Статья посвящена эффективному управлению транспортом газа по многониточным магистральным газопроводам средствами имеющихся в эксплуатации программно-аппаратных комплексов.
Газотранспортная система (ГТС) России крупнейшая в мире. История её создания насчитывает десятилетия тяжелейшей работы по освоению труднодоступных районов, где находятся богатейшие запасы природного газа нашей страны. За годы эксплуатации происходит естественное старение трубопроводов, что накладывает ограничения по давлению газа в многониточных магистральных газопроводах (ММГ) и на режимы работы перекачивающих компрессорных станций.
Учет реальных возможностей газотранспортной системы при формировании управления является самой важной задачей обеспечения эффективности транспортировки газа. Второй по сложности задачей управления транспортом газа является обнаружение аварийной ситуации, минимизация потерь газа в случае ее возникновения и быстрая локализация аварийных ситуаций в ГТС.
Для дистанционного контроля параметров транспорта газа и для управления газовыми потоками на контролируемом участке применяют системы автоматики на компрессорной станции и системы телемеханики на линейной части магистральных газопроводов (МГ). Однако, неверные действия диспетчера при управлении МГ могут привести к значительным финансовым потерям, экологическим катастрофам и человеческим жертвам даже в нормальных условиях транспортировки. Особенно критичным человеческий фактор становится в условиях возникшей аварийной ситуации, в которой на диспетчера действуют психологическая и временная составляющие, что подтверждается при анализе ситуаций, описанных в [1], [2], [3].
ПОНС
В июле 2021г. филиалом РФЯЦ-ВНИИЭФ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова» и ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» в соответствии с «Дорожной картой по взаимодействию ПАО «Газпром» с промышленным комплексом Нижегородской области» была проведена опытная эксплуатация и приемочные испытания подсистемы обнаружения нештатных событий (ПОНС) для унифицированного комплекса телемеханики (УНК ТМ) в Моркинском ЛПУ МГ.
К ПОНС были выдвинуты требования по обеспечению обнаружения:
- несанкционированной перестановки линейных кранов и перемычек;
- утечки газа или разрыва газопровода.
В ходе приемочных испытаний были подтверждены все заявленные характеристики ПОНС и получены существенно лучшие результаты по сравнению с расчетными в части определения места утечки:
- погрешность определения мест утечки газа не более 0,3 км;
- минимальный размер выявляемого перепада давления составил 0,06 кгс/см2;
- за время опытной эксплуатации «ложных» сообщений ПОНС не зафиксировано;
- зона чувствительности ПОНС от места имитации «разрыва» ММГ до контролируемого пункта (КП) телемеханики при стравливании газа через свечной кран Ду200 мм составила не менее 24 км, а при стравливании газа через свечной кран Ду300 мм составила более 25 км (рисунок 1).
Разработанное программное обеспечение ПОНС УНК ТМ в процессе комплекса испытаний подтвердило заявленные при разработке технические характеристики.
Разработанные методы, алгоритмы и ПО ПОНС позволили определять тип и место возникновения НС на ММГ с использованием штатных технических средств системы телемеханики.
Была доказана возможность определения НС без применения дополнительного аппаратного обеспечения.
По результатам опытной эксплуатации и приемочных испытаний ПОНС в Моркинском ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» комиссия решила:
- рекомендовать ввести ПОНС УНК ТМ Моркинского ЛПУ МГ в промышленную эксплуатацию;
- рекомендовать применение ПОНС УНК ТМ на объектах телемеханики ПАО «Газпром».
Рассмотрим, какие предшествующие разработки филиала РФЯЦ-ВНИИЭФ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова позволили создать ПОНС и какие вопросы при этом были решены.
Телемеханика
Одним из основных элементов автоматизации газотранспортной системы является система линейной телемеханики. Применение систем телемеханики на линейной части ММГ решает целый ряд важных задач:
- повышение надежности газоснабжения потребителей, путем постоянного контроля технологического процесса транспорта газа;
- оптимизация и снижение затрат на транспортировку путем оперативности дистанционного управления потоками газа по МГ;
- оперативное обнаружение нештатных ситуаций типа утечки газа или разрыва МГ;
- дистанционная локализация нештатных ситуаций, позволяющая существенно снизить экономические и экологические последствия.
В 1997г. «НИИИС им. Ю.Е. Седакова» разработал и ввел в эксплуатацию комплекс телемеханики УНК ТМ, в настоящее время эксплуатирующийся в более чем 35 ЛПУ ПАО «Газпром». Комплекс отличается тем, что всё базовое программное обеспечение (ПО) пункта управления (ПУ) и КП, а также протокол обмена были разработаны специалистами филиала РФЯЦ-ВНИИЭФ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова», что позволило в дальнейшем проводить модернизацию и включать дополнительные специализированные программные модули (в том числе и ПОНС) в ПО ПУ и ПО КП. Кроме того, особенности протокола обмена данными между ПУ и КП обеспечивали синхронизацию времени между контролерами КП и ПЭВМ ПУ с точностью до секунды, передачу экстренных сообщений вне зависимости от типа запроса ПУ и возможность включения в состав передаваемых данных новых типов сообщений ПОНС[4]. Структура ПО ПУ и КП УНК ТМ с модулями ПОНС приведена на рисунках 2,3.
Введенные в состав ПУ и КП модули ПОНС были разработаны с использованием методов и алгоритмов, изложенных в патенте «Способ обнаружения нештатной ситуации на многониточном магистральном газопроводе»[5].
Тренажер диспетчера
В процессе отладки ПО ПОНС в составе УНК ТМ возник вопрос со средствами имитации нештатных событий. Отладка ПОНС в составе комплекса телемеханики (эксплуатируемого на действующем газопроводе) с преднамеренным созданием нештатных событий невозможна, следовательно, потребовался лабораторный стенд, моделирующий полноценные данные ММГ.
В 2006г. в филиале РФЯЦ-ВНИИЭФ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова» была разработана оригинальная математическая модель для создания тренажера диспетчера, внедренная в эксплуатацию в 8 ЛПУ ООО «Газпром трансгаз Югорск» и ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» [1], [6] [7].
Математическая модель реального времени обеспечивает:
- моделирование линейной части (ЛЧ) и компрессорных цехов (КЦ);
- погрешность моделирования давления газа на трассе не более 2%;
- моделирование давления газа и состояния запорной арматуры с периодичность не реже 1 раза в секунду;
- возможность моделировать все типы нештатных событий в любом месте ЛЧ и КЦ;
- возможность передачи на «верхний уровень» смоделированной информации по протоколам типа Modbus.
На основе математической модели был разработан стенд ПОНС, позволивший без проведения натурных экспериментов провести полную отладку ПОНС (рисунок 4).
Концепция создания СППР
В 2010-2015г. в сотрудничестве с Владимирским ГУ были разработаны основные алгоритмы и методы локализации нештатных событий [8]. Таким образом, стала полностью реализуемой концепция системы поддержки принятия решений (СППР) диспетчера в нештатных ситуациях. Логическая схема взаимодействия составных частей СППР стала полностью замкнута (рисунок 5).
Система телемеханики непрерывно подает данные в подсистемы математического моделирования (ММ) и ПОНС. ММ по заданной конфигурации линейного производственного управления (ЛПУ), данным телемеханики и данным ПОНС производит расчет состояния ММГ на контролируемом участке. В случае обнаружения нештатного события, ПОНС передает их тип и местонахождение в систему ММ, где формируются сценарии локализации и производится расчет состояния ММГ на контролируемом участке в зависимости от возможного сценария локализации. Далее, из всех возможных сценариев локализации, определяется наиболее оптимальный и формируется сообщение для диспетчера в виде алгоритма последовательности действий для анализа и принятия решений.
После проведения анализа диспетчер формирует команды управления для системы телемеханики. Математическая модель при необходимости производит изменение сценария локализации в зависимости от действий диспетчера и прогнозирует результаты локализации по сценарию диспетчера. Сценарии локализации могут динамически меняться в зависимости от состояния ММГ.
Выводы
Разработанные методы, алгоритмы и ПО ПОНС УНК ТМ позволили определять тип и место возникновения НС на ММГ с использованием только системы телемеханики, без применения дополнительного аппаратного обеспечения, и в процессе комплекса испытаний подтвердили и превысили заявленные при разработке технические характеристики.
ПО ПОНС может быть реализовано для других типов телемеханики ПАО «Газпром».
После проведения разработки ПОНС в филиале РФЯЦ-ВНИИЭФ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова» стали доступны все основные составляющие СППР:
- система телемеханики УНК ТМ, эксплуатирующаяся в ПАО «ГАЗПРОМ»;
- математическая модель реального времени для МГ и КС;
- подсистема обнаружения нештатных событий на ММГ.
Литература
1. Бухвалов И. Р. Методы и алгоритмы информационной поддержки управления газотранспортной системой: дис. канд. тех. наук: 05.13.06. –2007.
2. С.В. Евсеев. Проблема определения места утечки на многониточном магистральном газопроводе штатными средствами линейной телемеханики / Экспозиция Нефть Газ Выпуск 6(73) ноябрь 2019. – С. 70 – 72
3. С.В. Евсеев. Решение задач раннего обнаружения нештатных событий на линейной части многониточного магистрального газопровода средствами системы линейной телемеханики / Экспозиция Нефть Газ Выпуск 4(77) сентябрь 2020. – С. 74 – 76
4. И.Р. Бухвалов, С.В. Евсеев. Оптимизация передачи данных в системах телемеханики / // Труды конференции «Информационные системы и технологии» ИСТ–2018. – С. 681 – 685
5. Акимов Н.Н., Андриянычева С.Б., Анисимов А.И., Бухвалов И.Р., Евсеев С.В., Лотов В.Н. Способ обнаружения нештатной ситуации на многониточном магистральном газопроводе. Патент на изобретение № 2700491. 2019
6. Бухвалов И.Р., Кульпин С.И., Пимкин А.Г. Тренажер диспетчера линейно-производственного управления газотранспортного общества ОАО «Газпром» - М.:III Международная научно-техническая конференция DISCOM-2007. Доклады. Том II, с.6-16
7. Александров Д.В, Бухвалов И.Р., Гусев М.А, Кокорин А.В, Проскурина Г.В. Интеллектуальный комплекс для мониторинга процессов транспортировки газа и поддержки принятия решений диспетчера при возникновении нештатных ситуаций на магистральном газопроводе - М.:IV Международная научно-техническая конференция DISCOM-2009. Доклады , с.300-307
8. Методы и модели поддержки принятия решений в нештатных ситуациях при эксплуатации магистральных трубопроводных сетей /Под ред. Д.В. Александрова. –М.: Финансы и статистика, 2013, с.102.
