Нечітка модель автоматизованого контролю несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводу

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.634. 622.32:658.564

ІФДТУНГ, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019 тел. (03422) 4-60-67

Нечітка модель автоматизованого контролю несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводу

Кучмистенко О.В.

e-mail: public@ifdtung.if.ua

Аннотация

логіка нафта експлуатація тиск

Рассматривается задача создания, на базе методов нечеткой логики, модели автоматизированного контроля несанкционированного вытекания нефти из нефтепровода, которая учитывала б разные режимы эксплуатации, нелинейный характер диаграмм давлений и расходов, а также сокращала бы время обрабатывания полученной информации.

Annotation

The task of creation is considered, on the basis of methods of fuzzy logic, model automated the control non-authorized to flow out oil from an oil pipeline which would take into account different modes of operation, nonlinear character of diagrams of pressure and charges, and also would reduce time to process the received information.

Проблема автоматизованого контролю несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводу виникла відносно недавно у зв'язку із збільшенням кількості аварій, викликаних несанкціонованими відборами нафти через малі отвори діаметром 10 мм в трубопроводі. Внаслідок цього нафтотранспортні підприємства несуть матеріальні збитки, а для навколишнього середовища створюється загроза забруднення.

На даний час ця проблема вирішується частково за допомогою систем телемеханіки, які забезпечують керування процесом транспортування нафти і одночасно контроль за відбором нафти. Проте ці системи нечутливі до малих відборів нафти.

Тему актуальним науковим та прикладним завданням сьогоденння є необхідність розробки нових систем автоматизованого контролю несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводу, підвищення точності контролю і швидкодії. Саме це завдання розглядається у даній праці.

Система контролю несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводу використовується на нафтоперекачувальних підприємствах для виявлення на ранніх етапах часу і місця аварійного процесу витікання нафти з нафтопроводу та вжиття заходів щодо усунення такої ситуації. Лінійна частина трубопроводу являє собою трубопровід, зварений в безперервну нитку довжиною в сотні і тисячі кілометрів і укладений на глибину 0,8 м при діаметрі труб менше 1000 мм та 1,0 м при діаметрі 1000 мм і більше до верхньої твірної труби , якщо глибина укладення не диктується якимись особливими умовами [3]. Трубопровід обладнується арматурою для відключення окремих ділянок - засувками . Лінійна арматура служить для підключення трубопроводу до станції , а також дає можливість відключати окремі ділянки магістралі під час ремонту або у випадку аварії . Залежно від рельєфу місцевості запірну арматуру розміщають з інтервалом 15 - 20 км. При оперативному керуванні магістральний трубопровід розглядається, як технологічний комплекс, оскільки робота будь якої ділянки трубопроводу суттєво залежна від роботи інших ділянок [2]. Керування і контроль лінійною частиною здійснюється за допомогою засобів телемеханіки, які розташовані по трубі, і є пунктами контролю ( КП ) . Ці КП включають в себе апаратуру дистанційного керування засувками, прилади контролю: тиску, електричного потенціалу хімічного захисту від корозії, пропуску очисних пристроїв тощо. Принципова схема системи автоматизованого контролю несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводу на окремій ділянці нафтопроводу зображена на рисунку 1.

Як видно з рисунка 1, інформація про тиски на трубопроводі знімається в реальному часі і за допомогою ліній зв'язку передається на центральний диспетчерський пункт, де виводиться на монітор. При цьому оператор отримує діаграму зміни тисків, яка відображає гідродинамічний стан трубопроводу.

Експлуатація нафтопроводу передбачає такі основні режими його роботи:

- запуск нафтопроводу в роботу;

- перехід роботи з одного магістрального насосного агрегату (основного) на інший (резервний);

- пропуск по нафтопроводу очисного пристрою;

- зупинка нафтопроводу, як планова, так і аварійна;

- експлуатація нафтопроводу під час перекачування нафти, а також за відсутності перекачування.

На рисунку 2 зображено принципову схему системи автоматизованого контролю несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводу під час аварії на нафтопроводі.

Під час витікання нафти з нафтопроводу відбувається зменшення тисків на лінійних КП, причому це зменшення буде тим стрімкішими, чим більший отвір в місці витікання (рисунок 3,а). Основним завданням оператора у цьому випадку є встановлення факту витікання нафти, часу і за допомогою розрахунків, місця витікання на нафтопроводі. Не проблема визначити такі дані, коли витікання має чітко виражений характер, тобто, коли отвір витікання нафти великий. Витрата через цей отвір достатня для того, щоб на моніторі комп'ютера побачити різке зниження тисків на лінійних контрольних пунктах. Проте можуть бути ситуації, коли отвір витікання малий, і зниження тисків з КП, які оператор бачить на моніторі, теж малі і можуть бути виявлені не одразу, (рисунок 3, б).

Проблема полягає в тому, що, маючи інформацію про стан нафтопроводу у вигляді діаграм зміни тисків і витрати, отриманих з нафтоперекачувальних станції ( НПС ) і лінійних КП телемеханіки, оператор самостійно контролює, оброблює і приймає рішення про подальшу експлуатацію нафтопроводу, що не є зручним і надійним. Тому створення автоматизованої системи контролю за несанкціонованими витіканнями нафти з нафтопроводів, яка б враховувала різні режими експлуатації, нелінійності кривих діаграм тисків і витрат (наявність шумів), а також скорочувала б час обробки отриманої інформації є актуальним завданням. Це завдання пропонується вирішити на основі методів теорії нечітких множин і нечіткої логіки [2,4].

Аналіз дії операторів, які здійснюють контроль і керування процесу нафтоперекачування, засвідчує, що вони у своїй роботі при виявлені несанкціонованих витікань з нафтопроводів використовують такі евристичні правила:

1 якщо активована системи автоматичного контролю за несанкціонованим витіканням нафти з нафтопроводу то почати визначати зміну тиску на NPS_і;

2 якщо активована системи автоматичного контролю за несанкціонованим витіканням нафти на NPS_і, то почати визначати зміну тиску;

3 якщо активована системи автоматичного контролю за несанкціонованим витіканням нафти на , то почати визначати рівень аварійності;

4 якщо на відбувається зміна тиску (процеси писку, зупинки НПС), то лінійні мають ступінь аварійності “норма” (на протязі часу , який необхідний для виходу нафтопроводу на стаціонарний режим);

5 якщо на не відбувається зміна тиску і витрати, то через проміжок часу почати оцінювати рівень аварійності;

6 якщо відбувається зміна тиску на , то через проміжок часу припинити оцінювати рівень аварійності;

7 якщо зміна тиску на закінчилась, то через проміжок часу почати оцінювати рівень аварійності;

8 якщо проміжок часу для закінчився, то обрахувати і і занести їхні значення у пам'ять;

9 якщо і , то вважати рівень аварійності - норма;

10 якщо і , то рівень аварійності - передаварійний;

11 якщо і , то рівень аварійності - аварійно низький;

12 якщо і , то рівень аварійності - аварійно високий;

13 якщо і , то рівень аварійності - норма;

14 якщо і , то рівень аварійності - норма;

15 якщо і , то рівень аварійності - норма;

16 якщо і , то рівень аварійності - норма;

17 якщо і , то рівень аварійності - норма;

18 якщо і , то рівень аварійності - норма;

19 якщо і , то рівень аварійності - передаварійний;

20 якщо і , то рівень аварійності - передаварійний;

21 якщо і , то рівень аварійності - передаварійний;

22 якщо і , то рівень аварійності - передаварійний;

23 якщо і , то вважати, що рівень аварійності - аварійно низький;

24 якщо і , то вважати, що рівень аварійності - аварійно низький;

На рисунку 4 пояснюється нумерація, що застосовується при описі евристичних правил і порядок розташувань нафтоперекачувальних станцій НПС та лінійних контрольних пунктів телемеханіки KП. Тут:

- нафтопровід, де перекачування здійснюється від NPS_і до NPS_у;

- лінійний контрольний пункт, на якому вперше зафіксовано зниження тиску;

- лінійний контрольний пункт, який по ходу нафти наступний після KP_іу№;

- лінійний контрольний пункт, який по ходу нафти наступний після KP_іу№+1;

- лінійний контрольний пункт, який по ходу нафти попередній перед KP_іу№;

- лінійний контрольний пункт, який по ходу нафти попередній перед KP_іу№-1;

- час, за який хвиля зростання чи спадання тиску надійде від NPS_і до KP_і№;

- час, за який хвиля зростання чи спадання тиску надійде від NPS_і до KP_і№-2;

- лінійний контрольний пункт, на якому вимірюється тиск у трубопроводі, де іу - буква трубопроводу, а № - номер кілометра, на якому знаходиться KP;

- тиск у нафтопроводі до по ходу нафти;

- тиск у нафтопроводі після по ходу нафти;

На основі експертного опитування операторів нами були сформовані правила-продукції у вигляді : ЯКЩО (умова), ТО (дія). База правил має такий вигляд.

Правила для лінійних КP телемеханіки

P1 : ЯКЩО ”рівень тиску на дуже малий” І ”рівень тиску на дуже малий”, ТО ”рівень аварійності - норма”;

P2 : ЯКЩО ”рівень тиску на малий” І ”рівень тиску на малий”, ТО ”рівень аварійності - передаварійний”;

P3 : ЯКЩО ”рівень тиску на середній” І ”рівень тиску на середній”, ТО ”рівень аварійності - аварійно низький”;

P4 : ЯКЩО ”рівень тиску на великий” І ”рівень тиску на великий”, ТО ”рівень аварійності - аварійно високий”;

P5 : ЯКЩО ”рівень тиску на дуже малий” І ”рівень тиску на малий”, ТО ”рівень аварійності - норма”;

P6 : ЯКЩО ”рівень тиску на дуже малий” І ”рівень тиску на середній”, ТО ”рівень аварійності - норма”;

P7 : ЯКЩО ”рівень тиску на дуже малий” І ”рівень тиску на великий”, ТО ”рівень аварійності - норма”;

P8 : ЯКЩО ”рівень тиску на малий” І ”рівень тиску на дуже малий”, ТО ”рівень аварійності - норма”;

P9 : ЯКЩО ”рівень тиску на середній” І ”рівень тиску на дуже малий”, ТО ”рівень аварійності - норма”;

P10 : ЯКЩО ”рівень тиску на високий” І ”рівень тиску на дуже малий”, ТО ”рівень аварійності - норма”;

P11 : ЯКЩО ”рівень тиску на малий” І ”рівень тиску на середній”, ТО ”рівень аварійності - передаварійний”;

P12 : ЯКЩО ”рівень тиску на малий” І ”рівень тиску на високий”, ТО ”рівень аварійності - передаварійний”;

P13 : ЯКЩО ”рівень тиску на середній” І ”рівень тиску на малий”, ТО ”рівень аварійності - передаварійний”;

P14 : ЯКЩО ”рівень тиску на середній” І ”рівень тиску на високий”, ТО ”рівень аварійності - аварійно низький”;

P15 : ЯКЩО ”рівень тиску на великий” І ”рівень тиску на малий”, ТО ”рівень аварійності - передаварійний”;

P16 : ЯКЩО ”рівень тиску на великий” І ”рівень тиску на середній”, ТО ”рівень аварійності - аварійно низький”;

Щоб мати можливість автоматитизовано контролювати процес несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводів, необхідні датчики вимірювання тиску, установлені по трубопроводу на КП телемеханіки і на виході НПС.

Для побудови моделі автоматизованого контролю процесу несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводу в першу чергу для всіх змінних визначили відповідні лінгвістичні змінні. У нашому випадку таких лінгвістичних змінних три - це зміни тисків , отриманий з лінійних КП телемеханіки, і рівень аварійності. Кожна з них буде включати в себе чотири терми. При цьому будемо використовувати функції приналежності типу кусочно - лінійних функцій. Нижче наводяться графіки конкретних функції приналежностей для окремих лінгвістичних термів відповідних лінгвістичних змінних (рисунки 5 - 6).

Функція належності побудовані методом обробки експертної інформації в програмному середовищі MATLAB (Fuzzy logic Toolbox).

Використовуючи розроблені правила-продукції і функції належності, можна досліджувати різні варіанти несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводу. Для візуалізації результатів аналізу рівня аварійності на нафтопроводі розроблені програми для перегляду правил (рисунок 7) і перегляду поверхні виводу у програмному середовищі MATLAB (рисунок 8).

Отже, розроблена нечітка модель автоматизованого контролю несанкціонованого витікання нафти з нафтопроводу з застосуванням інструментарію Fuzzy logic Toolbox із програмного середовища MATLAB є набагато ефективніша в порівняно з існуючою системою телеконтролю. Запропонована модель, що базуєється на методах нечітких множин і нечіткої логіки, може бути використана для автоматизованого контролю несанкціонованого витікання нафтопродуктів із нафтопродуктопроводів.

Література

1 Семенцов Г.Н. , Кучмистенко О.В. Фази-логика в системе управления давления на нагнетании и всасывании насосных станции по перекачке нефти // Вимірювання та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2000. - №4. - С.42-44.

2 Кучмистенко О.В. Аналіз залежностей тиску нафтоперекачуючої станції, у колекторі, на всмоктуванні, перепадів тиску на заслінці і ступеня відкриття регулюючого органу від часу //Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. - 2001. - №38. - (том 5). - С.172-177

3 Середюк М.Д., Й.В. Якимів, В.П. Лісафін В.П. Трубопровідний транспорт нафти і нафто продуктів: Підручник. - Івано-Франківськ. - 2001. - 517с.

4Леоненко А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и Fuzzy ТЕСН. - СПб.: БХВ - Петербург. -2003. - 736 с.

Размещено на Allbest.ru