Интеграция модели нефтеперекачивающей станции в процесс подготовки кадров для нефтегазовой отрасли

Ключевые слова: нефтеперекачивающая станция, подготовка кадров, компьютерный тренажерный комплекс, математическое моделирование, цифровой двойник, оценка эффективности обучения, операторский персонал, нештатные ситуации.

Современный этап развития нефтегазовой отрасли характеризуется усложнением технологических процессов и повышением требований к надежности эксплуатации оборудования. Нефтеперекачивающие станции (НПС), являющиеся ключевыми элементами системы магистрального транспорта нефти, представляют собой сложные технологические комплексы, требующие от обслуживающего персонала высокого уровня профессиональных компетенций. По данным отраслевых источников, значительная доля инцидентов на трубопроводном транспорте происходит по причине ошибочных действий операторов, что делает подготовку кадров одной из приоритетных задач [1, 2].

Традиционные формы обучения – лекционные курсы, изучение технологических схем и инструкций, стажировки на рабочем месте – обладают рядом ограничений. Во-первых, они не позволяют моделировать аварийные ситуации, отработка действий в которых на реальном оборудовании либо невозможна, либо сопряжена с высокими рисками. Во-вторых, отсутствует возможность многократного повторения сложных операций для закрепления навыков. В-третьих, индивидуальная траектория обучения и объективная оценка компетенций затруднены.

Выходом из сложившейся ситуации является внедрение тренажерных технологий, основанных на математических моделях реальных технологических объектов.

Цель настоящей работы – обоснование концепции интеграции модели НПС в процесс подготовки кадров, анализ существующих решений и разработка рекомендаций по созданию эффективной системы обучения.

Тренажерные решения для нефтегазовой отрасли

Зарубежный опыт: OMEGALAND компании Yokogawa

Одним из наиболее ярких примеров внедрения тренажерных технологий в нефтегазовой отрасли является система OMEGALAND от Yokogawa – крупного мирового производителя контрольно-измерительного оборудования и систем управления [3, 4]. Данный компьютерный тренажерный комплекс (КТК) представляет собой интегрированную среду для динамического моделирования, позволяющую создавать цифровые двойники химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводов.

Ключевые особенности OMEGALAND:

• Высокоточное математическое моделирование. В основе тренажера лежит пакет Visual Modeler, обеспечивающий расчет энергетического и материального балансов с учетом законов сохранения массы и энергии. Интегрирована база данных физических свойств 1600 чистых компонентов.

• Идентичность рабочей среды. Тренажер сопрягается с реальными системами управления и противоаварийной защиты, что создает у оператора ощущение работы на реальном объекте.

• Развитый инструментарий инструктора. Набор инструктора позволяет создавать учебные сценарии, вносить неисправности в процесс обучения, контролировать и оценивать действия обучающихся, а также воспроизводить их для последующего разбора.

На сегодняшний день по всему миру внедрено более 200 проектов КТК OMEGALAND, что подтверждает эффективность данного подхода.

Отечественный опыт: Омский НПЗ и Пермский ПНИПУ

В России также активно развивается направление тренажеростроения для нефтегазовой отрасли. Так, на Омском НПЗ «Газпром нефти» действуют 30 компьютерных тренажерных комплексов для отработки навыков управления и контроля [5]. Программное обеспечение тренажеров повторяет производственные процессы будущих комплексов замедленного коксования и глубокой переработки нефти. Регулярные тренировки помогают довести до совершенства действия специалистов в плановом режиме и предотвратить возможные нештатные ситуации.

Особого внимания заслуживает разработка ученых ПНИПУ, которые создали тренажерный комплекс для обучения работе на установке первичной переработки нефти [6].

Отличительные особенности пермской разработки:

• объединение математической модели, распределенной системы управления и 3d-модели в единый комплекс;

• совместное обучение нескольких сотрудников;

• возможность использования VR-шлемов и контроллеров для повышения погружения в рабочую среду;

• создание собственного программного обеспечения для управления математической моделью с набором ключевых функций (старт, стоп, сохранение изменений).

Как отмечают разработчики, тренажер позволяет моделировать неисправности клапанов, насосов и другого оборудования, а затем отрабатывать их устранение в безопасной виртуальной среде.

Лабораторные стенды для обучения

Помимо компьютерных тренажеров, в образовательном процессе широко используются физические лабораторные стенды. Например, компания «Учтех-Профи» производит лабораторный стенд «Нефтеперекачивающая станция и резервуарный парк хранения нефти». Данная установка предназначена для изучения конструкции и принципа работы НПС, а также резервуарных парков. Стенд позволяет [7]:

• выполнять настройку работы системы в автоматическом и ручном режимах;

• отрабатывать аварийные ситуации (отказ насоса, резервуара, запорно-регулирующей арматуры);

• осуществлять мониторинг и управление технологическим процессом через специализированное ПО.

Сочетание компьютерных тренажеров и физических стендов создает целостную образовательную среду, в которой обучающийся сначала осваивает теорию и алгоритмы действий на виртуальной модели, а затем закрепляет навыки на реальном оборудовании в лабораторных условиях.

Тренажерный комплекс «АРМ оператора и диспетчера РДП» в РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина

Одним из наиболее удачных сочетаний компьютерного тренажера и физического лабораторного стенда является КТК «АРМ (автоматизированное рабочее место) оператора и диспетчера РДП (районно-диспетчерских пунктов)», производства ООО НПП «АТП», который внедрен в систему обучения будущих специалистов в нефтегазовой отрасли в РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина. Данный комплекс выполняет единовременно несколько задач с целью обучения специалиста. С точки зрения программного комплекса это:

• реализация цифрового двойника реального участка двух параллельно проложенных нефтепроводов из трех НПС с подробной детализацией каждой станции;

• возможность задавать режимы работы каждой НПС и всего оборудования;

• имитация нештатных ситуаций с вводом агрегатных и общестанционных защит с помощью передачи сигнала с АРМ преподавателя на АРМ ученика;

• расчет в реальном масштабе времени перекачки нефтепродукта на участке, определение гидравлического уклона и его изменение в связи со сменой режима работы НПС.

На рис. 1 представлен интерфейс программы в режиме управления НПС.

РИСУНОК 1. Интерфейс программы в режиме управления НПС

В то же время благодаря физическому лабораторному стенду, входящему в вышеописанный КТК, проходящий обучение наглядно наблюдает динамику технологических процессов НПС, выраженную в интерактивных макетах оборудования, соответствующей подсветке объектов и подвижных элементов. Сигнал с АРМ преподавателя на стенд и АРМ ученика передается посредством контроллера и подключения в локальную сеть, что позволяет лучше сопоставлять мнемосхемы компьютерного тренажера с реальными объектами и оборудованием НПС.

Ввиду наглядности технологических процессов, большого количества вариаций задач для оператора, относительной простоты в эксплуатации и гибкости настройки, данный КТК имеет большие перспективы в области подготовки кадров в нефтегазовой отрасли.

Программное обеспечение «Гидросистема» как основа для инженерной подготовки

Немаловажную роль в подготовке кадров в РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина играют расчетные программные комплексы, позволяющие будущим инженерам понять физику гидравлических процессов. Одним из таких эффективных инструментов, применяемых в организациях и отраслевых университетах, является программа «Гидросистема» (разработчик – ООО «НТП Трубопровод») [8, 9].

В отличие от узкоспециализированных тренажеров оператора, «Гидросистема» представляет собой мощную среду для гидравлического и теплового расчета трубопроводных систем произвольной конфигурации. С ее помощью можно моделировать как стационарные, так и переходные режимы, а также гидроудары, что крайне важно для понимания работы нефтеперекачивающих станций (НПС).

Функциональные возможности «Гидросистемы» как учебной платформы:

Современные версии программного комплекса (4.x и выше) обладают широким спектром функций для подготовки кадров нефтегазовой отрасли.

• Программа позволяет выполнять гидравлические расчеты не только однофазных (нефть, вода, газ), но и двухфазных газожидкостных смесей, а также течений с твердой фазой (суспензии, пульпы, шламы). Для двухфазных потоков доступно автоматическое построение диаграмм режимов течения (пробковое, кольцевое, дисперсное).

• Главная особенность программы – моделирование гидравлического удара и других нестационарных процессов. Есть функция наблюдения в динамике распространения волн давления при внезапном закрытии задвижки или остановке насосного агрегата, расчета несбалансированных усилий, возникающих в трубопроводе, и экспорта данных в программы прочностного анализа (например, СТАРТ-Проф, CEASAR II) для оценки риска разрушения оборудования. Это незаменимый инструмент для изучения темы «Аварийные режимы и противоаварийная защита».

• Программа поддерживает два типа расчетов: поверочный (определение фактических параметров системы: расходов, давлений, температур при заданной конфигурации) и проектный (автоматический подбор оптимальных диаметров труб и другого оборудования для обеспечения заданных параметров с минимизацией стоимости). Это позволяет ставить задачи как аналитического (исследование существующей НПС), так и конструкторского (проектирование новой станции) характера.

• «Гидросистема» обеспечивает совместный тепловой и гидравлический расчет трубопроводов, включая подземные и подводные участки. Это дает возможность учитывать изменение вязкости нефти от температуры, что критически важно для моделирования работы НПС в различных климатических условиях и при перекачке высоковязких и парафинистых нефтей.

Если тренажерный комплекс «АРМ оператора и диспетчера РДП» позволяет отработать конкретные навыки, необходимые для работы при внештатных ситуациях, то расчеты в ПО «Гидросистема» помогают понять, почему происходят данные аварии.

Таким образом, интеграция программы «Гидросистема» в образовательный процесс позволит сформировать у обучающегося системное инженерное мышление, что обеспечит подготовку высококвалифицированных специалистов, способных к оптимизации технологических процессов.

Структурная схема нефтеперекачивающей станции как объекта моделирования

Для создания адекватной математической модели НПС, интегрируемой в учебный процесс, необходимо понимание структурной схемы и состава оборудования станции.

В состав типовой НПС, как правило, входят следующие основные элементы [6, 7]:

• узлы подключения станции (УПС) – обеспечивают подключение станции к линейной части магистрального трубопровода, оснащаются камерами приема/пуска очистных устройств;

• фильтры-грязеуловители (ФГУ) – для очистки нефти от механических примесей;

• подпорная насосная станция (ПНА) – создает подпор на входе магистральных насосов;

• магистральная насосная станция (МНА) – основные насосные агрегаты (обычно центробежные насосы) для перекачки нефти;

• резервуарный парк (РП) – емкости для хранения нефти (на головных НПС и некоторых промежуточных);

• станция измерения количества нефти (СИКН) – учет объема перекачиваемой продукции;

• система автоматического управления и противоаварийной защиты.

Математическая модель НПС должна описывать гидравлические процессы, происходящие в системе, включая зависимость напора насосов от расхода, потери напора в трубопроводах и арматуре, а также поведение системы при изменении режимов работы. Модель может базироваться на фундаментальных уравнениях гидравлики: уравнении Бернулли, уравнении неразрывности потока, характеристиках центробежных насосов. Расчет потерь напора в трубопроводной системе может выполняться с использованием формулы Дарси-Вейсбаха с определением коэффициента гидравлического трения в зависимости от режима течения (ламинарный или турбулентный) и шероховатости труб.

Модель также должна учитывать динамику включения/отключения насосных агрегатов, срабатывание предохранительных клапанов, изменение вязкости нефти от температуры и другие факторы, влияющие на режим перекачки. Для целей обучения в модель закладываются не только штатные, но и аварийные режимы: отказ насоса, задвижки, разрыв трубопровода, что позволяет имитировать широкий спектр ситуаций, требующих вмешательства оператора.

Концепция интеграции модели НПС в образовательный процесс

Исходя из анализа существующих решений и специфики НПС как объекта моделирования, может быть предложена архитектура интегрированной системы обучения.

Компоненты интегрированной системы

• Математическая модель НПС

«Сердце» всей системы, отвечающее за адекватное воспроизведение технологических процессов. Должна обеспечивать расчет в реальном времени параметров: давление, расход, температура, частота вращения насосов, положение задвижек. Модель должна иметь архитектуру, позволяющую добавлять новые типы оборудования и изменять конфигурацию станции.

• Модуль имитационного моделирования

Отвечает за визуализацию процессов, происходящих в технологической схеме. Требования: наглядное представление (мнемосхемы, 3D-модели, VR-погружение), кроссплатформенность, возможность кастомизации под конкретную станцию.

• Модуль оценки компетенций

Должен включать как автоматическую регистрацию действий обучающегося с их последующим анализом, так и инструментарий инструктора (оценка по критериям, отслеживание времени реакции на возникновение неисправности, правильности выполнения алгоритмов) [10].

• База знаний/справочная система

Интегрированная база данных с технологическими регламентами, схемами, инструкциями по эксплуатации и правилами безопасности.

Этапы внедрения в образовательный процесс

Интеграция модели НПС в подготовку кадров предлагается по следующей схеме:

• Этап теоретической подготовки

Изучение устройства НПС, назначения оборудования, физических принципов перекачки жидкости. Модель на этом этапе может быть использована в демонстрационном режиме как наглядное пособие. Изучение устройства НПС, назначения оборудования, физических принципов перекачки жидкости.

• Этап отработки штатных режимов

На тренажере обучающийся осваивает процедуры пуска, остановки НПС, переключения режимов (изменение числа работающих насосов, переключение с резервуарного парка на прямую перекачку). Формируются навыки поддержания технологических параметров в заданных пределах.

• Этап отработки действий в аварийных и нештатных ситуациях

Моделируются следующие сценарии: отказ основного насоса (автоматический пуск резервного), засор фильтра-грязеуловителя, падение давления в напорном трубопроводе (целостность «нитки»), ложное срабатывание защиты, пожар на площадке. Обучающийся должен корректно идентифицировать проблему и выполнить алгоритм локализации/ликвидации аварии.

• Этап комплексного (командного) тренинга

Одновременная работа оператора щита управления и «полевого» специалиста, взаимодействующих через систему радиосвязи. Такой формат, предусмотренный, в частности, в разработках Yokogawa и ПНИПУ, максимально приближает обучение к реальным условиям эксплуатации.

Регулярность тренировок поддерживает профессиональные навыки операторов на требуемом уровне. Как правило, используется периодичность 2–3 раза в год, а при подготовке к работе на новом оборудовании – в сокращенные сроки до начала эксплуатации.

Оценка эффективности интеграции модели НПС в подготовку кадров

Для количественной оценки результативности внедрения тренажерных технологий наиболее адекватной представляется модель, которая включает четыре уровня оценки [11].

ТАБЛИЦА 1. Оценка эффективности внедрения тренажерных технологий

В качестве целевых метрик на производстве могут использоваться: сокращение времени пуска/останова НПС после обучения; снижение числа аварийных остановок по вине персонала; уменьшение расхода электроэнергии при оптимальном выборе режима перекачки (выбор насосного оборудования, определение наиболее эффективной схемы работы). В учебных заведениях акцент смещается на успеваемость, скорость освоения материала и результаты защиты выпускных квалификационных работ.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения тренажеров для корпоративных учебных центров формируется за счет предотвращения аварий, сокращения простоев оборудования и снижения издержек на выездное обучение персонала. По оценкам Yokogawa, внедрение OMEGALAND позволяет снизить число технологических нарушений на 30–50 % в течение первых двух лет эксплуатации [3, 4].

Обсуждение и перспективы развития

Проведенный анализ позволяет выделить ключевые факторы успеха при создании и интеграции модели НПС в образовательный процесс [1, 4]:

• Высокая точность математической модели

Только модель, адекватно отражающая физику процессов (режимы перекачки, гидравлику, динамику оборудования), может быть эффективным инструментом обучения. Неточная модель формирует у обучающегося ошибочное представление о работе реального объекта, что способно принести вред. Оптимальным является подход, при котором модель верифицируется и калибруется по данным с реально действующих НПС.

• Интеграция с существующими системами управления

Тренажер должен поддерживать те же протоколы обмена данными и интерфейсы, что и реальные системы на предприятии.

• Автоматизация оценки действий обучающихся

Ручная оценка инструктором субъективна и трудоемка. Система должна уметь сама регистрировать порядок действий, фиксировать ошибки и формировать протокол. Дополнительно может вестись видеозапись сессии для последующего разбора с группой [12].

• Возможность удаленного доступа

Коронавирусная пандемия и цифровая трансформация показывают, что наличие веб-версии тренажера или возможности «облачных» тренировок повышает доступность обучения, особенно для сотрудников удаленных объектов.

Перспективы развития направления включают:

• Создание единого отраслевого репозитория сценариев. Объединение усилий вузов и нефтяных компаний по разработке типовых сценариев для тренажеров НПС с целью их унификации и снижения затрат.

• Внедрение технологий искусственного интеллекта. Автоматическая настройка сложности обучения, адаптивных сценариев под конкретного обучающегося; интеллектуальная подсказка (помощник) – система, анализирующая текущие действия оператора и при необходимости дающая рекомендации («Что делать?»).

• Создание комплексных тренажеров «НПС совместно с линейной частью». Взаимодействие НПС и линейной части (наличие перевальных точек, подпоров) определяет многие аспекты перекачки. Тренажер следующего поколения мог бы объединить в себе обе составляющие, моделируя волновые процессы в длинных трубопроводах.

Заключение

В работе показано, что интеграция математической модели нефтеперекачивающей станции в процесс подготовки кадров является эффективным инструментом повышения качества обучения операторского персонала. Основные выводы исследования:

• Современные компьютерные тренажерные комплексы, созданные как зарубежными (Yokogawa OMEGALAND), так и отечественными разработчиками (Омский НПЗ, ПНИПУ), подтверждают свою эффективность для отработки штатных и аварийных режимов работы технологического оборудования.

• Предложенная архитектура интегрированной системы обучения включает математическую модель, модуль визуализации, систему оценки компетенций и базу знаний, что обеспечивает полноту охвата учебного материала.

• Этапность внедрения (от теории к работе в штатных и аварийных режимах вплоть до командных тренировок) позволяет плавно формировать профессиональные навыки, минимизируя риск закрепления ошибочных действий.

• Дальнейшее развитие направления предполагает использование технологий искусственного интеллекта, создание распределенных тренажерных комплексов и открытых репозиториев учебных сценариев.

Реализация предложенных подходов в учебных заведениях и корпоративных центрах подготовки кадров позволит повысить надежность эксплуатации нефтеперекачивающих станций и минимизировать риски, связанные с человеческим фактором.

Литература

1. Князев А.Н., Заборовский Е.И. Компьютерные тренажеры для обучения оперативного персонала нефтегазовой отрасли / А.Н. Князев, Е.И. Заборовский // Форум молодых ученых. – 2019. – № 12 (40). – С. 391–398. – eISSN 2500-4050.

2. Кравцов А.С., Седельникова В.А., Чижов К.А., Князева А.Э., Волков И.В. Автоматизация технологических процессов в нефтегазовом производстве / А.С. Кравцов, В.А. Седельникова, К.А. Чижов, А.Э. Князева, И.В. Волков // Московский экономический журнал. – 2021.

3. OMEGALAND: компьютерный тренажерный комплекс (дата обращения: 21.04.2026)

4. Сайт ООО НПП «Автоматизация ТП» (дата обращения: 12.05.2026)

5. Исакович Р.Я., Логинов В.И., Попадько В.Е. Автоматизация производственных процессов нефтяной и газовой промышленности / Р.Я. Исакович, В.И. Логинов, В.Е. Попадько. – М.: Недра, 1983. – 424 с.

6. Математическое моделирование процессов перекачки продукции через резервуарные парки перерабатывающих производств нефтегазовой отрасли. Часть 1. Дискретные динамические модели // Журнал «Нефть и газ». – 2023. – № 11.

7. Лабораторный стенд «Нефтеперекачивающая станция и резервуарный парк хранения нефти» (дата обращения: 21.04.2026)

8. ООО «НТП Трубопровод». Программа гидравлического и теплового расчета трубопроводов «Гидросистема»

9. Группа компаний «СиСофт» (CSoft). Новые возможности программы «Гидросистема»: версии 4.6 и 4.7 (дата обращения: 13.05.2026).

10. Котелева Н.И. Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства: методические указания к выполнению самостоятельной работы / Н.И. Котелева. – СПб.: Санкт-Петербургский горный университет, 2021. – 31 с.

11. Костылев В.В., Будейкин В.П. Компьютерные тренажеры в обучении персонала на нефтегазовом производстве / В.В. Костылев, В.П. Будейкин // Вестник науки. – 2020. – №5 (26), том 5. – С. 234–236. – ISSN 2712-8849.

12. Гладких Т.Д. Автоматизация технологических процессов в нефтегазовой отрасли