CC BY
32
УДК 622.799.5
В.А.БАТУРИН
Уфимский государственный нефтяной технический университет
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖАНИЯ РЕЖИМОВ ПЕРЕКАЧКИ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЭКОНОМИЮ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ, НА БАЗЕ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Предложен анализ системы управления на примере нефтеперекачивающей станции (НПС) «Ковали-3». Выявлен ряд недостатков оборудования, системы и принципа работы в целом. Для модернизации НПС предлагается вариант создания эффективной автоматизированной системы управления режимами перекачки, основанной на применении частотно-регулируемого электропривода. Приведен и раскрыт алгоритм работы системы, основанный на ситуационном методе управления. Рассмотрены возможности использования беспроводных каналов связи для передачи данных внутри НПС и на более высоких уровнях иерархии.
The article analyzes controlling system of the "Kovali-3" oil booster station. A number of drawbacks have been detected in the equipment, the system itself and the operating principle. An automated pump controlling system based on frequency-controlled electric drive is offered to upgrade the oil booster station. The algorithm of the system peration is described, which is based on the situation management principle. The paper offers a brief analysis of the possibility to use wireless channels for data transmission within the oil booster station and at higher hierarchical levels.
Система автоматизации НПС предназначена для централизованного контроля, защиты и управления оборудованием НПС, она должна обеспечивать автономное поддержание заданного режима работы нефтеперекачивающей станции и его изменение по командам оператора НПС или диспетчера. В современном виде система не удовлетворяет требованиям минимизации энергозатрат, автоматизации принятия решения при выборе режимов перекачки, надежности и экономичности.
НПС «Ковали-3» является промежуточной нефтеперекачивающей станцией магистрального нефтепровода (МН) «Альметьевск - Горький-3» ОАО СЗМН АК «Транснефть». Автоматизация технологического процесса на НПС построена на базе микропроцессорной системы автоматики фирмы «Modikon». Обмен данными с автоматизированным рабочим местом оператора осуществляется по протоколу ModBusPlus.
Существующая система управления станции выполняет следующие функции:
• сбор информации о состоянии технологического объекта управления;
• поддержание технологических параметров на заданных значениях (давление на входе и выходе);
• контроль за технологическими параметрами, для которых не выполняется функция регулирования;
• сигнализация о параметрах, значения которых вышли за пределы допустимых;
• противоаварийная защита (ПАЗ) процесса при возникновении аварийных ситуаций.
На НПС «Ковали-3» остаются непреодоленными следующие недостатки:
• длительные простои НПС «Ковали-3» из-за программных сбоев;
• несоблюдение при существующей системе автоматизации правил автономно-
сти системы ПАЗ от системы штатного контроля и управления;
• введение дополнительного гидравлического сопротивления в сеть трубопроводов для регулирования дросселированием потока при неизменной частоте вращения центробежного насоса, приводит к энергетическим потерям.
На основном режиме МН на всех промежуточных станциях работает по три насосных агрегата. Номинальный расход нефти 6211 м3/ч. Рабочее давление, которое необходимо поддерживать, лежит в пределах от Рвх на всасе до Рвь1х на выкиде. Путем регулирования частоты вращения рабочего колеса нагнетателя удается плавно менять его гидравлические характеристики, подстраивая работу насоса к изменяющимся нагрузкам. Основные закономерности влияния изменения частоты вращения на регулируемое давление просты: увеличение частоты вращения колеса приводит к уменьшению давления на приеме и увеличению давления на выкиде, а уменьшение частоты вращения дает обратный эффект. Зона регулирования для сигнала на уменьшение частоты вращения ротора ограничивается значением рабочего давления на входе Рвх.зд и значением предельного минимального давления на приеме Рвх1" . Зона регулирования для сигнала на уменьшение частоты вращения определяется разностью предельно максимального давления на выходе (Рвтах) и конечным значением зоны нечувствительности (Рв^ыхзд). Предлагаемый алгоритм регулирования базируется на ситуационном методе управления.*
Знак управления на изменение числа оборотов Дп для каждой ситуации является функцией значения давления на выходе или на всасе. Управление в сторону увеличения или уменьшения числа оборотов будем обозначать соответственно знаками | и Идентификация ситуаций может проводиться на основе анализа логических выражений вида Я, = Я,(а, рь Р2), где
* Веревкин А.П. Автоматизация технологических процессов / А.П.Веревкин, О.В.Кирюшин; УГНТУ. Уфа, 2005. 122
а = -
1, Р8Я < Р.
ao ao.9ä'
|0;
Мо'
1, p,-,o < Р
auo auo.?ä'
|1 раио ..
о _ \ ' аио.9а аио'
в2 "|о.
Тогда правила принятия решения можно сформулировать следующим образом:
1) при а л Р1 л Р2 = 1 параметры не выходят за пределы допустимых, следовательно управление не меняется (Дп = 0);
2) при а л р! л Р2 = 1 РВыХ < Рв"ых.зд ,
следовательно, надо увеличить число оборотов (Дп |) на число, зависящее от разности
давлений раио.9а и Рвых и давления раио.5а , Дп = + |р [( Раио,а- Рвых)/ Раио,а]|;
3) при а л Р1 л Р2 = 1 имеем Дп|, где
Дп=-1F [(р^ - Рвых)/( раг-Раао,а)] |;
4) при а л Р1 л Р2 = 1 имеем Дп|, где
Дп = [(Рвхзд - Рвх)/(Рвх.з - Ра+ио,а -
- рао1")] |;
5) при а л Р1 л Р2 = 1 имеем Дп где
Дп = [(Рвхзд - Рвх)/(Рвх.з - РаГ)] |;
6) при а л Р1 л Р2 = 1 имеем Дп где Дп = - | F [(Рвх зд - Рвх)/(Рвх.зд - Р™)] |, если
|(Рвх.зд - Рвх)/(Рвх.зд - Рао )| > |( Раио.5а -
- Р )/( ртах - р+ )|-
1 выхМ 1 аио 1 аио.?а / I '
7) при а л Р1 л Р2 = 1 имеем Дп|, где ДпДДп = Ра+ио,а - Рвых)/(Ра^ох-
- Р-+- . )] |
если
|(Рвх.зд - Рвх)/(Рвх.зд - Ратт)| < |( Р
+
auo.?ä
- P )/( Р max- P )
1 вых/' \ 1 auo 1 вых.зд/
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.174
Таким образом, алгоритм ситуационного регулирования агрегатов следующий:
1) идентификация ситуации по логическим выражениям;
2) вычисление величины рассогласования;
3) вычисление необходимого приращения числа оборотов по ПД-закону регулирования.
Для реализации системы предлагается использование следующих аппаратных, технических и программных средств: SIMATIC S7-300 (Siemens) в качестве контроллеров системы управления, центрального процессора CPU 313C-2 DP, коммуникационного процессора CP 342-5 и децентрализованной периферии ЕТ 200: CPU. Так как объекты автоматизации находятся на расстоянии 100-150 м от операторной, в которой находятся контроллеры, электрический монтаж может стать очень объемным и необозримым, а электромагнитные помехи нанести ущерб надежности работы. В связи с этим и предлагается использование децентрализованной периферии. Однако существует более перспективный метод передачи данных. Это радиоканал.
Разработанное кафедрой АПП УГНТУ, ХНИЛ «ИИС» устройство позволяет обмениваться данными на расстоянии более 1000 м в условиях прямой видимости. Оно основано на микросхеме со встроенным радио трансивером (Chipcon 1010). Данное устройство способно общаться в сетевом режиме, используя соседние устройства как ретрансляторы своего сигнала. Это удобно при возникновении помех в основном канале передачи данных. Устройство было разработано для работы в комплекте с глубинными и устьевыми автономными средствами измерений и уже применяется на предприятиях, осуществляющих добычу углеводородного сырья. Однако принципы, реализованные в приборе, могут быть перенесены в любую отрасль, где требуется передача данных на расстояние, в нашем случае на НПС. Нефтеперекачивающая станция дает возможность для реализации устройст-
ва на больших, а значит и более дешевых элементах, что позволяет снизить стоимость оборудования. Использование радиопередачи позволяет обеспечить нахождение всех средств управления и контроля в одном месте, оставляя за пределами операторной лишь датчики и модули преобразователей. Этот шаг значительно увеличит срок службы управляющего оборудования, так как снизит перепады температур, влажности и влияние других негативных факторов, а также его стоимость, так как оборудование, не отягощенное средствами защиты от неблагоприятных условий, гораздо дешевле.
В заключение отметим, что старая система управления режимами перекачки на НПС путем дросселирования является неэкономичной, ресурсоемкой и узконаправленной. Переход к управлению давлением посредством изменения частоты вращения роторов насосов дает реальную экономию энергии, повышает сроки службы оборудования и позволяет контролировать объем перекачиваемой нефти, а следовательно, и реализовать программное обнаружение утечек на линейной части нефтепровода, основанное на анализе изменения расхода, которое было невозможно ранее ввиду нестабильности расхода, перепадов давлений и гидроударов. Внедрение беспроводных технологий передачи данных в систему управления снижает стоимость и увеличивает надежность проекта. Переход в перспективе всех объектов производственного цикла предприятия на общий стандарт беспроводной передачи данных позволит не только сэкономить на километрах проводов, но и обеспечить единое информационное пространство, охватывающее все процессы и параметры производства.
Методика предлагается к внедрению на станции «Ковали-3». После внедрения усовершенствованной системы, в течение 1,1 года окупятся капитальные вложения в сумме 1907,593 тыс.руб., в результате будет получен экономический эффект в размере 9051,15 тыс.руб.
Научный руководитель д-р техн. наук проф. А.П.Веревкин
