CC BY
19
2020
Химическая технология и биотехнология
№ 1
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ _ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ_
DOI: 10.15593/2224-9400/2020.1.03 УДК 66.012-52
Т.В. Горошкова, С.Н. Кондрашов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ВЫБОРА СОСТАВА ДЕЙСТВУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ
На газораспределительных станциях природного газа (ГРС) с целью предотвращения образования кристаллогидратов и обмерзания оборудования у потребителя используется узел подогрева, состоящий из нескольких параллельно соединенных подогревателей ПТПГ-30М.
В настоящее время работу подогревателей контролирует оператор, который не имеет достоверной информации о техническом состоянии оборудования, а решение о количестве и составе работающих подогревателей принимает на основе личного опыта. Такой подход приводит к авариям и выходу из строя подогревателей до того, как подошло время их технического обслуживания и ремонта. Существующая система обслуживания подогревателей ПТПГ-30М проблему не решает.
Для решения проблемы в настоящей работе проведен анализ объекта на возможные угрозы и уязвимости, а также потенциальные дефекты, которые влияют на работу подогревателей. По результатам анализа возникающих дефектов определены узлы подогревателей с наибольшим параметром риска, требующие разработки мер по минимизации риска. В частности для обеспечения межремонтного цикла подогревателей предложено резервировать датчик пламени.
На следующем этапе построена система с последовательным соединением узлов для безотказной работы подогревателей в течение некоторой наработки, в которой каждый из ее элементов работает безотказно в течение 3000 ч и выше. Далее произведен расчет интенсивности потока отказов каждого подогревателя как для нерезервированной системы, так и с резервом для летнего и зимнего периода.
На основе экспертных оценок, анализа и учета характеристик надежности оборудования в период эксплуатации разработан алгоритм выбора комбинаций подогревателей природного газа ПТПГ-30М, находящихся в работе, обеспечивающий максимальный межремонтный пробег узла подогрева природного газа на ГРС.
Предложенный алгоритм может быть использован в системе управления на газораспределительных станциях природного газа.
Ключевые слова: природный газ, газораспределительная станция, подогреватели, дефект, вероятность отказа, межремонтный пробег, система управления, алгоритм.
T.V. Goroshkova, S.N. Kondrashov
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
DEVELOPMENT OF AN ALGORITHM FOR SELECTING THE COMPOSITION OF THE CURRENT EQUIPMENT OF GAS DISTRIBUTION STATIONS
At natural gas distribution stations, a heating unit consisting of several connected PTPG-30M heaters is used to prevent the formation of crystallohydrates and freezing of equipment at the consumer.
Currently, the operation of heaters is controlled by an operator who does not have reliable information about the technical condition of the equipment, and the decision on the number and composition of working heaters is made on the basis of personal experience. The approach leads to accidents and failure of heaters before the time has come f0r their maintenance system for PTPG-30M heaters does not solve the problem.
To solve the problem, this paper analyzes the object for possible threats and vulnerabilities, as well as potential defects that affect the operation of heaters. Based on the results of the analysis of emerging defects, the heater units with the highest risk parameter were identified, requiring the development of measures to minimize the risk. In particular, to ensure the inter-repair cycle of heaters, it is proposed to reserve the flame sensor.
At the next stage, a system is built with a serial connection of nodes for trouble-free operation of the heaters for some time, in which each of its elements works flawlessly for 3000 hours and above. Next, the calculation of the failure rate of each heater for the non-insulated system, and with a reserve for the summer and winter period.
On the basis of expert assessments, analysis and consideration of equipment reliability characteristics during operation, an algorithm for selecting combination of natural gas heaters PTPG-30M, which are in operation, providing the maximum inter-repair mileage of the natural gas heating unit at the GDS has been development.
The proposed algorithm can be used in the control system at natural gas distribution stations.
Keywords: natural gas, gas distribution station, heaters, defect, the probability of failure, repair cycle, control system, algorithm.
Газораспределительная станция (ГРС) - это комплекс установок для распределения газа и изменения его давления. ГРС обеспечивает подогрев, редуцирование, изменение расхода, одоризацию природного газа, а также его очистку от жидких и твердых примесей. В процессе подготовки газа с целью предотвращения образования кристаллогидратов и обмерзания оборудования у потребителя используется узел подогрева, состоящий из нескольких параллельно соединенных подогревателей ПТПГ-30М.
В настоящее время работу подогревателей контролирует оператор, который не имеет достоверной информации о техническом состоянии оборудования, а решение о количестве и составе работающих подогревателей принимает на основе личного опыта. Такой подход приводит к авариям и выходу из строя подогревателей до того, как подошло время их технического обслуживания и ремонта. Существующая система обслуживания подогревателей ПТПГ-30М проблему не решает.
Таким образом, с целью обеспечения надежной работы узла подогрева природного газа на ГРС необходимо выполнить: анализ причин и последствий отказов оборудования, произвести расчет надежности объекта управления, создать алгоритм выбора комбинаций подогревателей природного газа ПТПГ-30М, находящихся в работе, обеспечивающий максимальный межремонтный пробег этого узла.
Для решения поставленной задачи сначала проведен анализ объекта на возможные угрозы и уязвимости, а также потенциальные дефекты, которые могут помешать работе подогревателей [1]. Чтобы определить оборудование с наибольшим параметром риска, произведен расчет по формуле
ПЧР = 8*0^,
где ПЧР - приоритетное число рисков; 8 - рейтинг тяжести последствий; 0 - рейтинг вероятности возникновения этих последствий; D - рейтинг обнаружения этих последствий.
По результатам анализа возникающих дефектов определены узлы подогревателей ПТПГ-30М с наибольшим параметром риска (ПЧР > 300), требующие разработки мер по минимизации риска. В частности для обеспечения межремонтного цикла подогревателей предложено резервировать датчик пламени (ПЧР = 480).
На следующем этапе построена система с последовательным соединением узлов для безотказной работы подогревателей в течение некоторой наработки (¿), в которой каждый из ее элементов работает безотказно в течение 3000 ч и выше. Далее произведен расчет интенсивности потока отказов каждого подогревателя как для нерезервированной системы, так и с резервом для летнего и зимнего периода [2].
С учетом теплопроизводительности, расхода газа, температуры на выходе подогревателей (таблица) и интенсивности потока отказов подогревателей составлен алгоритм управления подогревателями
ПТ11Г-30М в одном из возможных режимов работы - в зимнем режиме с резервированием датчика пламени.
Параметры работы ПТПГ-30М
Параметр Номер подогревателя
1 2 3 4 5
Теплопроизводительность, Гкал/ч 0,357 0,396 0,410 0,505 0,20
Расход газа, м3/ч 9,51 9,25 9,86 10,30 9,10
Температура газа на выходе, °С 32,8 33,1 36,9 40,32 30,2
Алгоритм работы подогревателей ПТПГ-30М:
1) 2 и 4 в работе, 1 в резерве;
2) 2 и 4 в работе, 3 в резерве;
3) 2 и 4 в работе, 5 в резерве;
4) 2 и 1 в работе, 3 в резерве;
5) 2 и 1 в работе, 5 в резерве;
6) 2 и 3 в работе, 5 в резерве;
7) 4 и 1 в работе, 3 в резерве;
8) 4 и 1 в работе, 5 в резерве;
9) 4 и 3 в работе, 5 в резерве; 8) 1 и 3 в работе, 5 в резерве.
На основании этого алгоритма построен размеченный граф состояний для зимнего резервированного периода (рис. 1):
Рис. 1. Размеченный граф состояний. Зимний режим
В графе на рис. 1 отображены следующие элементы: P0 - все подогреватели в рабочем состоянии; P1 - подогреватель 1 отказал, подогреватели 2, 3, 4, 5 в работе; P2 - подогреватель 2 отказал, подогреватели 1, 3, 4, 5 в работе; P3 - подогреватель 3 отказал, подогреватели 1, 2, 4, 5 в работе; P4 - подогреватель 4 отказал, подогреватели 1, 2, 3, 5 в работе; P5 - подогреватель 5 отказал, подогреватели 1, 2, 3, 4 в работе; P6 - подогреватели 1 и 2 отказали, подогреватели 3, 4, 5 в работе; P7 - подогреватели 1 и 3 отказали, подогреватели 2, 4, 5 в работе; P8 - подогреватели 1 и 4 отказали, подогреватели 2, 3, 5 в работе; P9 - подогреватели 1 и 5 отказали, подогреватели 2, 3, 4 в работе; P10 - подогреватели 2 и 3 отказали, подогреватели 1, 4, 5 в работе; P11 - подогреватели 2 и 4 отказали, подогреватели 1, 3, 5 в работе; P12 - подогреватели 2 и 5 отказали, подогреватели 1, 3, 4 в работе; P13 - подогреватели 3 и 4 отказали, подогреватели 1, 2, 5 в работе; P14 - подогреватели 3 и 5 отказали, подогреватели 1, 2, 4 в работе;
P15 - подогреватели 4 и 5 отказали, подогреватели 1, 2, 3 в работе;
P16 - отказ подогревателей свыше двух приводит к аварийному останову;
Р1.. .Р16 - вероятности отказа подогревателей. Далее составляем систему дифференциальных уравнений Колмогорова, связывающих производные вероятностей состояний со средним временем наработки на отказ подогревателей и интенсивностью восстановления их работоспособности [2].
В результате решения системы уравнений получаем графики, на которых показаны вероятности отказа подогревателей (рис. 2). На рис. 2 обозначены:
Р0 - вероятность отказа подогревателя в течение 3000 ч работы; Р1 - вероятность отказа 1 подогревателя; Р2 - вероятность отказа 2 подогревателя (минимальная); Р3 - вероятность отказа 3 подогревателя; Р4 - вероятность отказа 4 подогревателя; Р5 - вероятность отказа 5 подогревателя (максимальная). На рис. 3 представлен график вероятностей отказа комбинаций подогревателей.
0.12
0.08
0.06
0.04
0.02
500 1000 1500 2000 2500 3000 time
0.9
0.8
0.7
0.5
0.4
0.3
0.2
^0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 time
Рис. 2. Графики вероятности отказа подогревателей
Рис. 3. График вероятности отказов комбинаций подогревателей
1
На рис. 3 обозначены:
P6 - подогреватели 1 и 2 отказали, подогреватели 3, 4, 5 в работе / резерве;
P7 - подогреватели 1 и 3 отказали, подогреватели 2, 3, 4 в работе / резерве;
P8 - подогреватели 1 и 4 отказали, подогреватели 2, 3 4 в работе / резерве;
P9 - подогреватели 1 и 5 отказали, подогреватели 2, 3, 4 в работе / резерве;
P10 - подогреватели 2 и 3 отказали, подогреватели 1, 4, 5 в работе / резерве;
P11 - подогреватели 2 и 4 отказали, подогреватели 1, 3, 5 в работе / резерве;
P12 - подогреватели 2 и 5 отказали, подогреватели 1, 3, 4 в работе / резерве;
P13 - подогреватели 3 и 4 отказали, подогреватели 1, 2, 5 в работе / резерве;
P14 - подогреватели 3 и 5 отказали, подогреватели 1, 2, 4 в работе / резерве;
P15 - подогреватели 4 и 5 отказали, подогреватели 1, 2, 3 в работе / резерве.
С Р6 по Р15 можно наблюдать комбинации работы подогревателей. Самой лучшей комбинацией является Р11 (т.е. подогреватели 2 и 4), так как вероятность отказа такой комбинации мала.
Выбор комбинаций подогревателей, находящихся в эксплуатации, может быть осуществлен при помощи модуля PDM (product data management) в составе действующей системы управления ГРС (рис. 4) [3].
Таким образом, в работе с целью обеспечения надежной работы подогревателей природного газа ПТПГ-30М на газораспределительных станциях выполнен анализ причин и последствий отказов оборудования, произведен расчет надежности объекта управления, разработан алгоритм выбора комбинаций подогревателей ПТПГ-30М, находящихся в работе, обеспечивающий максимальный межремонтный пробег узла подогрева и предложен модуль PDM для реализации алгоритма в системе управления ГРС.
Рис. 4. Модуль PDM системы управления ГРС
Предложенный подход к повышению надежности эксплуатации оборудования ГРС может быть применен и для других производств [4-15].
Список литературы
1. Ивченко Г.И., Каштанов В.А., Коваленко И.Н. Теория массового обслуживания. - Изд. 2, испр. и доп. - М.: Высшая школа, 2012. - 304 с.
2. Солнышкина И.В. Теория систем массового обслуживания / Комс.-на-Амуре техн. ун-т. - Комсомольск-на-Амуре, 2015. - 76 с.
3. Тимофеев П.Г., Ягопольский А.Г. Роль и значение PDM-систем при разработке технологического оборудования // Известия вузов. Машиностроение. - 2016. - № 10. - С. 73-79.
4. Плехов В.Г., Шумихин А.Г., Кондрашов С.Н. Разработка и исследование алгоритмов системы управления процессом каталитического рифор-минга бензиновых фракций // Автоматизация и современные технологии. -2008. - № 11. - С. 14-21.
5. Плехов В.Г., Кондрашов С.Н., Шумихин А.Г. Применение многоуровневой математической модели каталитического риформинга бензиновых фракций в системе управления промышленными установками // Автоматизация в промышленности. - 2009. - № 7. - С. 37-42.
6. Управление распределением сырья между параллельно работающими установками каталитического риформинга бензинов / С.Н. Кондрашов, А.Е. Пигасов, Н.И. Берсенева, А.В. Попова // Вестник Пермского националь-
ного исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2016. - № 2. - С. 17-29.
7. Кондрашов С.Н., Соромотин Д.С. Управление процессом экстрактивной дистилляции ароматических углеводородов на основе нечеткой процедурной модели // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. -2017. - № 1. - С. 37-52.
8. Использование термодинамических зависимостей для управления ректификационной колонной на установке замедленного коксования / С.Н. Кондрашов, П.Н. Парамонов, А.Г. Шумихин, Н.И. Берсенева // Автоматизация в промышленности. - 2016. - № 2. - С. 32-35.
9. Кондрашов С.Н., Бурдин И.С. Система непрерывной идентификации и управления качеством продуктов первичной переработки нефти // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2016. - № 4. - С. 27-45.
10. Кондрашов С.Н., Власов С.А. Автоматическое регулирование теплового режима ректификационной колонны разделения бензина на фракции // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2016. - № 2. -С.30-38.
11. Вялых И.А., Шумихин А.Г., Кондрашов С.Н. Нечеткое управление реакторным блоком установки каталитического крекинга // Автоматизация в промышленности. - 2010. - № 7. - С. 53-58.
12. Кондрашов С.Н., Мустафин А.И., Буракова А.Е. Управление процессом ректификации бензиновых фракций с использованием аналитической зависимости «температура - давление - качество дистиллята» // Автоматизация в промышленности. - 2014. - № 1. - С. 59-61.
13. Развитие топливного комплекса ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефте-оргсинтез» / В.Ю. Жуков, В.И. Якунин, В.А. Крылов, В.С. Питиримов,
B.В. Вустин, С.Н. Кондрашов // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. - 2008. - № 8. - С. 5-9.
14. Разработка и эксплуатация струйных перемешивающих устройств в резервуарах парка смешения топлив / В.В. Миняйло, С.Н. Конд-рашов, А.В. Никонов, И.А. Волков // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. - 2008. - № 8. -
C. 47-49.
15. Белова Д.В., Кондрашов С.Н. Информационная компьютерная поддержка управления качеством топлива марки РТ для реактивных двигателей // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2009. - № 10. -С. 135-138.
References
1. Ivchenko G.I., Kashtanov V.A., Kovalenko I.N. Teoriya Massovogo obsluzhivaniya [Theory of mass service], ed. 2, used and added. Moscow: Vysshaya shkola, 2012, 304 p.
2. Solnushkina I.V. Teoriya sistem Massovogo obsluzhivaniya [Theory of Mass Service Systems]. Komsomolsk-na-Amure, Komsomolsk-na-Amure state university, 2015, 76 p.
3. Timofeev P.G., Yagopolsky A.G. Rol i znacheniye PDM - system pri razrabotke tekhnologicheskogo oborudovaniya [The role and significance of PDM systems in the development of technological equipment]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroyeniye, 2016, no. 10, pp. 73-79.
4. Plekhov V.G., Shumikhin A.G., Kondrashov S.N. Razrabotka i issledovanie algoritmov sistemy upravleniya protsessom kataliticheskogo riforminga benzinovykh fraktsij [Development and research of algorithms of process control system for catalytic reforming of gasoline fractions]. Avtomatizatsiya i sovremennye tekhnologii, 2008, no. 11, pp. 14-21.
5. Plekhov V.G., Kondrashov S.N., Shumikhin A.G. Primenenie mnogourovnevoj matematicheskoj modeli kataliticheskogo riforminga benzinovykh fraktsij v sisteme upravleniya promyshlennymi ustanovkami [The use of multi-level mathematical model of catalytic reforming of gasoline fractions in the control system of industrial unit]. Avtomatizatsiya v promyshlennosti, 2009, no. 7, pp. 37-42.
6. Kondrashov S.N, Pigasov A.E., Berseneva N.I., Popova A.V. Upravlenie raspredeleniem syirya mezhdu parallelno rabotayuschimi ustanovkami kataliticheskogo riforminga benzinov. [Managing the distribution-leniem raw material management between the parallel operating catalytic reforming gasoline]. VestnikPNIPU. Himicheskaya tehnologiya i biotehnologiya. 2016, no.2, pp. 17-29.
7. Kondrashov S.N., Soromotin D.S. Upravlenie protsessom ekstraktivnoy distillyatsii aromaticheskih uglevodorodov na osnove nechetkoy protsedurnoy modeli. [Process control of the extractive distillation of aromatics based on fuzzy procedural model]. Vestnik PNIPU. Himicheskaya tehnologiya i biotehnologiya, 2017, no. 1, pp. 37-52.
8. Kondrashov S.N., Paramonov P.N., Shumikhin A.G., Bersenyova N.I. Ispolzovanie termodinamicheskih zavisimostey dlya upravleniya rektifikatsionnoy kolonnoy na ustanovke zamedlennogo koksovaniya. [Use of thermodynamic dependencies to control the distillation column in a delayed coking unit]. Avtomatizatsiya v promyshlennosti, 2016, no.2, pp.32-35.
9. Kondrashov S.N., Burdin I.S. Sistema nepreryivnoy identifikatsii i upravleniya kachestvom produktov pervichnoy pererabotki nefti. [System of continuous identification and management of the quality of primary oil refining
products]. Vestnik PNIPU. Himicheskaya tehnologiya i biotehnologiya, 2016, no.4, pp. 27-45.
10. Kondrashov S.N., Vlasov S.A. Avtomaticheskoe regulirovanie teplovogo rezhima rektifikatsionnoy kolonnyi razdeleniya benzina na fraktsii. [Automatic control of the thermal state of separation fractionator for gasoline fractions]. Vestnik PNIPU. Himicheskaya tehnologiya i biotehnologiya, 2016, no.2, pp. 30-38.
11. Vyalykh I.A., Shumikhin A.G., Kondrashov S.N. Nechetkoe upravlenie reaktornyim blokom ustanovki kataliticheskogo krekinga. [Unclear control of the reactor unit of the catalytic cracking unit]. Avtomatizatsiya v promyshlennosti, 2010, no.7, pp.53-58.
12. Kondrashov S.N., Mustafin A.I., Burakova A.E. Upravlenie protsessom rektifikatsii benzinovyih fraktsiy s ispolzovaniem analiticheskoy zavisimosti «temperatura - davlenie - kachestvo distillyata» [Management of process of rectification of petrol fractions with use of analytical dependence "temperature - pressure - quality of distillate"]. Avtomatizatsiya v promyshlennosti, 2014, no.1, pp.59-61.
13. Zhukov V.Yu., Yakunin V.I., Krylov V. A., Pitirimov V.S., Vustin V.V., Kondrashov S.N. Razvitie toplivnogo kompleksa OOO «LUKOYL-Permnefteorgsintez». [Development of a fuel complex LUKOIL-Permnefteorgsintez]. Neftepererabotka i neftehimiya. Nauchno-tehnicheskie dostizheniya iperedovoy opyit, 2008, no.8, pp.5-9.
14. Minyaylo V.V., Kondrashov S.N., Nikonov A.V., Volkov I.A. Razrabotka i ekspluatatsiya struynyih peremeshivayuschih ustroystv v rezervuarah parka smesheniya topliv. [Development and operation of the jet mixing devices in tanks of the park of mixture of fuels]. Neftepererabotka i neftehimiya. Nauchno-tehnicheskie dostizheniya i peredovoy opyit, 2008, no.8, pp.47-49.
15. Belova D.V., Kondrashov S.N. Informatsionnaya kompyuternaya podderzhka upravleniya kachestvom topliva marki RT dlya reaktivnyih dvigateley. [Information computer support managing deposits of PT brand quality jet fuel]. Vestnik PNIPU: Himicheskaya tehnologiya i biotehnologiya, 2009, no.10, pp. 135-138.
Получено 21.01.2020
Об авторах
Горошкова Татьяна Вячеславовна (Пермь, Россия) - магистрант кафедры оборудования и автоматизации химических производств Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29).
Кондрашов Сергей Николаевич (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации химических производств Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: Sergej. Kondrashov@pnos.lukoil.com).
About the authors
Tatyana V. Goroshkova (Perm, Russian Federation) - Undergraduate Student, Department of Equipment and Automation of Chemical Production, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990).
Sergei N. Kondrashov (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Equipment and Automation of Chemical Production, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: Sergej.Kondrashov@pnos. lukoil.com).
