ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК УСТАНОВКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СЕПАРАЦИИ ГАЗА КАК ИНСТРУМЕНТ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

АННОТАЦИЯ

В работе рассматриваются подходы к повышению устойчивости технологического процесса низкотемпературной сепарации природного газа на основе применения концепции цифрового двойника. Обосновывается актуальность внедрения предиктивных методов управления в составе АСУ ТП. Предложен подход к построению цифрового двойника установки низкотемпературной сепарации газа, ориентированного на прогнозирование давления и формирование рекомендаций по корректировке уставок регуляторов.

Ключевые слова: цифровой двойник, низкотемпературная сепарация, АСУ ТП, ПИД-регулятор, прогнозирование.

1. Современные подходы к повышению эффективности и надежности нефтегазодобывающих предприятий

Современное развитие нефтегазовой отрасли характеризуется активным внедрением цифровых технологий, автоматизированных систем управления и интеллектуальных методов анализа производственных данных. В условиях усложнения технологических процессов добычи и подготовки углеводородного сырья ключевое значение приобретают задачи повышения надежности оборудования, энергоэффективности производства и снижения эксплуатационных затрат. Ведущим направлением развития является формирование цифровой среды предприятия, обеспечивающей непрерывный мониторинг состояния технологических объектов и поддержку принятия управленческих решений на основе данных.

Одним из крупных предприятий отрасли является ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь, осуществляющее разработку месторождений нефти, природного газа и газового конденсата. Производственная деятельность компании связана с эксплуатацией распределенных технологических объектов, включающих системы добычи, подготовки и транспортировки углеводородов. Для таких объектов характерна высокая сложность технологических связей и необходимость обеспечения непрерывности процессов в условиях внешних воздействий.

Особое влияние на эксплуатацию оборудования оказывают климатические условия Западной Сибири, характеризующиеся низкими температурами, продолжительным зимним периодом и значительными сезонными колебаниями. Это предъявляет повышенные требования к надежности технологических систем и эффективности средств автоматизированного управления, обеспечивающих стабильность параметров в нештатных и изменяющихся режимах работы.

На современном этапе развития отрасли одним из ключевых направлений является цифровизация производственных процессов. Под цифровизацией понимается интеграция информационных технологий в процессы мониторинга, анализа и управления технологическими системами. Ее целью является повышение эффективности управления за счет использования данных, поступающих от систем автоматизации и контрольно-измерительных приборов.

В настоящее время активно развиваются технологии промышленного интернета вещей, интеллектуальные системы управления и цифровые платформы обработки производственных данных. Их применение позволяет осуществлять мониторинг оборудования в режиме реального времени, выявлять отклонения в технологических параметрах и повышать точность прогнозирования состояния производственных систем.

2. Особенности процесса низкотемпературной сепарации газа

Одним из ключевых процессов подготовки природного газа является низкотемпературная сепарация, обеспечивающая отделение жидкой фазы и получение товарного газа требуемого качества. Эффективность данного процесса определяется стабильностью технологических параметров, прежде всего давления и температуры.

Охлаждение газа в установках низкотемпературной сепарации осуществляется за счет дросселирования и использования эффекта Джоуля – Томсона, при котором снижение температуры происходит вследствие перепада давления в технологическом тракте. Нарушение устойчивости давления приводит к изменению температурного режима, снижению эффективности сепарации и ухудшению качества конечного продукта.

Таким образом, задача управления процессом заключается в поддержании устойчивых режимов работы при наличии возмущений, связанных с изменением состава газа, внешними климатическими условиями и колебаниями нагрузки.

3. Анализ существующих систем автоматизированного управления

На современных установках низкотемпературной сепарации управление технологическими параметрами реализуется средствами автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Основой регулирования являются ПИД-регуляторы, обеспечивающие поддержание давления и температуры в заданных диапазонах.

Дополнительно используются SCADA-системы, выполняющие функции сбора, визуализации и архивирования технологических данных. Несмотря на высокий уровень автоматизации, существующие решения преимущественно ориентированы на реактивное управление, то есть реагирование на уже возникшие отклонения параметров.

Недостатком таких систем является ограниченная способность к прогнозированию изменений состояния объекта. В большинстве случаев корректировка уставок регуляторов осуществляется оператором на основе анализа трендов и личного опыта, что снижает оперативность принятия решений и может приводить к запаздыванию управляющих воздействий.

4. Концепция цифрового двойника технологического процесса

Перспективным направлением повышения эффективности управления является применение цифровых двойников технологических объектов. Цифровой двойник представляет собой виртуальную модель реального объекта, функционирующую на основе данных, поступающих в режиме реального времени, и позволяющую моделировать поведение системы при различных сценариях.

Использование цифрового двойника в составе системы управления позволяет:

• осуществлять непрерывный мониторинг состояния оборудования;
• анализировать динамику изменения технологических параметров;
• прогнозировать развитие процессов;
• формировать рекомендации по управлению до возникновения критических отклонений.

В отличие от традиционных SCADA-систем, цифровой двойник обладает предиктивными свойствами, что позволяет переходить от реактивного к проактивному управлению технологическим процессом.

5. Архитектура цифрового двойника установки

Предлагаемая архитектура цифрового двойника включает следующие основные компоненты:

• модуль сбора данных с датчиков технологических параметров;
• модуль предобработки и фильтрации данных;
• математическая модель технологического процесса;
• блок прогнозирования изменения давления;
• модуль формирования рекомендаций для оператора;
• интерфейс визуализации состояния системы.

Модель взаимодействует с данными АСУ ТП и SCADA-системы, обеспечивая непрерывное обновление параметров и расчет прогнозных значений. На основе анализа отклонений формируются рекомендации по корректировке уставок ПИД-регуляторов.

6. Программная реализация и моделирование

В рамках разработки реализуется программный прототип цифрового двойника, включающий модель контура регулирования давления с использованием ПИД-регулятора. Модель позволяет имитировать поведение технологического процесса при различных возмущениях и оценивать устойчивость системы управления.

Прогнозирование изменения давления осуществляется на основе анализа временных рядов технологических параметров. Результаты моделирования используются для оценки эффективности предлагаемых управляющих воздействий и корректировки режимов работы установки.

7. Оценка эффективности предлагаемого решения

Эффективность внедрения цифрового двойника оценивается по следующим критериям:

• повышение устойчивости технологического процесса;
• снижение времени реакции на отклонения параметров;
• уменьшение числа аварийных и предаварийных ситуаций;
• повышение точности регулирования давления.

Использование цифрового двойника позволяет перейти от традиционного реактивного управления к предиктивной модели принятия решений, что существенно повышает надежность работы установки низкотемпературной сепарации газа.

Заключение

В работе рассмотрен подход к повышению устойчивости процесса низкотемпературной сепарации природного газа на основе применения цифрового двойника. Обоснована актуальность внедрения предиктивных методов управления в составе АСУ ТП.

Предложена структура цифрового двойника, ориентированного на прогнозирование давления и формирование рекомендаций по корректировке уставок регуляторов. Показано, что использование цифровых моделей позволяет повысить устойчивость технологического процесса и эффективность принятия решений оператором.

Список литературы:

1. Алиев, Р. А. Технологии низкотемпературной сепарации газа: учебное пособие. — М.: Недра, 2020. — 315 с. (Фундаментальная база по процессам НТС).
2. Борисов, А. В., Иванов, С. П. Цифровые двойники в нефтегазовой промышленности: от концепции к внедрению // Автоматизация в промышленности. — 2022. — № 4. — С. 12–18.
3. ГОСТ Р 57700.37–2021. Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения. — М.: Стандартинформ, 2021.
4. Григорьев, М. А. Математическое моделирование процессов подготовки газа к транспорту // Нефтегазовое дело. — 2021. — Т. 19, № 2. — С. 45–52. (Методология построения моделей для установок подготовки газа).
5. Дмитриев, А. С. Архитектура цифрового двойника установки подготовки газа // Информационные технологии и вычислительные системы. — 2023. — № 1. — С. 22–30.
6. Крылов, Г. В., Петров, И. И. Повышение устойчивости технологических процессов с использованием предиктивной аналитики // Нефтяное хозяйство. — 2022. — № 8. — С. 88–92.
7. Михайлов, В. В. Системы управления и мониторинга установок НТС: современные подходы // Газовая промышленность. — 2020. — № 10. — С. 55–60.
8. Николаев, А. Н., Смирнов, Д. А. Применение методов машинного обучения для оптимизации работы сепарационного оборудования // Вестник технологического университета. — 2023. — Т. 26, № 3. — С. 70–76.