Автоматизация процесса диспетчерского управления объектами добычи газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Чикало, Василий Николаевич

• Чикало, Василий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чикало, Василий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Диспетчерское управление добычей газа (состояние проблемы и постановка задачи исследования).

1.1. Характеристика технологического процесса добычи газа.

1.2. Анализ фукционироваия системы диспетчерского управления технологическим процессом добычи газа.

1.2.1. Задачи и иерархия системы ОДУ ГДП.

4 1.2.2. Структура АСУ ТП добычи газа и основные характеристики процесса диспетчерского управления. ^

1.3. Тенденции развития систем диспетчерского управления и постановка задачи исследования. ^ *

1.4. Иерархия целей и задач ОДУ технологическим процессом добычи газа (системные аспекты автоматизации ДУ).

1.5. Диалоговая система выбора проектных решений при создании

АСДУ добычи газа.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Математическое обеспечение задач распределения заданной производительности по технологическим объектам газовых месторождений. ^ *

2.1. Постановка задач рационального распределения объемов добычи газа.

2.1.1. Постановка задачи распределения заданной производительности между промыслами (УКПГ).

2.1.2. Постановка задачи распределения заданной производительности промысла по технологическим объектам.

2.2. Модели объектов управления.

2.2.1. Агрегированная модель разработки месторождения.

2.2.2. Модели технологических объектов газового промысла.

2.3. Распределение заданной производительности между УКПГ.

2.3.1. Распределение планируемой производительности между УКПГ.

2.3.2. Распределение заданной текущей производительности между

УКПГ.

2.4. Алгоритмы решения задачи распределения производительности между УКПГ в частных случаях.

2.4.1. Решение задачи при мгновенном вводе скважин и газовом режиме работы пласта.

2.4.2. Решение задачи при мгновенном вводе скважин и жестком водонапорном режиме работы пласта.

2.5. Модель распределения заданной производительности промысла по технологическим объектам.

2.6. Алгоритмы решения задачи распределения заданной производительности промысла по технологическим объектам.

2.6.1. Решение при отсутствии управляющих штуцеров.

2.6.2. Решение при наличии управляющих штуцеров.

2.7. Примеры решения задач распределения заданий по добыче газа между УКПГ и кустами скважин.

2.8. Рекомендации к выбору стратегий управления внутрипромысловой газосборной сетью.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Алгоритмы автоматизированного диспетчерского 4 управления Заполярным ГНКМ.

3.1. Алгоритм единого диспетчерского управления (ЕДУ) УКПГ-1С и УКПГ-2С Заполярного ГНКМ.

3.2. Алгоритмы формирования плановых заданий по добыче (уровни ЦДЛ и НГДУ).

3.3. Алгоритмы ДУ уровня УКПГ.

3.3.1. Алгоритм распределения производительности УКПГ по технологическим ниткам осушки газа.

3.3.2. Алгоритм распределения производительности УКПГ по кустам

9 газовых скважин (алгоритм регулирования давления в коллекторе после ЗПА).

3.4. Решение смежных задачи нижнего уровня ЕДУ.

3.4.1. Алгоритм автоматического регулирования подачи ДЭГа (ТЭГа) в абсорберы цехов осушки.

3.4.2. Алгоритм автоматического распределения подачи метанола в шлейфы ЗПА и на кусты газовых скважин.

3.5. Реализация структурных решений для АСДУ месторождений

Заполярное и Юбилейное.

3.5.1. Анализ потоков информации в системе ОДУ.

3.5.2. Рекомендации по структуре, составу и организации программно-технического комплекса диспетчерских и оперативно-производственных служб.

Выводы по главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация процесса диспетчерского управления объектами добычи газа»

Магистральным направлением развития АСУ технологическими процессами газовой отрасли является диспетчерское управление, организованное в рамках отраслевой системы оперативно-диспетчерского управления (ОСОДУ). В иерархии управления газодобывающего предприятия (ГДП) диспетчерской службе отводится важная функция по интегрированию управления всеми технологическими объектами, обеспечивающими процесс добычи газа.

Внедрение в практику диспетчерского управления (ДУ) газовой отрасли вычислительной техники, SCADA-систем, средств телемеханики, сетей передачи данных (СПД) и других современных систем автоматики привело к качественному изменению информационно-программного и аппаратного обеспечения диспетчерских служб. В человеко-машинной системе управления объектами добычи газа (т.е. в системе "диспетчер-машина") возникло значительное рассогласование между уровнями автоматизации двух основных элементов системы. Высокий уровень автоматики, вычислительной техники и информационных технологий (определяющий элемент "машина"), не подкрепляется (в отношении элемента "диспетчер") соответствующей автоматизацией процесса диспетчерского управления и диспетчерская деятельность ограничивается в основном задачей мониторинга, хотя диспетчерское управление это многозадачный и многоэтапный процесс.

Существенный разрыв между возможностями, которые предоставляют системы реального времени (в первую очередь SCADA-системы), и уровнем автоматизации процесса ДУ предопределен отсутствием в диспетчерском управлении единых математических моделей и алгоритмов управления, охватывающих всю совокупность объектов технологического процесса добычи

• газа. В организации оперативно-диспетчерского управления (ОДУ) добычей газа имеются также и другие проблемы: разрыв в действиях диспетчерской и геологической служб, связанный с учетом характеристик пласта; отсутствие системности в построении ДУ, которая обеспечивает взаимосвязь целей и критериев управления, задач диспетчерского и автоматического управления.

Задача исследований относится к актуальной научно-технической проблеме построения "человеко-машинных" систем управления и сформулирована как задача автоматизации процесса ДУ объектами добычи газа.

Целью диссертационной работы является автоматизации процесса диспетчерского управления объектами добычи газа. Решение этой проблемы можно представить как решение следующих связанных между собой задач:

- системный анализ организации и функционирования диспетчерских служб газодобывающих предприятий;

- разработка моделей и алгоритмов распределения заданной производительности по технологическим объектам газовых месторождений;

- разработка алгоритмов единого диспетчерского управления, позволяющих реализовать автоматизированное ДУ ГДП;

- разработка рекомендаций по практическому применению созданных моделей и алгоритмов.

Методы исследования базируются на теории автоматического и автоматизированного управления, системном анализе, моделировании и методах оптимизации.

Для АСДУ технологическим процессом добычи газа впервые были получены следующие результаты.

Предложены новые модели и алгоритмы распределения заданной производительности месторождения между промыслами (или УКПГ -установками комплексной подготовки газа), основанные на оценке предельных возможностей продуктивных пластов по добыче.

Разработаны алгоритмы распределения заданной производительности для УКПГ между технологическими объектами промысла. Предлагаемые алгоритмы (в отличие от существующих), позволяют в рамках единой модели найти рациональное распределение добычи и между кустами скважин, и, тем самым, согласовать режимы работы всех технологических объектов, составляющих систему обустройства газового промысла.

С учетом места ДУ в иерархии управления ГДП разработана научно-методическая основа для обеспечения целостности и интегрального характера » диспетчерского управления, включающая:

- иерархию основных элементов, образующих единую структуру ОДУ (цели, критерии, задачи диспетчерского управления, задачи автоматического управления, технологические процессы и технические системы, их реализующие);

- методику выбора проектных решений при создании информационно-управляющих систем (ИУС) добычи газа.

Практическая ценность работы определяется перечисленными ниже + положениями.

1. Разработанные автором модели и алгоритмы показали свою работоспособность на месторождении "Заполярное". Алгоритмы единого диспетчерского управления рекомендованы к эксплуатации и включены в техно-рабочий проект ИУС ДУ Заполярного газонефтеконденсатного месторождения (ГНКМ).

2. Разработанные алгоритмы объединяют все уровни управления предприятия ООО "Ямбурггаздобыча" в единую АСДУ, что позволяет реализовать диспетчерское управление на Заполярном ГНКМ не только с функциями мониторинга технологического процесса, но и с функциями управления нижним уровнем: распределение заданий по добыче газа между УКПГ и кустами скважин. Предлагаемые алгоритмы обладают общностью подхода и с учетом специфики конкретного технологического процесса добычи газа могут быть применены для автоматизации диспетчерского управления на других месторождениях.

3. На основе анализа информационных потоков сделаны рекомендации по организации СПД и при непосредственном участии автора был предложен ряд структурных решений, прошедших апробацию в условиях Крайнего Севера:

-разработаны структуры программно-технических комплексов диспетчерских служб на уровне ИУС ДУ (для Заполярного ГНКМ) и на уровне УКПГ (для Юбилейного газового месторождения - ГМ);

-создана СПД ИУС объектов энергообеспечения Ямальского ГПУ-газопромыслового управления.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и заседаниях отраслевых научно-технических Советов, в том числе: на 2-й и 4-й научно-технических конференциях "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (1997г., 2003г), 11-м Международном Конгрессе "Новые высокие технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи" (2001г., Салехард, Ямал), на заседаниях Научно-технических Советов ООО "Надымгазпрома" (1997г., 1998г.), ООО "Ямбурггаздобыча Отраслевого Экспертного Совета ОАО "Газпром" по автоматизации (г.Сочи, 2001г, г.Москва, 2002 и 2003гг.). По результатам научных исследований опубликовано 10 печатных работ. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения; изложена на 133 страницах, содержит 16 таблиц, 22 рисунка, список литературы из 77 наименований, двух приложений.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Чикало, Василий Николаевич

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

1. Разработанные алгоритмы, объединяют все уровни управления предприятия ООО "Ямбурггаздобыча" в единую автоматизированную систему, что позволяет реализовать диспетчерское управление на Заполярном ГНКМ не только с функциями мониторинга технологического процесса, но и с функциями управления нижним уровнем: распределение заданий по добыче газа между УКПГ и кустами скважин.

2. Предлагаемые алгоритмы обладают общностью подхода и с учетом специфики конкретного технологического процесса добычи газа могут быть применены для автоматизации диспетчерского управления на других месторождениях.

3. Представленные в главе алгоритмы ЕДУ рекомендованы к эксплуатации, включены в техно-рабочий проект на ИУС ДУ Заполярного

ГНКМ и в настоящее время находятся на этапе внедрения на объекте. Алгоритмы уровня УКПГ успешно прошли краткосрочное тестирование (несколько часов работы) на УКПГ 1С и показали свою работоспособность.

2. Для месторождения "Заполярное" предложена структура ИУС ДУ, обладающая следующими особенностями:

- в отличие от общесистемных требований, здесь полностью спланирован комплекс технических средств для автоматизации диспетчерского управления;

- для реализации всего комплекса целей и задач ОДУ в структурные решения введены следующие АРМы: а) для ЦДЛ - АРМ оптимизации режимов и расчета надежности газоснабжения; учебно-тренировочный АРМ; АРМ по контролю и учету расхода ТЭР; АРМ по балансу и учету газа; б) для ПДС - модели ГНКМ; учебно-тренировочный АРМ.

3. Предложена и внедрена на месторождении "Юбилейное" схема автоматизации УКПГ. Для Ямальского ГПУ предложены решения по организация диспетчерского управления на базе спутниковых каналов связи.

4. Для реализации предложенных моделей и алгоритмов проведен анализ потоков информации в системе ОДУ технологическим процессом добычи газа, а также анализ опыта разработок SCADA-систем для предприятий ГАЗПРОМа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ состояния АСУТП газовой отрасли показал, что АСДУ является магистральным направлением развития систем управления технологическими процессами, и то, что в управлении объектами добычи природного газа, достигнутый к настоящему времени высокий уровень средств автоматики, телемеханики и связи используется, в основном, для решения задач мониторинга, и не подкрепляется задачами диспетчерского управления, охватывающими весь объект в целом, включая пласт. Показано, что диспетчерское управление является многозадачным и многоэтапным процессом щ и сформулирована проблема автоматизации процесса диспетчерского управления объектами добычи газа. В качестве основных результатов работы можно отметить следующее.

1. Предложены модели и алгоритмы распределения заданной производительности месторождения между промыслами (УКПГ), основанные на оценке их предельных возможностей по добыче. Это позволяет учесть условия, снижающие риск эксплуатации скважин в нештатных ситуациях, что отличает данную работу от подобных по целям, задачам и объектам исследований.

2. Разработаны алгоритмы распределения заданной производительности для УКПГ между технологическими объектами промысла, подключенными к одной УКПГ. Предлагаемые алгоритмы (в отличие от существующих), позволяют в рамках единой модели найти рациональное распределение добычи между кустами скважин, и, тем самым, согласовать режимы работы всех технологических объектов, составляющих систему обустройства газового промысла.

3. Разработаны алгоритмы, объединяющие все уровни управления предприятия ООО "Ямбурггаздобыча" в единую АСДУ, что позволяет реализовать диспетчерское управление на Заполярном ГНКМ не только с функциями мониторинга технологического процесса, но и с функциями управления нижним уровнем: распределение заданий по добыче газа между УКПГ и кустами скважин. Предлагаемые алгоритмы обладают общностью подхода и с учетом специфики конкретного технологического процесса добычи газа могут быть применены для автоматизации диспетчерского управления на других месторождениях.

4. Для обеспечения целостности интегрального характера диспетчерского управления АСДУ:

- разработана иерархия основных элементов ОДУ, которая образует единую структуру основных элементов ОДУ (цели, критерии, задачи ОДУ, задачи автоматического управления, технологические процессы и технические системы, их реализующие);

- предложены методика построения и диалоговый комплекс выбора проектных решений в области ИУС добычи газа.

5. Разработанные модели и алгоритмы показали свою работоспособность при решении задач диспетчерского управления технологическими объектами месторождения "Заполярное". Алгоритмы единого диспетчерского управления рекомендованы к эксплуатации, вошли в техно-рабочий проект на ИУС ДУ Заполярного ГНКМ.

6. На основе анализа информационных потоков сформулированы рекомендации по организации и реализации системы передачи данных для газо добывающих предприятий. Предложены структурные решения, апробированные на месторождениях Крайнего Севера:

- по программно-техническому комплексу диспетчерских служб на уровне ИУС ДУ (для Заполярного ГНКМ) и на уровне УКПГ (для Юбилейного ГМ);

- по организации СПД ИУС объектов энергообеспечения (для Ямальского ГПУ).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чикало, Василий Николаевич, 2003 год

1. Ананенков А.Г., Баранов А.В. Скважины и пласты в системах добычи газа. -М.: Наука, 1999.-239с.

2. Андреев Е.Б. Разработка операторских интерфейсов в пакете INTOUCH. М.; РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 1999.-81с.

3. Анохин А.Н., Острейковский В.А. Вопросы эргономики в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 2001.-344с.

4. Апостолов А.А., Вербило А.С. Панкратов B.C. Автоматизация диспетчерского управления газотранспортным предприятием. Газовая промышленность, серия "Автоматизация, телемеханизация и связь в газовой промышленности". ИРЦ ОАО "Газпром".-М.:1999.- 71с.

5. Апостолов А.А., Вербило А.С., Панкратов B.C. Совершенствование диспетчерского управления. Газовая промышленность. № 8, 1999.

6. Берман Р.Я., Журавлева Н.В. Локальная вычислительная сеть диспетчерских и технологических АРМ.-М.,ВНИИЭгазпром. 1992.-35с. Обз.инф. Сер. Автоматизация, телемеханизация и связь в газовой промышленности.

7. Берман Р.Я., Панкратов B.C. Автоматизация систем управления магистральными газопроводами. Л., Недра, 1978. 159 с.

8. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения. Пер. с англ.-М.: Конкорд. 1992.-519с.

9. Ваулина Е.В. Моделирование и исследование режимов функционирования комплекса технологических объектов газодобывающего предприятия. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина. 1999.

10. Ваулина Е.В., Григорьев Л.И.,Попадько В.Е. Обзор автоматических информационных систем управления технологическими процессами. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности.№. 1. 1996 4-15с.

11. Вычислительные сети и сетевые протоколы: Пер. с англ. / Дэвис Д., Барбер• Д., Прайс У., Соломонидес С. -М.: Мир, 1982.-562с.

12. Григорьев Л.И. Автоматизация процессов обучения и принятия решений в диспетчерском управлении транспортом газа. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М: ГАНГ им. И.М.Губкина, 1997.

13. Григорьев Л.И. Сарданашвили С.А. Герке В.Г. Основные проблемы теории диспетчерского управления (от практики ОСОДУ ЕСГ к теории). Газовая18