Целью исследования является разработка цеховой системы автоматизированного управления турбомеханизмами, обеспечивающей требуемые выходные параметры цеха при заданной производительности.Такая цеховая система обеспечит оптимальное управление и минимум затрат на перекачку газа, воздуха, воды и т.д. и позволит сократить затраты по эксплуатации таких дорогостоящих объектов.

    Фирмой разработана система управления и противопомпажного регулирования для компрессорной станции подземного хранения газа (СПХГ) Бильче-Волица, ДП Львовтрансгаз, АО «УКРГАЗПРОМ».
СПХГ Бильче-Волица подключена к двум газопроводам с давлением соостветственно 56 кГ/см2 и 76 кГ/см2 и включает в себя 5 компрессорных цехов (КЦ). ГПА, входящие в одну группу, работают параллельно между собой. Группы в каждом КЦ могут работать как параллельно (параллельная работа ГПА), так и последовательно между собой (параллельно-последовательная работа ГПА). При параллельно-последовательной работе ГПА группы образуют соответственно первую и вторую ступени сжатия цеха. Каждый нагнетатель оснащен клапаном горячей рециркуляции – антипомпажным клапаном (АПК). Система работает совместно с существующими САУ ГПА. Обмен сигналами между Системой управления и противопомпажного регулирования и САУ ГПА производится через блоки сопряжения. Система предназначена для повышения эффективности, надежности и экономичности работы СПХГ.

Система решает следующие задачи :

-Стабилизация одного, а при необходимости двух или более регулируемых технологических параметров СПХГ, таких как расход газа, выходное давление или входное давление (при условии их совместимости).

-При необходимости стабилизация регулируемых параметров независимо управляемых компрессорных цехов или групп компрессорных цехов.

-Распределение нагрузки между параллельно, последовательно и последовательно-параллельно работающими группами нагнетателей или КЦ.

-Распределение нагрузки между параллельно работающими ГПА.

-Регулирование частоты вращения нагнетателей с учетом распределения нагрузки между компрессорными цехами и нагнетателями.

-Предельное регулирование ограничиваемых параметров КЦ с целью ограничения мощности газотурбинног о привода.

-Предельное регулирование ряда параметров ГПА с целью ограничения мощности газотурбинного привода:

1) температуры продуктов сгорания (верхний предел);

2) частоты вращения нерегулируемых валов (верхний и нижний пределы);

3) давления воздуха за осевым компрессором (верхний предел);

4) приемистости.

-Противопомпажное регулирование нагнетателей на всех режимах работы ГПА путем управления агрегатным АПК с корректировкой при необходимости частоты вращения нагнетателей.

-Автоматическое перемещение линии настройки модуля противопомпажного регулирования навстречу перемещению рабочей точки нагнетателя в зависимости от скорости перемещения рабочей точки.

-Предельное ограничение регулируемого давления на входе и выходе компрессорного цеха.

-Обмен информацией (при необходимости) с системами управления верхнего уровня через порты последовательной цифровой связи.

-И другие.

Система управления и регулирования СПХГ выполнена на трех уровнях: агрегатном, цеховом и станционном. Агрегатный уровень управления обеспечивает:

1)регулирование параметров режима ГПА в пределах заданных ограничений;

2) предотвращение помпажа нагнетателя;

3)задание режима ГПА;

4)участие в автоматическом пуске и останове ГПА;

5)автоматический ввод ГПА в Магистраль и вывод из нее.

Цеховой уровень управления (уровень управления группы ГПА) обеспечивает:

1)управление ГПА цеха по заданию станционного (либо цехового) уровня;

2)распределение в заданном соотношении нагрузки между ГПА;

3)связь с системой верхнего уровня.

Станционный уровень управления обеспечивает:

1)поддержание заданного значения регулируемого параметра СПХГ (группы КЦ);

2)формирование структуры системы управления и противопомпажного регулирования в соответствии с гидравлическими связями внутри СПХГ (группы КЦ), если в зависимости от режима работы СПХГ эти связи могут иметь различную конфигурацию;

3)распределение в заданном соотношении нагрузки между цехами СПХГ.

Однако из проанализированной документации по данной системе трудно определить, какими методами достигаются цели, какие используются критерии эффективности работы данной системы и принципы.

Газокомпрессорная станция система КС "Алмазная", входящая в ДП "ПермТрансГаз", при создании которой были использованы самые современные программно-аппаратные средства и технологии. Сначала отметим некоторые особенности ее создания. В качестве базовых программно-аппаратных средств разработчики системы выбрали такие, которые позволяли использовать единую сквозную технологию её проектирования. При этом применялись самые современные инструментальные программные пакеты, позволяющие, по мнению авторов, практически полностью уйти от старых, рутинных, требующих серьезных затрат на отладку конечной системы методов традиционного программирования.

Основные компоненты системы автоматизации:

-На "нижнем" уровне (ввод/вывод) применялись контроллеры фирмы PEP (Германия) в двух вариантах: на базе стандарта VME и типа IUC.

-Базовым программным обеспечением для контроллеров служила операционная система реального времени OS-9.

-Все контроллеры программировались с помощью программного пакета ISaGRAF, полностью реализующего стандарт МЭК 1131-3 на программирование логических контроллеров.

-В качестве промышленных сетей использовались сети ProfiBus (одна из наиболее динамично развивающихся) и ModBus.

-На "верхнем", диспетчерском, уровне были установлены IBM-совместимые персональные компьютеры, работающие в среде WINDOWS.

Для создания прикладной программы автоматизированного рабочего места (АРМ) диспетчера использовался один из наиболее мощных и гибких SCADA-пакетов – пакет InTouch фирмы Wonderware. Для предоставления возможности выхода APM'a сменного инженера (APM'a диспетчера) непосредственно в промышленную сеть ProfiBus был использован адаптер производства фирмы Сименс. В качестве Локальной Вычислительной Сети была выбрана сеть Ethernet. Обмен данными по Ethernet между цеховыми узлами системы осуществлялся с помощью программного пакета PCLink, реализующего DDE-интерфейс между операционными системами OS-9 и WINDOWS.

Функциональные возможности системы:

Небольшим коллективом разработчиков за один год была проделана работа, еще недавно требующая трудозатрат целых отделов программистов, инженеров, технологов и т.д. Итогом этой работы явилась система автоматизации компрессорного цеха СА КЦ, которая обеспечила эффективный контроль и управление технологическим оборудованием, существенно снизила затраты ручного труда, обеспечила эффективное техническое и информационное взаимодействие с верхним уровнем управления (ДП КС), обеспечила вышестоящие системы управления достоверной и оперативной информацией.

Возможности системы позволяют осуществлять и обычный мониторинг технологических процессов, и управление всем оборудованием (краны, задвижки и т.д.), конструкция которого это предусматривает. В системе реализованы даже алгоритмы автоматического запуска и остановки цеха. При этом ядром большого набора функций являются обязательные для аналогичных систем возможности:

-прием, обработка и передача информации из/в контроллеры "нижнего" уровня,

-решение всех задач человеко-машинного интерфейса,

-ведение и анализ архивов,

-ведение и анализ аварийных трендов,

-обмен информацией с вышестоящим уровнем (уровнем станции),

-создание всех необходимых эксплуатационному персоналу отчетных документов,

-решение задач, связанных со всеми аварийными и предупредительными сигналами в системе,

Расширение стандартных для отрасли функций СА КЦ осуществлено за счет реализации различных алгоритмов управления, выполнения расчетных задач в оперативном режиме, частичного резервирования функций цехового контроллера и APM'a сменного инженера и т.д.

Уровни построения системы:

По логике работы система разделена на два уровня – цеховой и уровень технологического оборудования, причем один из контроллеров второго уровня имеет непосредственный выход на агрегатную автоматику.

В данной документации показаны только технические характеристики и параметры системы, но не рассмотрены применяемые методы и принципы работы системы.

Предлагаемые технические решения основаны на логистике и дают возможность значительно увеличить безопасность эксплуатации, производительность, быстродействие систем регулирования, управления и обеспечить при этом максимальную экономичность газовых компаний.

Предложения специалистов ОАО «Газпром» состоят в использовании математического метода нахождения экстремума функции для решения логистических задач газовых компаний. Созданная на основе предлагаемого метода обработки информации система названа Системой Экстремально Экономного Регулирования (SEER&C) и является, по мнению авторов, технической основой ЛИС.

Суть технических предложений

Экономичность работы всех газоперекачивающих агрегатов, используемых на газопроводах для транспорта газа, существенно зависит от выбранного режима работы.

В данной работе показывается, что при совместной работе ГПА в разных способах включения, существуют такие сочетания режимов работы в каждом из указанных случаев, при котором затраты будут минимальны. Т.е. при изменении режимов работы существует экстремум, как при параллельном, так и при последовательном включении. Это относится не только к ГПА, а к участкам газопровода и целым газопроводам.

Таким образом, для обеспечения максимально экономного режима работы групп параллельно или последовательно соединенных ГПА, участков газопровода и целых газопроводов, специалисты считают, что достаточно обеспечить их работу на таких сочетаниях режимов, которые соответствуют в каждых конкретных условиях эксплуатации точке экстремума по затратам. Такое регулирование в дальнейшем называется экстремально экономным.

Теоретически эти геометрические построения можно использовать для определения точек экстремально экономных режимов совместной работы для любых групп последовательно и параллельно включенных ГПА, КЦ, КС, участков газопроводов, целых газопроводов и их сетей. Но практически эта задача становится трудно выполнимой уже при определении экстремально экономных режимов для трех совместно работающих параллельно или последовательно включенных ГПА и совершенно невыполнимой для более сложных систем.

Для решения проблемы экстремально экономного регулирования трубопроводных систем любой сложности авторы определили математическую зависимость для определения такого распределения нагрузки для последовательно и параллельно соединенных ГПА, КЦ, КС, участков газопровода, целых газопроводов и их сетей, при котором будет обеспечен минимум затрат на транспорт газа через эти объекты регулирования во всех реально существующих условиях эксплуатации и с обеспечением всех известных пределов регулирования.

Для этого они определили условия обеспечения экстремума затрат для указанных выше условий.

1)Разработка модели цеха и анализ характеристик при различных схемах соединения ГПА.

2)Выбор оптимального варианта схемы соединения и задание скорости для соответствующих ГПА, исходя из выбранного критерия эффективности в соответствии с заданием на выходные параметры.

3)Разработка и организация системы передачи данных внутри цеха к управляющей ЭВМ и от цехового регулятора к ГПА.

1.Обоснование критерия эффективности цеховой схемы соединения агрегатов при выполнении производственного задания.

2.Методы оптимизации работы цеха по выбранному критерию.

Исследования по данной теме были представлены на «Дне науки» на кафедре Автоматизированных Систем Управления. Также подготовлена научная статья к публикации на тему "Основные принципы построения энергосберегающей АСУ компрессорного цеха", которая издана в тематическом журнале "Вестник кафедры "Электротехника" по результатам научной деятельности студентов.2005г."

Рассмотрим объект исследования – группа турбомеханизмов, работающие на общую сеть. Цех турбоагрегатов (компрессорный цех, газоперекачивающая станция) включает в себя ряд агрегатов ГПА, работающих на общую сеть. В зависимости от характеристики сети, требуемых параметров на выходе изменяется схема соединения и количество работающих агрегатов. На рисунке 1 представлены основные виды схем соединения агрегатов, но могут быть использованы также их модификации в соответствии с производственным заданием и выбранным критерием.

Каждый агрегат имеет агрегатную систему автоматического управления, обеспечивающую поддержание заданной частоты вращения, функции защиты, контроля и диагностики на уровне отдельного агрегата. Изменение схемы включения агрегатов обеспечивается соответствующими кранами (задвижками), управляемыми вручную или с помощью соответствующего привода.

Схема соединения агрегатов, задание соответствующей скорости для соответствующих агрегатов определяется цеховой системой регулирования с управляющей ЭВМ верхнего уровня у диспетчера.

Рисунок 1 – Основные виды схем соединения агрегатов
(рисунок анимирован, ГПА – газоперекачивающий агрегат)

Компрессорный цех включает в себя ряд агрегатов, работающих на общую сеть. При этом для обеспечения заданной производительности (расхода и давления) используют параллельное (для увеличения расхода), последовательное (для увеличения степени сжатия – повышения давления) или смешанное соединение отдельных агрегатов (А). Управление осуществляется на двух уровнях: агрегатном и цеховом. Цеховая АСУ, исходя из задания, текущего состояния агрегатов, параметров перекачиваемого газа, определяет схему соединений агрегатов, формирует задание частоты вращения на каждый агрегат.

Рассмотрим решение задачи для трех агрегатов, которые включены параллельно. Характеристики агрегатов с учетом их текущего состояния приведены на рис.1. По оси абсцисс характеристик – приведенная производительность ГПА Qпр в м3/мин. По оси ординат – степень повышения давления от до и эффективный КПД (учитывающий все энергетические потери в нем) от до .

Характеристики каждого агрегата также содержат:

- линии постоянных относительных приведенных оборотов от до ;

-график эффективного КПД;

- линию запаса по помпажу, ограничивающую зону устойчивой работы;

Рисунок 2 – Характеристики агрегатов

При параллельном соединении степень повышения давления для всех агрегатов одинакова. Исходя из этого на рис.1 проведены линии постоянной степени повышения давления для значений .Рабочий диапазон приведенной производительности для каждого агрегата определяется пересечением линии постоянной степени повышения давления (например ) границы запаса по помпажу в точке Аi и линии максимальных постоянных относительных приведенных оборотов в точке Вi. Здесь и ниже i – номер агрегата.

Суммарная приведенная производительность при работе группы, состоящей из двух параллельно включенных агрегатов (№ 1 и № 2) будет находиться в интервале от до . Эти величины могут быть определены следующим образом: , . Соответственно, суммарная приведенная производительность при работе группы, состоящей из трех параллельно включенных ГПА (№ 1, № 2 и № 3) будет находиться в интервале от до . Эти величины могут быть определены следующим образом: .

Результаты расчетов приведены в табл.1.

Таблица 1– Распределение рабочих диапазонов группы агрегатов

1,4	264,29	492,86	257,14	478,57	232,14	457,14	521,43	971,43	753,57	1428,57
1,45	271,43	507,14	260,71	478,57	235,71	467,86	532,14	985,71	767,85	1453,57
1,5	278,57	500,00	264,29	479,00	242,86	446,43	542,86	979,00	785,72	1425,43

По результатам расчетов, приведенным в табл.1, построено графическое изображение областей рабочих диапазонов совместной работы групп параллельно включенных ГПА во всем диапазоне суммарных производительностей. Они приведены на рис. 2.

Рисунок 3. Области рабочих диапазонов совместной работы групп агрегатов

Рис.2 показывает, что для части областей рабочих диапазонов возможно регулирование производительности и степени повышения давления путем изменения режимов работы А. Это области II, IV, V и VI. Для ряда областей рабочих диапазонов регулирование производительности и степени повышения возможно не только путем изменения режимов работы А, но и путем перепуска части сжатого газа обратно на вход А – области I, III. Такие режимы вследствие их низкой экономичности обычно используют только при переходе с одного режима без перепуска к другому. И в областях V и VI – имеется возможность использовать для регулирования производительности и степени повышения давления наряду с изменением режимов работы изменения количества А.

Можно предположить, что при совместной работе агрегатов существуют такие сочетания режимов работы в каждом из рассмотренных выше случаев, при котором затраты будут минимальны. При этом экономичность может оцениваться через КПД или по затратам топливного газа. Таким образом, можно сформулировать задачу дальнейших исследований – нахождения распределения нагрузки между агрегатами с учетом их текущих характеристик исходя из минимума затрат.

Ожидаемые результаты:

Рассмотрим научно-практические результаты:

Повышение эффективности функционирования цеха за счет оптимизации управления по выбранному критерию при условии выполнения производственного задания и безотказной работы всех ГПА системы.

Теоретические результаты:

1.Усовершенствование методов автоматического управления сложными агрегатными системами.

2.Усовершенствование методов моделирования и оптимизации работы цехового оборудования.

1. Шавёлкина А.А., магистрант. Доклад по теме "Цеховая система автоматизированного управления турбомеханизмами"

2. Логистика: Учеб. пособие / Под ред. Б.А.Аникина. - М.: ИНФРА-М, 1997. -стр. 138

3. Современные цеховые системы автоматизации газокомпрессорных станций Р.Я. Берман, Р.Л. Вишнепольский, ДАО "ГАЗАВТОМАТИКА", С.В. Кабаев, B.C. Тимофеев, АО РТСофт, Москва

4. ССС № 7241 RBG – 1 АО Укргазпром СПХТ Бильче-Волица Октябрь 1996

5. Александров А.В. Надежность систем дальнего газоснабжения. М., «Недра», 1976.

6. Завальный П.Н. «Оптимизация работы сложной газотранспортной системы», М.: “Газовая промышленность” № 9, 2009 г., с. 56-59.

7. Козаченко А.Н., Лопатин А.С., Никишин В.И., Поршаков Б.П. “Снижение энергозатрат при транспортировании газа”, М.: “Потенциал” Производственно-технический журнал, № 1, 2001 г, с. 33-35.