Жандалдаев И.К., Калдарбек М.А., Наурызбаев К.К.
ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОЧИСТКИ И ПОДГОТОВКИ НЕФТИ *
Аннотация:
в работе рассмотрены актуальные задачи управления процессом термохимического обезвоживания нефтяных эмульсий. Проведён всесторонний анализ данного процесса как управляемой системы: выделены ключевые параметры регулирования, а также определена контролируемая величина — остаточное содержание влаги в нефти.Разработана адаптивная система управления, ядром которой служит искусственная нейронная сеть, предварительно обученная на эмпирических данных. Такая модель эффективно воспроизводит поведение объекта в реальных условиях и обеспечивает точное формирование управляющих воздействий.
Ключевые слова:
термохимическое обезвоживание, оптимизация, система управления, подготовка нефти, электродегидраторы, интеллектуальная система
Нефть, поступающая из скважин на месторождениях Казахстана, как правило, содержит значительное количество посторонних примесей — воду, растворённые соли, газы и механические частицы. Для того чтобы привести её в соответствие с технологическими требованиями по содержанию воды и солей, проводится процесс первичной подготовки, включающий обезвоживание и обессоливание. Такой этап называется промысловой подготовкой нефти.Разнообразие физико-химических характеристик добываемой нефти, а также различия в природных и эксплуатационных условиях месторождений обусловили широкий выбор технологических решений и оборудования. В практике используются различные типы установок: термохимические (ТХУ), позволяющие за счёт температуры и химических реагентов разделять фазы, электрообессоливающие установки (ЭЛОУ), применяющие электрические поля для коалесценции эмульсий, а также комплексные установки подготовки нефти, объединяющие несколько процессов в единую технологическую линию.В установках комплексной подготовки нефти (УКПН) помимо стандартных процессов обезвоживания и обессоливания реализуется и стабилизация сырья. Этот этап направлен на удаление из нефти лёгких углеводородных фракций — в первую очередь пропан-бутановых и частично бензиновых — с использованием специализированных стабилизационных колонн. Основу всех процессов переработки нефти и газа, а также производства товарных нефтепродуктов, составляет использование физических и химических методов. К ним относятся, в частности, ректификация, тепломассообмен и другие физико-химические преобразования.В технологической секции 100 реализуются важнейшие стадии подготовки нефти, включающие:- электрообессоливание сырой нефти с целью удаления минеральных примесей и остаточной воды,- атмосферную перегонку, направленную на разделение нефти на фракции в зависимости от температур кипения,- стабилизацию бензиновых фракций, обеспечивающую их безопасное хранение и последующее использование.Каждый из перечисленных блоков выпускается в различных конструктивных вариантах. Диапазоны рабочих температур и давлений также варьируются в широких пределах в зависимости от конкретной технологической схемы.Оптимизация систем автоматизации процесса электродегидрации.Управление подготовкой нефти основано на контроле типовых параметров: расхода, давления, температуры, уровня жидкости, химического состава и других величин. Для этого каждый технологический блок оснащается своим набором КИПиА: датчики давления и температуры, уровнемеры (ёмкостные, ультразвуковые и т.п.), расходомеры, дозирующие насосы реагентов, регулирующие задвижки, приводы насосов и пр. Эти устройства собираются в единую систему, которая непрерывно измеряет ключевые величины и формирует управляющие воздействия. Автоматизированная система управления (АСУ ТП) имеет классическую трёхуровневую архитектуру: нижний уровень – датчики и исполнительные механизмы, средний – контроллеры (ПЛК), осуществляющие регулирование и межблочную логику, и верхний – операторы АРМы/SCADA для диспетчерского контроля и ручного управления.Оптимизация систем управления процессами подготовки нефти: цели и функциональные задачи.В рамках повышения эффективности и надежности промысловой подготовки нефти значительное внимание уделяется созданию локальных автоматизированных систем управления (АСУ) и внедрению современных средств информационно-измерительного контроля. Основные функциональные направления автоматизации подготовки нефти включают:- непрерывный мониторинг ключевых технологических параметров, таких как уровни жидкости, граница раздела фаз, давление, температура, расход и другие показатели, обеспечивающие стабильность работы установки,- автоматическое регулирование параметров технологического процесса с использованием контуров ПИД-регулирования, направленных на удержание рабочих характеристик в заданных пределах,- реализация аварийной сигнализации и противоаварийной автоматики, включая автоматическое срабатывание запорно-регулирующей арматуры при выходе контролируемых параметров за безопасные пределы.Для различных технологических узлов, применяемых в процессе подготовки нефти, характерен строго определённый набор ключевых параметров, подлежащих контролю. Эти параметры являются типовыми, что даёт возможность унифицировать подходы к построению систем автоматизации.Установленные стандартизированные группы параметров позволяют использовать типовые аппаратно-программные комплексы: каждой группе сопоставлен определённый набор датчиков, исполнительных механизмов, преобразователей сигналов, модулей питания и блоков сопряжения. Следует отметить, что в различных нефтегазодобывающих структурах Казахстана технологические схемы могут варьироваться — отличаться числом, типами и последовательностью технологических блоков. В связи с этим структура сбора и обработки информации строится на принципах гибкой классификации сигналов от первичных измерительных средств.Такое структурирование позволяет эффективно распределять потоки данных между контроллерами и автоматизированными рабочими местами операторов (рисунок 1), обеспечивая надежный контроль технологических режимов, своевременное реагирование на отклонения и защиту оборудования от нештатных ситуаций.Адаптивная система управления процессом термохимическоюобезвоживания.Объект автоматизации представлен термохимической установкой, предназначенной для снижения водосодержания в нефтяных эмульсиях. Конфигурация комплекса включает агрегат дозирования химического реагента (деэмульгатора), блок тепловой подготовки эмульсии и дегидрационный модуль. Такой технологический узел может функционировать как самостоятельная единица, либо входить в состав более крупного комплекса по подготовке сырья к транспортировке и переработке.На большинстве объектов промысловой подготовки нефти применяются локальные автоматизированные подсистемы, направленные на стабилизацию основных параметров технологического процесса — таких как температура, уровень, давление и расход. Эти решения соответствуют текущим требованиям эксплуатации, но не охватывают задачи обеспечения качества конечного продукта.В схеме предусмотрена интеграция следующих элементов мониторинга и управления:FIT — расходомер, фиксирующий объём подаваемой эмульсии,TIT — температурные сенсоры, контролирующие тепловой режим до и после подогрева,WT — влагомеры, оценивающие степень обезвоживания потока,БДР — система дозированной подачи реагента-деэмульгатора,ПЛК — программируемый логический контроллер, обеспечивающий реализацию управляющих алгоритмов и логики обработки сигналов.Особо следует отметить, что автоматические контуры управления качественными характеристиками нефти — в частности остаточным содержанием воды — либо отсутствуют, либо реализованы в ограниченном виде. Основной объём задач по контролю качества по-прежнему ложится на операторский персонал, который, действуя в условиях высокой нагрузки и ограниченного времени, часто принимает решения на основе приблизительных оценок.Это приводит к энерго- и ресурсным потерям, а также снижает стабильность качества продукции.В связи с этим предлагается переход к интеллектуальной системе управления, основанной на использовании искусственной нейронной сети (ИНС). Такая система способна выступать в роли адаптивной математической модели управляемого объекта, принимая на вход значения фактического и требуемого содержания воды в нефти, температурные и расходные параметры. На этой основе ИНС самостоятельно генерирует управляющие воздействия, подаваемые на исполнительные механизмы, без участия оператора.Рисунок 1. Структура управления на основе контроллеров.Рисунок 2. Принципиальная схема обезвоживания нефти.Внедрение интеллектуальных алгоритмов позволяет:- автоматизировать управление сложными нелинейными процессами,- обеспечить высокоточную адаптацию к изменяющимся условиям работы,- повысить уровень энергоэффективности и экономичности за счёт оптимизации дозирования реагентов и тепловой энергии,- минимизировать влияние человеческого фактора и исключить ошибки при управлении качественными характеристиками нефти.Таким образом, предложенная концепция ИНС-управления открывает путь к промышленной цифровизации подготовки нефти, позволяя перейти от классических подходов к более гибким, интеллектуальным и самообучающимся системам управления.В предлагаемой системе интеллектуального управления в качестве математической модели используется искусственная нейронная сеть (ИНС), реализующая прогнозирующую и управляющую функцию в процессе термохимического обезвоживания нефтяных эмульсий.На вход нейросетевой модели подаются:- расчетное время отстаивания эмульсии, определяемое в зависимости от свойств смеси,- управляющие параметры: расход химического деэмульгатора и температура термической обработки.Рисунок 3. Структурная схема управления процессом обезвоживания.На основе этих входных воздействий ИНС генерирует отклик, который используется регулятором для определения оптимальных значений управляющих воздействий. Эти значения затем передаются на объект управления — установку термохимического обезвоживания.В схеме предусмотрена адаптивная обратная связь, реализуемая с помощью механизма корректировки параметров управления. Регуляторы расхода и температуры динамически подстраиваются с учетом:- -реакции как нейросетевой модели, так и физического объекта на управляющие воздействия, данных, полученных в результате прямого измерения (например, температуры, расхода) и косвенного расчета технологических переменных,- сигналов от установленных датчиков и вычислительных модулей.Особенностью архитектуры является параллельное включение модели ИНС к реальному объекту, что позволяет сравнивать выходные параметры установки и нейросети в установившемся режиме. Разность между ними используется для адаптивной коррекции управляющих воздействий. Программно-логический блок автоматически увеличивает или уменьшает значения расхода реагента и температуры нагрева в зависимости от этой разницы, поддерживая оптимальный режим обезвоживания.Адаптационный механизм таким образом обеспечивает не только гибкость и устойчивость системы к изменяющимся условиям, но и настраиваемость на основе реальных производственных данных, в том числе при наличии нелинейных и многосвязных зависимостей между параметрами.Выходными управляющими воздействиями являются:- откорректированное значение расхода деэмульгатора,- оптимизированное значение температуры термического воздействия.Целевым выходным параметром объекта управления выступает измеряемое значение остаточной обводнённости нефти на выходе из дегидрационного аппарата. Минимизация этого значения при сохранении энергоэффективности и стабильности процесса является основной задачей интеллектуальной системы управленияЗаключение.Предложен инновационный подход к автоматизации процесса термохимического обезвоживания нефтяных эмульсий с использованием искусственной нейронной сети. Модель генерирует управляющие сигналы на основе анализа текущих параметров: расхода, температуры и содержания воды в сырье.Система адаптируется к изменяющимся условиям и обеспечивает точное управление качеством подготовки нефти. Она может быть внедрена как в существующие, так и в проектируемые установки, учитывая особенности обрабатываемых эмульсий.Разработка легко интегрируется в общую автоматизированную систему подготовки нефти, охватывая процессы обезвоживания, обессоливания, нагрева и перекачки.
Номер журнала Вестник науки №6 (87) том 1
Ссылка для цитирования:
Жандалдаев И.К., Калдарбек М.А., Наурызбаев К.К. ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОЧИСТКИ И ПОДГОТОВКИ НЕФТИ // Вестник науки №6 (87) том 1. С. 1918 - 1927. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23811 (дата обращения: 15.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+