Разработка методов функциональной диагностики технологических режимов эксплуатации магистральных нефтепроводов

В свете устойчивой тенденции к росту цен на энергоносители и, особенно, тарифов на электроэнергию весьма актуальна проблема повышения эффективности, промышленной и экологической безопасности эксплуатации изношенных нефтепроводов. В магистральном транспорте нефти доля выплат за потребленную электроэнергию превышает треть эксплуатационных расходов, и эта доля неизбежно будет расти. В 2002 г. средний тариф РАО ЕЭС для промышленных предприятий составил 64,10 коп./кВт-ч, а европейский уровень цен за электроэнергию в промышленности — от 0,049 $/кВт-ч в Польше до 0,11 $/кВт ч в Германии. Отслеживая тенденцию роста цен в России (июль 2002;1990 — 38 775 раз) можно предположить, что в ближайшие 3−4 года тарифы ЕЭС возрастут ещё в 2,5−3 раза. Пропорциональное повышение тарифов на транспортные услуги в системе магистральных нефтепродуктопроводов снижает конкурентоспособность российских нефтяных компаний на мировом рынке, но не решает проблемы технического перевооружения. Особую актуальность проблема экономии энергоресурсов приобретает при эксплуатации объектов магистрального транспорта нефти и нефтепродуктов в режимах плановой или вынужденной недогрузки. Срок эксплуатации половины объектов магистральных нефтеи продуктопроводов превышает 30 лет. Значительный износ линейных объектов заставляет эксплуатировать их в щадящих режимах, т. е. с меньшей производительностью. Альтернативы трубопроводному транспорту для доставки нефти из нефтегазоносных провинций Западной Сибири и Европейского Севера России нет. Принимая во внимание значение экспорта нефти для Российского бюджета, можно констатировать, что развитие системы трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов — составляющая экономической безопасности России.

В диссертационной работе представлены результаты теоретических, экспериментальных и промышленных исследований, посвященных разработке и обоснованию методологии, аналитического аппарата и организационной структуры принципиально нового средства повышения эффективности управления транспортом нефти и нефтепродуктов — системы функциональной диагностики технологических режимов магистральных нефтеи продуктопроводов, позволяющей отслеживать тенденции развития процессов в трубопроводахв ясных для пользователя понятиях интерпретировать собранные системой SCADA параметры технологического процесса перекачкив удобной для анализа и дальнейшего принятия решения форме представлять результаты диагностирования и за счёт применения превентивных мер, устраняющих причины осложнений технологических режимов, экономить до трети энергозатрат на линейной части.

Под термином «функциональная диагностика» понимается система оперативной диагностики осложнений режимов эксплуатации магистрального нефтепровода исключительно по технологическим параметрам перекачки, регистрируемым штатными средствами телемеханики без специальных тестовых воздействий.

Целью работы является разработка методологии и аналитического аппарата системы функциональной диагностики характерных осложнений режимов эксплуатации магистральных нефтеи продуктопроводов. Основные задачи исследований:

• системный анализ объектов магистрального транспорта нефти с точки зрения энергопотребления, выявление и классификация причин осложнений технологических режимов эксплуатации магистральных нефтепроводов;

• построение моделей поведения эксплуатационного участка нефтепровода, уложенного в рельеф местности для качественной и количественной оценки каждого из осложнений технологических режимов;

• разработка и анализ алгоритмов диагностирования, реализуемых в современных возможностях системы телемеханики, с целью выявления и определения положения осложнений на трассе нефтепровода;

• разработка методов оценок вклада каждого из характерных осложнений при одновременном их возникновении на каждом участке трассы рельефного нефтепровода, если признаки их проявления схожи;

• изучение современных информационно-аналитических ресурсов, используемых в эксплуатации магистральных нефтеи продуктопроводов с целью интеграции их с системой функциональной диагностики на единой методологической основе геоинформационных технологий.

Решение поставленных задач позволило впервые в данной работе:

— предложить системный подход к анализу баланса энергопотребления, позволяющего выявить резервы повышения эффективности эксплуатации магистральных нефтепроводов;

— классифицировать основные причины осложнений технологических режимов перекачки, приводящие к снижению пропускной способности участков трубопроводов и повышению энергозатрат магистрального транспорта нефти;

— разработать технологические модели осложнённых режимов перекачки нефтей и нефтепродуктов, описывающие как установившийся режим, так и переходные процессы в трубопроводе с переменным углом наклона в соответствии с рельефом местности;

— обосновать критерии существования водных и газовых скоплений, смолопарафиновых отложений, утечек и «неподвижных» внутритрубных объектов;

— разработать диагностические алгоритмы, базирующиеся на решении обратных задач гидравлики многофазных потоков и тепло — массопереноса, дающие качественную и количественную оценку осложнениям;

— для оперативной диагностики осложнений разработать аналитический аппарат системы функциональной диагностики технологических режимов магистральных трубопроводов, базирующийся на современных научных достижениях в области нечёткой логики, нечётких множеств и генетических алгоритмов. Разработан свод решающих правил, позволяющих в многомерном пространстве параметров перекачки повысить достоверность диагностических оценок. Выявлены механизмы самообучения и накопления знаний в процессе функционирования алгоритма.

Автор защищает:

1) интеллектуальный алгоритм диагностирования, реализованный на методологии генетических алгоритмов, нечёткой логики и нечётких множеств;

2) условия включения в перечень диагностируемых осложнений (необходимые условия существования);

3) алгоритмы диагностики для каждого типа осложнения, обладающие высокой селективностью;

4) принципы построения единого информационного пространства в управлении магистральными трубопроводами с послойно-тематической организацией данных на основе ГИС-технологий.

Практическая ценность.

Система функциональной диагностики технологических режимов эксплуатации систем магистральных нефтеи продуктопроводов является уникальным средством для:

• повышения безопасности эксплуатации путем раннего обнаружения осложнений технологических режимов, а также повышения эффективности взаимодействия объекта управления с диспетчером и принятия своевременного решения в различных аномальных ситуациях;

• предотвращения тяжелых аварий на трассе путем раннего выявления и предупреждения малых утечек, что исключает лавинообразное перерастание ситуации в аварию;

• устранения тяжелых аварий по вине персонала благодаря контролю за ситуацией с выдачей персоналу оперативной информации состояния объекта управления, а также прогнозированию развития ситуации на каждом шаге действий оператора;

• повышения эффективности эксплуатации за счет предикативной оценки развития осложнений и применения превентивных мер, устранения причин, снижения пропускной способности участков нефтепродуктопровода;

• облегчения и упрощения работы персонала путем выдачи диспетчеру предварительно проанализированной и интерпретированной в понятных образах информации, быстрого доступа к документации, что повышает его психологическую уверенность.

Реализация работы.

Промежуточные результаты работы легли в основу следующих интеллектуальных продуктов:

1) методика «Анализ энергопотребления на перекачку нефти по магистральным нефтепроводам», на методологической основе которой предложен пакет прикладных программ «Энергопотребление». Методика включает системный анализ всех составляющих технологической цепочки магистрального транспорта нефти с точки зрения энергопотребления. Апробация программного продукта «Энергопотребление» на МНП «Куйбышев-Лисичанск» и «Куйбышев-Тихорецк» на участке «Самара — Красноармейск» ОАО «Приволжские магистральные нефтепроводы» дала предикативную оценку эффективности мероприятий экономии энергоресурсов в каждом звене технологической цепочки, в результате чего был получен эффект от оптимизации структуры энергопотребления;

2) совместно с коллегами института проблем транспорта энергоресурсов (ИПТЭР) разработаны рекомендации по технологическим режимам эксплуатации нефтепровода «Тарасовское-Муравленковское» с использованием решений задачи теплообмена трубопровода с окружающим грунтом;

3) математическое моделирование теплогидравлических режимов магистральных трубопроводов «Уренгой-Сургут» и «Уренгой-Челябинск» использовано для обоснования природоохранных мероприятий и нетрадиционных конструктивных элементов линейной части и резервуаров на слабонесущих оттаивающих грунтах, на которые получены 6 свидетельств на изобретения;

4) рекомендации по принципам построения базы данных, базы знаний и свода правил системы управления магистральных нефтепроводов и интеграции современных информационно-аналитических ресурсов, используемых в эксплуатации магистральных нефтеи продуктопроводов с системой функциональной диагностики на единой методологической основе ГИС-технологий, приняты на вооружение такими научноисследовательскими и проектными организациями, как институт «Гипротрубопровод» и НПП «Стройпроектсервис» ;

5) на основе материалов диссертационной работы разработаны и используются в учебном процессе 4 учебно-методических руководства по курсам «Гидравлика», «Гидромеханика», «Гидрогазодинамика», «Гидрогазодинамические расчеты в нефтегазовом деле» и учебно-методическое пособие для курсового и дипломного проектирования студентов, обучающихся по специальностям: 220 400 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», 90 700 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газохранилищ», 657 900 «Автоматизированные технологии и производства», а также для инженерно-технических работников предприятий магистрального транспорта нефти и нефтепродуктов на курсах повышения квалификации.

Краткое содержание работы (Структура диссертации).

Первая глава посвящена разработке и обоснованию системного подхода к анализу эффективности функционирования, классификации причин снижения пропускной способности, изучению возможностей существующих информационных систем и формулировке задач функциональной диагностики магистральных нефтепроводов. Показано, что кризисные принципы хозяйствования за вековой период эволюции системы магистрального транспорта России, с одной стороны позволили мобилизацией ресурсов всей страны за достаточно короткий срок создать уникальную по своей протяженности и пропускной способности сеть магистральных нефтеи продуктопроводов, а с другой — не выработали адекватных механизмов реновации основных средств и воспроизводства имеющихся ресурсов. В итоге — прогрессирующее старение линейной части заставляет пересматривать регламенты эксплуатации в сторону снижения эксплуатационных давлений, перехода на более «щадящие» режимы, снижающие пропускную способность эксплуатационных участков трубопроводов. Анализ укрупненных показателей темпов реконструкции и ремонтов линейной части по отчётам АК «Транснефть» позволил сделать вывод, что в исторически сложившихся условиях система магистральных трубопроводов России в ближайшие 20.30 лет неизбежно будет эксплуатироваться в недогруженных режимах. Актуальность вопроса о безопасной и эффективной эксплуатации изношенных недогруженных трубопроводов со временем будет только расти.

Для вскрытия резервов экономии эксплуатационных ресурсов и оценки эффективности технологического процесса перекачки предложена Методика анализа энергопотребления на перекачку нефти по магистральным нефтепроводам, основанная на сопоставлении расчётных (каталожных) эксплуатационных показателей и фактических данных АСУ, диспетчерской, журналов энергопотребления и лаборатории качества. Представленная в работе Методика отличается системным подходом к проблеме энергоаудита и включает анализ всех составляющих технологической цепочки магистрального транспорта нефти от точки подключения к энергосетям до конечного пункта эксплуатационного участка нефтепровода с точки зрения энергопотребления.

Критерием эффективности выбрано отношение расчётных затрат энергии (кВт-ч.) на выполнение транспортной работы в фактическом графике перекачки нефти к фактическим. Основным аналитическим средством является сведение балансов энергопотребления как для всего эксплуатационного участка нефтепровода, так и для отдельной насосной станции с напорным участком трубопровода по выборке данных фактических параметров эксплуатации, кратной двухчасовому периоду. Апробация Методики и программного продукта «Энергопотребление» проведена на МНП «Куйбышев-Лисичанск» 1 220 мм и «Куйбышев-Тихорецк» 0720 мм на участке «Самара.

Красноармейск". Проанализированы балансы энергопотребления с 01 октября 2000 по 26 сентября 2001 г. по двухчасовым выборкам данных.

Выявлены резервы повышения эффективности перекачки на исследованных участках магистральных нефтепроводов на 7.22% за счет внедрения превентивных мер, устраняющих причины осложнений технологических режимов, снижающих пропускную способность нефтепроводов.

Оценка эффективности традиционных средств очистки нефтепроводов привела к пониманию необходимости разрабатывать и внедрять дополнительные технические и организационные мероприятия по удалению подвижных внутритрубных образований — водяных и газовых скоплений.

Изучение возможностей современных SCADA-систем на примере её реализации в Каспийском трубопроводном консорциуме (КТК) позволило сделать заключение, что внедрение современных технологий SCADA, телемеханики и АСУ подготовило почву и поставило на повестку дня разработку системы функциональной диагностики осложнений технологических режимов нефтеи продуктопроводов, которая способна повысить оперативность принятия решений, расширить аналитические возможности служб, эксплуатирующих разветвленные сети, и снизить энергопотребление системы магистрального транспорта нефти до 1/3 энергозатрат на линейной части.

В заключении главы приведена классификация причин снижения пропускной способности и эффективности, технологической и экологической безопасности функционирования участка магистрального нефте-продуктопровода, объединенных общим термином «осложнения» технологических режимов. Поставлены задачи и определены этапы разработки системы функциональной диагностики нефтеи продуктопроводов, реализуемой строго в рамках мониторинга эксплуатационных параметров, регистрируемых системами SCADA (давление, расход, температура и время) без специфических диагностических воздействий. Определены терминология и методология построения диагностических алгоритмов. Обоснована необходимость учёта человеческого фактора в управлении объектами магистрального транспорта.

Вторая глава посвящена разработке аналитического аппарата системы функциональной диагностики осложнений технологических режимов магистральных трубопроводов.

В условиях технических ограничений доступной в традиционных системах телемеханики и АСУ информации как по количеству, так и по качеству, с одной стороны, и достаточно обширного списка осложнений технологических режимов, подлежащих идентификации, — с другой, решение задач функциональной диагностики лежит на стыке новейших методов математической логики, многокритериальных оценок и «мягких вычислений».

В методологическую основу системы функциональной диагностики положены генетические алгоритмы многопараметрического поиска решений, адекватно описывающих зарегистрированные значения технологических параметров в координатном пространстве диагностических признаков и логических конструкций свода правил диагностирования, которые дают возможность находить альтернативы на всём множестве возможных решений без излишних вычислительных затрат «комбинаторного взрыва» с ростом размерности задачи. Количество же независимых переменных достигает 200 500 при идентификации 5−7 осложнений на эксплуатационном участке нефтепровода протяженностью 400−500 км.

В соответствии с наиболее общим определением, генетические алгоритмы — это методы случайного глобального поиска, копирующие механизмы естественной биологической эволюции. Терминология, принятая в данной области математики, заимствована из генетики. Генетические алгоритмы оперируют с популяцией оценок потенциальных решений (индивидуумов), используя принцип «выживает наиболее приспособленный». На каждом шаге алгоритма образуется новое множество приближений, создаваемое посредством процесса отбора индивидуумов согласно их уровню пригодности. Операндом генетического алгоритма является ген @Gзакодированная оценка того или иного осложнения технологического режима, объединенный в «хромосому» (chromosome, string) — n-мерный вектор &S.

На предварительном этапе выявляются осложнения, подлежащие оценке, из которых формируется структура хромосомы. Учитывая естественное ограничение, что дискретность пространства диагностического поиска не может превышать физического, обусловленного наличием датчиков по длине нефтепровода, каждому участку трассы между замерными пунктами поставлен в соответствии геном{@W, @Д @?/, @А, @L/, состоящий из пяти генов: (sWскопления воды- @U— неподвижные объектыфА — газовые скопления- @L — утечкизD — смолопарафиновые отложения.

Рассмотрены возможности применения зарекомендовавших себя программных продуктов, реализующих генетические алгоритмы, отличающиеся особенностями практической реализации основных операторов генетического алгоритма: репродукции (reproduction) — кроссинговера (crossing over) — мутации (mutation) и селекции (selection). Обосновано преимущественное применение элитного отбора, циклической мутации, диагонального кроссинговера.

Алгоритм диагностирования осложнений технологических режимов на трассе нефтепродуктопровода включает три стадии нахождения решения.

На первом этапе предварительного поиска претендентов на решение генерируется начальная популяция {&S}(**~0) из N индивидов. Количество особей в популяции должно быть не менее удвоенного произведения видов диагностируемых осложнений к на количество замерных пунктов по трассе эксплуатационного участка трубопровода (m — 1), из которых не менее 50% популяции — это результаты диагностики предыдущих периодов времени, которые извлекаются из базы знаний. Вторая часть индивидов формируются из условия максимального охвата всего пространства поиска решений алгоритмом диагностирования. Применением одного из пакетов, реализующих генетический алгоритм с элитным отбором, циклической мутацией и диагональным кроссинговером, формируется не улучшаемая популяция хромосом, идентифицирующих локальные максимумы функции пригодностипретендентов на решение.

Результатом второго этапа процедуры диагностирования является конечный набор альтернатив {@W}, {@А}, {@D}, {@L}, {@ U}, интерпретированных в ясных для диспетчера понятиях, в удобной для анализа и дальнейшего принятия решения форме в сочетании с качественными и количественными оценками каждой из них.

На заключительном этапе диспетчеру предлагается выбрать наиболее вероятную из предложенного алгоритмом списка альтернатив, адекватно отражающую реальную ситуацию на трассе. Цикл диагностирования завершается пополнением базы знаний избранной альтернативой с трендами технологических параметров эксплуатации объекта, которая является своеобразной «памятью» системы функциональной диагностики.

Центральным звеном алгоритма, определяющим направление эволюции решений, а, следовательно, и адекватность результатов диагностики, является функция пригодности. Учитывая многомерность пространства поиска, в работе обоснована структура функции пригодности, позволяющая интегрировать множества формализованных оценок осложнений технологических режимов по всем координатам частных оценок и диагностических признаков.

Общим диагностическим признаком всех осложнений является изменение давлений. Поэтому компонента функции пригодности по гидравлическим потерям Ah принята в алгоритме диагностирования в качестве центрального связующего звена, которую предложено рассматривать как нечёткое множество с нечёткими границами, принадлежность к которому того или иного решения (хромосомы) выражается её значением, лежащим в диапазоне [0. 1].

Для построения обобщенной функции пригодности fit (&S), учитывающей все условия по всем диагностическим признакам, использованы логические операторы нечёткой логики: отрицания, конъюнкции, дизъюнкции и мультипликативного принципа построения функции пригодности, зарекомендовавшего себя в многокритериальной теории полезности.

В третьей главе на основе моделирования стратифицированного течения в рельефном трубопроводе даны решения основных задач диагностики газовых скоплений, содержащих как газы неорганического происхождения, так и легкие фракции углеводородов.

В целях получения аналитического выражения для обобщенного критерия существования водного скопления, удобного для использования в практике эксплуатации трубопроводных систем, построена модель стационарного расслоенного потока в нисходящем цилиндрическом канале с углом наклона, а в профиле местности, в которой коэффициент гидравлических сопротивлений X предложено определять по методике Г. Е. Коробкова для безнапорного ламинарного течения и зоны гладкого трения, а также формуле Кольбрука для зон смешанного и квадратичного трения с рекомендациями М. В. Лурье для аппроксимации переходного режима «коэффициентом перемежаемости».

Условием включения газовых скоплений в перечень осложнений, идентифицируемых на участке трубопровода между двумя последовательно расположенными замерными пунктами по трассе, является необходимое условие существования, которое означает, что, если хотя бы один сегмент линии аппроксимации трассы трубопровода в рельефе местности отвечает условию Q < Qmaax = 1,069. 1,161 • QJ, скопления газов на данном участке возможны. В противном случае ген @А в соответствующем геноме должен обнуляться перед вычислением значений функции пригодности.

Для обоснования интегрального диагностического признака газовых скоплений Еа разработана модель распространения возмущений на самотечном участке трубопровода. Получена зависимость скорости распространения волны возмущений от заполнения самотечного участка. Селективность метода диагностики газовых скоплений, основанного на разнице в скоростях распространения импульса давления, очень высокая, скорость звука в напорном участке трубопровода Со = 1000 — 1425 м/св то время как в самотечном участке Ci = 0 — 3 м/с.

Алгоритм диагностики заключается в измерении времени прохождения импульса давления по участку трубопровода по и против течения продукта, что исключает влияние скорости движения самого продукта на результат измерения. Общая длина газо-воздушных скоплений 2LC на диагностируемом участке L? определяется временем прохождения импульса давления.

Для повышения достоверности и точности оценки предложен конкурирующий алгоритм локальной оценки 91 Ai, основанный на сопоставлении изменений объемов газовых скоплений на участке нефтепровода между смежными i и г+1 замерными пунктами при изменении давления в технологическом цикле эксплуатации трубопровода. Суммированием количества газа по длине участка между замерными пунктами получен операнд в функции принадлежности нечёткому множеству локальных диагностических оценок объема газовых скоплений.

В четвёртой главе представлено построение и обоснование алгоритмов диагностики внутритрубных отложений, базирующихся на моделировании теплогидравлических режимов нефтепроводов, перекачивающих парафинистые нефти.

Необходимым условием образования отложений является наличие в перекачиваемых нефтях растворённых парафинов, смол и асфальтенов, температура кристаллизации которых лежит в диапазоне эксплуатационных значений данного параметра.

Для диагностики смолопарафиновых отложений предложен метод, основанный на оценке термического сопротивления на образующей трубопровода. Ключевой проблемой получения количественной оценки толщины слоя внутритрубных отложений является определение характеристик теплового взаимодействия по образующей трубы с внешней средой, которую предложено решать моделированием теплового режима трубопровода в изменяющихся погодно-климатических и технологических условиях эксплуатации. Всё многообразие конструктивных особенностей линейных объектов магистральных трубопроводов с методологической точки зрения представляется возможным свести к двум категориям, предполагающим разные подходы к решению:

— для надземной и подводной прокладки трубопроводов предложена и опробована на подводных коллекторах месторождения «Белый тигр» (СП «ВьетСовПетро») методика решения обратных задач теплообмена нефтепровода с безынерционной средой (воздух, вода);

— для подземной и наземной (в обваловке) прокладки трубопроводов разработана и опробована на магистральном конденсатопроводе «Уренгой-Сургут» (АО «Сургутгазпром») методика кибернетического моделирования взаимодействия трубопровода с наследственной, аккумулирующей средой (грунтом).

В представлениях о механизме теплопередачи «продукт — окружающая среда» по закону Ньютона, который наиболее достоверно описывает тепловое взаимодействие трубы с подвижной безынерционной средой (воздухом или водой), решено уравнение теплового баланса участка нефтепродуктопровода относительно полного коэффициента теплопередачи. С другой стороны, полный коэффициент теплопередачи от продукта в окружающую среду К с учетом изолирующего эффекта парафиновых отложений обусловлен термическим сопротивлением на образующей трубы и, по методологии Л. С. Лейбензона, может быть выражен в явном виде через мощность парафиновых отложений. Решая совместно оба уравнения, получим осредненную оценку толщины отложений парафинов на участке трубопровода между двумя последовательно расположенными пунктами замера технологических параметров на момент регистрации показаний датчиков.

Наложение частных оценок в двух (и более) координатных пространствах (по количеству решающих правил диагностики) уточняют прогноз величины диаметра проходного сечения трубопровода, который лежит в области пересечения этих частных оценок: D^/DBH С [0,22.0,65]П[0.557.0.68] = [0,557.0,659].

Особенности построения алгоритма диагностирования внутритрубных отложений в подземных и наземных трубопроводах обусловлены тепловой инерционностью окружающего массива грунта, регламентирующего интенсивность диссипативного процесса. Поэтому толщину слоя предложено определять совместным решением внутренней и внешней задач теплопередачи, параметром сопряжения которых является тепловой поток рассеяния (теплопотери) с единицы длины трубопровода Q®.

На основании экспериментальных исследований, работ по тепло-массопереносу школы А. В. Лыкова с использованием достижений дискретной математики разработана модель термодинамической системы «трубопровод — грунт» с учётом особенностей теплообмена на дневной поверхности, естественного температурного поля грунта и фазовых переходов поровой влаги, позволяющая адекватно описать динамику теплового поля подстилающего неоднородного грунта вокруг трубопровода в изменяющихся условиях его эксплуатации. Применение изменяющихся в зависимости от фазового состояния свойств грунта, конформных отображений пространства Лапласа и преобразований переменных Гудмена позволили свести сложную задачу теплопереноса в массиве грунта вокруг трубопровода с фазовыми переходами поровой влаги к системе нелинейных параболических дифференциальных уравнений и получить численное решение методом конечных разностей, адекватность которого подтверждена сопоставлением с результатами многолетних промышленных экспериментов на МКП «Уренгой-Сургут».

Предложенные алгоритмы диагностики внутритрубных отложений по термическому сопротивлению на образующей трубы имеют локальный характер, т. е. дают оценку толщины слоя отложений на участке нефтепровода между смежными замерными пунктами. Поэтому компонента парафиновых отложений входит в множества оценок соответствия решения, закодированного в хромосоме, локальным диагностическим признакам осложнений технологических режимов.

Нечёткое множество интегральных оценок функции принадлежности Е предложено дополнить решающим правилом диагностирования по балансу масс парафина в перекаченной нефти.

Предметом исследований пятой главы диссертации являются скопления воды — одно из распространенных внутритрубных образований восходящих участков трубопроводов, динамически меняющих свои размеры и положение на трассе, особенно характерное для недогруженных режимов эксплуатации.

Глобальным условием включения в список диагностируемых осложнений водных скоплений @W является разница содержания воды в перекачиваемом продукте в начальном и конечном сечениях нефтепродуктопровода.

В целях получения количественной оценки водного скопления на основании анализа современных представлений о механизмах смены фазовых состояний воды в жидких углеводородах построена модель поведения водного скопления в рельефном трубопроводе. Решением уравнений баланса сил для каждой из фаз расслоенного потока в наклонном трубопроводе получено условие существования водного скопления: критерий гр, показывающий соотношение гидравлического сопротивления напорного течения к безнапорному, должен быть меньше порогового значения 1,234. 1,361 и критерия устойчивости Кельвина-Гельмгольца. В противном случае ген в соответствующем геноме должен обнуляться перед вычислением значений функции пригодности.

Анализ решения показывает возможность существования двух устойчивых уровней раздела фаз «нефть-вода» (c)i и (c)2, не изменных по длине прямолинейного участка трубопровода. Вследствие принципиальных различий в поведении участка трубопровода, транспортирующего нефть расслоенным потоком с положением раздела фаз на разных уровнях, предложено термин «скопление воды» применять только к наибольшему из уровней — (c)2.

Алгоритм диагностирования водных скоплений основан на оценке характерных времён инерционных процессов, наблюдаемых при переключении с одного режима эксплуатации трубопровода на другой.

Моделирование миграционного движения воды по нижней образующей даёт возможность получить независимую оценку соответствия решения, закодированного в хромосоме, локальным диагностическим признакам, характеризующим водные скопления на участке нефтепровода между смежными i и 1+1 замерными пунктами 9tj.

Алгоритм локальной оценки основан на сопоставлении изменений объемов водных скоплений на участке нефтепровода между смежными i и /+1 замерными пунктами во времени за счёт миграции воды и изменения параметров расслоенного течения в технологическом цикле эксплуатации трубопровода.

Конкурирующую интегральную оценку приращения объёмов водных скоплений в нефтепроводе можно получить по материальному балансу воды в перекаченном продукте на концах нефтепровода по данным диспетчерской и лаборатории качества — SAQ-Qj-ATj.

Разработанный свод решающих правил позволяет получить оценку водных скоплений по четырём независимым критериям пространства поиска в рамках методологии системы функциональной диагностики технологических режимов нефтепродуктопроводов.

В шестой главе исследованы предпосылки и возможности успешного внедрения системы функциональной диагностики в действующую систему управления магистральными нефтеи продуктопроводами в свете современных требований развития отрасли.

Учитывая принципиально новые возможности, предоставляемые геоинформационными системами в поиске, получении, хранении, систематизации, обработке и тематически упорядоченном представлении оперативной информации, а также специфику системы управления АК «Транснефть», предложена послойно-тематическая библиотечно-листовая иерархическая организация данных в едином информационном пространстве, где каждому объекту трубопроводной сети, жестко привязанному пространственными координатами к электронной топологической основе, ставится в соответствие атрибутивная информация об особенностях его монтажа, наладки, тестирования, эксплуатации и пр. Каждый тематический слой является функционально ориентированной СУБД отдельных служб ОАО МНП со специфической атрибутивной информацией. Интегрирующей основой выступает вертикальная объектно-ориентированная структура привязки всей информации к географическим координатам объекта.

В предложенную структуру информационного пространства органично вписываются все применяемые в практике эксплуатации магистральных нефтепродуктопроводов программные информационно-аналитические комплексы. Показаны основные принципы приложения уникальных технологий аэрокосмического мониторинга трассы МНП, позволяющие уточнить положение и состояние объектов МНП, определить качество природной среды, оценить масштабы техногенного воздействия и риск развития негативных процессов в окрестности трубопровода. Наложение результатов диагностирования и гидравлической локации утечек на электронную карту местности дают возможность пространственного моделирования динамики загрязнений для разработки превентивных мер, оценки экологической и оперативной ситуации на трассе в месте возникновения свища. Интеграция информационно-аналитических ресурсов на основе ГИС-технологии позволяет сократить время и скоординировать оперативные мероприятия для локализации разлива и ликвидации последствий аварии.

Комплексное решение задач единовременного диагностирования всех видов осложнений технологических режимов позволяет повысить чувствительность, точность и оперативность методов, зарекомендовавших себя в лучших мировых образцах системами обнаружения утечек, нечёткие аналоги методов которых положены в основу и условия существования, и решающих правил идентификации утечек в рамках методологии системы функциональной диагностики.

Глобальным условием включения в структуру хромосомы гена, кодирующего количественную оценку утечек является, дисбаланс перекаченного продукта, регистрируемый в начальном и конечном сечениях нефтепродуктопровода.

Количественную оценку утечки по материальному балансу нефти на участке нефтепровода между расходомерами или узлами учёта нефти в рамках предложенной методологии предложено выражать нечётким множеством глобальных оценок соответствия решения интегральным диагностическим признакам осложнений технологических режимов участка нефтепровода в целом El.

Задачу локализации места аварийного выхода продукта предложено решать нечёткой интерпретацией барокорреляционного метода гидравлической локации утечек.

Для диагностирования «неподвижных» объектов в полости трубопровода в рамках возможностей мониторинга технологических параметров перекачки предложено использовать решающее правило по дисбалансу потерь энергии на трение после учёта всех других видов осложнений.

Ограниченные возможности диагностики «неподвижных» объектов в рамках мониторинга технологических режимов перекачки компенсируются широким спектром традиционных средств тестового диагностирования, которые способны идентифицировать весь перечень осложнений данной категории. Частью эти осложнения после определения их характеристик средствами тестового диагностирования могут быть занесены в базу данных конструктивных особенностей участка трубопровода, частью — устранены при проведении ППР.

В заключении приведены мировые достижения в реализации методологии «мягких вычислений» в системах управления промышленных объектов, военной и бытовой техники, намечены перспективы интеграции информационно-аналитических компонентов в систему автоматического управления магистральными трубопроводами, разрабатываемую на стыке возможностей систем SCADA, функциональной диагностики технологических режимов, методологии Fuzzy Logic и ГИС-технологий, выводящую на новый качественный уровень решения практических задач эффективной эксплуатации объектов магистрального транспорта нефти и нефтепродуктов.

Основные выводы и рекомендации.

1. Ретроспективным анализом темпов реновации линейной части магистральных нефтепродуктопроводов показано, что система магистральных трубопроводов России в ближайшие 20.30 лет неизбежно будет эксплуатироваться в недогруженных щадящих режимах, для которых характерно снижение пропускной способности. Применением методики анализа энергопотребления на участке системы экспортных нефтепроводов «Самара-Красноармейск», загруженных на 70%, выявлены резервы экономии электроэнергии на 7.22%. Приведена классификация причин снижения пропускной способности и эффективности, технологической и экологической безопасности функционирования участка магистрального нефте-продуктопровода, требующих оперативной диагностики для их устранения.

2. Моделированием режимов течения нефти по рельефному трубопроводу с характерными внутритрубными образованиями выявлены характерные черты их поведения в эксплуатационном цикле и необходимые условия существования: для газо-воздушных скоплений: производительность перекачки должна быть меньше максимально возможной в самотечном расслоенном режиме течения на диагностируемом участкедля скоплений воды: параметр гр, показывающий соотношение гидравлического сопротивления напорного течения к безнапорному, должен быть меньше порогового значения 1,234. 1,361 и критерия устойчивости Кельвина-Гельмгольцадля смолопарафиновых отложений: наличие в перекачиваемых нефтях растворённых парафинов, смол и асфальтенов, температура кристаллизации (структурообразования) которых лежит в диапазоне эксплуатационных значенийдля утечек: дисбаланс массовых расходов транспортируемого продукта на концах диагностируемого участка должен быть обусловлен только изменениями его количества в герметичном трубопроводе.

3. Детальный анализ параметров эксплуатации участков трубопровода с внутритрубными образованиями позволил разработать уникальные для каждого типа осложнения алгоритмы диагностики:

— для газо-воздушных скоплений предложен метод, основанный на разнице в скоростях распространения импульса давления: а) в напорном участке трубопровода С = 1000 — 1425 м/с, б) в самотечном участке Ci = 0 — 3 м/с;

— для скоплений воды — метод, основанный на оценке характерных времён инерционных процессов, наблюдаемых при переключении с одного режима эксплуатации трубопровода на другой;

— для смолопарафиновых отложений — метод, основанный на оценке термического сопротивления на образующей трубопровода;

— для утечек: барокорреляционный метод гидравлической локации утечек, реализованный в рамках методологии «мягких вычислений».

4. Разработан интеллектуальный алгоритм, реализованный в возможностях методологии генетических алгоритмов, нечёткой логики и нечётких множеств, который позволяет накапливать информацию о режимах эксплуатации линейного объекта, одновременно использовать все диагностические признаки и решающие правила для сбалансированной оценки вклада каждого из характерных осложнений при одновременном их возникновении на участках рельефного нефтепровода.

5. Показано, что интеграция всех существующих компонентов системы управления магистральным трубопроводом на ГИС-платформе раскрывает принципиально новые возможности внедрения уникальных технологий аэрокосмического и экологического мониторинга трассы трубопроводов, позволяющие повысить эффективность использования уже применяемых на практике информационно-аналитических ресурсов. Создание единого информационного пространства с послойно-тематической организацией данных, атрибутивно связанных с положением объекта на электронной топологической основе, является условием применения интеллектуальных адаптивных алгоритмов управления, на основе которых реализована система функциональной диагностики технологических режимов магистральных нефтепродуктопроводов.

6. Разработана система функциональной диагностики, использующая достижения в области SCADA, кибернетического моделирования технологических режимов, методологии Fuzzy Logic и ГИС-технологий, расширяющая аналитические и прогностические возможности персонала, которая позволяет:

— оперативно выявлять возникающие осложнения режимов перекачки;

— отслеживать тенденции развития процессов в трубопроводах;

— интерпретировать собранные системой SCADA параметры технологического процесса перекачки;

— в удобной для анализа и дальнейшего принятия решения форме представлять результаты диагностирования;

— экономить до трети энергозатрат на линейной части за счёт применения превентивных мер, устраняющих причины осложнений технологических режимов.

Заключение

.

Традиционные методы управления промысловыми и магистральными системами сбора (снабжения), подготовки и транспорта нефти, газа и газового конденсата основаны на уникальных знаниях патриархов нефтегазовой отрасли России, на глазах которых произошло зарождение, становление и развитие народнохозяйственных объектов энергетического комплекса в 60−90х годах XX столетия. Практически в штате каждого предприятия ТЭК можно найти такого специалиста технологических сетей, обладающего феноменальным набором конкретных управленческих решений для большинства ситуаций, возникающих на производстве. Однако метод аналогий и комбинирования известных ситуаций в новых изменившихся экономических и социальных условиях далеко не всегда дает оптимальный результат, да и самих специалистов такого уровня становиться всё меньше — поколение строителей трубопроводных систем уходит. Современные темпы развития экономических и социальных отношений не позволяют производственному персоналу «засиживаться» на одном месте больше 3−5 лет. Новое поколение руководителей производства вынуждено искать новые нетрадиционные подходы к решению задач управления промысловыми и магистральными системами.

Общепринятым решением данной проблемы является внедрение систем автоматического управления (САУ). Существует несколько способов реализации такой системы:

1) на основе опыта и знаний эксперта;

2) путём создания модели действий оператора (диспетчера);

3) на основе методов и средств решения неформализованных задач;

4) автоматического обучения и накопления базы знаний;

5) на основе технологической модели трубопровода.

Чрезвычайная сложность и уникальность технологических схем, неоднозначность и частая смена внешних условий эксплуатации МНП, обширность территории дислокации и примитивный уровень автоматизации линейных объектов делают задачу построения математической модели традиционными методами трудноосуществимой в рамках детерминированных моделей технологического процесса перекачки. Многочисленные попытки построения всеобъемлющей технологической модели трубопровода на традиционной методологии [26,49,85,132,222] не увенчались успехом.

С другой стороны, в последние годы произошёл прорыв в интеллектуальном управлении сложными техническими объектами на методологической основе «мягких вычислений». Так, экспериментальные варианты гиперзвуковых истребителей Х-29 фирмы Grumman Aircraft Corporation с крылом обратной стреловидности, Х-31 фирмы Rockwell International, беспилотного самолета Х-36 корпорации McDonnel Douglas (США), а также серийно выпускаемые отечественные истребители СУ-27, СУ-30, СУ-34, СУ-35, СУ-37 никогда не смогли бы держаться в воздухе без помощи САУ полетом. Явным мировым лидером в разработке интеллектуальных систем на базе нечеткой логики (Fuzzy Logic) является Япония. В 1983 г. фирмой «Фуджи Электрик» запущена система управления установки для обработки питьевой водыв 1987 г. фирмой «Хитачи» — система управления метро в г. Сэндай. Компонентами нечеткой логики снабжены такие товары культурно-бытового назначения, как фотоаппараты, видеокамеры, стиральные машины, холодильники, пылесосы, микроволновые печи и многие другие. Таким образом, Artificial Intelligence технология превратилась в Японии в одну из ключевых, позволяющую японским товарам доминировать на мировых рынках.

Международный НИИ «LIFE — Laboratory for International Fuzzy Engineering Research» (Япония), «Berkley Initiative in Soft Computing» (США), ELITE — «European Laboratory for Intelligent Techniques Engineering» (Общеевропейский центр), 3000 исследователей в Индии, 5000 — в Китае — вот далеко не полный перечень организационных и интеллектуальных ресурсов, разрабатывающих это перспективное направление научно-технического прогресса. К сожалению, публикаций в Российских изданиях о конверсионных технологиях по применению систем искусственного интеллекта в промышленности очень мало. Хочется верить, что одним из первых «мирных» приложений САУ станет уникальная по своей протяженности и оснащенности система трубопроводов России.

Как показано в гл. 1, в настоящее время объекты магистрального транспорта нефти эксплуатируются в непроектных режимах (недогрузка, неравномерность поставок нефти и пр.). Оборудование как насосных станций и резервуарных парков, так и линейной части магистральных трубопроводов имеет существенный износ, что ограничивает возможности оперативного маневра поставками нефти. Реологические характеристики различных партий нефтей определяются не только (и не столько) их генезисом, сколько предварительной ее переработкой минизаводами на промыслах и смешением в соответствии со стандартом бренда «Ural» на ССН «Самара». Представление элементов трубопроводных систем адаптивными моделями, основанными на нечетких множествах и нейросетевом подходе, позволяют синтезировать глобальную модель сколь угодно сложной технологической системы. И хотя, по «принципу несовместимости» Л. А. Заде (Берклиевский университет, США), «Для систем, сложность которых превосходит пороговый уровень, точность и практический смысл становятся почти исключающими друг друга характеристиками» [319], предполагается некоторое снижение точности модельных оценок, существующие методики тепло-гидравлического расчета нефтепроводов имеют не меньшую погрешность расчетов: 10% (для установившегося движения ньютоновских жидкостей) и до 25−100% (при эксплуатации «горячих» трубопроводов в нестационарных режимах). Эти методики были разработаны совместно специалистами ВНИИСПТнефть (ИПТЭР) и Уфимского нефтяного института (УГНТУ) более 15−20 лет назад на уровне требований и возможностей того времени, в иных экономических условиях эксплуатации трубопроводных систем.

Новейшие САУ, основанные на нечётком управлении, впервые были реализованы в промышленности в начале 80-х годов прошлого века Мамдани сотрудником Лондонского университета в Дании для управления обжиговой печью [180]. В Японии практические исследования начались с 1985 г. и в настоящее время известно немало примеров практического применения. Метод нечёткого управления с прогнозированием показал возможности Soft Computing в системе автовождения поездов метрополитена в г. Сэндай (Япония, 1987 г.) [180]. В соответствии с этим методом в САУ осуществляется хорошо сбалансированная оценка многочисленных целей управления. С помощью моделирования осуществляется прогнозирование поведения системы и в реальном масштабе времени формируются команды управления, так чтобы система оказалась в благоприятном для пользователя состоянии. При практическом применении этого метода контроллеры, установленные на НПС, время от времени в процессе перекачки оценивают отклонение реальных параметров от модельных (производственной программы) и формируют команды управления для обеспечения заданного технологического режима перекачки. Исходные цели управления МНП учитываются моделированием системы трубопроводов при составлении этой программы.

Структурная схема системы автоматического управления промысловых и магистральных сетей трубопроводов, отвечающая принципам построения интеллектуальных систем управления [35], представлена на рисунке 6.11.

Блок программ экологического мониторинга Щ атрибутивной информации.

Az.

Подсистема генерации целевой функции.

Подсистема технологических расчётов сЗ.

Картографическая БД И гис.

EZ2.

XZ.

Система функциональной диагностики.

1Z.

Система синтеза производственной программы.

Д.

Подсистема объяснений.

К=П1.

ООО.

Датчики.

База Знаний.

Подсистема накопления знаний.

Рисунок 6.11 — Структура САУ магистрального транспорта нефти и нефтепродуктов.

САУ как часть информационно-аналитической системы магистрального транспорта нефти и нефтепродуктов, отвечающая за оперативное управление, включает следующие блоки:

1) геоинформационная система (ГИС) с трехмерными моделями протяженных объектов (трубопроводов, коллекторов, амбаров, естественных и искусственных водных объектов и пр.), базой данных объектов транспортной системы, атрибутивно связанных с каждым конкретным элементом, картографической базой — основа построения HMI, т. е. интерфейса, ориентированного на пользователя;

2) блок программ экологического мониторинга для ранжирования участков транспортной системы по экологической опасности разливов и моделирования последствий аварийных ситуаций. Кроме того блок содержит архив планов ликвидаций последствий аварий и планов действий во время ЧС;

3) база знаний (БЗ) содержит сведения о специфике работы каждого объекта, свод правил управления каждым элементом по отдельности и всей транспортной системой в целомподсистему логических выводов, работающую на принципах нечеткой логики. Кроме того база знаний отлеживает тренды изменений эксплуатационных параметров МНП и имеет архив технологических приёмов превентивных мер для ликвидации осложнений режимов перекачки. БЗ — основной элемент, делающий систему управления интеллектуальной;

4) подсистема технологических расчетов эксплуатационных участков трубопроводов и силовых агрегатов. Ядром расчетных процедур целесообразно сделать адаптивные алгоритмы, где это возможно, апробированные и хорошо зарекомендовавшие себя в современных исследованиях;

5) система функциональной диагностики отклонений технологических режимов является центральным звеном интеллектуальной системы управления, включает в себя проверку информации базы данных (ГИС БД) логическими алгоритмами и решением обратных задач тепло-гидравлических расчетов. Система позволяет не только идентифицировать причины осложнений режимов перекачки, но и подобрать параметры адаптационных моделей подсистемы технологических расчетов с учетом меняющихся условий эксплуатации;

6) система синтеза производственной программы транспортной сети, реализованная на гибридных генетических алгоритмах поиска оптимальных решений. Многостадийный синтез расписаний по методу комбинированных эвристик позволяет предложить оптимальный график загрузки сети с учетом всех ее возможностей (резервуаров, газгольдеров, ветвлений трубопроводов, резервов силового оборудования и пр.). Критериев оптимальности эффективности), меняющихся в различные периоды эксплуатации, может быть несколько. Для их последовательного анализа генерируются различные целевые функции (меры эффективности);

7) подсистема генерации целевых функций включает алгоритмы построения функций пригодности (fitness functon) с учетом данных ГИС БД и адаптационных моделей Подсистемы технологических расчетов. Критерием эффективности могут служить: минимум затрат энергии на выполнение транспортной работы, отнесенной к единице грузооборота транспортируемой жидкости (тн-км), минимум потерь качества при последовательной перекачке различных продуктов, отслеживание элитной партии продукта и др;

8) подсистема объяснений дает исчерпывающие ответы на вопросы: «почему» пользователь должен принять рекомендуемые системой решения, «как» получено это решение, на основании «какой» информации и «каких» правил вывода. Иными словами, подсистема объяснений делает САУ «прозрачной» и управляемой.

В настоящее время весьма бурно развивается аппаратное и программное обеспечение для расширения функциональных и аналитических возможностей программных комплексов ГИС, что позволяет надеяться на внедрение разработанного на их основе эффективного человеко-машинного интерфейса HMI, ориентированного на диспетчера, что позволит, сократив процедурные ошибки и сведя к нулю ошибки операторов, значительно повысить эффективность и безопасность эксплуатации магистральных трубопроводов.

Предложенная в данной работе методология построения системы функциональной диагностики магистральных нефтепроводов — шаг в этом направлении.