения вала насоса соответственно.
Уровень а резервуаре НС должен поддерживаться на отметке 2,5 метра (высота резервуара -5 м, длина - 10,2 щ и объем 200 м1). В подавляющем большинстве случаев для управления напором в грубоПроводе ПСІІОЛІ.іЧЮҐОІ ПИД-регуляторы. Однако непрерывное изменение подачи нефти на рассматриваемую насосную станцию приводит к колебаниям расхода и давления, как в трубопроводе, так и на ЦПС. Данная неопределенность не позволяет получить аналитические зависимости и адекватную математическую модель системы. Поэтому системы управления на основе ГШД-регуляторов нуждаются в периодической и трудоемкой настройке, что приводит к повышению эксплуатационных расходов и перерасходу энергоресурсов [3S, 55, 60, 103], Для обеспечения приемлемого качества переходных процессов требуется сокращение времени работы регулятора в реальном масштабе времени. Данным преимуществом по сравнению с нечетким реал лятором обладает многомерный нечеткий регулятор с дискретными термами. Следовательно, важной задачей для обеспечения требуемого качества регулирования является адаптация и синтез системы управления насосной станцией с МНРсДТ. Для повышения эффективности процесса управления предлагается использовать многомерный нечеткий регулятор с дискретными термами, особенностью которого является представление входных и выходных переменных, а также функций компенсации взаимовлияния контуров регулирования совокупностью дискретных термов, т. е. термов с прямоугольной формой функции принадлежности [44]. Как известно [42-44], преимуществом МНРсДТ перед ПИД- и типовыми нечеткими регуляторами при автоматизации сложных, нелинейных и многосвязных объектов управления высокого порядка, представленных вербальной моделью, является низкая погрешность и высокое быстродействие [60]. Эти характеристики позволяют построить МНРсДТ с приемлемой компенсацией взаимною влияния контуров регулирования. Исходные данные для разработки такого компенсатора предлагается получить из эксперимента по снятию для каждого контура регулирования Мі Н- сД Г двух характеристик « В код- выход»: в автономном и многосвязном режимах работы контуров.