Информационно-измерительная и управляющая система оптимизации температурного режима газотранспортной сети на примере астраханского месторождения

На правах рукописи

ЗАМОСКОВИН ПАВЕЛ ПЕТРОВИЧ

Информационно-измерительная и Управляющая

система оптимизации температурного режима

газотранспортной сети

на примере астраханского месторождения

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Астрахань – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Астраханский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Петрова Ирина Юрьевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Есауленко Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор Филин Виктор Андреевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН

Защита диссертации состоится 28 апреля 2011 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета. Автореферат диссертации размещен на сайте университета www.aspu.ru

Автореферат разослан 25 марта.2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Щербинина О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Астраханское газоконденсатное месторождение (ГКМ) занимает лидирующее положение среди подобных месторождений как по степени присутствия в добываемой пластовой смеси особо опасной компоненты – сероводорода, объем которого превышает 25%, так и по уровню автоматизации функции контроля и управления промысловыми объектами.

Основные особенности технологического процесса добычи из промысловых скважин Астраханского ГКМ и транспортировки на переработку пластового флюида состоят в следующем:

• сверхглубокое залегание продуктивных пластов;
• многокомпонентный состав пластовой смеси (газ, вода, конденсат) с аномально высоким содержанием сероводорода;
• высокая температура гидратообразования пластовой смеси:+280С.

Несмотря на высокую степень автоматизации промысла в действующей системе отсутствует реально действующая функция глобального автоматического регулирования температурного режима газотранспортной сети.

Систематический недогрев газа может привести к гидратообразованию на входе завода, что вызовет его полный аварийный останов. С другой стороны существенное завышение температуры газа на промысле приведет к нарушениям режимов его переработки на газоперерабатывающем заводе и одновременно к гигантским экономическим потерям из-за непроизводительных затрат топливного газа на избыточный подогрев пластового флюида на площадках скважин.

В связи с изложенным, создание экономичной и безопасной информационно-измерительной управляющей системы (ИИУС) автоматического управления температурным режимом газотранспортной сети, повышающей степень автоматизации до уровня системы автоматического управления (САУ), способной в условиях безлюдной технологии неограниченно долгое время с высокой эффективностью в энергосберегающем безгидратном режиме транспортировки пластового флюида от промысловых скважин до установок переработки обеспечивать систематическое и четкое высокоточное соответствие температурного режима транспортировки установленному номиналу – актуальная задача.

Проблема исследования. Промысловая ситуация в части температурного режима трубопроводной сети характеризуется двумя разнонаправленными процессами: 1) экономия топливно-энергетических ресурсов на необходимый подогрев пластового флюида в начальных пунктах транспортировки – площадках скважин; 2) обеспечение технологического процесса транспортировки пластового флюида при весьма высокой температуре, выше температуры гидратообразования, равной 28оС.

Диспетчерский режим регулирования температуры пластового флюида в газотранспортной сети не обеспечивает точного соблюдения необходимого температурного режима каждой скважины, что приводит к повышенным затратам очищенного газа на подогрев пластового флюида.

Автоматизация позволит решить проблему поставки пластовой смеси на переработку в безгидратном низкотемпературном экономичном режиме.

Цели и задачи работы. Целью работы является разработка ИИУС, предназначенной для автоматического выравнивания и высокоточного поддержания заданного температурного режима транспортировки пластового флюида по газотранспортной сети от промысловых скважин до установок сепарации газа в энергосберегающем безопасном режиме.

Сформулированные и решенные в процессе выполнения диссертационного исследования задачи включают:

1. Исследование промысловой зоны в качестве объекта автоматизации и определение целевых функций управления.
2. Разработка и исследование математических моделей оптимизации температурных режимов газотранспортной сети промысла с минимизацией энергетических затрат на подогрев пластового флюида на площадках скважин и повышенными мерами безопасности поставки пластовой смеси на переработку.
3. Разработка структуры базы данных, содержащей температурные зависимости для участков прокачки газа (шлейфы скважин, магистральные трубопроводы).
4. Разработка методик автоматического регулирования температурных режимов газотранспортной сети, динамической паспортизации температурных зависимостей для подогревателей газа и трубопроводной системы.
5. Разработка алгоритмов управления и комплекса программ, обеспечивающих реализацию функций оптимизации температурного режима газотранспортной сети промысла в автоматическом режиме в виде специализированной ИИУС.
6. Проверка адекватности математических моделей и эффективности работы ИИУС.

Научная новизна работы:

1. Сформулированы комплексные требования к ИИУС на основе исследования существующей системы контроля и управления Астраханским газовым промыслом и разработаны базовые принципы, обеспечивающие энергосберегающий режим работы рассматриваемой ИИУС.
2. Разработана методика формирования и спроектирована специализированная база данных для динамической паспортизации температурных режимов скважин и участков магистральных трубопроводов с оригинальными элементами экстраполяции, обеспечивающими результативный переход в смежные, ранее не применявшиеся температурные зоны эксплуатации подогревателей на площадках скважин.
3. На основе комплексных требований и базовых принципов разработан комплекс математических моделей и методик оптимизации температурного режима трубопроводной системы газового промысла, расширяющий функции действующей системы контроля и управления промыслом и повышающий уровень автоматизации режимов глобального температурного регулирования до уровня систем автоматического управления.
4. Разработаны алгоритмы автоматического регулирования температурных параметров газотранспортной сети, применение которых в системе управления промыслом повышает экономическую эффективность и безопасность технологического процесса, создан комплекс программ по обеспечению оптимальных температурных режимов работы скважин и газотранспортных сетей.

Практическая ценность работы:

1. Разработана специализированная ИИУС, базирующаяся на приведенных математических моделях, которая внедрена в эксплуатацию в составе действующей SCADA системы контроля и управления Астраханским газовым промыслом.
2. Сформированы и постоянно динамически актуализируются температурные паспорта скважин и участков магистральных трубопроводов, используемые ИИУС для точного расчета и выдачи на исполнительные механизмы в реальном масштабе времени температурных поправок, обеспечивающих требуемый температурный режим.

Применение ИИУС в управлении Астраханским газовым промыслом показало работоспособность и высокую эффективность созданных моделей и методов, реализованных в разработке, подтвержденную расчетами экономического эффекта. Годовой экономический эффект от применения ИИУС в собственном производстве ООО «Газпром добыча Астрахань» в соответствии с расчетом составляет 23 млн. руб.

Разработка носит инновационный характер, защищена авторским патентом на полезную модель №.97544 «Информационно – измерительная управляющая система автоматического управления температурными параметрами объектов газового промысла».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Требования к ИИУС, обеспечивающие целостную концепцию безопасного энергосберегающего управления температурными параметрами газотранспортной сети в режиме автоматического регулирования под контролем, но без участия человека.
2. Базовые принципы энергосберегающего режима работы системы предварительной подготовки (подогрева) добываемой пластовой смеси на основе зонированного подхода к управлению температурными режимами.
3. Методика формирования и актуализации в реальном масштабе времени специализированной базы данных в режиме автоматической динамической паспортизации температурных профилей скважин и участков газотранспортной сети (шлейфов, магистральных трубопроводов) на основе сбора и обработки данных от промысловых датчиков.
4. Комплекс математических моделей и методик, обеспечивающих автоматическое поддержание температурных градиентов газотранспортной сети промысла в стабильном низкоэнергоемком безгидратном режиме поставки пластовой смеси на переработку.
5. Алгоритмы эффективного и безопасного автоматического регулирования работы подогревателей промысловых скважин, определяющие качественный температурный режим газотранспортной сети от скважин до установок переработки сырья, и комплекс программ, реализующих алгоритмы управления газотранспортной системы Астраханского промысла.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов на основе использования методик компьютерного моделирования, системного анализа, экспериментальных данных подтверждена данными эксплуатации ИИУС в составе штатной системы АСУТП Астраханского ГКМ. В результате системного анализа выявлена иерархичность ИИУС, зонированная структура управления промысловыми скважинами на основе примененного матричного метода формирования температурных зависимостей для газотранспортной сети. ИИУС используется на Астраханском газовом промысле в течение 2009–2011гг.:

• в режиме автоматической паспортизации температурных зависимостей для подогревателей газа и участков газотранспортной сети (декабрь 2009г.- сентябрь 2010г.);
• в режиме пробной тестовой эксплуатации (октябрь 2010г.- февраль 2011г.);
• в режиме автоматического управления температурными параметрами подогревателей газа и газотранспортной сети промысла в целом – с марта 2011г.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на четырех международных конференциях и корпоративном конкурсе ОАО «Газпром»: III международная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» - «ДИСКОМ-2007»; международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «Астинтех-2008»; XII международная отраслевая научно-практическая конференция «Россия периода реформ», 2008 год; IV международная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами» - «ДИСКОМ-2009»; конкурс ОАО «Газпром» по компьютерному проектированию и информационным технологиям в Санкт–Петербурге в 2010 году (1 место в номинации «Лучший проект в области информационных технологий»). Получена Национальная технологическая премия 2008 года в области науки и техники (1 место в высшей номинации - за выдающийся вклад в развитие новых технологий).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 12 опубликованных научных работах, в том числе в 6 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографии, состоящей из 100 наименований, и 11 приложений, общий объем 102 страницы основного текста, 17 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика разработки, обоснована актуальность решаемой задачи, сформулирована цель, объект и предмет исследования, научная новизна, практическая ценность работы, патентная защищенность и основные положения, выносимые на защиту, а также сведения о достоверности полученных результатов и апробации работы.

В первой главе дана краткая характеристика Астраханского газохимического комплекса, рассмотрены объекты и особенности технологического процесса добычи, предварительной подготовки и транспортировки пластового флюида.

В процессе анализа системы автоматизации газодобывающего предприятия выявлены проблемы, возникающие из-за отсутствия в применяемой системе АСУТП Астраханского промысла технических решений, обеспечивающих точное соответствие температурных профилей по шлейфам от скважин сборных манифольдов и участкам магистральных трубопроводов.

Разработанная ИИУС базируется на платформе существующих технических средств (серверов, линий связи, коммуникационного оборудования, полевых контроллерах), что не влечет за собой необходимости дополнительных капитальных вложений. Существенным отличием предлагаемого в рамках созданной ИИУС подхода к управлению от других систем контроля и управления промысловыми объектами является степень детализации функций управления, когда объектом управления является отдельная скважина, а не куст скважин или трубопроводная система в целом. В рассматриваемой ИИУС реализован режим макрорегулирования, опирающийся на детально проработанные механизмы температурного баланса на каждой скважине.

Газопромысловая система состоит из шести самостоятельных промысловых зон – установок предварительной подготовки газа (УППГ), рассчитанных на добычу 12 млрд. куб. метров газа в год.

Каждый промысловый объект, например скважина, одновременно контролируется тремя независимыми SCADA-системами. Фрагмент системы представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Фрагмент ИИУС промысла на базе SCADA-системы VS750

Две системы располагаются на верхнем уровне и образуют резервированную сдвоенную систему верхнего уровня, третья система (а всего подобных систем шесть – по числу УППГ) размещена в зоне соответствующей УППГ и контролирует одну из шести промысловых зон.

Учитывая колоссальную важность функции поддержания глобального температурного баланса направляемой на переработку пластовой смеси весьма актуальной является работа по созданию и дооснащению действующей системы контроля и управления Астраханского промысла принципиально новым программным механизмом безопасного низкоэнергоёмкого автоматического обеспечения качественного приведения температурного профиля промысла к оптимальному равновесному состоянию, который должен:

• реализовываться на существующих вычислительных мощностях системы автоматизации промысла;
• содержать программные механизмы приведения температурного режима подачи газа на переработку к номинальному значению и его поддержанию неограниченно длительное время с использованием промысловых средств автоматики и связи без вмешательства человека;
• иметь полноценные средства диагностики и оповещения об отклонениях температурного профиля от штатных состояний на объектах промысла;
• иметь развитые программные средства, основанные на оригинальных математических методах и моделях оптимизирующего типа, обеспечивающих надежное, безопасное и качественное функционирование промысла в штатных, предаварийных и аварийных ситуациях;
• осуществлять качественное управление режимами подогрева газа на площадках скважин, имеющих дополнительный подвод пластовой смеси от скважин – сателлитов, не имеющих самостоятельных подогревателей вблизи устья скважин;
• предоставлять на рабочие места диспетчерского персонала обработанную макроинформацию с целью качественного и всеобъемлющего сопровождения температурного режима добычи и транспортировки газа;
• предоставлять на рабочие места специалистов и руководства промысла автоматически формируемые сводки об отклонениях системы подогрева газа от штатных состояний и нарушениях сроков восстановления их работоспособности в полном объёме.

Учитывая изложенное, в ИИУС управления температурным режимом газотранспортной сети, помимо собственно неукоснительной эксплуатации скважин в разрешенных температурных режимах, реализованы дополнительные возможности («динамический температурный паспорт скважины», «выравнивание температурного профиля», «обеспечение требуемого температурного градиента» и др.), суть которых раскрыта при описании базовых принципов и комплекса математических моделей и методов.

При несоблюдении технологических режимов и регламентов высока вероятность перехода технологического процесса в состояния, приводящие к получению низкокачественной товарной продукции или угрожающие окружающей среде в связи с возможными при этом выбросами вредных веществ в атмосферу.

Базовым требованием к реализуемой ИИУС является зонированный подход к управлению температурными режимами газотранспортной сети промысла в автоматическом режиме, обеспечивающий:

• условия для оптимизации температурных режимов работы подогревателей на площадках скважин;
• реализацию стратегии экономии затрат очищенного газа, расходуемого на подогрев пластовой смеси.

Вторая глава посвящена описанию базовых принципов ИИУС температурного режима промысла, созданных на основе проведенных диссертационных исследований.

Для поддержания температурного баланса при разработке базовых принципов была выработана методика расчета величины корректировки температуры.

При моделировании технологического процесса целесообразно различать температурные зависимости, локализованные по уровням управления.

На локальном уровне для конкретных скважин, охватывающем зону от площадки скважины до входного блока манифольдов на площадке УППГ используются зависимости «температура газа после подогрева – температура газа на входе манифольда» для рабочей зоны расходов, устанавливаемой для каждой скважины.