Программно-технические комплексы для объектов газотранспортной отрасли Автоматизированные системы управления САУ газораспределительными станциями Системы автоматизированного управления подземными хранилищами газа

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

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

Оборудование САУ ГРС (шкаф САУ ГРС, шкаф бесперебойного питания, шкаф релейной автоматики)Рабочее место оператора ГРСШкаф САУ ГРС (на средствах Motorola)

 

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

Структура автоматизированной системы управления подземного хранилища газа (ПХГ)

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.

Система автоматического управления дебитом и давлением газа (САУ ДДГ)

 

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%.

Программное обеспечение системы автоматического управления дебитом и давлением газа (САУ ДДГ)

 

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.