Нейросетевая система управления процессом термохимического обезвоживания нефтяных эмульсий
 Скачать 4.35 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» На правах рукописи Артюшкин Илья Вячеславович НЕЙРОСЕТЕВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ Специальность: 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Рогачев Геннадий Николаевич Самара 2018 2 Введение ........................................................................................................................... 5 1 Общая характеристика процессов подготовки нефти при добыче ....................... 11 1.1 Районы нефтедобычи в России ...................................................................... 11 1.2 Схемы сбора нефти ......................................................................................... 12 1.3 Типы нефтей .................................................................................................... 14 1.4 Процессы подготовки нефти .......................................................................... 17 1.5 Природа образования водонефтяных эмульсий........................................... 20 1.6 Обезвоживание нефти. Механизм процесса разделения нефтяных эмульсий ................................................................................................................. 22 1.7 Принцип работы нефтяного сепаратора ....................................................... 25 1.7.1 Общие сведения ....................................................................................... 25 1.7.2 Механический способ разделения нефтяной эмульсии ....................... 26 1.7.3 Термический способ разделения нефтяной эмульсии ......................... 27 1.7.4 Химический способ разделения нефтяной эмульсии ........................... 27 1.7.5 Термохимический способ разделения нефтяной эмульсии ................. 28 1.7.6 Электрохимический способ разделения нефтяной эмульсии ............. 28 1.8 Конструкции аппаратов .................................................................................. 29 1.9 Аппараты нагрева ............................................................................................ 32 1.10 Предпосылки создания системы автоматического управления ............... 35 1.11 Выводы по главе ............................................................................................ 37 2 Моделирование процессов обезвоживания нефти .................................................. 39 2.1 Термохимический метод разрушения водонефтяной эмульсии ................ 39 2.1.1 Общие сведения ....................................................................................... 39 2.1.2 Деэмульгаторы ......................................................................................... 40 2.2 Разработка модели процесса .......................................................................... 43 2.2.1 Моделирование ........................................................................................ 43 2.2.2 Источник данных ..................................................................................... 43 2.2.3 Нейросетевое моделирование ................................................................. 47 2.3 Формирование обучающей выборки ............................................................. 51 3 2.4 Варианты построения нейросетевой модели ............................................... 55 2.5 Обучение нейронной сети .............................................................................. 58 2.5.1 Постановка задачи обучения нейронной сети ...................................... 58 2.5.2 Метод градиентного спуска .................................................................... 59 2.5.3 Метод Левенберга - Марквардта ............................................................ 60 2.5.1 Практическая реализация ........................................................................ 61 2.6 Сравнение с другими методами моделирования ......................................... 71 2.7 Применение способа построения модели для нефтей различных месторождений ...................................................................................................... 74 2.8 Выводы по главе .............................................................................................. 75 3 Система автоматизированного управления ............................................................. 78 3.1 Технологический комплекс термохимического обезвоживания ............... 78 3.2 Блок дозирования реагента ............................................................................ 79 3.3 Блок нагрева ..................................................................................................... 80 3.3.1 Варианты реализации .............................................................................. 80 3.3.2 Рекуперативный нагрев ........................................................................... 80 3.3.3 Электрические нагреватели .................................................................... 81 3.3.4 Печи нагрева ............................................................................................. 81 3.4 Аппарат обезвоживания ................................................................................. 82 3.5 Автоматизированное управление объектом с неопределенностями ......... 84 3.6 Процесс термохимического обезвоживания нефтяных эмульсий как многомерный многосвязный нелинейный объект управления ........................ 86 3.7 Автоматизированная система с адаптацией к входному воздействию ..... 87 3.8 Контуры адаптации ......................................................................................... 93 3.8.1 Первый контур адаптации ....................................................................... 93 3.8.2 Второй контур адаптации........................................................................ 94 3.8.3 Третий контур адаптации ........................................................................ 99 3.8.4 Общая структура системы ....................................................................... 99 4 3.9 Моделирование адаптивной системы управления процессом термохимического обезвоживания нефтяной эмульсии ................................. 101 3.10 Алгоритм управления ................................................................................. 105 3.11 Исследование динамики процесса ............................................................ 107 3.12 Выводы по главе .......................................................................................... 113 4 Техническая реализация .......................................................................................... 114 4.1 Технологический комплекс обезвоживания нефти ................................... 114 4.1.1 Общая структура .................................................................................... 114 4.2 Техническое обеспечение ............................................................................. 117 4.2.1 Общие требования ................................................................................. 117 4.2.2 Требования к датчикам .......................................................................... 117 4.2.3 Требования к ПЛК ................................................................................. 118 4.2.4 Требования к операторской панели управления ................................ 118 4.2.5 Требования к БДР по управляемости с верхнего уровня. ................. 119 4.3 Экономическая эффективность ................................................................... 120 4.4 Выводы по главе ............................................................................................ 122 Заключение .................................................................................................................. 123 Список сокращений и условных обозначений ......................................................... 125 Библиографический список........................................................................................ 126 Приложение А Сведения о внедрении результатов работы ................................... 134 5 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования. Нефтегазовый сектор играет важную роль в экономике Российской Федерации. Продажи углеводородов по состоянию на 2016 год составляют по разным оценкам от 8 до 9 процентов ВВП, а также от 40 до 50 процентов доходов бюджета. Нефтедобыча даёт нашей стране сырьё для изготовления многих товаров химической промышленности, а также для использования в мировой торговле. Россия занимает одно из лидирующих мест в мире по добыче сырой нефти, обладая 9 процентами мировых запасов нефти, первое место в мире по запасам (30 процентов) и первое место по добыче природного газа, а также обеспечивает 12 процентов мировой торговли нефтью и 25 процентов мировой торговли природным газом. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г № 1715-р была утверждена энергетическая стратегия России на период до 2030 года [62], в которой приоритетными направлениями являются: наращивание объемов разведки и добычи нефти, увеличение доли экспорта продуктов глубокой переработки нефти и газа по сравнению с долей сырьевого экспорта, а также увеличение объёмов переработки нефти внутри страны. Для обеспечения выполнения этих планов государством предусмотрена Стратегия научно-технологического развития России в 2018-2024 гг. [52], которая устанавливает приоритетные направления научно-технологического развития: интеллектуализация производства, переход к цифровым технологиям; создание систем искусственного интеллекта, машинного обучения и обработки больших объемов данных; повышение результативности добычи и совершенствование технологий переработки нефти и газа. 6 В процессе добычи нефти одним из основных процессов является отделение извлечённой из продуктивного пласта нефти от воды, так как это позволяет: снизить нагрузку и уменьшить затраты электроэнергии на насосное оборудование; предотвратить коррозию оборудования из-за растворённых в воде солей. Помимо этого актуальность исследования обусловлена широким распространением малолюдных или безлюдных технологий на объектах добычи нефти [22]. Степень разработанности темы исследования. Исследования проблем, связанных с обезвоживанием нефтяных эмульсий и технология этих процессов описаны в работах отечественных учёных, в их числе: А.П. Верёвкин, А.Г. Лютов, А.Г. Рзаев, Г.Н. Позднышев, Д.Н. Левченко, В.М. Голицын, В.С. Путохин, В.П. Тронов, В.Д. Рябов, Ю.А. Закожурников, А.Е. Бортников, К.Е. Кордик, А.В. Савиных, А.С. Ницин, О.А. Гумовский, Ю.Д. Земенков. Исследования, посвященные способам управления и автоматизации процессов обезвоживания нефтяных эмульсий отражены в работах: В.И. Логинова, Е.Б. Андреева, А.М. Черека, Ф.М. Абдуллаева, И.Д. Ельцова. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности процесса термохимического обезвоживания нефти за счёт применения адаптивной автоматизированной системы регулирования с нейросетевой математической моделью процесса. Основные задачи исследования: 1. Исследование технологического процесса термохимического обезвоживания нефтяных эмульсий как многомерного многосвязного нелинейного объекта управления. 2. Разработка параметрически идентифицируемой нейросетевой математической модели процесса, связывающей результирующую обводнённость нефти с количеством реагента–деэмульгатора, температурой нагрева и временем обработки. 7 3. Разработка адаптивной системы управления процессом термохимического обезвоживания нефтяной эмульсии с эталонной моделью в виде нейронной сети. 4. Оценка эффективности адаптивной системы управления процессом термохимического обезвоживания нефтяных эмульсий по технико- экономическим показателям. Научная новизна полученных результатов: 1. Предложен способ построения модели процесса термохимического обезвоживания, отличающийся инвариантностью к технологии обезвоживания нефти. 2. Разработана обучаемая на расширенном массиве экспериментальных данных лабораторных исследований численно-аналитическая модель процесса термохимического обезвоживания нефтяных эмульсий в виде искусственной нейронной сети, отличающаяся учетом величины времени отстаивания. 3. Разработана система управления процессом обезвоживания нефти, отличающаяся наличием нейросетевой эталонной модели и трех контуров адаптации модели и управляющего воздействия (расход реагента-деэмульгатора) к внешним возмущениям. Теоретическая значимость работы: 1. Выполнена задача исследования и описания процесса термохимического обезвоживания как многомерного многосвязного нелинейного объекта управления. 2. Выполнены задачи разработки модели процесса в виде искусственной нейронной сети, расширения набора обучающих данных для адекватного их представления нейронной сетью, определения архитектуры нейросетевой модели, эффективного метода обучения. 3. Разработана адаптивная система управления процессом термохимического обезвоживания нефтяной эмульсии с эталонной моделью в 8 виде нейронной сети, отличающаяся наличием трех контуров адаптации к внешним возмущениям. Практическая значимость работы: 1. Создан программный комплекс для управления процессом термохимического обезвоживания нефти, адаптируемый к свойствам добываемой нефти по технико-экономическим показателям. 2. Расчеты экономической эффективности показали экономию расхода реагента–деэмульгатора при сохранении качества обезвоживания. 3. Результаты могут служить основой для разработки универсального программно-технического комплекса подготовки нефти, включающего обезвоживание, обессоливание, сероочистку и другие процессы. Методология и методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории автоматического управления, теории адаптивного управления, методы идентификации и аппроксимации моделей объектов управления. Численное решение задач осуществлялось на основе методов математического и компьютерного моделирования в программном комплексе MATLAB/Simulink. Положения, выносимые на защиту: 1. Описание технологического процесса термохимического обезвоживания нефти как многомерного многосвязного нелинейного объекта управления с транспортным запаздыванием на величину времени обработки водонефтяной эмульсии реагентом–деэмульгатором. 2. Способ построения модели многомерного многосвязного объекта управления с использованием искусственной нейронной сети, отличающийся инвариантностью к технологии обезвоживания нефти. 3. Модели зависимости эффективности обезвоживания от входных воздействий на нефти месторождений различных географических регионов в виде искусственной нейронной сети. 9 4. Система адаптивного управления процессом термохимического обезвоживания с эталонной моделью в виде нейронной сети и тремя контурами адаптации модели и управляющего воздействия (расход реагента-деэмульгатора) к внешним возмущениям. 5. Программно-технический комплекс, реализующий систему адаптивного управления процессом термохимического обезвоживания в режиме реального времени. Степень достоверности диссертационного исследования обоснована аттестованными способами получения экспериментальных данных, корректностью используемого математического аппарата для расчетов, учетом физико-химических свойств исследуемого процесса. Апробация результатов. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались на научно-практических, научно- технических Всероссийских и международных конференциях. Основные результаты работы были доложены на IV конкурсе научно- технических работ молодых специалистов АО «Зарубежнефть» и награждены дипломом за победу в секции «Технологии проектирования и обустройства месторождений» в 2016 году. Результаты диссертационных исследований докладывались на 73-й международной молодежной научной конференции «Нефть и газ - 2017» и были отмечены дипломом за II место в секции «Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовой отрасли». Результаты исследований Артюшкина И.В. одобрены на заседании научно- технического совета АО «Гипровостокнефть» и рекомендованы к проведению опытно-промышленных испытаний, что подтверждается протоколом заседания от 25.04.2017. Полученная модель процесса разделения эмульсии и система управления были одобрены к внедрению на установке предварительного сброса воды Пашкинского месторождения. 10 Результаты исследования используются в учебном процессе на кафедре «Автоматика и управление в технических системах» в курсах «Теория автоматического управления», «Оптимальное и адаптивное управление», «Проектирование систем автоматизации и управления», курсовом проектировании. Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ, из них 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК, в том числе 1 – в издании, включенном в международную базу цитирования Scopus. Структура и объем работы. Полный объем диссертационной работы составляет 136 страниц печатного текста и содержит введение, четыре раздела, выводы по работе, список используемой литературы и 1 приложение. Основная часть диссертации содержит 53 рисунка и 18 таблиц. Список использованных источников содержит 72 наименования. 11 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ ПРИ ДОБЫЧЕ 1.1 Районы нефтедобычи в России Западная Сибирь является центром нефтегазодобывающей промышленности России. Основные регионы – это Ханты-Мансийский автономный округ и Ямало-Ненецкий автономный округ. Около 30% нефтедобычи России приходится на европейскую часть. Это Татарстан, Башкортостан, Самарская и Оренбургская области. В последние годы объем добываемой нефти и газа в России растет [45]. В настоящее время активно идёт поиск новых месторождений нефти на территории России и на шельфе, хотя 80% месторождений были известны ещё во времена СССР. В большинстве существующих месторождениях уровень добычи падает. Прирост динамики добычи показывает только территория Татарстана. Основные регионы нефтедобычи с их климатическими условиями приведены в таблице 1.1 [42]. Таблица 1.1 – Регионы нефтедобычи с климатическими условиями |