CC BY
101
УПРАВЛЕНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, АВТОМАТИЗАЦИЯ
УДК 004.942
Д. А. Коростелёв, М. Н. Левая, И. С. Левый
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МОНИТОРИНГА И РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В НЕФТЕПРОВОДЕ
Описана математическая модель быстрого и плавного изменения и гашения давления в нефтепроводе методом дросселирования потока, подразумевающим применение в качестве регулирующего органа поворотных заслонок с изменяющимся проходным сечением. Выделены характерные зоны с различным течением среды в нефтепроводе: зона входа и выхода, зоны конфузора, гидравлического сопла, резкого расширения канала, прямого канала. Приведены основные параметры, характеризующие поворотную заслонку. Рассмотрен алгоритм расчета потерь давления в заслонке, сделан вывод о возможности его использования при создании программного обеспечения мониторинга и регулирования давления в нефтепроводе. Указано место системы автоматического регулирования давления в системе автоматизации нефтеперекачивающих станций, выделяются её функции. Описаны архитектура и структура базы данных программного обеспечения моделирования и регулирования давления в нефтепроводе. Указаны инструменты и технологии, использованные при разработке программного обеспечения. Приведено описание алгоритма регулирования давления в нефтепроводе, учитывающего показания датчиков, установленных на узлах нефтеперекачивающей станции. Определены принципы поведения системы в случае превышения порогового значения заслонки в 70 градусов и взаимодействия с контроллерами. Описаны пользовательский интерфейс программного обеспечения и основные сценарии работы с ним. Результатом исследования является описание технических и проектных решений, использованных при реализации программной системы мониторинга и регулирования давления в нефтепроводе на основе представленной математической модели. Отмечается возможность использования разработанного программного обеспечения в режиме реального времени и в целях обучения.
Ключевые слова: математическое моделирование, нефтепровод, поворотная заслонка, алгоритм регулирования давления, система автоматического регулирования давления, база данных, программное обеспечение, мониторинг давления.
Введение
Одной из наиболее важных задач на магистральных нефтепроводах является регулирование давления. Это необходимо для обеспечения безопасности, снижения вероятности появления аварийно-опасных ситуаций, способных нанести вред персоналу, окружающей среде или оборудованию [1]. Проектирование, совершенствование и программная реализация систем мониторинга давления позволят повысить эффективность и качество процессов транспортировки нефти.
Параметры магистрального трубопровода как объекта регулирования при изменении режима перекачки существенно меняются, поэтому актуальна разработка математической модели расчета нелинейной механической характеристики нагрузки и реализация этой модели в виде программного обеспечения, позволяющего автоматически отслеживать и регулировать параметры давления по расчетным данным [2, 3], что и являлось целью исследования.
Математическое моделирование нагрузки на заслонку
Для быстрого и плавного изменения величины давления, гашения гидроударов, распространяющихся по трубе, применяют метод дросселирования потока. В этом случае регулирующими органами являются поворотные заслонки с изменяющимся проходным сечением [1, 2, 4]. На рис. 1 представлена схема и гидродинамическая картина поворотной заслонки.
Рис. 1. Гидродинамическая картина обтекания заслонки и особые зоны с различным течением среды: I - зона входа и выхода; II - зона плавного сужения канала (зона конфузора); III - зона гидравлического сопла; IV - зона резкого расширения канала; V - зона прямого канала
Поворотная регулирующая заслонка характеризуется следующими параметрами:
- вязкость среды п = 8,5-10"3 Па-с;
- плотность среды р = 850 кг/м3;
- диаметр заслонки й = 0,5 м;
- геометрическая длина заслонки L = й;
- площадь сечения заслонки = п (й )2 / 4;
- скорость потока на входе заслонки V = 2,2 м/с;
- средний расчетный расход жидкости на входе и выходе заслонки Q.
Средняя площадь конфузора (рис. 1) приблизительно равна площади в районе крепления заслонки: йср (а) = (й1 (а) + й2 (а)+ й3 (а)+ й5 (а))/4.
Расчет величины потерь давления в заслонке осуществляется по алгоритму, приведенному в работе [5]. Площади прямого канала и канала сопла равны и в зависимости от угла поворота заслонки изменяются по закону косинуса:
а
ß3(a)
а
ß5(a)
Входная площадь конфузора изменяется по закону синуса:
S^ (а) = 1,772 •( d /2)2 • sin (а).
Проходное сечение конфузора изменяется от 5с0п (а) до 5 (а) (или до 53(а)) по длине заслонки. Проходное сечение от шага к шагу уменьшается на величину (рис. 2):
Л? (а) = 0,26 •( d /2)2 • sin (а).
61 51 41 31 21 11 0 10 20 30 40 50 60
Рис. 2. Пошаговое обозначение регулируемого проходного сечения. Ri- плечи для расчета моментов сопротивлений: Я1 = Ятр -Ятр • 5/6, Я2 = Ятр -Ятр • 4/6,
Я3 = Ятр - Яр • 3/6, Я4 = Ятр - Ятр •уз, Я5 = Я]р - Ятр 4/6, Я6 = Ятр, Ятр = d/2
5 61(а) =
'^соп (а)
V 2 J
+1,772
' й2 >
V 8 J
5 51(а) = 5 61(а)-А5 (а), 5 41(а) = 5 51(а)-2 А5 (а), 5 31(а) = 5 41(а)-3-АЯ (а), 5 21(а) = 5 31(а)-4 А5 (а), 511(а)= 521(а)- 5 •ДО (а), 510 (а) = 511(а)-6 А5 (а), 520(а) = 510 (а) - 7 • А5 (а), 530 (а) = 520(а) - 8 • А5 (а), 540 (а) = 530 (а)- 9 А5 (а), 550(а) = 540(а) -10 • А5 (а), 560(а) = 550(а) -11 • А5 (а).
Для инженерного решения определения моментов сопротивления и мощности потерь могут быть применены простые известные алгоритмы, используемые для расчета местных гидравлических потерь конфузора [6]. Зеркальное отражение заслонки превращает картину течения в конфузор с переменным углом сужения (рис. 3).
\
Sbx = 2 (S - S5(a)) ]
J
! Sy" S5(a)
■ ^вых = 2 • S3(a)
Рис. 3. Схема замены заслонки конфузором
Зона медленного сужения (зона II-III), зона конфузора. Коэффициент местных гидравлических потерь: £,con = 0,2.
Ssop (а) = Я60(а)- 2,
Scp (а) =
S 60 (а) + S 61(а)
Fsop (а) =
Й1(а) = 2 • S6l(а) Sl(а)
а) а)
(128 • п • (Scp ( а ))2-d^ Scp (а) • d cp (а)
п
+
Scon-P"
Scp (а)^Г ^^а)
Scp (а)
^ (а) =
Fp (а)
2 scp (а)'
(1)
Зона резкого расширения (зона Ш-1У). В зоне Ш-ГУ местные гидравлические потери являются инерционными видами потерь. Потери энергии, затраченной на расширение потока за регулируемым проходным сечением, являются основными потерями в регулирующей заслонке.
Площадь расширения потока определим как 1/3 от площади проходного сечения на входе конфузора.
5расш (а) = 5 61(а). 2/3.
Коэффициент местных гидравлических потерь:
S34 (а) =
ff
-Уш (а)
Ssop (а)
vv sop
-1
J J
Сила сопротивления в зоне резкого расширения потока:
F34(а) = (£,34(а).р - 5рас1п (а) /2). (V - 51(а) / ^ (а))2
Падение давления в зоне резкого расширения потока:
¥ 34 (а)
Р34 (а) =
( 2 ^ (а))'
(2)
2
2
2
Зона равномерного течения (зона V). Потери из-за трения: F5(а) = 128 • п •(£5(а))2• Ь• V/п• d2, . . F5(а)
Р5(а) =-.-. (3)
Суммарная величина потерь давления в заслонке складывается из выражений (1)-(3):
Рсум (а) = Р5 (а) + Р34(а) + Р80р (а). (4)
Данная формула является основой для подсчета потерь давления в заслонке в зависимости от угла ее поворота. Зная суммарную величину потерь давления в заслонке (4), можно регулировать давление в нефтепроводе. Эту задачу может решить создание программного обеспечения мониторинга и регулирования давления в нефтепроводе (ПОМиРДвН). Система автоматического регулирования давления является программно-техническим комплексом автоматического регулирования и предназначена для функционирования в составе системы автоматизации нефтеперекачивающих станций (рис. 4).
Рис. 4. Структура системы автоматизации нефтеперекачивающих станций
Система автоматического регулирования давления выполняет следующие функции [1, 7]:
- автоматическое регулирование давления на приеме и выходе станции или регулирование в ручном режиме путем управления положением регулирующих органов (заслонки, клапаны и т. п.) или изменением частоты вращения вала двигателя магистрального агрегата;
- автоматическая корректировка установок регулирования и прикрытие регулирующих заслонок при пуске магистрального насосного агрегата;
- регистрация и архивация значений технологических параметров (давление на входе, в коллекторе и на выходе станции, положение регулирующих органов).
Проектные модели программной системы
Для понимания архитектуры ПОМиРДвН используется диаграмма компонентов. На ней изображены компоненты программного продукта и связи между ними, а также связи с внешним миром. Архитектура ПОМиРДвН включает учетные данные, параметры системы, системные сообщения, компонент визуализации мнемосхем, компонент управления (рис. 5).
Рис. 5. Диаграмма компонентов ПОМиРДвН
В качестве языка программирования для разрабатываемой системы был выбран язык С# [8], в качестве инструментальной среды разработки системы - Visual Studio 2015 Community.
Для создания базы данных для ПОМиРДвН используется SQL Server Express LocalDB. При использовании локальных данных приложение подключается к файлу базы данных на локальном компьютере, а не к базе данных на отдельном сервере.
База данных ПОМиРДвН состоит из 6 таблиц. На рис. 6 приведена физическая модель пользовательской части базы данных.
—-
_I Messages
Id .Message INT <* Id.MsName INT OMsDate DATETIME(H)
□ InputPressure ▼
J Id .pressure INT
* Id_e*p INT -----
^ Input? R.OÄT
►
Operator
Id.Operator INT >FIOVARCHAR(*>) Password V/WCHAR(20)
--H
_J Experiments ▼
Id_e>p INT <>NumE>o INT
X---:
L--K
Z) MsMame
Id MsName INT ---II-
•> Description V AR Ol «(40) ►
□ Calculate
Id.Calculate INT
> Id_Opera»r INT
-> InputPressure FLOAT
Outpu (Pressure FLGVT ^ Angle a OAT
> Viscosity FLOAT -> Density FLOAT
v LengthFljp FLOAT ■>DiametrFljp FLOAT ^ HydraulcLose FLOAT ^ SpeedStream FLOAT -»CalcDate DATEnHE(H)
Рис. 6. Физическая модель схемы базы данных
Таблицы выполняют следующие функции. Таблица «Operator» служит для хранения информации об операторах, которые работают с системой; таблица «InputPressure» - для хранения данных входного давления для режима имитации; таблица «Experiments» - для хранения сценариев, состоящих из набора входных давлений; таблица «Calculate» - для хранения данных о расчете выходного давления; таблица «Messages» - для хранения сообщений о работе системы в период мониторинга; таблица «MsName» - для хранения названий сообщений о работе системы.
Регулирование давления в нефтепроводе
Программная система анализирует данные, поступающие от датчиков, установленных на узлах нефтеперекачивающей станции (рис. 7). Информация от датчиков сначала попадает на сетевую шину MODBUS+ (см. рис. 4) и по шине приходит к контроллерам, где осуществляются первичная обработка и анализ данных. После этого необходимые данные по сети Ethernet поступают в ПОМиРДвН, где визуализируются в режиме реального времени. При этом система производит расчет потери давления Рсум (ж).
С
с
Считывание показание датчиков
Обработка и расчет выходных параметров
[Иначе]
X
[Показания давления в норме]
[Иначе] ■ [Выходное давление больше допустимого]
—о-
Увеличить угол заслонки
[Иначе]
<е>
[Угол заслонки в норме]
1
___X--
Уменьшить угол заслонки
Рис. 7. Алгоритм регулирования давления в виде диаграммы активности
Если потери давления в норме, то считываются следующие данные, в противном случае система анализирует показатели выходного давления.
Если показатель выходного давления больше допустимого, то анализируется угол поворота заслонки, в противном случае система увеличивает угол поворота заслонки. После этого действия система считывает следующие данные.
Если угол поворота заслонки в норме, а именно не превосходит 70°, система должна уменьшить угол поворота заслонки и считывать следующие данные. В противном случае система информирует оператора об аварийно опасной ситуации.
Для регулировки угла заслонки программная система посылает соответствующие управляющие команды контроллерам. Контроллеры, в свою очередь, преобразуют их в управляющие команды для исполнительного устройства (электропривода), осуществляющего поворот заслонки. При необходимости оператор тоже может инициировать управляющее воздействие на заслонку, задав ей через интерфейс программной системы новое значение угла.
Пользовательский интерфейс
Элементы на главном окне системы расположены в соответствии с традиционными подходами к проектированию пользовательского интерфейса (рис. 8):
- меню - в верхней части главного окна в горизонтальном виде;
- справа от меню - реальное время и имя оператора;
- в центре экрана - текущие параметры системы, условные обозначения к мнемосхеме, мнемосхема и график угла поворота задвижки;
- в нижней части - панель системных сообщений.
Рис. 8. Главное окно ПОМиРДвН
Для того чтобы начать работу, оператор должен нажать кнопку «Регистрация». Далее необходимо ввести данные (имя, пароль). Если оператор уже зарегистрирован, необходимо нажать кнопку «Войти». После нажатия кнопки «Войти» происходит проверка наличия введенных параметров в базе данных. В случае успешной авторизации оператор попадает на главное окно системы, где появляется его имя. Если же данные найдены не будут, то оператор увидит сообщение с советом о дальнейших действиях. Оператору предлагается зарегистрироваться, введя имя и пароль, и нажать кнопку «Регистрация».
При нажатии кнопки «Параметры» оператору будут доступны изменения начальных параметров системы. После нажатия кнопки «ОК» изменения начальных параметров системы сохраняются и отображаются в главном окне.
Для того чтобы установить входное и допустимое давление, оператор должен нажать кнопку «Установка давления». В появившемся окне оператору необходимо задать давление в мегапаскалях и выбрать, какое давление ему необходимо изменить. Полученные данные отображаются на мнемосхеме в главном окне.
На рис. 9 представлен интерфейс окна отчетов. Для просмотра отчетов работы системы оператор может перейти на страничку «Отчет» через меню. В этом окне располагается таблица с расчетными данными, именем оператора, проводившего испытание, и датой мониторинга. Приведены также график угла поворота задвижки и график давления в системе. Для того чтобы сохранить отчет в формате .doc или же вывести на печать, оператору необходимо нажать кнопки «Сохранить» и «Печать» соответственно.
На рис. 10 приведен интерфейс страницы добавления нового сценария для запуска режима имитации. В окне «Имитация» оператор может добавлять, редактировать и удалять сценарии. Добавление сценария происходит при нажатии кнопки «Добавить». Новый сценарий появляется в таблице с уже имеющимися сценариями. С помощью выпадающего списка оператор может выбрать сценарий для запуска системы.
Рис. 9. Окно режима отчетов
Давление: Т5192 1.6682 1.6934 1.668 1.8765 1.604 1.9029 1.8713 1.7434 1.9748 1.5239 1.5894 1.6724 1.5533 1.6802 1.5802 1.6898 1.8174 1.7878 1.6184 1.6965 1.624
График давления на входе
2 52* с * 155 1 э & <3 10 5- -Давление в потоке. МПа
АГЛ урМ
19 39 59 79 99 Номер в потоке
Рис. 10. Добавление нового сценария
Когда оператор задает входное давление вручную, для запуска системы ему необходимо нажать кнопку «Расчет». При нажатии кнопки «Графики» строятся графики аналогичные тем, которые отображаются в отчетах. При необходимости оператор может очистить историю сообщений с помощи кнопки «Очистить историю сообщений».
Заключение
Таким образом, в ходе исследования были получены следующие результаты:
- построена математическая модель регулирования давления методом дросселирования;
- спроектирована и разработана программная система, реализующая эту модель, что позволяет осуществлять контроль и управление поворотной заслонки в нефтепроводе;
- разработанная система позволяет операторам в режиме реального времени наблюдать за состоянием нефтепровода и, в случае необходимости, принимать соответствующие действия;
- система может быть использована и как обучающая, т. к. в ней имеется режим имитации.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Гаспарянц Р. С. Нормативно-техническое обеспечение нефтепровода ВСТО // Трубопроводный транспорт нефти. 2003. № 8. С. 31-34.
2. Есаулов А. О., Текшева И. В. Моделирование систем управления нефтепроводом // Трубопроводный транспорт нефти. 2010. № 8. С. 63-65.
3. Корнилова Н. В. Моделирование параметров системы автоматического управления регулирующей гидравлической задвижки атомной электростанции // Молодой ученый. 2015. № 22-5 (102). С. 42-45.
4. Захаров В. И., Лощинин А. Е., Рябухин В. И. и др. Оператор нефтеперекачивающей станции магистрального нефтепровода. Ч. II: учеб. пособие; под ред. Ю. В. Богатенкова. Тюмень: Тюмен. учеб. центр ОАО «Сибнефтепровод», 2005. 208 с.
5. Антропов А. Т., Рикконен С. В. Гидромеханические характеристики регулирующей заслонки САР давления // йеск Журнал интеллектуальных технологий. 2009. № 12. С. 38-42.
6. ГуревичД. Ф. Расчет и проектирование трубопроводной арматуры. М.: Машиностроение, 1969. 886 с.
7. Гуревич Д. Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры: Расчет трубопроводной арматуры. М.: ЛКИ, 2008. 480 с.
8. Хейлсберг А., Торгерсен М., Вилтамут С., Голд. П. Язык программирования С#. СПб.: Питер, 2012. 784 с.
Статья поступила в редакцию 1.11.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Коростелёв Дмитрий Александрович — Россия, 241035, Брянск; Брянский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент кафедры информатики и программного обеспечения; nigm85@mail.ru.
Левая Марина Николаевна — Россия, 241035, Брянск; Брянский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры начертательной геометрии и графики; mlevaya@mail.ru.
Левый Игорь Сергеевич — Россия, 241035, Брянск; Брянский государственный технический университет; магистрант кафедры информатики и программного обеспечения; i-levyy@mail.ru.
D. A. Korostelev, M. N. Levaya, I. S. Levyy
AUTOMATION OF MONITORING PROCESS AND REGULATION OF PRESSURE IN THE PIPELINE
Abstract. It was described the mathematical model of quick and smooth changes and the pressure damping in the pipeline by the method of throttling the flow, implying the use as a regulatory body rotary valves with a variable flow area. The characteristic zones with different flow of the medium in the pipeline were identified: the input and output zone, confusor zone, hydraulic nozzle,
the abrupt expansion the channel, the direct channel. The main parameters that characterize a butterfly damper have been brought. The calculation algorithm of pressure losses in the damper was considered, the conclusion about the possibility of its use in creating software to monitor and regulate pressure in the pipeline was made. The place of automatic pressure control system in the system of automation of oil pumping stations was specified, and its functions were allocated. The architecture and structure of database software modeling and control of pressure in the pipeline were described. The tools and technologies used in software development were specified. The description of the algorithm was suggested that regulates the pressure in the pipeline, taking into account the indications that installed on the nodes of the oil pumping stations. The principles of the behavior of the system in case of exceeding the threshold value of the damper in 70 degrees and interaction with the controllers were defined. The user interface of the software and the main scenarios with it were described. The result of the study is to describe the technical and design solutions used in the implementation of software systems for monitoring and controlling the pressure in the pipeline on the basis of a mathematical model. The possibility of using software developed in real time, and for training purposes was mentioned.
Key words: mathematical modeling, pipeline, butterfly damper, the algorithm of pressure control, automatic pressure control system, database, software, pressure monitoring.
REFERENCES
1. Gaspariants R. S. Normativno-tekhnicheskoe obespechenie nefteprovoda VSTO [Regulatory and technical support of the ESPO oil pipeline]. Truboprovodnyi transport nefti, 2003, no. 8, pp. 31-34.
2. Esaulov A. O., Teksheva I. V. Modelirovanie sistem upravleniia nefteprovodom [Modelling of pipeline control systems]. Truboprovodnyi transport nefti, 2010, no. 8, pp. 63-65.
3. Kornilova N. V. Modelirovanie parametrov sistemy avtomaticheskogo upravleniia reguliruiushchei gidravlicheskoi zadvizhki atomnoi elektrostantsii [Modelling of automatic control system that adjusts the hydraulic nuclear power plant valves]. Molodoi uchenyi, 2015, no. 22-5 (102), pp. 42-45.
4. Zakharov V. I., Loshchinin A. E., Riabukhin V. I. i dr. Operator nefteperekachivaiushchei stantsii mag-istral'nogo nefteprovoda [The operator of oil-trunk pipeline station]. Ch. II. Pod redaktsiei Iu. V. Bogatenkova. Tyumen, Tiumenskii uchebnyi tsentr OAO «Sibnefteprovod», 2005. 208 p.
5. Antropov A. T., Rikkonen S. V. Gidromekhanicheskie kharakteristiki reguliruiushchei zaslonki SAR davleniia [Hydromechanical characteristics of regulating ACS valve pressure]. itech. Zhurnal intellektual'nykh tekhnologii, 2009, no. 12, pp. 38-42.
6. Gurevich D. F. Raschet i proektirovanie truboprovodnoi armatury [Calculation and design of pipe fittings]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1969. 886 p.
7. Gurevich D. F. Raschet i konstruirovanie truboprovodnoi armatury: Raschet truboprovodnoi armatury [Calculation and design of pipe fittings: Calculation of pipe fittings]. Moscow, LKI, 2008. 480 p.
8. Hejlsberg A., Torgersen M., Viltamuht S., Golde P. The C # Programming Language. Addison-Wesley Professional, 2010. 862 p. (Russ. ed.: Kheilsberg A., Torgersen M., Viltamut S., Gold. P. Iazyk programmiro-vaniia C#. Saint-Petersburg, Piter Publ., 2012. 784 p.).
The article submitted to the editors 1.11.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Korostelev Dmitriy Aleksandrovich — Russia, 241035, Bryansk; Bryansk State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Computer Science and Software; nigm85@mail.ru.
Levaya Marina Nikolaevna — Russia, 241035, Bryansk; Bryansk State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Descriptive Geometry and Graphics; mlevaya@mail.ru.
Levyy Igor Sergeevich — Russia, 241035, Bryansk; Bryansk State Technical University; Undergraduate Student of the Department of Computer Science and Software; i-levyy@mail.ru.
