Системы контроля параметров применяемые на магистральных газопроводах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Системы контроля параметров применяемые на магистральных газопроводах

и

у

а

г

*

а о

Казанков Ярослав Андреевич

магистр прикладной математики и информатики, ООО "Газпром трансгаз Томск" Камчатское линейное производственное управление магистральных газопроводов, [email protected]

Актуальность статьи обусловлена тем, что контроль за процессом транспортировки является главным направлением исследований транспортировки газа. Основная специфика условий эксплуатации систем контроля заключается в их территориальной рассредоточенности на обширной территории вдоль трасс магистральных газопроводов. Объекты телемеханики располагаются, как правило, в труднодоступных районах с неразвитой инфраструктурой, на значительном удалении от пунктов управления. От систем линейной телемеханики требуются контроль большого объема параметров, информационное взаимодействие с локальными системами автоматизации по различным протоколам, предварительная обработка информации непосредственно в контроллерах по сложным алгоритмам. В статье приведено построение модели, которая позволяет поэтапно решать задачу организации мониторинга системы регионального газоснабжения в условиях многокритериальности. Это позволяет структурировать процесс организации и принимать решения в условиях нечеткости исходных данных. В статье рассмотрен выбор средств измерений на примере 3 точек контроля.

Ключевые слова: Системы телемеханики, системы контроля, давление газа, транспортировка газа, газопровод

Введение.

Начало широкого использования газового топлива относится к 60-м годам 19 столетия, когда во всём мире, в том числе и в России, стала бурно развиваться добыча углеводородов.

Оборудование контроля параметров магистрального газопровода предназначено для обеспечения автоматического контроля и автоматизированного управления технологическими процессами и оборудованием линейной части магистральных газопроводов (ЛЧ МГ) и продуктопро-водов, а также удаленных вспомогательных объектов компрессорных (КС) и насосных станций (НС) в условиях периодического технического обслуживания.

Кроме того, системы контроля могут быть использованы при телемеханизации межпромысловых коллекторов газовых промыслов и других рассредоточенных объектов газовой промышленности.

Основная часть.

Магистральные газопроводы представляют собой сложные сооружения, состоящие из собственно газопроводов, компрессорных и газораспределительных станций, установок по очистке, осушке и одоризации газа. Современные магистральные газопроводы характеризуются значительной протяжностью, большими диаметрами (700-1400 мм), сложной геометрической структурой (наличие нескольких нитей, соединенных перемычками, лупингов, простых и сложных по структуре ответвлений к потребителям газа и т. п.).

Основная специфика условий эксплуатации систем телемеханики заключается в их территориальной рассредоточенности на обширной территории вдоль трасс магистральных газопроводов. Объекты контроля располагаются, как правило, в труднодоступных районах с неразвитой инфраструктурой, на значительном удалении от пунктов управления.

Проводя работу мною проанализированы публикации и патенты, существующие на данный момент. Анализ работ показал, что сейчас основное внимание исследователей направлено на развитие представленных в работах методов мониторинга, разработку способов трубопроводной подачи газа удаленному от магистраль-

ного газопровода потребителю и устройств поиска мест утечек магистральных трубопроводов, что имеет непосредственное отношение к созданию системы мониторинга и, соответственно, контроля.

Целью разработанных направлений совершенствования деятельности предприятий по транспортировке газа является повышение функциональности и снижения затрат при эксплуатации систем регионального газоснабжения за счет организации мониторинга транспорта газа и на основании разработки частных математических моделей. Результаты использования частных моделей, при дальнейших исследованиях, послужат входными данными для этапов планирования и синтеза системы мониторинга.

Исходными данными для процесса организации мониторинга регионального газоснабжения будут являться: схема газификации (схема региональной системы газоснабжения или ее какой-либо части), условия окружающей среды, соответствующая документация (ГОСТы, ДБН, СНиП), которая обосновывает возможные показатели мониторинга системы регионального газоснабжения (СРГ). Необходимо решить следующие, предварительные задачи, которые соответствуют основным подэтапам организации мониторинга:

— основываясь на мнениях экспертов разбить СРГ на участки, которые будут соответствовать участкам системы мониторинга регионального газоснабжения (СМРГ), присвоить им индексы;

— на каждом из участков определить множество возможных точек контроля;

— определить множество возможных показателей СМРГ, которые будут измеряться в точках контроля.

— определить множество возможных типов средств измерений в точках контроля.

Результаты решения задач организации являются входными данными для этапа планирования мониторинга при синтезе системы мониторинга регионального газоснабжения.

Решение задач процесса организации можно представить в виде следующей концептуальной (рис. 1) и функциональной моделей (рис. 2).

На рис. 2 определены и пронумерованы в правом нижнем углу блоков числами от 1 до 4 подэтапы организации процесса мониторинга региональной системы газоснабжения.

На первом подэтапе функциональной модели по итогам экспертной оценки выделены участки СРГ, которые будут соответствовать участкам системы мониторинга. Поскольку линии соединения средств измерений с другими устройствами может проходить вдоль трассы трубопровода, или же находиться в той же траншее, необходимо оп-

ределить множество возможных точек контроля системы мониторинга и выделить на этом множество подмножество допустимых.

Условия ск^жащей средь

Организация процесса мониторинга СРГ

Имодньк данные для этапа

цианирования

Н

и

п

Рис. 1. Концептуальная модель организации процесса мониторинга в

Рис. 2. Функциональная модель организации процесса мониторинга предприятий, транспортирующих газ

После того, как на втором подэтапе функциональной модели определят множество допустимых точек контроля для каждого из выделенных участков необходимо выделить множество возможных показателей в точках контроля.

Для определения множества (списка) возможных показателей на множестве допустимых точек контроля основываются на стандартах и с помощью метода анализа иерархий в условиях неопределенности исходных данных выделяют подмножество допустимых показателей мониторинга.

После чего, на последнем, четвертом подэтапе функциональной модели, определяют множество возможных типов средств измерений (СИ), которые будут установлены в точках контроля, для измерения выбранных на предыдущем этапе показателей мониторинга.

В работе рассмотрен случай декомпозиции процесса организации мониторинга на частные

О

В >

Я

9

п П

ках контроля на заданных участках каждого

ей

ев

■

5

5

г

5

у

а

Е

5

5

5

5

г

*

а

б

Е

Е

5

126

где гЕпд — эффективность мониторинга в д-ой точке контроля на п-ом участке Е-го уровня СРГ.

В качестве ограничений для модели опреде ления точек контроля могут быть использованы следующие:

— стоимость организации мониторинга в точках контроля на заданных участках каждого уровня недолжна превышать заданную 0Е1

(3)

— мониторинг каждого участка каждого уровня должен быть обеспечен не менее чем 2-мя точками контроля:

к" _

X 17;пя>2: £ = 1,3; п=\,пЕ.

(4)

Модель для решения задачи выбора показа-лей мониторинга в точках контроля на каждом из уровней будет выглядеть следующим образом:

— минимальная стоимость организации мониторинга выбранных показателей в точках кон-

я* ц" р" С'е = т¡л У V ^Сйщр^йвдр; и=1я=1р-1

£ = 1,3,

(5)

где ■ I— стоимость мониторинга р-го показателя в д-ой точке на п-ом участке Е -го уровня СРГ; 1, в случае когда рассматривается

мониторинг р-го показателя в д-ой точке на п-ом

участке Е-го уровня СРГ; иначе = ^1= 0;

— максимальная эффективность организации мониторинга выбранных показателей в точ-

— в каждой точке контроля на каждом участке каждого уровня должен быть измерен хотя бы один показатель мониторинга СРГ:

я" р* _

£ = 1,3; п=\,пЕ.

«=1/1=1

(8)

Для того, чтобы решить задачу выбора типов средств измерений, приведем частную постановку: известно подмножество выделенных участков на каждом из уровней СРГ , на каждом из выделенных участков заданы точки контроля I, & — подмножество выбранных точек контроля, и измеряемых в них показателей мониторинга \, Рд — подмножество выбранных показателей в точках контроля. Необходимо определить типы средств измерений для показателей мониторинга в выбранных точках контроля.

Модель для решения задачи выбора типов средств измерений на каждом из участков каждого из уровней будет выглядеть следующим образом:

— минимальная стоимость типов средств измерений на каждом из участков каждого из уровней:

С&* = тт X X ^СЕщдхХвщдя; £ = 1,3; пеМЕ,

ЯСС* ВС/»* 5 = 1

(9)

где '1 I — стоимость мониторинга 5-м типом средства измерения р-го показателя в д-ой точке на п-ом участке Е-го уровня СРГ; = 1, в случае когда рассматривается мониторинг 5 -м типом средства измерения р -го показателя в д-ой точке на п-ом участке Е-го уровня СРГ; иначе = 0; N — подмножество участков Е-го уровня СРГ;

— максимальная эффективность мониторинга на каждом из участков каждого из уровней:

Дв/ = шш £ £ Е = 1,3; л еЛг^,

деГТ™ реР* 5=1

(10)

где — эффективность мониторинга 5-м типом средства измерений р-го показателя в д-ой точке на п-ом участке Е-го уровня СРГ.

Приведу примеры решения по приведенным моделям. В качестве примера будет рассмотрен участок газопровода высокого давления с индексным обозначением у1-у2, который является ответвлением от магистрального трубопровода и завершается распределительным пунктом. Характеристики участка приведены в табл. 2.

Таблица 1

Индексы участка Длина участка, м Дополнительные сведения и характеристики Наличие поворота (изгиба), шт. Количество стыков труб (с учетом поворотов), шт.

/1-/2 1328,405 Содержит 1 задвижку, 12 предохранительных клапанов, точку подключения к магистральному газопроводу 7 19

При определении допустимых точек контроля (второй подэтап функциональной модели) на выделенном на основании мнений экспертов участке, использовали критерий оптимизма-пессимизма Гурвица, что позволило выделить следующий интервал значений на представленном участке. Для того, чтобы определить рациональные точки контроля на множестве допустимых используем методы многокритериальной оптимизации. Вычислим функцию обобщенной полезности в виде фазифицированного (нечеткого) значения полезности допустимых альтернативных решений по каждому из допустимых значений количества точек контроля в условиях, когда нет оснований отдавать предпочтения какому-либо критерию и логично использовать схемы равенства или квазиравенства важности критериев. В результате вычислений получаем следующую табл.2.

После того как определили рациональные точки контроля на участке, можно перейти к задаче выбора рациональных показателей мониторинга (третий подэтап функциональной модели). Используя метод анализа иерархий [13] необходимо провести выбор допустимых показателей мониторинга. Результат попарного сравнения с точки зрения информативности каждого из показателей приведен в табл. 4, где к1 — давление, к2 — температура, к3 — точка росы влаги газа, к4 — теплота сгорания низшая, к5 — число Воббе, к6 — массовая концентрация се-

роводорода. Полученное отношение согласованности составило 2,6 %, что является приемлемым результатом (менее 10 %).

Таблица 2

Значения

Альтер- Функция Функция Функция Функция Обоб-

нативы принадле полезно- принадле полезно- щенная

жности сти по жности сти по полез-

по крите- критерию по крите- критерию ность

рию стоимо- рию эф- эффекти

стоимо- сти фектив- вности

сти ности

10 точек 0,58 0,6 0,42 0,4 0,5

контроля

11 точек 0,5 0,5 0,51 0,6375 0,56875

контроля

12 точек 0,42 0,4 0,57 0,7125 0,55625

контроля

13 точек 0,34 0,3 0,68 0,85 0,575

контроля

Примечание: рациональное количество то-

чек контроля; — допустимое количество точек контроля

Таблица 3

Альтернативы Значения оценки попарного сравнения Значения

к1 к2 кз к4 ке кб Обобщенная оценка альтернатив Нормализованная оценка альтернатив

к1 1 2 3 5 5 6 3,107233 0,39527228

к2 1/2 1 2 3 3 4 1,817121 0,2311566З

кз 1/3 1/2 1 2 3 5 1,307ББ 0,16634801

к4 1/5 1/3 1/2 1 2 3 0,704724 0,09728091

ке 1/5 1/3 1/3 1/2 1 2 0,53023 0,06745081

кб 1/6 14 1/5 1/3 1/2 1 0,334024 0,04249135

Примечание: 1—1— рациональный показатель; □ — допустимые показатели

На следующем, четвертом подэтапе организации, согласно представленной функциональной модели и в соответствии с разработанными частными моделями выберем рациональные типы средств измерений в каждой из точек контроля. На основе метода анализа иерархий определены следующие допустимые типы средств измерений для участка:

— измерительные комплексы, позволяющие измерять три и более показателей мониторинга (ф1);

— измерительные комплексы, позволяющие измерять не более 2-х показателей мониторинга (ф2);

— цифровые средства измерений, рассчитанные на измерение одного показателя мониторинга (ф3). По результатам предыдущих расчетов измерения будут проводиться для 13 точек контроля (будем обозначать их ТК1-ТК13),

О В К* £

55 П П 1

и

у

а

измерения необходимо проводить по всем трем из указанных показателей мониторинга. При расчете в фазифицированном виде, когда критерии представлены функциями полезности, по выбранной функции обобщенной полезности для каждого из типов средств измерений в каждой из точек контроля получим результат, которые показан в табл. 5.

Таблица 3

Пример выбора рациональных средств измерений в каждой из

ТК1

Значения

Альтернативы Функция принадлежности критерия стоимости Функция полезности критерия стоимости Функция принадлежности критерия эффективности Функция полезности критерия эффективности Обобщенная полезность

ф1 0,3 0,25 0,7 0,75 0,5

ф2 0,4 0,375 0,6 0,625 0,5

ф3 0,6 0,625 0,5 0,5 0,5625

ТК2

Значения

Альтернативы Функция принадлежности критерия стоимости Функция полезности критерия стоимости Функция принадлежности критерия эффективности Функция полезности критерия эффективности Обобщенная полезность

ф1 0,35 0,3125 0,7 0,75 0,53125

ф2 0,5 0,5 0,7 0,75 0,625

ф3 0,65 0,6875 0,5 0,5 0,59375

ТК3

Значения

Альтернативы Функция принадлежности критерия стоимости Функция полезности критерия стоимости Функция принадлежности критерия эффективности Функция полезности критерия эффективности Обобщенная полезность

ф1 0,4 0,375 0,8 0,875 0,625

ф2 0,5 0,5 0,7 0,75 0,625

ф3 0,55 0,5625 0,6 0,625 0,59375

Примечание: ства измерений; ва измерений

1—1|— рациональный тип среден — допустимый тип средст-

г

*

а б

В работе был рассмотрен выбор средств измерений на примере только трех точек контроля. Точки контроля, приведенные в табл. 2, наиболее полно отражают специфику принятия решений при выборе типов средств измерений.

При проведении расчетов был использован метод направленного перебора в связи с малым

числом допустимых решений. По результатам анализа плана газификации в рамках первого уровня СРГ было выделено четыре участка и один из них был рассмотрен подробно, поскольку является наиболее характерным представителем.

По итогам расчета можно отметить, что в первой точке (ТК1) следует использовать средство измерений типа ф3, во второй точке (ТК2) следует измерять показатели с использованием типов ф3 и ф2, в третьей точке (ТК3) следует использовать измерительный комплекс, который позволит определить сразу все показатели мониторинга — ф1.

Заключение.

Достоинством приведенных частных моделей является то, что они позволяют поэтапно решать задачу организации мониторинга системы регионального газоснабжения в условиях много-критериальности. Это позволяет структурировать процесс организации и принимать решения в условиях нечеткости исходных данных.

Литература

1. Казанков Я. А. Системы телемеханики применяемые в газопроводах. Магистерская работа. Петропавловск-Камчатский, 2016.

2. Способ дистанционного мониторинга технического состояния магистрального трубопровода и система для его реализации [Электронный ресурс]: патент № 2392536 РЫ / Пик-сайкин Р. В., Дудов А. Н., Мелкумян С. Э., Власов С. В., Демьянов А. Е., Салюков В. В., Митрохин М. Ю., Егур-цов С. А., Сеченов В. С., Степаненко А. И. — Режим доступа: \wwwZURL: http://www.findpatent.ru/patent/239/2392536.html

3. Способ мониторинга и оценки технического состояния магистрального трубопровода и система для его реализации [Электронный ресурс]: патент № 2451874 РЫ / Пужай-ло А. Ф., Милов В. Р. , Савченков С. В., Свердлик Ю. М., Карнавский Е. Л., Цыс В. М., Реунов А. В., Баранов В. Г. — Режим доступа: \wwwZURL: http://www.findpatent.ru/ patent/245/2451874.html

4. Способ трубопроводной подачи газа удаленному от магистрального газопровода потребителю [Электронный ресурс]: патент № 2392535 Ри / Самсонов Р. О., Мкртычан Я. С., Котов П. Б. — Режим доступа: \wwwZURL: http://www. findpatent.ru/patent/239/2392535.html

5. Устройство поиска мест утечек магистральных трубопроводов [Электронный ресурс]: патент № 2439520 РЫ / Алексеев С. П., Шалагин Н. Н., Суконкин С. Я., Павлюченко Е. Е., Пере-яслов Л. П., Дикарев В. И., Куценко Н. Н., Черня-вец В. В., Амирагов А. С., Бродский П. Г., Воронин В. А., Руденко Е. И., Аносов В. С., Никитин А. Д., Тарасов С. П., Садков С. А. — Режим дос-

тупа: \www/URL: http://www.

findpatent.ru/patent/243/2439520.html.

Annotate to the article: telemechanics system for gas industry

Kazankov Ya.A.

Ltd company "Gazprom transgaz Tomsk

The relevance of the article due to the fact that control over the transportation process is the main direction of research of gas transportation. The main specificity of the conditions of operation of the control systems is that they are geographically distributed on a vast territory along the routes of main gas pipelines. Objects telecontrol are usually located in remote areas with poor infrastructure, at a significant distance from the control points. From systems of linear telemechanics control requires a large amount of parameters, communication with local automation systems using various protocols, pre-processing information directly to controllers on complex algorithms. The article presents the model, which allows to gradually solve the problem of monitoring the system of regional gas supply in the context of multicriteria. This allows you to structure the organization and make decisions in conditions of fuzzy input data. The article considers the choice of means of measurement on the example of 3 control points.

Keywords: telemechanics system, control systems, gas pressure, transportation of gas, gas pipelines

References

1. Ya. A cauldrons. The systems of telemechanics applied in gas

conduits. Master's thesis. Petropavlovsk-Kamchatsky, 2016.

2. A method of remote monitoring of technical condition of the

trunk pipeline and system for its implementation [An electronic resource]: patent No. 2392536 RU / Pik-saykin R. V., Dudov A. N., Melkumyan S. E., Vlasov S. V., Demyanov A. E., Salyukov V. V., Mitrokhin M. Yu., Egur-tsov S.A., Sechenov V. S., Stepanenko A. I. — Access mode: \www/URL:

http://www.findpatent.ru/patent/239/2392536.html

3. A method of monitoring and an assessment of technical condition of the trunk pipeline and system for its implementation [An electronic resource]: patent No. 2451874 of RU / Puzhay-lo A. F., Milov V. R., Savchenkov S. V., Sverdlik Yu. M., Karnavsky E. L., V. M. Tsys, Reunov A. V., V. G. Rams — the Access mode: \www/URL: http://www.findpatent.ru/ patent/245/2451874.html

4. Method of pipeline submission of gas to a customer, remote

from the main gas pipeline [An electronic resource]: the patent No. 2392535 RU / Samsonov R. O., Mkrtychan Ya. S., Kotov P. B. — the Access mode: \www/URL: http://www. findpatent.ru/patent/239/2392535.html

5. Device of search of places of leakages of trunk pipelines [An

electronic resource]: patent No. 2439520 RU / Alekseev S. P., Shalagin N. N., Sukonkin S. Ya., Pavlyuchenko E. E., Pereyaslov L. P., Dikarev V. I., Kutsenko N. N., Chernya-vets V. V., Amiragov A. S., Brodsky P. G., Voronin V. A., Rudenko E. I., Anosov V. S., Nikitin A. D., Tarasov S. P., Sadkov S.A. — Access mode: \www/URL: http://www. findpatent.ru/patent/243/2439520.html.

О

R >

£

R

n

4