Комплексные решения
Системы автоматизированного управления газораспределительными станциями (САУ ГРС)
Система автоматизированного управления ГРС фирмы «Системы» предназначена для автоматического и автоматизированного контроля и управления технологическим процессом функционирования газораспределительной станции.
Основной целью реконструкции и внедрения САУ на ГРС фирма видит в обеспечении таких функциональных возможностей ГРС, которые при безусловном повышении безопасности, надежности и характеристик подачи газа потребителю уже сегодня обеспечивают возможность централизованной формы обслуживания ГРС. Такая концепция выдерживается при реконструкции и строительстве как больших, так и малых ГРС.
Это достигается применением для всех узлов ГРС автоматически и дистанционно управляемого оборудования (краны, задвижки, подсистемы с локальной автоматикой и т.п.), а также дистанционно и автоматически управляемых регуляторов давления (или расхода) газа (АРД) и обеспечением специалистам ЛПУ возможности контролировать состояние оборудования ГРС и параметров газа, и управлять ими.
В соответствии с СТП (О92-2003) САУ ГРС обеспечивает контроль и управление для всех технологических узлов газораспределительной станции:
• узла переключающих устройств,
• узла редуцирования,
• узла очистки,
• узла подогрева газа,
• узла одоризации газа,
• узла подготовки импульсного газа,
• узла коммерческого учета газа,
• вспомогательных систем.
В плане автоматизации наиболее сложным и ответственным узлом ГРС является узел редуцирования. Без полной автоматизации его работы говорить о централизованной форме обслуживания ГРС не приходится.
Для решения этой задачи нами разработан программно-технический комплекс автоматического регулирования давления (расхода) газа (АРД) на выходе ГРС, прошедший межведомственные испытания (МВИ) в 2003 г. И, начиная с 2003 г., комплекс АРД внедрен на 18 украинских ГРС различной производительности и сложности, начиная от самой крупной на Украине ГРС г. Северодонецк и заканчивая малой, типа ГРС г. Лутугино и пр. При этом комплекс пришлось реализовать на регуляторах давления газа самых различных производителей, таких как: г. Старая Русса, г. Новочеркасск, завод «Контакт», Fisher, Tormene, Francel, Fiorentini с сервоприводами, как нашей собственной разработки, так и иностранных производителей. Оборудование каждого из этих производителей имеет свои отличия, причем иногда весьма существенные. Однако накопленный опыт позволил разобраться с ними и своевременно наладить и ввести оборудование в эксплуатацию.
Не менее важным для обеспечения централизованной формы обслуживания ГРС является наличие программно-аппаратных средств для обеспечения возможности полного контроля и управления оборудованием и технологическими процессами на ГРС с уровня ЛПУ МГ. На всех ГРС, где имеется линия связи (4-х проводная или телефонная, радио-, радиорелейная, радио Тэтра, всего 14 ГРС) такая возможность нами была реализована.
Все другие украинские производители САУ ГРС по этим основополагающим моментам обеспечения возможности централизованной формы обслуживания ГРС находятся в самом начале пути.
Следует отметить еще одну особенность создаваемых нами САУ ГРС. Это надежность и сроки эксплуатации САУ.
САУ ГРС разработки СУРФ «ИНЭК», ООО «Системы» исходно создаются на средствах известных мировых производителей Motorola, WinSystems, Z-World. И к настоящему времени САУ эксплуатируются еще с 1999 г. без особых нареканий в части работоспособности уже на 22 украинских ГРС различной производительности и сложности. На средствах еще одного мирового производителя Mitsubishi полномасштабная САУ ГРС, созданная с помощью фирмы КСК, прошла стендовую отработку. Применяемые средства в конечном итоге определяет Заказчик.
И еще к вопросу надежности. Разработка САУ фирмой «Системы» базируется на использовании многократно апробированных решениях, примененных на эксплуатируемых объектах. Полнота и надежность отработки поставляемых программно-аппаратных решений обеспечивается за счет автономных и комплексных испытаний по соответствующим программам на имитационно-моделирующих стендах разработчика. Создание таких стендов – это удорожание проекта, но в то же время это безусловное повышение надежности отработки САУ ГРС в заводских условиях и, соответственно, надежности ее работы на объекте. К тому же, время пусконаладки САУ на объекте при такой технологии отработки существенно сокращается.
Система автоматизированного управления (САУ) прошла межведомственные испытания (МВИ) в апреле 2000 г., мае 2003 г. и рекомендована для применения на объектах ДК «Укртрансгаз».
Перечень и основные параметры созданных нами эксплуатируемых САУ ГРС приведены в реализованных проектах.
Назначение, режимы работы и задачи САУ
Целью оснащения САУ ГРС является включение ГРС как объекта в автоматизированную систему транспорта газа, повышение безопасности и надежности осуществления технологических процессов на ГРС за счет:
- создания многоуровневой (ГРС+ЛПУ) системы автоматического, дистанционного и местного контроля и управления ГРС;
- наличия развитой логики автоматического контроля и управления оборудованием ГРС в штатной и нештатной ситуациях, в том числе при реализации защит и выполнении операций аварийного останова ГРС;
- обеспечения автоматической диагностики исправности каналов измерения, регуляторов давления, управляемых кранов и модулей аппаратуры САУ;
- определения возможных аварийных ситуаций на ГРС;
- обеспечения возможности применения централизованной формы обслуживания ГРС за счет предоставления специалистам ЛПУ МГ возможности дистанционного контроля и управления технологическим оборудованием и основными параметрами функционирования ГРС.
Система функционирует в следующих режимах:
• автоматический режим (без участия оператора)
- автоматическая перестановка управляемых кранов и управление регуляторами давления газа в соответствии с алгоритмами работы системы;
- автоматическое управление системой одоризации (при отсутствии автономной системы управления одоризатором);
• дистанционный режим (с участием оператора или диспетчера ЛПУ МГ)
- управление кранами при срабатывании предупредительной и аварийной сигнализации;
- по нажатию кнопки «Останов ГРС» выдача команд на закрытие управляемых кранов узлов переключения и редуцирования, открытие свечных управляемых кранов, управляемых кранов байпаса;
- по командам оператора ГРС с пульта контроля и управления (ПКУ) или рабочей станции оператора ГРС (диспетчера ЛПУ) осуществляется перестановка управляемых кранов, управление регуляторами давления газа, включая изменение их уставок, и включение/отключение блоков локальной автоматики.
• местное управление (с участием оператора)
- управление оборудованием ГРС с помощью органов местного управления, установленных рядом с оборудованием.
Контроль функционирования технологического оборудования и аппаратуры САУ выполняется непрерывно вне зависимости от режима функционирования САУ.
Структурная схема и основные принципы взаимодействия подсистем, входящих в САУ ГРС
Основными функциями, реализуемыми САУ ГРС, являются:
• защита потребителя от аварийного превышения или понижения давления газа относительно заданного (рабочего) давления на выходе газораспределительной станции;
• управление сервоприводами регуляторов давления, входными и выходными кранами узла редуцирования ГРС для обеспечения требуемого давления потребителю и защит, а также кранами узла переключения и свечей;
• формирование сигналов предупредительной и аварийной сигнализации, в том числе на основе алгоритмов слежения за параметрами газа на входе и выходе ГРС;
• диагностика каналов измерения технологических параметров ГРС, диагностика управляемых кранов и регуляторов давления;
• контроль и управление системой одоризации;
• контроль работы подогревателей газа (при необходимости);
• считывание, контроль и фильтрация информации с аналоговых датчиков, сигнализаторов и управляемых кранов;
• обмен информацией по всем видам запросов с системой коммерческого учета газа;
• контроль загазованности;
• контроль и управление системой электропитания;
• контроль целостности электрических цепей системы (обмоток ЭПУУ кранов);
• контроль несанкционированного доступа в помещения ГРС;
• контроль информации пожарной сигнализации;
• обеспечение дистанционного управления оборудованием газораспределительной станции оператором ГРС и диспетчером линейно-производственного управления (ЛПУ);
• отображение технологической информации на средствах визуализации;
• архивирование и документирование параметров технологического процесса, действий оператора ГРС и специалистов ЛПУ.
Структура системы
Иерархически система автоматизированного управления газораспределительной станцией выполнена в виде двухуровневого программно-технического комплекса.
На нижнем уровне ГРС задачи автоматического контроля и управления основным и вспомогательным технологическим оборудованием ГРС решаются непосредственно шкафом управления САУ, либо с участием оператора ГРС с использованием пульта контроля и управления (ПКУ) или рабочей станции (РС) (в случае наличия последней), на верхнем – дистанционный контроль и управление обеспечиваются специалистом ЛПУ МГ.
Базовым является одношкафный вариант САУ ГРС. Как правило, это ГРС с 1-2 входами и выходами, количество линий редуцирования с автоматически и дистанционно управляемыми регуляторами давления газа не более шести. В этом варианте аппаратные средства САУ ГРС включают:
• шкаф управления и бесперебойного питания;
• пульт контроля и управления;
• рабочую станцию;
• датчики и сигнализаторы;
• сервоприводы АРД;
• средства интерфейса со вспомогательными (охранная, пожарная, загазованность) и прочими локальными системами.
Вид основных компонентов САУ
Шкаф управления включает 19-дюймовые крейты САУ с процессором и модулями ввода-вывода информации, источник бесперебойного питания (ИБП) и вторичные источники питания (зарядное устройство, батареи, радиостанцию (в случае радиоканала связи)).
Пульт контроля и управления представляет собой панель оператора типа UniOp, имеет малое потребление и представляет собой эффективное средство получения информации о текущих значениях технологических параметров газораспределительной станции и управления оборудованием ГРС при отсутствии штатного электропитания.
Рабочая станция (РС) обеспечивает архивирование, документирование и отображение информации, а также возможность контроля и управления оборудованием ГРС.
Система бесперебойного питания включает стабилизатор, конвертор с интегрированным устройством зарядки аккумуляторов, вторичные источники питания, аккумуляторы. Время обеспечения бесперебойным питанием составляет (24-72) часа при нагрузке 150Вт.
Для больших ГРС (до 5-6 потребителей, до 12-15 линий редуцирования и т.п.) САУ размещается в 3-х шкафах – шкаф управления САУ, шкаф бесперебойного питания, шкаф автоматического регулирования давления (АРД).
Особенности САУ ГРС в части автоматического регулирования давления газа на выходе ГРС
Узел редуцирования является наиболее сложным и ответственным узлом ГРС с точки зрения автоматизации. Для централизованной формы обслуживания ГРС необходима его полная автоматизация.
Для решения этой задачи специалистами фирмы был разработан программно-технический комплекс автоматического регулирования давления (расхода) газа (ПТК АРД) на выходе ГРС. Таким комплексом оснащаются газораспределительные станции с регуляторами давления газа со вспомогательной энергией (управляемыми пилотами) на узле редуцирования.
Комплекс позволяет:
- осуществлять автоматический или дистанционный контроль и управление давлением (расходом) газа потребителя, обеспечивать возможность дистанционного изменения настроек выходного давления (расхода) газа;
- повысить точность (до 2-3%) и качество процесса регулирования давления газа на выходе ГРС в широком диапазоне изменения давления газа на входе ГРС и отбора газа потребителем;
- увеличить диапазон устойчивой работы регуляторов давления газа;
- повысить надежность и безопасность процесса редуцирования газа;
- обеспечить возможность централизованной формы обслуживания ГРС.
Следует отметить принципиальную разницу подходов к управлению регуляторами давления газа, реализованных нами и зарубежными фирмами Fisher, RMG, Tormene, Tartarini и др.
Управление регуляторами давления газа во всем диапазоне их пропускной способности в автоматическом режиме нами осуществляется постоянно (тактировано) с обратной связью по давлению (расходу) на выходе ГРС, получаемому с помощью устанавливаемых датчиков давления (расхода) газа. Зарубежные фирмы управляют регуляторами давления газа в разомкнутой схеме путем изменения уставки для поддержания давления газа. Точность поддержания давления газа при этом обеспечивается самим регулятором давления газа. Такая разница подходов вызвана, в основном, особенностями подачи газа потребителю в Украине и техническими характеристиками отечественных регуляторов давления газа, имеющих несколько худшую точность поддержания давления по сравнению с зарубежными регуляторами. В то же время опыт эксплуатации АРД показывает, что АРД эффективен и расширяет возможности и зарубежных регуляторов давления газа фирм Fisher, Francel, Fiorentini.
Работа комплекса АРД, как и всей газораспределительной станции, возможна в автоматическом, дистанционном или местном режимах.
Основные функции:
• дистанционное задание и автоматическое поддержание требуемого выходного давления;
• защита потребителя от недопустимого повышения или понижения давления;
• предупредительная и аварийная сигнализации;
• контроль и диагностика оборудования, измерительных и технических средств и электрических цепей комплекса.
• архивирование, документирование и отображение сообщений и технологической информации.
Состав ПТК АРД:
• подсистема управления АРД, входящая в состав шкафа управления САУ, либо шкафа АРД;
• электрический сервопривод с датчиками обратной связи (на каждый регулятор давления газа);
• датчики давления в камерах задания регуляторов;
• показывающий манометр;
• система бесперебойного электропитания АРД при наличии автономного шкафа АРД.
Управление параметрами комплекса АРД, как и параметрами всего остального оборудования ГРС, может осуществляться с местного пульта контроля и управления или с рабочей станции оператора ГРС (специалистов ЛПУ МГ).
Технические средства ПТК АРД, устанавливаемые во взрывоопасных зонах, имеют взрывобезопасное исполнение. Исполнение пылевлагозащищенное, степень защиты конструктивов монтажных шкафов – не ниже IP-54 по ГОСТ 14254-96 (МЭК529-89), помехозащищенность в соответствии с МЭК801-2-88, МЭК801-4-88, МЭК801-5-88.
Комплекс успешно работает с регуляторами давления газа с вспомогательной энергией, как отечественных (завод «Контакт»), так и зарубежных производителей (г. Старая Русса, г. Новочеркасск, Francel, Fiorentini, Fisher и т.п.).
Программное обеспечение
Программное обеспечение шкафа автоматики включает программное обеспечение процессоров САУ.
Прикладные задачи (прикладные программы), решаемые процессорами, условно разделяются на следующие группы:
• задача организации вычислений (задача ОВ);
• задача системы автоматизированного управления (задача САУ), обеспечивающая контроль и управление технологическим оборудованием, диагностику и проверку технических средств, формирование архивов;
• задача автоматического регулирования давления (АРД);
• задача взаимодействия с вычислителем коммерческого учета газа (задача КУГ);
• задача обмена данными между процессорами (задача R/W);
• задача обмена информацией с ЛПУ МГ.
Программное обеспечение пульта оператора (ПКУ) обеспечивает выдачу команд управления и уставок САУ ГРС, ввод уставок, отображение оперативной информации о параметрах оборудования ГРС, оперативных данных от системы коммерческого учета газа, а также просмотр архивов.
Программное обеспечение рабочей станции оператора ГРС обеспечивает решение следующих групп задач:
• дистанционное управление ГРС (выдача команд, ввод и запрос уставок);
• отображение предупредительных и аварийных сообщений на экране РС;
• отображение технологической информации на экране РС;
• формирование всех видов архивов.
Отображение аварийной и предупредительной информации выполняется в инициативном порядке при возникновении аварийного или предупредительного сигналов. Эти сигналы имеют наивысший приоритет отображения и накладываются на любое изображение технологической информации.
Программное обеспечение верхнего уровня (рабочая станция диспетчера ЛПУ МГ) обеспечивает полный контроль и управление технологическими процессами на газораспределительной станции.
Включает следующие программные компоненты:
1. Сервер опроса ГРС, обеспечивающий формирование запросов к ГРС, обеспечение транспортировки и синхронизации запросов от различных подсистем через коммуникационный канал связи.
2. Диспетчер штатного опроса ГРС и архиватор данных.
3. Ретранслятор–конвертор запросов к ГРС от других подсистем (КУГ, СКЗ, телемеханика и т.п.). При необходимости может вести собственную базу данных этих подсистем.
4. Сетевые клиенты-просмотрщики текущих данных, архивов и т.п. Обеспечена возможность управления оборудованием ГРС.
Специалистам ЛПУ обеспечивается возможность:
1. Иметь отображение на рабочей станции анимированную технологическую схему каждой ГРС, входящей в состав ЛПУ МГ (структурную, либо объемную схему с обозначением номеров кранов и других видов оборудования), позволяющей контролировать состояние оборудования (вкл/выкл. и т.п.).
2. Просматривать исторический тренд и тренд реального времени параметров ГРС (давление, температура, расход газа и т.д.).
3. Просматривать общий журнал аварий. Предупреждение об аварии на ГРС выводится автоматически.
4. Управлять оборудованием ГРС, включая краны, регуляторы давления, другое управляемое оборудование.
Испытания САУ ГРС
В соответствии с принятой технологией разработки программного обеспечения, системой обеспечения качества фирмой предусмотрены заводские испытания (автономные и комплексные) по соответствующим методикам всех разрабатываемых программных компонентов и поставляемого оборудования САУ ГРС.
На этапе подготовки к проведению пуско-наладочных работ на ГРС проводятся приемо-сдаточные испытания САУ на стенде фирмы с участием Заказчика. Для обеспечения качества отработки в состав стенда включается интеллектуальное сервисное оборудование с контроллером и модулями ввода-вывода информации и соответствующим программным обеспечением, позволяющим имитировать работу ГРС во всех режимах эксплуатации, включая информацию датчиков по определенной циклограмме и работу управляемых исполнительных органов.
Метрологическая аттестация проводится в соответствии с «Программой метрологической аттестации». Место проведения метрологической аттестации измерительных каналов – экспериментальная база фирмы с привлечением представителей Государственной метрологической службы. По результатам оформляется свидетельство и протокол испытаний.
Системы автоматизированного управления турбодетандерными установками (САУ ТДУ)
САУ ТДУ предназначена для:
• автоматического и дистанционного (ручного) управления турбодетандерной установкой;
• контроля технологических параметров и состояния исполнительных механизмов, сигнализации отклонений их от нормы, от перегрузки и короткого замыкания (предупредительная и аварийная сигнализации) с обеспечением оперативного отображения, регистрации и архивирования информации;
• регулирования основных технологических параметров ТДУ;
• защиты ТДУ от развития аварийных ситуаций в любом режиме ее работы.
Детальное содержание требований к расположению, состав САУ ТДУ, описание технологических алгоритмов управления и регулирования, перечень входных и выходных сигналов, вычисляемых параметров, значений уставок защиты должны быть приведены в техническом задании на САУ ТДУ в зависимости от характеристики объекта и согласованы с Заказчиком.
Автоматизация подземных хранилищ газа (ПХГ)
Существенное место в разработках фирмы занимает автоматизация технологических процессов на подземных хранилищах газа (ПХГ). В частности, разработаны проекты комплексной автоматизации технологических процессов на Вергунском и Червонопартизанском ПХГ. Ниже показана структура разработанной автоматизированной системы управления (АСУ).
Структура автоматизированной системы управления ПХГ Мрын
Как видно из схемы, автоматизируются все основные блоки оборудования ПХГ, включая системы автоматизированного контроля и управления скважинами, установками подготовки газа, блоками регенерации высокой и низкой концентрации, абсорберами, насосными ДЭГа, емкостями и др. Такой уровень автоматизации, безусловно, повышает качество параметров отпускаемого газа, а также надежность и безопасность эксплуатации ПХГ.
Особое место в разработках фирмы занимают системы автоматизированного измерения и контроля параметров газа на скважинах и шлейфах ПХГ. Со времени начала (около 15 лет назад) функционирования первой нашей системы на 25 удаленных скважинах ГЗП-2 ПХГ Бильче-Волица на сегодня разработана автоматизированная система и программное обеспечение, которые позволяют определять параметры газа в скважинах и пласте, дебит скважин, оптимизировать режимы работы оборудования и скважин, увеличить межремонтное время эксплуатации скважин. Кроме того, система позволяет активно влиять на динамику и геометрию объема газа в пластах за счет управления процессом закачки газа по площади и геологическому разрезу хранилища и, тем самым, максимально использовать его активный объем. Все это значительно повышает надежность и безопасность технологических процессов отбора и закачки газа, обеспечивает экономию материальных ресурсов.
На ПХГ Пролетарское была испытана система автоматического управления дебитом и давлением газа на скважинах (САУ ДДГ), потребовавшая минимальных дополнительных работ и оборудования.
САУ ДДГ предназначена для оперативного контроля и дистанционного регулирования дебита и давления газа скважины, расчета дебита газа по перепаду давления на регулирующем штуцере, измерения давления и температуры газа скважины. САУ ДДГ устанавливается на шлейфах скважин месторождений и подземных хранилищ газа.
САУ ДДГ состоит из:
• поста технологического контроля (ПТК);
• персонального компьютера (ПК);
• стандартных датчиков давления и температуры с токовым выходом 4-20мА (на шлейфе каждой скважины устанавливается два датчика давления и один датчик температуры);
• электроприводного устройства (ЭПУ);
• программного обеспечения.
На шлейфе скважины устанавливаются датчики давления (до и после штуцера регулирующего, ШР) и датчик температуры (после ШР). На ШР устанавливается электропривод с шаговым двигателем. Информация с датчиков давления и температуры, сигналы управления приводом заведены в контроллер, размещенный в ПТК. ПТК соединяется с ПК по сети Ethernet.
В программном обеспечении САУ реализованы задачи:
• первичной обработки информации датчиков;
• расчета дебита газа по перепаду давления на ШР;
• дистанционного управления приводом ШР;
• визуализации и архивирования информации (в табличной и графической форме).
Погрешность расчета дебита газа не превышает 7%.
В САУ ДДГ предусмотрена калибровка в рабочем диапазоне перемещений ШР для определения коэффициента фактического проходного сечения и гидравлического сопротивления ШР. При проведении калибровки в качестве эталонной используется информация комплекса замера газа на замерном узле установки комплексной подготовки газа (УКПГ).
Один ПТК САУ ДДГ обеспечивает управление куста из 6-8 скважин. Количество ПТК в САУ ДДГ неограниченно.
В САУ ДДГ решается задача расчета и индикации динамики изменения пластового давления скважин.