semenova

навигация

главная
статьи
    трубопроводы
    базы данных
    образование
гостевая
ссылки


КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ: ОБЗОР
И.И. Семенова
УДК 681.3.06:621.643 Омский Государственный Технический Университет


Тренажер (от англ. train – тренировать, обучать) – учебно-тренировочное устройство для выработки навыков и совершенствования техники управления машиной, механизмом. Применяют при подготовке летчиков и космонавтов, при обучении машинописи, автовождению и т.д. (Советский энциклопедический словарь/ под ред. Прохорова А.М.—М.: Советская энциклопедия, 1986.— С. 1353).

С бурным развитием компьютерных технологий появилась возможность имитировать сложные технологические комплексы для подготовки и повышения квалификации специалистов в различных областях хозяйственной деятельности.

Нефтегазовая отрасль отличается сложными технологическими процессами, аварии на которых приводят к значительным экономическим и экологическим потерям. Использование тренажерных комплексов в данной отрасли позволяет повысить профессиональный уровень работников отрасли, дать необходимый практический опыт, не прибегая к экспериментам на реальных объектах.

За рубежом широкое распространение получили тренажерные системы на платформе STADA (supervisory control and data acquisition).

Широкое применение они получили в нефтегазовой отрасли: управление процессами нефтепереработки компании Air Products and Chemicals Inc., управление газораспределительной системой компании Commonwealth Energy Systems, управление объединенной газотранспортной системой, включающей сети пяти европейских стран и др. [1].

Структура системы STADA, как правило, имеет три уровня: уровень предприятий, средний уровень и уровень установки [2].

Уровень предприятия - прогнозы и планирование производства; общий контроль стратегии системы; супервизорный контроль и мониторинг всей системы; обработка данных для административной информационной системы.

Средний уровень - планирование, процесс оптимизации с учетом ряда требований с верхнего уровня; определение функций и набора узлов для отдельных контроллеров; супервизорный контроль и мониторинг процесса. Типичным примером здесь может служить управление работой компрессорных станций, станций подземного хранения газа и т.д.

Уровень установки - непосредственное цифровое управление, контроль экстремальных значений (выбросов) параметров; простейшие расчета.

Системы семейства ориентированы на управление нефтегазовыми предприятиями и объединениями, где контроль состояния магистральных трубопроводов является лишь частью системы, которая в целом разработана для диспетчерского управления.

На сегодня зарубежом существует несколько современных тренажерных платформ, разработанных и поддерживаемых основными мировыми производителями компьютерных тренажерных комплексов (КТК) (ABB Simeon, Inc., Honcywell SCADA, Inc., CAE Link, Inc. и ряд других).

Созданием тренажерных систем диспетчерского управления занимаются и российские специалисты. В частности, свои научные работы посвятили данной теме Григорьев Л.И. и Митичкин С.К. Ими разработана теория для диспетчерских тренажеров по транспорту газа, методика построения диспетчерских автоматизированных тренажеров, а также разработан комплекс математического, информационного и программного обеспечения для тренажера диспетчера по решению задач оперативного управления газотранспортной системой [3,4].

Тренажерные программы также разрабатываются специалистами ООО "Энергоавтоматика". Ими разработан тренажер оператора магистрального продуктопровода, который имитирует функционирование всего продуктопровода, системы измерения, обработки и передачи информации. Математический модуль тренажера моделирует функционирование продуктопровода, системы измерения и датчиков, алгоритмы обработки информации в контроллерах нижнего уровня, процесс передачи данных по каналам связи и функционирование базы данных верхнего уровня. Этот тренажер функционирует совместно с системой управления на базе MicroSTADA германской фирмы ABB.

В Калининграде существует "Отраслевой научно-тренажерный центр". Центром разработаны АСУ и тренажеры-имитаторы по бурению, добыче газа, транспорту, переработке газа и газового конденсата, нефтегазопереработке, распределению газа. По транспорту газа создано более тридцати АСУ и тренажеров-имитаторов, одной из которых является АСУ "Эксплуатация линейной части магистрального трубопровода".

В [8] авторы приводят историю становления тренажерных систем для нефтехимии и нефтепереработки:

    1. тренажеры на базе аналоговых и больших цифровых вычислительных машин (60-70-е годы);
    2. тренажеры на базе мощных цифровых компьютеров, использование появившихся рабочих станций, первых персональных компьютеров (70-80-е годы);
    3. тренажеры на базе мощных персональных компьютеров (ПК), использование вычислительных сетей, новых средств управления технологическими процессами (80-90-е годы).

В своих первых тренажерных проектах (1992-1994 гг.) "Петроком" использовал русифицированный вариант платформы своего партнера - американской фирмы Atlantic Simulation, Inc., разработавшей первый КТК для нефтяной отрасли на базе ПК [8].

В течение 1992...1994 гг. "Петроком" выполнил четыре разработки на базе описанной платформы: на нефтезаводах в Омске, Москве, Ангарске и на Нефтехимическом комбинате в Нижнекамске, причем на первых трех площадках с небольшими вариациями комплектовался учебный класс из 3...4 КТК и 10...12 тренажерных моделей (базовые процессы: теплообменники, сепараторы, смесители, простые компрессоры, насосы и клапаны, бойлеры; бинарная дистилляция; печь-нагреватель; типовые установки: каталитический крекинг, атмосферное и вакуумное разделения нефти, замедленное коксование, центробежный компрессор). На Ннжнекамском НХК тренажер центробежного компрессора установлен непосредственно в компрессорном отделении производства этилена [8].

Следующий этап тренажерной деятельности "Петрокома" (1993—1995 гг.) состоял в собственной разработке и внедрении специализированных моделей технологических установок на базе тренажерной MS-DOS платформы. Были выполнены и введены в практику обучения три такие модели: атмосферный блок установки первичной переработки нефти для Омского НПЗ и установок каталитического риформинга и газофракционирования для Ангарской НХК.

В 1994…1996 гг. значительные усилия "Петрокома" были приложены к разработке собственной современной тренажерной платформы. Новая платформа (сертифицированная под названием КТК-М -многофункциональный КТК) реализована на мощных IBM PC-совместимых ПК класса "Pentium" под многозадачной операционной системой Windows NT с сетевой архитектурой клиент - сервер. Платформа предусматривает возможность связи с РСУ и высокоточное эмулирование операторских интерфейсов. Оптимальный объем оперативной памяти 24 Мбайта, дисковой - 100 Мбайт. Возможно объединение в сеть станции инструктора и нескольких станций оператора, работающих одновременно с разными тренажерными моделями. Программное обеспечение КТК-М выполнено на языке C++.

В новой тренажерной платформе существенно расширены вычислительные возможности: модель, содержащая 2000...3000 дифференциальных и 1000 алгебраических уравнений, разрешается со скоростью до 10 раз в секунду. Эти параметры позволяют моделировать крупные технологические объекты типа установки АВТ (блоки обессоливания, атмосферный и вакуумный, блок вторичной перегонки, энергетические утилиты) или установки каталитического риформинга с непрерывно восстанавливаемым катализатором (каталитические реакторы, печи, транспорт катализатора) [8].

За 1996…1998 годы "Петроком" осуществил два больших проекта на базе КТК-М: тренажер для операторов производства ароматики Омского НПЗ и тренажер операторов установки синтеза полиэтилена высокого давления (ПЭВД) Ангарской НХК (совместно с НПО "ЦНИИКА"), Первый проект охватывает три большие модели: установки фракционирования ксилолов, выделения параксилола (ПАРЕКС) и экстракции ароматики сульфоланом [8].

В ОАО "ГИПРОтрубопровод" используется программная продукция по прогнозу ресурса трубопроводов, в основе которой лежат аналитические разработки по оценке надежности транспорта нефти и газа, созданные специалистами ОАО "ГИПРОтрубопровод", РАО "Газпром", ВНИИСПТнефть. В качестве исходных данных используются результаты экспериментальных исследований (в ходе дефектоскопии и при осмотрах) образцов металла, реально работавших на трубопроводе. На основе моделей развития дефектов под воздействием нагрузок и прогноза будущих объемов транспорта рассчитываются зависимости ресурсов до отказа всех сортов и типоразмеров сталей труб от амплитуды изменений рабочего давления [5]. Модель, которая лежит в основе системы, и информация по точности надежностного расчета с помощью рассмотренной программы в работе не приводятся.

Решению задач прогнозирования технического состояния трубопроводов посвящена часть работы К.В. Черняева. Автор ориентируется на совершенствование методов внутритрубной диагностики с последующим анализом данных для выборочного капремонта и на создание мониторинговой системы.

В рамках системы создаются базы данных: "дефект", "характеристики материалов", "условия нагружения", "условия окружающей среды", "характеристики перекачиваемого продукта", "условия прокладки" и "защищенность трубопровода", - которые накапливают данные по трубопроводам.

Мониторинговая система включает следующие программные модули:

    1. расчет напряженно - деформированного состояния трубопровода в зоне дефекта;
    2. расчет прочности дефектосодержащих секций трубопровода;
    3. прогноз остаточного ресурса трубопровода с дефектами;
    4. оценка прочности;
    5. исследование и анализ развития дефектов;
    6. рекомендации по эксплуатации трубопровода с дефектами [6].
Мониторингу трубопроводных конструкций посвящена также работа Дворянчикова Н.В. Он предлагает структуру прочностного мониторинга трубопроводных конструкций, подвергающихся совместному воздействию нагрузок, температур и коррозийных рабочих сред. Основой данной системы является работа с банками данных, в которых накапливается и систематизируется следующая информация:
    1. банк моделей деформирования используемых материалов;
    2. банк моделей коррозийного разрушения используемых материалов;
    3. банк моделей деформирования различных участков трубопровода с характерными дефектами различного вида;
    4. банк программ расчета трубопроводных конструкций;
    5. банк механических свойств используемых материалов;
    6. банк механических и коррозийных свойств встречающихся грунтов;
    7. банк геометрических параметров трубопроводной конструкции;
    8. банк данных с результатами оценки остаточного ресурса с указанием исходных данных;
    9. банк данных по результатам внутритрубной диагностики [7].

При прочностном расчете трубопровода с дефектами используются модели из банка данных, которые наиболее точно подходят в данном случае.
Предприятием "Диаскан" разработан программно-методический комплекс расчета конкретного участка магистрального нефтепровода на прочность и остаточный ресурс [9]. Исходными данными для программы являются:

    1. геометрия дефектов по результатам внутритрубной диагностики; раскладка труб на рассматриваемом участке;
    2. данные по нагружению (действующие);
    3. максимальное рабочее давление;
    4. данные по материалу труб;
    5. данные по строительству; желательны данные по пространственному положению.

В МЭИ разработан программный комплекс на основе методики, представленной в статье Мурзаханова Г.Х. По словам автора, данная разработка позволяет определять долговечность трубопровода с учетом накапливаемых повреждений, а также с учетом циклического характера нагружения. Для достоверной оценки долговечности трубопровода необходимы данные натурных осмотров и исследования труб, проводимые при различных повреждениях, контролях и других обстоятельствах на действующих трубопроводах [10].

В работе [11] использована в качестве инструмента расчета программа оценки напряженно-деформированного состояния в зоне дефекта. Результатом стала цветовая диаграмма распределения уровня напряжений по поверхности искривленного участка с дефектом, а также графики распределения продольных, кольцевых и эквивалентных напряжений в сечении по оболочке исследуемого участка трубы. Исходными данными для расчета является информация о дефекте, типе материала трубы, радиусе скривления.

В институте проблем транспорта энергоресурсов (ИПТЭР - бывший ВНИИСПТнефть) разработаны программы, позволяющие рассчитывать прочность, ресурс и надежность элементов трубопроводов. По словам авторов, программы дают возможность промоделировать рациональные параметры, испытательное давление, проанализировать разрушения [12]. Но информации о математическом аппарате, положенном в основу разработок, не приводится.

Необходимость разработки и внедрения в нефтегазовой отрасли очевидна. Несмотря на все трудности технического и экономического характера, все более современные тренажерные системы появляются на отечественных предприятиях.

Тренажерные комплексы, предназначенные для определения остаточного ресурса магистральных нефтегазопроводов, для определения долговечности трубопровода в различных режимах эксплуатации помогут специалистам по управлению транспортировкой нефти и газа научиться выбирать оптимальный режим, который позволит максимально продлить срок службы трубопроводов, а следовательно будет создан столь ценный запас времени для проведения работ по профилактическому ремонту и замене «старых» участков.


Заключение

    1. тенденции развития КТК в нефтегазовой отрасли в ближайшие десятилетия
      1. Развитие КТК будет опираться на использование современных мультимедийных технологий
      2. Высокое быстродействие машин позволяет использовать в качестве основы КТК сложнейшие математические модели (более точные математические расчтные модели, использование которых ограничивалось скоростью обработки вычислительных операций процессором)
      3. Глобализация и внедрение в сети Интернет (в качестве средств дистанционного обучения)
      4. Цены на разработку тренажеров на базе имуляции оборудования в ПК …
    2. формулировка проблем, которые необходимо решить для устранения существующих недостатков

Например:

Эффективность направления развития КТК определяется адекватностью использования моделей, суть которых не опубликована (???). Отсутствуют также надежные экспериментальные данные, позволяющие судить о «качестве» используемых моделей. Необходимо в ближайшее время снять этот вопрос.

Эффективность обучения на тренажерах, судя по приведенным данным не оценена (нет цифр по ускорению процесса обучения, повышению его качества и т.д.). Видимо, этот этап еще не освоен столь глубоко. Отсюда задача – разработка обучающих комплексов - вот вот стадия сегодняшнего дня.


ЛИТЕРАТУРА

  1. Кортс С.А., Уоллес Дж.Ч. Газопроводная информационно - управляющая система, объединяющая центры диспетчерского персонала// Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1991. № 5.
  2. Хейвуд К.Г. Прошлое, настоящее и будущее систем централизованного контроля в трубопроводном транспорте// Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1987. № 9.
  3. Григорьев Л.И. Автоматизация процессов обучения и принятия решений в диспетчерском управлении транспортом газа: дисс. на соискание ученой степени д.т.н., М.: 1997.— 217 с.
  4. Митичкин С.К. Разработка имитационной обучающей модели для решения задач оперативно-диспетчерского управления в АСУ транспортом газа: автореферат на соискание уч. степ. к.т.н., М.:1990.— 19 с.
  5. Курочкин В.В. Прогнозирование капитального ремонта трубопровода на основе его ресурса// Транспорт и хранение нефтепродуктов. 1999. № 4. — С. 5-8.
  6. Черняев К.В. Разработка системы предупреждения отказов и продления срока службы магистральных нефтепроводов России: дисс. на соискание уч. степ. д.т.н., М.: 1998.— 348 с.
  7. Дворянчиков Н.В. Прочностный мониторинг трубопроводных конструкций: автореферат на соискание уч. степ. к.т.н., Волгоград: 1997.— 18 с.
  8. Дозорцев В.М., Шестаков Н.В. Компьютерные тренажеры для нефтехимии и нефтепереработки: опыт внедрения на российском рынке// Приборы и системы управления.—1998.—№1.—С.27-32.
  9. Черняев К.В. Оценка прочности и остаточного ресурса магистрального нефтепровода с дефектами, обнаруживаемыми инеспекционными снарядами// Трубопроводный транспорт нефти. 1995. № 2.— С. 8-12.
  10. Мурзаханов Г.Х. Прогнозирование индивидуального остаточного ресурса магистральных трубопроводов// Строительство трубопроводов. 1994. № 5.— С.31-35.
  11. Расчет прочности криволинейных трубопроводов с эрозийными дефектами// Газовая промышленность. 1999. № 2.— С. 31-33.
  12. Нефтяное хозяйство. 1992. № 8.— С. 36-37.

COMPUTER SIMULATORS IN OIL AND GAS BRANCH: THE REVIEW
Semenova I.I. Omsk State Technical University


Copyright © 2006 design: vasin anton