Модели и методы. Модели и методы построения вероятностно статистических оценок для мониторинга показателей надёжности в диспетчерском управлении транспортом газа
 Скачать 3.85 Mb.
|
|
2019; ➢ Международная конференция Современные методы и проблемы теории операторов и гармонического анализа, и их приложения – VIII», Ростов-на- Дону, 2018; ➢ 12-ая Всероссийская научно-техническая конференция Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России, Москва, 2018; ➢ Международная конференция Современные методы и проблемы теории операторов и гармонического анализа, и их приложения – VII», Ростов-на- Дону, 2017; 12 ➢ Международная конференция Аналитические и вычислительные методы в теории вероятностей и её приложениях — АВМТВ 2017», Москва, 2017; ➢ 11-ая Всероссийская научно-техническая конференция Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России, Москва, 2016; ➢ Международная конференция Современные методы и проблемы теории операторов и гармонического анализа, и их приложения – VI», Ростов-на- Дону, 2016; ➢ Международная конференция Современные методы и проблемы теории операторов и гармонического анализа, и их приложения – V», Ростов-на- Дону, 2015; ➢ 10-ая Всероссийская научно-техническая конференция Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России, Москва, 2014; ➢ 10-ая Всероссийская конференция молодых учёных, специалистов и студентов Новые технологии в газовой промышленности (газ, нефть, энергетика, Москва, 2013; ➢ 9-ая Всероссийская научно-техническая конференция Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России, Москва, 2012; ➢ 16-ая Международная научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов Системные проблемы надёжности, качества, информационно- телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика – 2011)», Сочи, 2011; ➢ 8-ая Всероссийская научно-техническая конференция, посвящённой 80- летию РГУ нефти и газа имени ИМ. Губкина, Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России, Москва, 2010. В полном объёме диссертационная работа была представлена и обсуждена на научных семинарах кафедр Автоматизированных систем управления и Высшей математики Российского государственного университета нефти и газа (НИУ) имени ИМ. Губкина. Публикации. По результатам научных исследований выполнено 24 публикации, в том числе 8 работ в рецензируемых научных изданиях, 13 рекомендованных ВАК РФ [35, 37, 40, 82, 83, 84, 85, 86]. Две статьи опубликованы без соавторов [82, 83]. Две статьи вышли в зарубежных рецензируемых научно- технических журналах [136, 144]. Структура, объём и обзор диссертации. Работа состоит из введения, трёх глав и заключения, изложена на 140 страницах основного текста и 40 страниц приложений содержит 4 таблицы, 29 рисунков, список литературы из 153 наименований и 6 приложений. Впервой главе приводится анализ структуры ГТС, являющейся основообразующим компонентом ЕСГ РФ, и дается общая характеристика АСДУ ЕСГ с техническим обзором объектов диссертационного исследования проведён обзор и анализ имеющейся классической и современной литературы по тематике диссертации рассмотрены этапы развития теории надёжности как науки представлен анализ мониторинговых систем надёжности АСДУ транспортом природного газа. Приводится обоснование целесообразности использования модели отказов Гнеденко-Вейбулла для получения оценок надёжности на основании стандартов, в условиях современной статистической обработки фрагментарных данных малого объёма. Во второй главе изложены основные научные положения, а именно осуществлено теоретическое изучение распределения Гнеденко-Вейбулла с помощью асимптотических и вероятностно-статистических методов, и теории рядов, а также компьютерного моделирования (в среде Wolfram Mathematica); изучена нормальная аппроксимация данного распределения приведено простое доказательство существования и единственности решения системы уравнений правдоподобия для выборки из распределения Гнеденко-Вейбулла. В третьей главе проведено исследование параметра потока отказов и ведущей функции потока отказов (функции восстановления) в транспорте газа для рекуррентного потока отказов Гнеденко-Вейбулла при мгновенном восстановлении, которое сводилось к получению решения интегрального уравнения Вольтерра второго рода типа свёртки с разностным ядром (уравнение восстановления. Указанное решение было получено как аналитическими (с 14 помощью методов теории рядов и производящей функции моментов, таки численными методами. Для обоснования аналитического метода была исследована проблема моментов Чебышёва-Маркова-Стилтьеса об однозначном восстановлении вероятностного распределения рядом своих моментов для распределения Гнеденко-Вейбулла. Разработанный аналитический подход при решении уравнения восстановления был обобщен и на произвольные распределения (при определенных условиях. В случае приближённого решения уравнения восстановления относительно параметра потока отказов используется модификация метода Ритца дискретизации интегрального уравнения. Получены три типа рекуррентных формул по методу правых узлов, по методу средних (одноточечный метод Гаусса, по методу линейных сплайнов. Предложена комплексная методика получения статистических оценок параметров распределения Гнеденко-Вейбулла и получение прогнозного критического значения времени наступления следующего отказа элементов газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с указанием вероятной зоны начала деградационных процессов в системе ГПА. Представлены рекомендации по интеграции разработанных моделей и методов в общую структуру управления целостностью (в АСДУ): блок Мониторинг функционирования и технического состояния ГПА», те. подготовлена система рекомендаций для практического применения разработанных положений комплексная методика, схема взаимосвязи с подсистемой верхнего уровня ТОИР, проект предложения по НИР для реализации системы управления целостностью (в аспекте ГПА). Предложенная методика была продемонстрирована на базе реальных статистических данных по отказам технологического оборудования ГТС, представленных в ИАС Оценка и мониторинг надёжности для АСДУ трубопроводным транспортом газа (Седых, 2011) [95], которая содержит солидный материал по отказам (порядка 10 000 позиций) ГПА и САУ ГПА на различных магистральных газопроводах, что позволило использовать её для проверки теоретических исследований диссертационной работы. 15 ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ ОРГАНИЗАЦИИ МОНИТОРИНГА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ДИСПЕТЧЕРСКОМ УПРАВЛЕНИИ ТРАНСПОРТОМ ГАЗА ПАО «Газпром» (http://www.gazprom.ru) располагает крупнейшей в мире газотранспортной системой (см. Рисунок 1). Её основная часть входит в состав ЕСГ России, которая представляет собой уникальный технологический комплекс, включающий в себя объекты добычи, переработки, транспортировки, хранения и распределения газа в европейской части России и Западной Сибири и обеспечивающий непрерывный цикл поставки газа от скважины до конечного потребителя. Благодаря централизованному управлению, большой разветвленности и наличию параллельных маршрутов транспортировки, ЕСГ обладает существенным запасом надёжности и способна обеспечивать бесперебойные поставки газа даже при пиковых сезонных нагрузках. Общая протяжённость газотранспортной системы на территории России составляет 172,1 тыс. км. В транспортировке газа используются 254 компрессорных станций с общей мощностью ГПА 46,7 тыс. МВт. Парк ГПА составляет около 4600 единиц, из которых больше половины наг. уже выработали установленный ресурс. Рисунок 1. Схема газотранспортной системы ПАО «Газпром» в составе ЕСГ 16 Особую роль в управлении транспортом газа играют автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ), которые обеспечивает диспетчера информацией, необходимой для выработки управляющего воздействия, оставляя за ним функции принятия решений. «АСДУ – это неоднородная (человеко- машинная или гетерогенная) система управления технологическим процессом, интегрирующая на автоматизированном рабочем месте диспетчера профессиональные знания диспетчера с информационно-управляющей системой, обеспечивающей автоматический сбор, передачу и отображение информации, а также автоматизирующей все требуемые расчётные процедуры и выполнение управляющих воздействий для достижения поставленной цели в соответствии с заданными критериями [34]. Развитие интеграционных функций – основа становления АСДУ, которое хорошо удовлетворяет особенностям управления непрерывными технологическими процессами, среди которых следует выделить технологические процессы нефтегазового комплекса. Следует отметить, что в отличие от сегодняшнего дня, раньше большая часть задач, связанных с наличием человека в технических системах, могла быть решена либо методом проб и ошибок, либо просто на основе здравого смысла [122]. Начиная примерно с 1960 гг. происходило формирование (с постепенным расширением) критериев для достижения поставленных целей в русле многофакторного подхода с временным интервалом примерно 10 лет. В своем развитии они прошли от экономических и экологических оценок, с развитием проблем надёжности и качества, до вопросов безопасности, катастрофически обострившихся в XXI веке. Эволюция критериев, всесторонне характеризующих функционирование АСДУ ЕСГ, приведена на Рисунке 2. Возникновению АСДУ ЕСГ как системы предшествовал ряд этапов развития, непосредственно связанных с развитием информационных технологий. В настоящее время, в связи с введением политических санкций в отношении России, необходимо уделять особое внимание созданию современного отечественного программного комплекса моделирования на основе научных исследований. 17 Следовательно, можно с полной уверенностью говорить об инновационном характере развития АСДУ. Рисунок 2. АСДУ: проблемы, критерии, анализ информации 1.1. Общая характеристика АСДУ Единой системой газоснабжения и показатели надёжности ГТС В 2017 году ПАО «Газпром» было добыто 471,0 млрд кубометров природного и попутного газа [http://www.gazprom.ru/about/production/extraction/]. Российская Федерация является не только одним из мировых лидеров добычи газа, но лидером в экспорте трубного (сетевого) газа. В соответствии с Федеральным законом от 18 июля 2006 года № 117-ФЗ Об экспорте газа ПАО «Газпром» предоставлено исключительное право на экспорт 18 газа по газопроводам. Закон позволяет проводить скоординированную производственную и маркетинговую политику и является дополнительной юридической гарантией надежности экспорта российского газа. В 2017 году Группа «Газпром» реализовала в страны дальнего зарубежья 242,0 млрд куб. м газа (включает как экспорт газа из Российской Федерации, таки продажу объемов газа, приобретенных Группой за пределами РФ) [http://www.gazprom.ru/about/marketing/europe/]. Учитывая текущие условия и ценовую политику на мировом рынке углеводородов, особенно актуальной становится технологическая и экономическая эффективность ГТС. Основной проблемой ГТС РФ является физическая изношенность системы. Более 15% газопроводов выработали свой ресурс и требуют замены инфраструктуры. Вторая проблема – низкий КПД и старение технологического оборудования. Эти проблемы приводят к значительным потерям газа и завышенному расходу газа на собственные нужды. Для поддержания надлежащего давления в трубопроводах используются компрессорные станции (КС). В состав газотранспортной системы России входят 254 КС с общей мощностью газоперекачивающих агрегатов 46,7 тыс. МВт [http://www.gazprom.ru/about/production/transportation/]. КС являются составной частью магистрального газопровода и предназначены для увеличения его производительности за счет повышения давления газа на выходе станции путем его сжатия с помощью газоперекачивающих агрегатов (ГПА). На компрессорных станциях выполняются следующие технологические процессы очистка газа от жидких и механических примесей, сжатие газа, охлаждение газа после сжатия, измерение, контроль технологических параметров, управление режимом газопровода (выполняется за счет изменений количества и режимов работы ГПА) и т.д. Компрессорная станция – это сложный комплекс технологических объектов. Основным элементом КС является газоперекачивающий агрегат, повышающий давление газа путем его сжатия. 19 Классификация ГПА и характеристики их САУ Газоперекачивающие агрегаты являются технологически активными элементами ГТС, играют важную роль в надежном и эффективном функционировании ГТС и предназначены для компримирования природного газа на компрессорных станциях газопроводов и подземных хранилищ. ГПА состоят из следующих основных элементов, показанных на Рисунке 3: двигателя, компрессора, системы автоматического управления, системы электроснабжения, блока маслообеспечения, системы подвода топливного газа, воздухоочистительного устройства (ВОУ), аппарата воздушного охлаждения масла (АВОМ) топливовоздушных и масляных коммуникаций, вспомогательного технологического оборудования. ГПА различаются по многим признакам по единичной мощности, по типу двигателя газотурбинные, электроприводные, авиаприводные, газомотокомпрессорные), по производительности и т.д. Как правило, единичной мощности ГПА недостаточно для обеспечения нужной степени сжатия и объемной производительности, поэтому в составе компрессорных цехов (КЦ) работают сразу несколько ГПА. КЦ состоит из нескольких газоперекачивающих агрегатов, которые расположены в общих или индивидуальных блоках, а также систем и сооружений, которые обеспечивают его функционирование (устройство подготовки газа, узел подключения, режимные краны, агрегаты воздушного охлаждения газа, система пожаротушения и т.д.). В зависимости от типа привода, компрессора, типа компоновки и назначения поставки (реконструкция или новое строительство, агрегат может исполняться в различных модификациях основных составляющих элементов. Парк ГПА ПАО «Газпром» насчитывает более четырех тысяч агрегатов. Функционирование ЕСГ РФ непосредственно зависит от надежности, качества и условий эксплуатации активных элементов. Основная часть газоперекачивающего оборудования (около 90% мощностей) сосредоточена на линейных КС магистральных газопроводов, 20 9,2% — на промысловых дожимных КС и 1,6% — на КС станций подземного хранения газа. Рисунок 3. Общий вид газоперекачивающего агрегата. Каркас укрытия штатный, ограждающие панели новые Система вентиляции и охлаждения контейнера двигателя Система подготовки воздуха АВОМ Система электроснабжения САУ Двигатель Блок маслообеспе- чения двигателя Система подвода топливного газа Блок подготовки топливного газа принадлежит КС) ВОУ Контейнер двигателя Система выхлопа и утилизации тепла Компрессор 21 В структуре парка ГПА основным является газотурбинный привод — 87,2%, электрический привод составляет 12,3%, газопоршневой привод ограниченно используется на станциях подземного хранения газа (0,5%). Газотурбинные ГПА насчитывают более 60 типов различных производителей, значительная часть агрегатов эксплуатируется более 20 лети нуждается в реконструкции или замене (см. [http://www.turbinist.ru/12878-nauchno- tehnicheskaya-politika-oao-gazprom-v-oblasti-gazoperekachivayuschey-tehniki.html]). ГПА относятся к установкам долговременного использования, общий ресурс наработки которых должен достигать 100 тыс. часов и более. Однако отдельные элементы агрегата могут иметь ограниченный ресурс, например двигатель, лопатки турбины. Ресурс между текущими ремонтами агрегатов, как правило, составляет 12 тыс. ч, между капитальными ремонтами 20-30 тыс. ч. При эксплуатации ГПА должен выполняться ряд экологических требований и стандартов безопасности, таких как пожаробезопасность, ограничение тепловыделений и температур поверхностей, снижение шума, ограничение вредных выбросов. Основными производителями ГПА, включенных в состав ЕСГ РФ являются Сатурн - Газовые турбины НПО Искра, «Искра-Турбогаз», «Искра-Авигаз»; Казанское МПО»; «Самара-Авиагаз»; «Уфа-Авиагаз»; «Siemens AG»; «Solar Turbines, Inc.»; «General Electric». Работа ГПА обеспечивается системой автоматического управления газоперекачивающим агрегатом (САУ ГПА), представляющей собой аппаратно- программный автономно функционирующий комплекс, который обеспечивает выполнение всех необходимых функций по контролю, управлению и регулированию отдельного ГПА: − выполнение и контроль предпусковых операций, пуск − нормальный и аварийный останов − регулирование и контроль параметров − защиту агрегата на всех режимах работы − связь с общецеховой САУ; 22 − взаимодействие с системой диспетчерского управления. САУ ГПА предназначены для работы без какого-либо контроля со стороны человека, полностью автономны и применяются для автоматизации ГПА с различными типами двигателей. Обычно САУ ГПА состоит из следующих компонентов − комплекс технических средств контроля и управления (КСПА) для каждого ГПА; − АРМ оператора на базе ПЭВМ (типовой вариант несколько шт. на компрессорный цех − пульт местного управления для каждого ГПА (ПУ). На Рисунке 4 представлена типовая структурная схема САУ ГПА. Основными производителями САУ ГПА, включенных в состав ЕСГ РФ являются НПФ «Система-Сервис»; «Вега-ГАЗ»; «Калининградгазприбор - автоматика «General Electric»; «Compressor Controls Corporation». Число современных микропроцессорных САУ ГПА, эксплуатируемых на предприятиях ПАО «Газпром», составляет более 35%. Технические условия современных микропроцессорных САУ ГПА определяют назначенный срок службы системы не менее 15 лет, что несколько меньше назначенного срока службы ГПА. По типу отказов ГПА различают механические, электрические отказы, а также отказы системы автоматики. Для ГПА одним из основных показателем надёжности является его безотказная работа в течение установленного периода времени во всем диапазоне режимов работы. Отказы в работе агрегата на КС возникают по разным причинам 1) недостатки в конструкции узла или агрегата - конструктивные отказы 2) нарушения правил технологии изготовления или монтажа агрегата на станции - технологические отказы, 3) эксплуатационные отказы - нарушение правил эксплуатации агрегатов на станции. |