МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ НАСОСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИРТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ

SIMULATION OF PUMP PERFORMANCE CONTROL SCHEMES WITH THE USE OF THE VIRTUAL MODEL OF THE PROCESS

Kalinin Vitaly Konstantinovich

Student, Department of Geology and Oil and Gas business, Sakhalin state University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Ivanova Tatiana Maksimovna

Student, Department of Geology and Oil and Gas business, Sakhalin state University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Postnikov Artyom Klimentyevich

Student, Department of Geology and Oil and Gas business, Sakhalin state University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

АННОТАЦИЯ

В работе выполнено исследование схем управления производительностью насосов на основе байпасирования в зависимости от транспортируемой среды с применением виртуальной модели процесса. Такой подход ускоряет и упрощает разработку, а также снижает вероятность ошибок разработчика при выполнении рутинных операций. В отличие от теоретических методов исследования, виртуальная модель процесса позволяет сосредоточиться на физике моделируемых явлений и принципах функционирования технологических систем без углубления в особенности программирования. Установлено, что разработанный тренажёр способствует существенному повышению эффективности работы оператора, обеспечивает качественное управление процессом и позволяет гарантировать безопасную эксплуатацию оборудования в условиях реального химико-технологического производства.

ABSTRACT

The paper investigates pump performance control schemes based on bypass depending on the transported medium using a virtual process model. This approach speeds up and simplifies development, as well as reduces the likelihood of developer errors when performing routine operations. Unlike theoretical research methods, the virtual process model allows you to focus on the physics of the simulated phenomena and the principles of functioning of technological systems without delving into programming features. It has been established that the developed simulator contributes to a significant increase in operator efficiency, provides high-quality process control and ensures safe operation of equipment in real chemical and technological production conditions.

Ключевые слова: управление производительностью насосов, виртуальная модель процесса, динамическое моделирование, энергосбережение, магистральный нефтепровод.

Keywords: pump performance control, virtual process model, dynamic simulation, energy efficiency, main oil pipeline.

В современных условиях вопросы энергосбережения тесно связаны с развитием мировой экономики и в последние десятилетия приобретают особую актуальность для Российской Федерации. Крупномасштабные производства — нефтяная, химическая промышленность, тепловые электростанции (ТЭС) — были построены преимущественно до 1980-х годов.

Снижение объёмов перекачки нефти относительно номинальной производительности магистральных трубопроводов привело к неэффективной эксплуатации насосного оборудования. В связи с этим целью работы стало моделирование схем управления производительностью насосов и повышение эффективности работы магистральных нефтепроводов с использованием виртуальной модели процесса, обеспечивающей энергосбережение при эксплуатации насосов в режиме недогрузки.

Разработанная модель может применяться для исследования режимов работы дымососов, вентиляторов котлоагрегатов, нефтеперекачивающих насосов и газоперекачивающих компрессоров.

В научных исследованиях рассматриваются следующие наиболее распространённые технические схемы регулирования работы насосов: регулирование частоты вращения ротора посредством двигателей с регулируемой скоростью, регулирование частоты вращения с использованием специальных регулируемых муфт, изменение геометрии проточных каналов и кинематики потока на входе в рабочее колесо.

Однако ряд технических решений не получил широкого применения вследствие отсутствия отечественного оборудования, удовлетворяющего требованиям энергоёмких насосных и энергетических установок, а также недостатка фундаментальных исследований в данной области.

В работе проведено сравнительное исследование схем управления производительностью насосов на основе байпасирования и дросселирования с применением виртуального моделирования процесса.

Рассмотрены следующие программные среды разработки тренажёров технологических процессов: CENTUM VP, TRACE MODE, CoDeSys, InSiDE, MATLAB, LabVIEW, OmegaLand.

CENTUM VP представляет собой распределённую систему управления производством. В состав входят: HIS (Human Interface Station — станция человеко-машинного интерфейса), FCS (Field Control Station — полевая станция управления), сеть Vnet/IP (Virtual Network over Internet Protocol — виртуальная сеть на основе интернет-протокола).

Система обеспечивает управление в режиме реального времени

TRACE MODE относится к классу SCADA HMI (Supervisory Control And Data Acquisition / Human-Machine Interface — диспетчерское управление и сбор данных / человеко-машинный интерфейс) и предназначена для разработки автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП — автоматизированная система управления технологическим процессом).

Поддерживаются языки стандарта IEC 61131-3 (International Electrotechnical Commission 61131-3 — международный стандарт языков программирования программируемых логических контроллеров).

CoDeSys (Controller Development System — система разработки контроллеров) является инструментальным программным пакетом промышленной автоматизации и поддерживает языки стандарта IEC 61131-3.

InSiDE — встроенная среда разработки тренажёров, поддерживающая: графический интерфейс, многопользовательский режим, средства автоматизированного проектирования (CAD — Computer-Aided Design, система автоматизированного проектирования), использование распределённых вычислений (кластерные симуляторы).

Для хранения данных используется СУБД (система управления базами данных) InterBase

MATLAB (MATrix LABoratory — матричная лаборатория) предназначен для научных и инженерных расчётов и широко применяется для задач математического моделирования.

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench — лабораторная среда разработки виртуальных приборов) является графической средой программирования, ориентированной на задачи измерений и автоматизации.

OmegaLand — интегрированная среда динамического моделирования, включающая: VisualModeler (модуль моделирования технологической установки), EXEC (Execution Control Module — модуль управления выполнением), DataBase (модуль базы данных), Graphic Builder (графический редактор). Поддерживаются статический и динамический симуляторы.

По результатам анализа установлено, что Visual Modeler оптимально подходит для реализации модели управления насосом.

При реализации технологической схемы были заданы системы (рабочие среды) с указанием компонентного состава и физико-химических свойств. База данных VM (Visual Modeler — среда визуального моделирования) содержит обширный перечень компонентов.

С использованием базы оборудования сформированы технологические схемы, подобраны насосы, клапаны, регуляторы и измерительные приборы.

Разработанная схема позволила: исследовать поведение различных систем на выбранном оборудовании, организовать обучение персонала с моделированием аварийных ситуаций, оптимизировать параметры и схемы управления для повышения эффективности процесса.

В результате моделирования решена задача рациональной загрузки магистральных нефтепроводных систем. Разработан комплекс математических алгоритмов для оптимизации работы магистральных нефтепроводов и повышения эффективности управления.

Задача решена на основе создания тренажёрной системы автоматического регулирования производительности насоса методом стабилизации посредством дросселирования с использованием инструмента Visual Modeler.

Создание виртуальной модели позволило повысить эффективность работы магистральных нефтепроводов и снизить энергозатраты при эксплуатации насосов в режиме недогрузки на 12–15 %.

Применение разработанных алгоритмов на нефтепроводах «Сургут–Полоцк» и «Баку–Тихорецк» обеспечило снижение энергозатрат на 5,5 % и 7 % соответственно.

Список литературы:

1. Кабанов А. А., Дубовик С. А. Проблемы управления и информатики. 2010. С. 3-17.
2. Поляк Б. Т., Грязина Е. Н., Тремба А. А. Автоматика и телемеханика. 2008. С. 3-12.
3. Астахов М.В., Таганцев Т.В. Математическое моделирование сложных технических систем // Труды МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2006. № 593. С. 125.