CC BY
22
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2020, №1, Том 12 / 2020, No 1, Vol 12 https://esj.today/issue-1-2020.html URL статьи: https://esj.today/PDF/23SAVN120.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Иншаков Р.С., Балабуха А.В., Липатова А.В., Дудин Р.В., Гулая Ю.В., Шульгин В.Е. Каскадное управление в газотранспортных системах // Вестник Евразийской науки, 2020 №1, https://esj.today/PDF/23SAVN120.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Inshakov R.S., Balabukha A.V., Lipatova A.V., Dudin R.V., Gulaya Ju.V., Shulgin V.E. (2020). Cascade control in gas transmission systems. The Eurasian Scientific Journal, [online] 1(12). Available at: https://esj. today/PDF/23S AVN 120.pdf (in Russian)
УДК 05.23.00 ГРНТИ 05.23.03
Иншаков Роман Сергеевич
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: romawushu@mail.ru
Балабуха Алексей Владимирович
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: dein500@mail.ru
Липатова Анжела Владиславовна
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант
E-mail: lipatova.av@students.dvfu.ru
Дудин Роман Валерьевич
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: dudin.rv@students.dvfu.ru
Гулая Юлия Васильевна
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант
E-mail: gulaya.yuv@students.dvfu.ru
Шульгин Владислав Евгеньевич
ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 2-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: shulgin.ve@students.dvfu.ru
Каскадное управление в газотранспортных системах
Аннотация. Современные системы трубопроводного транспорта природного газа имеют огромную протяженность, особенно в нашей стране. В таких условиях, учитывая постоянный рост потребления природного газа, как населением, так и промышленностью, а также государственные программы по переводу котельных на природный газ, растет потребность в автоматизации систем транспорта природного газа. Внедрение автоматизации имеет ряд очевидных преимуществ, таких как снижение так называемого человеческого фактора, когда по вине человека происходит нештатная ситуация в работе системы, снижение времени реагирования на появление таких ситуаций, а также повышение общей эффективности работы системы за счет увеличение точности контроля эксплуатационных параметров и т. д. Поскольку модель состояний пространства является фундаментом современной теории управления, то в работе предполагается, что классический метод синтеза контроллера может быть использован для создания сложного контроллера на газопроводе. Главной задачей данного исследования является разработка автоматизированного комплекса для контроля работы современных магистральных газопроводов. В представленной работе предлагается использовать алгоритм каскадного управления на основе модели состояний пространства, которая используется для моделирования переходных процессов при транспортировке природного газа. Линейный квадратичный регулятор разработан в соответствии с классической теорией оптимального регулирования. В результате, моделирование переходного процесса с различными методами регулирования показывает эффективности применения каскадного управления с использование информации с датчиков, расположенных по всей длине трубопровода. Представленная технология может стать одним из этапов создания, так называемого интеллектуального газопровода.
Вклад авторов.
Иншаков Роман Сергеевич - автор оказывал участие в написании статьи. Производил создание графического материала. Одобрил окончательную версию статьи перед её подачей для публикации.
Балабуха Алексей Владимирович - автор внес главный вклад в написание статьи. Ему принадлежит идея статьи. Принимал участие в написании статьи. Производил координацию работы научного коллектива.
Липатова Анжела Владиславовна - автор производил патентный поиск.
Дудин Роман Валерьевич - автор оказывал участие в поиске общей информации для написания статьи. Собрал, проанализировал и сгруппировал информацию для включения в текст статьи.
Гулая Юлия Васильевна - автор оказывал координацию членов коллектива по поиску информации. Производил поиск информации по вопросу, поднятому в статье, в зарубежных источниках.
Шульгин Владислав Евгеньевич - автор оказывал участие в поиске общей информации для написания статьи. Собрал, проанализировал и сгруппировал информацию для включения в текст статьи.
Ключевые слова: модель состояний пространства; трубопроводный транспорт газа; каскадный контроль; ПИД регулятор; моделирование газопровода; автоматизация; газоснабжение; время реагирования системы
Введение
В связи с удаленностью мест добычи природного газа от районов потребления, возникает необходимость в транспортировке природного газа на большие расстояния. На сегодняшний день, трубопроводный транспорт является наиболее распространённым методом транспортировки природного газа от мест добычи и хранения к регионам с большими потребностями в природном газе. Трубопроводы небольших диметров связывают между собой газораспределительные станции и дома конечных потребителей. Сети высокого давления снабжают природным газом предприятия промышленности. Системы диспетчерского контроля и сбора данных (БСАОА) являются стандартными в области решения задач по автоматизации работы систем транспорта природного газа. Такие системы работают как центр управления, сочетая в себе средства мониторинга и контроля эксплуатационных параметров системы [1].
Современная практика по контролю за работой систем транспорта природного газа предусматривает использование регулирующих контуров управления наряду с ручным управлением, которое осуществляется оператором. Регулировка режима работы газопровода осуществляется посредством изменения частоты работы привода компрессоров на компрессорной станции. Это возможно при использовании частотно-регулируемого привода компрессоров. Также регулирование может производиться с помощью открытия или закрытия, то есть уменьшения эффективного сечения трубопровода посредством задвижек или открытием клапанов. С помощью этих средств регулируются основные параметры газопровода: давления на входе и выходе из газопровода, а также расход [2].
При автоматизации процессов работы газопроводов используются такие элементы как Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регуляторы. На рисунке 1 показана схема, иллюстрирующая прицеп работы этого элемента. Главной задачей такого элемента системы является формирование управляющего сигнала, который будет восприниматься оборудованием для изменения его параметров с целью регулирования работы системы.
Рисунок 1. Схема, иллюстрирующая принцип работы ПИД-регулятора (составлено авторами)
На рисунке коэффициенты перед интегралом и производной опущены.
ПИД регулятор - это устройство в управляющем контуре с обратной связью. Главным его достоинством является точность формирования управляющего сигнала. Это достигается за счет того, что управляющий сигнал является суммой трех слагаемых. Первое слагаемое управляющего сигнала ПИД регулятора пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнала рассогласования). Сигнал рассогласования формируется в следствие расхождения того или иного параметра системы, например, давления, с установленным диапазоном значения. Чем больше это расхождение, тем сильнее будет сигнал рассогласования. Второе слагаемое управляющего сигнала - это интеграл сигнала рассогласования. Третьим слагаемым является производная сигнала рассогласования [3].
Посредством применения такой конфигурации управляющего сигнала становится возможным избежать перерегулирования, которое при транспортировке газа может приводить к продолжительной нестабильности в работе системы.
В тех случаях, когда необходимо изменить более одного параметра одновременно, ПИД регулятор выбирает управляющее устройство руководствуясь принципом «выбора наименьшего значения». В работе газопроводов, как уже упоминалось ранее, основными параметрами, устойчивость которых контролируют ПИД регуляторы, являются расход и давления на выходе и входе из газопровода. Все входящие, выходящие, а также опорные сигналы системы являются локальными переменными на станции. Таким образом, состояние всего газопровода не учитывается в процессе управления. Поэтому такой процесс регулирования называют локальным управлением.
В процессе регулирования операторы корректируют установленные диапазоны значений для того или иного параметра. У операторов есть возможность получать информацию о состоянии всего газопровода в целом. Однако, для регулирования режима работы у оператора есть ограниченный набор методов. Главной задачей в таких условиях становится определение необходимого регулирующего воздействия и установка необходимого диапазона для регулируемого параметра. Характеристиками, определяющими эффективность работы оператора компрессорной станции, являются скорость и устойчивость прохождения переходного процесса [4].
В данной работе предлагается дальнейшее развитие отрасли путем разработки алгоритмов управления, которые станут способны заменить работу оператора. Главной задачей этого исследования является улучшение эффективности работы систем контроля и управления. Система БСАОА должна обеспечить контроль за работой газопровода без вмешательства человека. Предлагаемый метод проектирования контроллеров может не соответствовать граничным условиям системы. Решение этой проблемы возможно в будущем достичь посредством применения в проектировании самообучающихся нейросетей и искусственного интеллекта [5].
В соответствии со спросом потребителей и пропускной способностью газопровода, диспетчерский центр проводит анализ баланса газоснабжения и формулирует среднесрочный и долгосрочный план газоснабжения. Среднесрочный и краткосрочный процесс оптимизации расхода рассчитывается в автономном режиме. Результатом таких расчетов является ориентировочный показатель потребления газа для одного месяца работы газопровода. Краткосрочной задачей оптимизации режима работы газопровода является сохранение постоянного расхода газа и давления вдоль всей трассы газопровода. Главной проблемой, с которой сталкиваются исследователи, занимающиеся процессом автоматизации процесса транспорта газа, является то, что разница между двумя устойчивыми состояниями в большинстве случаев достаточно велика. По этой причине является невозможным достижение заданного значения путем установки одной команды ПИД регуляторов вдоль трубопровода. Состояние системы трубопроводного транспорта газа должно постепенно изменять с помощью последовательного задания команд для достижения нужного значения. Этот процесс основан на опыте операторов, способных подобрать необходимую в каждом отельном случае последовательность регулирующих воздействий. Кроме того, задача усложняется тем, что в процессе работы газопровода постоянно происходят колебания в потреблении и подаче газа [6;
Динамически состояние газопровода описывается системами нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных. По этой причине, такие системы могут быть решены только с использованием численных методов. Для процесса автоматического планирования необходимо построение управляемой математической модели. В
Страница 4 из 8
7].
23SAVN120
Вестник Евразийской науки 2020, №1, Том 12 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2020, No 1, Vol 12 https://esj.today
представленной работе в системе SCADA развернут алгоритм каскадного управления в качестве дополнительного уровня управления между процессом планирования и контроллерами. В такой системе предлагается использование виртуального контроллера, который будет выдавать непрерывные последовательности команд заданного значения на основе двух последовательных устойчивых гидравлических состояний в режиме реального времени. Главной особенностью разрабатываемой системы является то, что в процессе регулирования режима работы газопровода посредством изменения таких параметров как скорость работы ротора компрессоров, отрытые задвижек и клапанов локальные ПИД регуляторы регулируют параметры процесса основываясь не только на локальной информации, но и на информации о состоянии всего газопровода в целом [8].
Алгоритм каскадного контроля
В каскадном управлении весь газопровод разделяется на подсистемы (участки) в зависимости от расположения компрессорных станций. Внешний контур каскадного управления координирует работу всего газопровода на основе линейной динамической подели подсистем. Значения на выходе из внешнего контура выбираются как опорные значений для внутренних подсистем. На эти значения влияют процессы неравномерности потребления газа конечными потребителями. В свою очередь внутренние контуры связаны с параметрами процессов, на которые влияют скорость работы привода компрессорных агрегатов, а также степень открытия задвижек и клапанов. Внутренний контур каскадного управления подключен к локальному ПИД регулятору для контроля заданного значения. Внутренний контур обрабатывает все возникающие возмущения локальных параметров, следуя настройкам, заданным внешним циклом в кратчайшие сроки. На рисунке 2 показана принципиальная схема каскадного процесса разрабатываемой системы.
Рисунок 2. Каскадный контроль газопровода (составлено авторами)
Для создания алгоритма каскадного управления необходимо использовать математическую модель динамических параметров газопровода для расчета внешнего контура. Процесс моделирования начинается с основных уравнений состояния [9].
др Эх
pgsma
(1)
(2)
эо
dx
(P
ж = —
Э Г( , u2
э7[(р)( u+y
= ZRT
P
(3)
(4)
где р - плотность газа, кг/м3; D - внутренний диаметр трубопровода, м; а - наклон; Т - температура газа; R - газовая постоянная, кДж/(кгК); X - коэффициент гидравлического
сопротивления; Z - коэффициент сжимаемости газа; u - осевая скорость газа, м/с; — - тепловой
поток на единицу длины газопровода в единицу времени, Дж/(м-с); u - внутренняя энергия газа, Дж/кг; Дh - изменение геодезической отметки узлов, м; H - удельная энтальпия, Дж/кг.
Для решения этих уравнений использовались численные методы, такие как метод характеристик. Однако, для автоматизированного процесса планирования необходима ориентированная на управление математическая модель [10].
Исходя из вышесказанного, можно сделать предположение о том, что модель состояний пространства должна пренебрегать некоторыми терминами в частичных дифференциальных уравнениях, но несмотря на это поддерживать достаточно высокую степень сходимости результатов моделирования с данными промышленной эксплуатации. Благодаря этому модель состояний пространства может быть использована для создания каскадного контроллера. После дифференцирования давление газа на входе и массовый расход берутся как входные векторы, в то время как давление на выходе и массовый расход газа являются рассчитываемыми векторами.
Ах + В и Сх + Ом
х У
(5)
где u = [Pin, Mout] и y = [Pout, Min]
(6)
Поскольку уравнение состояния сечения трубы является многомерным, получение основных параметров уравнения связано с количеством секций газопровода. В системе уравнений основными являются две исходные переменные, которые получает внешний контур на входе, а также две перепоенные, рассчитываемые системой. Следовательно, х, и и у являются многомерными векторами, и система представляет собой систему с несколькими входами и несколькими выходами.
Ax(t) + Bu(t) Cx(t)
(7)
Направления дальнейшей работы
В ходе проделанной работы, были намечены промежуточные этапы дальнейшей работы, направленной на создание автоматического комплекса по регулированию режима работы газопровода. В последствии планируется провести анализ предлагаемого линейного квадратичного регулятора, который планируется использовать для снижения времени реагирования системы. Кроме того, планируется выбрать один из современных магистральных газопроводов для апробации разрабатываемого алгоритма и проверки расхождения получаемых результатов с данными промышленной эксплуатации. Основными параметрами проверки эффективности работы системы будут время приведения эксплуатационного параметра к установленному и как следствие скорость регулирования.
Проведение обозначенных мероприятий позволит произвести первый прототип системы с целью ее будущего представления в качестве коммерческого продукта на предприятиях газотранспортной отрасли.
ЛИТЕРАТУРА
1. Szoplik, J. Improving the natural gas transporting based on the steady state simulation results. Energy 2016, 109, 105-116. [CrossRef].
2. Chaczykowski, M. Transient flow in natural gas pipeline - The effect of pipeline thermal model. Appl. Math. Model. 2010, 34, 1051-1067.
3. Zlotnik, A.; Chertkov, M.; Backhaus, S. Optimal control of transient flow in natural gas networks. In Proceedings of the 54th IEEE Conference on Decision and Control, Osaka, Japan, 15-18 December 2015.
4. Лурье, М.В. Особенности теплового расчета магистральных газопроводов с учетом инверсии эффекта Джоуля-Томпсона / М.В. Лурье, О.А. Пятакова // Газовая промышленность. - 2010. - №2. - C. 16-19.
5. Wang, P.; Yu, B.; Han, D.; Li, J.; Sun, D.; Xiang, Y.; Wang, L. Adaptive implicit finite difference method for natural gas pipeline transient flow. Oil Gas Sci. Technol. 2018, 73, 21.
6. Pambour, K.A.; Bolado-Lavin, R.; Dijkema, G.P.J. An integrated transient model for simulating the operation of natural gas transport systems. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2016, 28, 672-690.
7. Rios-Mercado, R.; Borraz-Sanchez, C. Optimization problems in natural gas transportation systems: A state-of-the-art review. Appl. Energy 2015, 147, 536-555.
8. Курбатова, Г.И. О различных математических моделях транспортировки газа по трубопроводам / Г.И. Курбатова, Е.А. Попова // Вестник Санкт-Петербургского Университета. Серия 10: Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. - 2011. - Вып. 3. - C. 47-55.
9. Behrooz, H.; Boozarjomehry, R. Modeling and state estimation for gas transmission networks. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2015, 22, 551-570.
10. Ермолаева, Н.Н. Анализ подходов к моделированию термодинамических процессов в газах при высоких давлениях / Н.Н. Ермолаева, Г.И. Курбатова // Вестник Санкт-Петербургского Университета. Серия 10: Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. - 2013. - Вып. 2. - C. 35-44.
Inshakov Roman Sergeevich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: romawushu@mail.ru
Balabukha Alexey Vladimirovich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: dein500@mail.ru
Lipatova Angela Vladivslavovna
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: lipatova.av@students.dvfu.ru
Dudin Roman Valerievich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: dudin.rv@students.dvfu.ru
Gulaya Julia Vasilievna
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: gulaya.yuv@students.dvfu.ru
Shulgin Vladislav Evgenievich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: shulgin.ve@students.dvfu.ru
Cascade control in gas transmission systems
Abstract. Modern systems of pipeline transport of natural gas have a huge length, especially in our country. Under such conditions, given the constant increase in natural gas consumption by both the population and industry, as well as government programs to convert boiler houses to natural gas, the need for automation of natural gas transport systems is growing. The introduction of automation has a number of obvious advantages, such as reducing the so-called human factor, when an emergency occurs in the system, a decrease in the response time to the occurrence of such situations, as well as an increase in the overall efficiency of the system by increasing the accuracy of control of operational parameters, etc. .d. Since the model of space states is the foundation of modern control theory, it is assumed in the work that the classical method of controller synthesis can be used to create a complex controller in a gas pipeline. The main objective of this study is to develop an automated system for monitoring the operation of modern gas mains. In the present paper, it is proposed to use the cascade control algorithm based on the model of states of space, which is used to model transients during transportation of natural gas. The linear quadratic controller is designed in accordance with the classical theory of optimal regulation. As a result, transient simulation with various control methods shows the effectiveness of cascade control using information from sensors located along the entire length of the pipeline. The presented technology may become one of the stages of creating the so-called intelligent gas pipeline.
Keywords: space state model; pipeline gas transport; cascade control; PID controller; gas pipeline modeling; automation; gas supply; system response time
