Проблемы надёжности систем управления процессами подземного хранения газа

Д.А. Ларин,

вед. инж., магистр, ink90@pochta.ru,

ООО “ИНЭКО-А”, г. Москва

Аннотация

Рассматриваются факторы, определяющие надёжность функционирования систем управления технологическими процессами на объектах подземного хранения газа. Предлагается переход к оценке качества системы.

 

Abstract

The factors that determine the reliability of the process control systems for storage of gas are discussed. It is proposed to shift to assess the quality system.

 

Обеспечение надёжности систем управления давно уже превратилось из желательного фактора в обязательное требование. В газовой промышленности данной проблеме уделяется особое внимание в связи с тем, природный газ имеет большое значение в топливно-энергетическом балансе большинства государств, в том числе и России. Последняя четверть 20-го столетия проходила под лозунгом активного развития газовой отрасли; ее роль в топливно-энергетическом балансе резко возросла. Активное развитие системы газоснабжения определяет влияние не только на экономику, но и на политическую обстановку – все это приводит к необходимости обеспечения надёжности функционирования объектов газовой отрасли. Поэтому сегодня проблемам обеспечения надёжности уделяется все больше и больше внимания.

В топливно-энергетическом балансе России около 80 % составляют газ, нефть и продукты их переработки. Для России существенным признаком является неравномерный характер потребления газа, резко различающиеся климатические условия и географическая разобщенность районов добычи, переработки и максимального потребления газообразных углеводородов, что существенно влияет на надёжность транспортно-распределительной системы.

В технологической цепочке газовой отрасли: месторождение – добыча – транспорт – хранение – переработка, подземное хранение газа имеет особое значение. Подземные хранилища газа (ПХГ) предназначены для сглаживания сезонных колебаний в потреблении газа в системе газоснабжения. ПХГ создаются в истощенных газовых, газоконденсатных и газонефтяных месторождениях, продуктивные пласты которых обладают хорошими коллекторскими свойствами, а также в соответствующих геологических структурах, с непроницаемыми покрышками над водоносными песками. Территориально ПХГ создаются в районах расположения крупных потребителей газа, а также прокладки и развязки магистральных газопроводов. Они являются одним из основных элементов Единой системы газоснабжения и расположены в основном на больших расстояниях от газодобывающих регионов.

Особое место в структуре подземного хранения газа занимает крупнейшее не только в России, но и в Европе Северо-Ставропольское ПХГ. Стоит отметить, что от надёжности его работы зависит не только получение экономической выгоды, но и политические отношения с другими государствами. Это обусловлено тем фактом, что Северо-Ставропольское ПХГ кроме регулирования сезонной неравномерности в обеспечении газоснабжения потребителей Южного федерального округа, нескольких областей Центральной России и республик Закавказья, еще и участвует в системе экспортных поставок газа в другие страны. В частности, Украина получает газ из этого ПХГ, оно же обеспечивает поставку газа через газопровод «Голубой поток» по дну Черного моря в Турцию, минуя третьи страны. Кроме того, российско-итальянский проект газопровода «Южный поток» также предусматривает использование газа из Северо-Ставропольского ПХГ.

Для управления таким сложным объектом необходимо в реальном масштабе времени проведение рациональной стратегии закачки-отбора из продуктивной залежи, непрерывный мониторинг запасов газа в ПХГ и контроль состояния эксплуатационного фонда скважин.

Надёжность системы управления технологическим процессом в настоящее время должна являться одним из определяющих факторов при принятии решения об использовании системы. Рассмотрим, что же входит в состав понятия надёжности. С течением времени определение понятия надёжности много раз менялось с изменением субъекта, к которому относилось: варьировались дополнительные характеристики, раскрывающие различные стороны надёжности как комплексного показателя. Если на первых этапах развития интерес представляла надёжность отдельных изделий, приборов, узлов, то теперь большой практический интерес представляет надёжность систем управления, надёжность информационных систем, надёжность оператора как звена человеко-машинной системы. К примеру, на заре развития теории надёжности под надёжностью понималась безотказность. В настоящее время в связи с изменением и существенным увеличением объемов и сложности автоматизации, термин надёжность начинает приобретать более широкий смысл. Так, к нему добавились такие понятия как долговечность, ремонтопригодность, живучесть, управляемость и другие.

Раньше надёжность систем управления рассматривалась лишь в количественных показателях наработки комплекса технических средств (КТС). Сегодня важно понимать, что надёжность входит в понятие эффективности системы. Если раньше под эффективностью понималась лишь экономическая эффективность, то к настоящему времени наметился переход от оценки экономической эффективности к оценке качества, то есть эффективности функционирования системы. Надёжность системы управления технологическим процессом такого объекта, каким является Северо-Ставропольское ПХГ, складывается из многих факторов, главными из которых являются: надёжность технических средств (контрольно-измерительных приборов и линий связи), надёжность вычислительного комплекса (вычислительной техники и программного обеспечения, в том числе математических моделей, используемых для расчетов) и профессионализм персонала как звена человеко-машинной системы (обученности персонала и его информированности). Как известно, оценить надёжность системы управления – непростая задача. Программно-технический комплекс, используемый для управления технологическим процессом подземного хранения газа соответствует современным требованиям и обладает высокой надёжностью, что подтверждается успешным функционированием ПХГ. Понятие надёжности функционирования системы управления технологическими процессами по отношению к объектам (какими являются ПХГ), параметры которых невозможно охватить инструментальными замерами, должно включать в себя надёжность программного обеспечения (адекватность используемых моделей и расчетных методов).

В связи с тем, что процессы, происходящие в продуктивных пластах ПХГ, как правило, являются циклическими и неустановившимися, без эффективного автоматизированного управления и контроля работы скважин уже не обойтись. Основные функции системы, которые должны быть заложены в основу эффективного управления продуктивными пластами любого ПХГ:

·         оперативный контроль и управление процессами закачки и отбора газа из продуктивного пласта;

·         контроль состояния эксплуатационного фонда скважин (изменения продуктивности скважин от цикла к циклу в связи с кольматацией призабойной зоны, оценки изменения коэффициентов фильтрационного сопротивления, обводнения добывающих скважин);

·         оперативный контроль устьевых, забойных и пластовых давлений;

·         ведение непрерывного мониторинга запасов газа в ПХГ;

·         контроль герметичности ПХГ;

·         контроль положения газоводяного контакта (ГВК) если продуктивная залежь эксплуатируется в упругом водонапорном режиме;

·         прогнозирование объемов отбора газа из ПХГ.

Однако, функции внедряемых АСУ ТП газораспределительных пунктов (ГРП), которые занимают определяющее звено  в информационной оценке и воздействии на процесс эксплуатации продуктивной залежи ПХГ, обеспечивают:

§  измерение и регистрацию расхода газа по каждой скважине при отборе и закачке;

§  измерение и регистрацию расхода газа по ГРП при отборе и закачке;

§  измерение и регистрацию через замерной сепаратор расходных показателей газа и жидкости по скважинам;

§  регулирование уровней в сепараторах и емкостях;

§  аварийную защиту технологического оборудования;

§  переключение скважин на замерные сепараторы.

Приходится констатировать, что тенденция внедряемых отечественных АСУ ТП ГРП, в отличие от зарубежных, направлена исключительно на контроль и управление работой наземного оборудования, расположенного на промплощадке ГРП. Без решения технологических задач, направленных на осуществление контроля и управления продуктивной залежью ПХГ, функционирование АСУ ТП ГРП не эффективно и может рассматриваться как своего рода дорогостоящая замена щитовых систем управления на современный программно-вычислительный комплекс. И это притом, что информация, поступающая в АСУ ТП ГРП, позволяет решать большинство прикладных задач оперативного контроля и управления работой скважин, расчетными методами параметризировать эксплуатационный фонд скважин, на основе получаемой информации оценить продвижение ГВК, оценить изменение продуктивности добывающих скважин от цикла к циклу и многое другое.

Необходимость параметризации эксплуатационного фонда скважин ГРП расчетными методами обусловлена такими факторами, как значительное число подключенных скважин (достигающее 60 единиц, более 900 параметров), скоротечность периодов отбора-закачки газа в пласт и отсутствие возможности охватить фонд инструментальными измерениями.

Необходимо отметить, что в современных реалиях надёжная система может быть и неэффективной. Любая система стремится к повышению эффективности. Оценку эффективности необходимо производить на разных этапах жизненного цикла системы. На этапе разработки: разработка концепции, финансовое обоснование, выбор технических и программных средств – прогноз эффективности (в основном экономической). В обобщенном виде любое значимое улучшение работы предприятия должно дать некоторый экономический эффект. Но на практике значительная часть изменений работы производства, связанных с его автоматизацией, не поддается количественному прогнозу и, следовательно, не может дать обоснованную оценку дополнительной прибыли. Однако в состав ПХГ входят однотипные газораспределительные пункты, что позволяет с разумной степенью приближения оценить количественно дополнительную прибыль от внедрения системы. На этапе эксплуатации: внедрение и эксплуатация – расчет эффективности (качество системы). Требования к обеспечению надёжности исходят в первую очередь от внешних факторов экономического и экологического характера – необходимости выполнения контрактных обязательств и предотвращения загрязнения окружающей среды. С другой стороны, рассмотрению проблемы способствует и внутренний фактор. Это необходимость рассмотрения надёжности как единого комплекса, состоящего из объекта – технологического оборудования и системы управления, включающей системы автоматики, телемеханику, SCADA-систему, ЭВМ, прикладное программное обеспечение и оператора как лица принимающего решение. Надёжность системы складывается из следующих элементов:

o    качество;

o    эффективность составляющих;

o    отказоустойчивость.

Под качеством понимаются такие показатели как живучесть, управляемость, безопасность. Качество есть неизменная характеристика системы, оно не изменится со временем и заложено изготовителем. Эффективность составляющих представляет собой изменяющуюся во времени функцию и характеризует долговечность, сохраняемость системы управления, построенной с использованием рассматриваемых составляющих. Эта характеристика может изменяться постепенно. Отказоустойчивость отвечает за отсутствие ситуации, когда выход из строя одного из компонентов системы приводит к выходу из строя системы в целом. Эта составляющая надёжности является переменной, причем дискретной.

Необходимость решения АСУ ТП ПХГ задач оперативного контроля и управления продуктивными пластами жизненно важна для надёжного и бесперебойного снабжения и для сглаживания сезонных колебаний потребления в системе газоснабжения крупных потребителей газа. В этих случаях недопустимо внедрение упрощенных в функциональном отношении АСУ ТП ГРП (решение задач контроля и управления только наземным оборудованием).

Эффективность системы зависит от следующих основных факторов:

·         надёжности КТС;

·         технологического – адекватности используемых моделей и расчётных методов;

·         обученности персонала;

·         экономической эффективности.

Поговорим подробнее о каждом из них. Фактор надёжности или надёжностная эффективность качественно определяется повышением надёжности реализации отдельных управляющих функций, в основном функций противоаварийной защиты, а также реализации функции автоматического прогнозирования промышленных выбросов. Технологический фактор эффективности отвечает за уменьшение дисперсии регулируемой величины, снижение числа выходов технологических показателей за заданный диапазон изменения, мониторинг состояния основного оборудования и тому подобное. Обученность персонала выражается качественными описаниями последствий внедрения системы на работу персонала и последствий прохождения персоналом всевозможных проверок и тренировок. Влияние этого фактора более чем очевидно и объясняется множеством особенностей, таких как разнородность элементов человеко-машинной системы, присутствие как мыслительно-планировочных, так и исполнительных действий персонала, наличие изменчивости в действиях человека и прочих факторов. Последний фактор – фактор экономической эффективности не является последним по значимости. Он показывает, как же система управляет процессом, например, после пройденного цикла (для ПХГ – года) и дает достаточно обоснованное представление о целесообразности использования данной системы и выражается количественной оценкой дополнительной прибыли от реализации системы. Также для определения эффективности целесообразно проводить аудит. Цель его проведения – поиск “узких мест” в системе для последующего устранения их при перепроектировании. Под понятием аудит следует понимать независимую проверку работы системы, анализ надёжности и соответствия требованиям и выработку конкретных рекомендаций по выявленным недостаткам. Сам аудит представляет достаточно интересную тему для более детального изучения, поэтому в данной статье рассматриваться не будет.

Таким образом, при проектировании и внедрении систем управления процессами подземного хранения газа необходимо учитывать указанные выше взаимосвязи. Для получения экономической выгоды необходима эффективно функционирующая, качественная система, которая, в свою очередь, обязана быть надёжной. Надёжность системы должна обеспечиваться качеством исполнения, эффективностью аппаратных и программных средств и крепкой теоретической базой решения поставленных задач. Также стоит отметить, что избыточность информации может не принося очевидной выгоды спасти от больших затрат, связанных с ошибками из-за ее недостатка. Следует понимать, что все перечисленные факторы работают в комплексе, и несоблюдение какого-либо из них может привести к отказу системы, а, следовательно, появлению проблемы.

Задача повышения эффективности работы системы управления может решаться за счет целого ряда бесспорных технических инноваций, базирующихся на средствах автоматизации и изменяющих параметры режима функционирования объекта автоматизации, по которым затруднительно, а большей частью невозможно практически обоснованно прогнозировать конкретную дополнительную прибыль. Повышение надёжности функционирования объекта невозможно оценить из-за отсутствия статистических оценок остановок, аварий и потерь. Улучшение контроля за протеканием технологического процесса также не поддается оценке ввиду отсутствия достоверных данных о возможных реакциях персонала. Улучшение социальных условий труда, эргономические нововведения и тому подобное, несомненно, влияют на качество управления, но обоснованного перевода этих положительных качественных изменений в количественную экономическую эффективность не существует.

Отсутствие оценки обоснованного количественного экономического прогноза от внедрения систем автоматизации затрудняет выяснение целесообразности выделения финансовых средств на их внедрение и развитие. Это вынуждает ориентироваться на более широкое понятие эффективности автоматизации, а не только на показатель “дополнительная прибыль”.

Литература

1.     Ицкович Э.Л. Методика аудита систем автоматизации производства. М.: Промышленные контроллеры АСУ №11, 2008.

2.     Ицкович Э.Л. Способы оценки эффективности систем автоматизации. М.: Автоматизация в промышленности №2, 2009.

3.     Ларин Д.А. Разработка микропроцессорного блока управления кранами и оценка эффективности действующих АСУ ТП на объектах добычи, переработки и подземного хранения газа. Магистерская диссертация. М., 2008.

4.     Радкевич В.В. Оценка эффективности внедрения и развития АСУ ТП на объектах газовой отрасли. М.: Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности №5, 2008.

5.     Радкевич В.В. Теория и практика проектирования систем управления объектами газовой отрасли. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М., 2009.