Газовая промышленность № 11 2021

БЕСКОНТАКТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА БИКМ М-106М

Начиная с 2002 г. на объектах ПАО «Газпром» внедряются бесконтактные измерители крутящего момента БИКМ М-106М производства ООО ФПК «Космос-Нефть-Газ». Их отличает возможность установки на уже эксплуатируемые газоперекачивающие агрегаты (ГПА). При этом упругим элементом датчика служит промежуточный вал (трансмиссия) ГПА (рис. 1).

Измерители БИКМ М-106М являются средствами измерений утвержденного типа и внесены в Госреестр под номером 58082–14, с верхним пределом измерений 150 кН · м и погрешностью измерений 0,2 и 1,0 %. Они имеют взрывозащищенное исполнение с применением барьеров искробезопасности, интегрированных в блок обработки и соответствуют требованиям ТР ТС 012 / 2011. Измерители включены в Единый Реестр материально-технических ресурсов, допущенных к применению на объектах Общества и соответствующих требованиям ПАО «Газпром».

Применяемый в измерителях крутящего момента БИКМ М-106М тензометрический метод повсеместно является основным, используемым в силоизмерительных датчиках и датчиках крутящего момента как рабочих, так и эталонных средств измерений (и отечественных, и зарубежных). Он отличается высокой точностью и стабильностью.

Метрологические характеристики подтверждаются первичной поверкой или калибровкой. Рекомендуемая периодичность калибровки составляет 7 лет. В течение межкалибровочного интервала погрешность измерений 1,0 % обеспечивается пятикратным запасом нормируемого предела по отношению к фактическому значению погрешности.

Для опытной и промышленной эксплуатации с 2002 г. на ГПА установлены более 150 измерителей. Кроме того, БИКМ М-106М поставлены для предприятий – изготовителей оборудования для компрессорных станций (КС): АО «Невский завод» и АО «РЭП Холдинг» (г. Санкт-Петербург), АО «КМПО-ЗМЗ» (г. Зеленодольск), ПАО «Протон-ПМ» (г. Пермь), АО «Сумское НПО» (г. Сумы, Украина), где они служат для обеспечения испытаний силовых агрегатов.

С учетом потребности заказчиков в измерителях для агрегатов мощностью свыше 16 МВт на предприятии разработана и изготовлена установка УК100 (рис. 2), обеспечивающая проведение калибровки измерителей БИКМ М-106М с верхним пределом измерений до 100 кН · м.

Поставка измерителя БИКМ М-106М на базе вала трансмиссии ГПА предполагает разработку конструкторской документации на установку измерителя для обеспечения его собираемости в процессе монтажа на агрегат в заводских условиях или в условиях КС. Ограничением на возможность установки БИКМ является температура в зоне датчика. Его технические характеристики сохраняются при температуре до 85 °С.

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ БИКМ М-106М

В текущем году проведены две значимые работы с применением БИКМ. Так, в июне 2021 г. на Чаяндинском нефтегазоконденсатном месторождении в условиях эксплуатации проводились испытания многокорпусного компрессора 5ГЦ2–85 / 15–106 в составе модульной компрессорной станции ООО «Газпром добыча Ноябрьск» в целях определения действительной мощности на валу газотурбинной установки (ГТУ) с использованием БИКМ. Определение мощности на валу ГТУ выполнялось тремя способами:

– расчетом по параметрам работы центробежного компрессора (ЦБК);

– расчетом по расходу топливного газа ГТУ;

– расчетом по крутящему моменту, измеренному БИКМ.

Применение БИКМ позволило выявить ряд отклонений в характеристиках ГПА, а именно существенное различие в значениях мощностей, рассчитанных по параметрам ЦБК и определенных с использованием БИКМ. Значения мощности по параметрам работы ЦБК оказались в среднем на 1,4 МВт (14,0 %) меньше, чем значения мощности с применением БИКМ. Значения мощности, рассчитанные по данным с датчика расхода топливного газа ГТУ и определенные с помощью БИКМ, совпадают с точностью, допустимой в инженерных расчетах. Расхождения составляют 0,01…0,19 МВт (0,1…2,1 %).

При испытаниях наблюдались колебания показаний БИКМ в диапазоне ±3 %, что соответствовало реальным изменениям крутящего момента на валу. Они связаны с неустановившимся режимом работы ГТУ, вызванным перебоями в системе подачи топливного газа, что отражено в техническом акте от АО «ОДК-Авиадвигатель».

Также проведены испытания с использованием БИКМ на агрегате ГПА-Ц-16ПМ с двигателем ПС-90ГП-2 в целях исследования малоэмиссионной камеры сгорания на КС «Чайковская» ООО «Газпром трансгаз Чайковский». Определены значения мощности на валу силовой турбины при разных режимах работы двигателя. При этом значения приведенной мощности, рассчитанной по газодинамическим параметрам двигателя, и фактической мощности, определенной с помощью БИКМ, отличались не более чем на 5 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За прошедшие годы в ходе совершенствования БИКМ были решены следующие задачи:

– разработан унифицированный измеритель для большинства типов ГПА, эксплуатируемых на КС ПАО «Газпром» без механической доработки муфты;

– реализовано взрывобезопасное исполнение измерителя;

– обеспечен межкалибровочный интервал длительностью 7 лет;

– упрощена конструкция измерителя, что позволяет сотрудникам службы контрольно-измерительных приборов и автоматики КС самостоятельно его устанавливать и обслуживать.

Полученные за годы длительной эксплуатации измерителей результаты позволяют рекомендовать измерители БИКМ М-106М к применению в качестве штатного датчика для определения мощности на муфте ГТУ в составе системы автоматизированного управления ГПА.

Кроме того, считаем целесообразным включить измеритель крутящего момента в нормативно-технические и методические документы в качестве средства диагностики оборудования.

Суммарное количество газотурбинных установок (ГТУ) на базе ПС-90А в настоящее время достигло 866 шт., а суммарная наработка – 24 966 000 ч. Разработка наиболее представлена в парке ПАО «Газпром» и других энергетических компаний и используется как при создании новых объектов газотранспортной сети, так и при реконструкции существующих станций, где заменяются выработавшие свой ресурс, морально устаревшие газотурбинные двигатели.

ПОВЫШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

Свою популярность ГТУ на базе ПС-90А заслужили за счет высоких значений показателей надежности и эксплуатационных характеристик. Текущие показатели надежности, такие как наработка на аварийный и вынужденный останов, наработка на съем двигателя в ремонт, существенно превышают заданные в технических требованиях значения. Так, наработка на отказ для наиболее распространенной ГТУ-16П составляет 33 880 ч при заданном в технических условиях уровне в 4500 ч, а для ГТУ-12П достигла 73 490 ч. Однако для повышения надежности эксплуатации, обеспечения устойчивости работы газотранспортной системы России специалистами АО «ОДК-Авиадвигатель» и АО «ОДК-ПМ» (серийного производителя ГТУ) в непрерывном режиме ведутся работы по повышению эксплуатационной надежности и характеристик двигателей.

Большинство дефектов ГТУ на базе ПС-90А были устранены на ранних этапах использования и в настоящее время не доставляют неудобств для эксплуатирующих их организаций. Тем не менее в связи с достижением значительных величин наработок ГТУ (лидерные ГТУ-16П в настоящее время достигли наработки в 85 700 ч, а отдельные ГТУ-12П выработали назначенный ресурс в 100 000 ч) возникают дефекты, которые не свойственны ранним этапам эксплуатации. Для их устранения проводится широкий комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), внедряются новейшие материалы, технологические процессы и приобретается новое оборудование. Наиболее активно в настоящее время ведутся работы по исключению повреждений компрессора высокого давления и турбины высокого давления, в первую очередь они включают переработку конструктивных решений с использованием современных методов трехмерного моделирования и математического анализа. По результатам таких работ будет предложена конструкция отдельных элементов, которая позволит исключить существующие дефекты. Все это в совокупности позволит обеспечить высокий уровень надежности ГТУ в рамках всего назначенного ресурса, который сейчас для ГТУ на базе двигателей ПС-90А составляет 100 000 ч.

Кроме того, активно ведется работа по повышению экологических характеристик установок. Так, в настоящее время завершается комплекс работ по созданию малоэмиссионной камеры сгорания (МЭКС) для ГТУ мощностью 16 и 25 МВт, которая позволит обеспечить величину вредных выбросов на уровне NOx ≤ 50 мг / м³, CO ≤ 100 мг / м³. Снижение эмиссии позволит сократить плату за негативное воздействие на окружающую среду и приведет к сокращению размеров санитарно-защитной зоны объекта, на котором будут использоваться ГТУ с МЭКС, что, в свою очередь, позволит размещать объекты эксплуатации ближе к населенным пунктам, а также снизит негативное влияние на здоровье населения, проживающего вблизи таких объектов. В ноябре 2021 г. успешно завершены приемочные испытания ГТУ-16ПМ с МЭКС на компрессорной станции (КС) «Чайковская» ООО «Газпром трансгаз Чайковский», в рамках которых подтвержден заданный уровень экологических и топливных характеристик ГТУ. По результатам приемочных испытаний конструкторской документации присвоена литера О1, и в 2023–2024 гг. планируется начало серийного выпуска ГТУ-16П с МЭКС (ГТУ-16ПМ). Помимо этого, продолжаются работы по созданию МЭКС для ГТУ-25. В 2021 г. серийный двигатель 87–03, дооборудованный МЭКС, будет смонтирован на КС «Игринская» «Газпром трансгаз Чайковский» и начнутся длительные испытания, которые завершатся приемочными испытаниями в 2022 г. Некоторое снижение топливной эффективности, вызванное установкой МЭКС, будет компенсировано путем внедрения мероприятий, повышающих КПД двигателей с МЭКС. В «ОДК-Авиадвигатель» разработан комплекс мероприятий, которые позволят повысить топливную эффективность двигателей с МЭКС, что обеспечит низкий уровень вредных выбросов при комфортном уровне расхода топлива.

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Параллельно с работами по повышению показателей надежности, экологических характеристик и топливной эффективности непрерывно ведутся работы по повышению эксплуатационных характеристик ГТУ на базе ПС-90А, целью которых является повышение удобства эксплуатации и снижение затрат заказчиков на эксплуатацию ГТУ. Так, одним из направлений повышения эксплуатационных характеристик является всеобщее внедрение модульного ремонта ГТУ на базе ПС-90А. В настоящее время при выявлении дефектов турбины высокого давления или силовой турбины нет необходимости везти весь двигатель в ремонт. При наличии соответствующих условий на месте эксплуатации осуществляются демонтаж турбины и отправка ее в ремонт на завод-изготовитель, после турбина возвращается на объект эксплуатации, монтируется на двигатель, который возвращается в работу. Такой подход позволяет существенно сократить как время возврата двигателя в эксплуатацию, так и затраты на ремонт, логистику. В дополнение к модульному ремонту турбин в настоящее время разрабатывается конструкторская документация, которая позволит выполнять замену в эксплуатации базового модуля, включающего компрессор высокого давления с камерой сгорания. Таким образом, будет обеспечена возможность замены основных узлов в эксплуатации при выходе их из строя.

Помимо модульного ремонта, для обеспечения высокого уровня эксплуатационной готовности агрегатов с ГТУ на базе ПС-90А в последнее время компаниями «ОДК-Авиадвигатель» и «ОДК-ПМ» широко применяется практика продления межремонтного ресурса двигателей, находящихся в эксплуатации, когда наработка двигателя близка к его отправке в капитальный ремонт. В настоящее время величина межремонтного ресурса ГТУ на базе ПС-90А составляет 25 000 ч, при этом внедрение мероприятий, повышающих эксплуатационную надежность, позволяет в некоторых случаях продлевать межремонтный ресурс до 30 000 ч и более. Такая практика применяется для ГТУ, эксплуатируемых с выполнением всех требований и не имеющих серьезных замечаний за период функционирования. Для эксплуатирующей организации продление межремонтного ресурса позволяет обеспечить высокую эксплуатационную готовность КС, в том числе в условиях высокой загрузки ремонтных производств. Кроме того, запущены НИОКР по определению возможности продления назначенного ресурса для некоторых типов ГТУ, имеющих лидерные наработки на уровне 100 000 ч.

Для повышения качества эксплуатации ГТУ на базе ПС-90А разрабатывается технология постоянного мониторинга ГТУ в удаленном режиме с применением технологий искусственного интеллекта, которые в будущем в режиме реального времени позволят определять состояние ГТУ, выявлять отклонения от нормальной работы, определять возможные причины и формировать рекомендации по их устранению.

Все представленные выше направления деятельности компаний «ОДК-Авиадвигатель» и «ОДК-ПМ» в совокупности формируют комплексное направление работ по повышению как характеристик ГТУ на базе ПС-90А, так и качества и удобства эксплуатации ГТУ, что в конечном счете приводит к снижению затрат на эксплуатацию данной линейки ГТУ и повышению эксплуатационной готовности. Применение современных технологий проектирования, изготовления для устранения дефектов, современных подходов к эксплуатации и диагностике позволит парку ГТУ на базе двигателей ПС-90А еще долгое время успешно выполнять задачи по транспорту газа в нашей стране и за ее пределами и составлять достойную конкуренцию зарубежным аналогам.

По мнению авторов, проблематика изобретения заключается в том, что безопасность и надежность эксплуатации газового оборудования при транспортировке природного газа неразрывно связаны с его физико-химическими показателями, т. е. качеством. Важнейший этап подготовки газа к транспортировке – это его осушка, которая, в свою очередь, контролируется по влагосодержанию, количественным критерием которого является точка росы по воде.

«До нашего изобретения для обогреваемого редуцирования анализируемого газа существовали только весьма дорогостоящие стационарные системы, требующие подводки электропитания, взрывозащиты и, следовательно, проекта на установку. На каждую точку пробоотбора требовалась своя стационарная система. Мобильная и автономная система редуцирования газа позволяет избежать подобных трудностей», – пояснил начальник испытательной лаборатории газа А.В. Карусевич.

Предложенное авторским коллективом изобретение включает реактор, систему теплообменников, теплопроводные элементы и редуктор. Система не требует сертификата взрывозащиты из‑за отсутствия токоведущих частей. Обогрев осуществляется за счет тепла, выделяемого в результате протекания химической реакции в реакторе системы. Реагенты, используемые в приборе, недорогостоящие и при реакции не выделяют каких‑либо токсичных продуктов.

В настоящее время прибор находится в опытной эксплуатации. Он совершенно безопасен, удобен в использовании и может работать в любых условиях. По словам авторов изобретения, они готовят документацию для включения устройства в Реестр инновационной продукции для внедрения в ПАО «Газпром» и его последующего распространения по всем дочерним предприятиям. 

По итогам 2020 г. ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» заняло второе место на конкурсе изобретательской и рационализаторской деятельности в номинации «Дочернее общество ПАО «Газпром», добившееся наилучших показателей в рационализаторской деятельности». В Обществе было использовано 2265 рационализаторских предложений, 1034 из них принесли экономическую выгоду более 127 млн руб. Количество авторов, подавших рационализаторские предложения, превысило 2,5 тыс. чел.

Данные – это не только сведения о бизнесе и сопутствующая ему атрибутика, но и активы, которые приносят прибыль. Именно поэтому ими можно и нужно управлять. Вовлечение полной структурированной и неструктурированной информации в аналитический оборот позволяет быстро и эффективно решать задачи, которые ранее выполнялись крайне сложно или не выполнялись вовсе.

Вся собираемая, обрабатываемая и используемая информация – надежная основа для увеличения производственной и экономической эффективности компании, повышения качества обслуживания заказчиков, оборудования, увеличения получаемых прямых и косвенных выгод. Это также опора для принятия взвешенных управленческих решений, подспорье для проведения различных исследований и разработок по повышению операционной эффективности и оптимизации существующих бизнес-про-цессов.

С помощью современных IT- и методологических решений можно поддерживать критически важную информацию в актуальном состоянии, контролировать ее целостность и непротиворечивость, оперативно устранять возникающие ошибки и неточности, использовать их для решения бизнес-задач, достижения стратегических и оперативных целей с минимальным привлечением технического персонала.

СПЕЦИФИКА ДАННЫХ В НЕФТЕГАЗОВОМ СЕГМЕНТЕ

Предприятия нефтегазового сектора занимаются геологоразведкой и добычей, хранением и транспортировкой добываемых продуктов и специализируются на работе с объемной геолого-геофизической информацией, промысловыми данными, информацией о процессах хранения и транспортировки, сопровождающих их рисках, диагностических проверках оборудования и т. д.

Занимаясь переработкой и сбытом, организации активно работают с огромными массивами данных по заводам, скважинам, трубопроводам, а также с информацией о торговых партнерах, дистрибьюторах, коммерческих и бытовых потребителях, объемах продаж, адресам отгрузок, расчетам – т. е. с нормативно-справочной информацией. Кроме того, эти компании активно взаимодействуют с правилами, регламентами, инструкциями в области безопасности и охраны труда и пр.

Работа с информацией в нефтегазовом секторе имеет свои особенности. Во-первых, у предприятий отрасли традиционно сверхбольшой объем разнородных данных, часть из которых быстро устаревает или постоянно обновляется. Во-вторых, ими часто используются различные источники данных – это могут быть десятки, сотни IT-продуктов и специализированных решений. В-третьих, эффективная работа отрасли строится на сложных и интенсивных процессах обработки, анализа данных и создания отчетности.

УПРАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫМИ РЕСУРСАМИ И АНАЛИЗ ДАННЫХ

Предприятия нефтегазовой отрасли могут сталкиваться с проблемой разрозненности большого количества бизнес-данных, их неструктированностью и быстрым устареванием, дублированием справочной информации, частыми изменениями в приложениях, недостоверной отчетностью, а также отсутствием единых стандартов и высокой стоимостью сопровождения используемых IT-систем.

При этом компании могут испытывать потребность:

– в создании единой централизованной системы управления данными с «одной версией правды» (управление процессами разработки) и требуемым уровнем качества данных;

– реализации эффективных механизмов сбора, хранения и управления данными;

– монетизации данных за счет повышения эффективности и оптимизации процессов на основе данных;

– формировании оперативной корпоративной отчетности для поддержки принятия решений и моделирования сценариев;

– возможности управления эксплуатацией производственных объектов в реальном времени.

Чтобы закрыть эти потребности, нужно комплексное решение по управлению данными на всем протяжении жизненного цикла, включающего методологию, сбор, обработку, хранение, управление, визуализацию, а также анализ и прогнозирование. С помощью инструментов анализа компании имеют возможность консолидировать данные и извлекать из них максимальную выгоду. Например, нефтегазовые компании могут прогнозировать добычу ресурсов, вести визуальный мониторинг, распознавание и классификацию объектов, проводить эффективное диагностическое обслуживание и оценку рисков.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА: ПЛАТФОРМА ДАННЫХ

Для максимальной эффективности процесса управления данными требуется ряд организационно-методологических и программно-технических решений.

Поскольку современные хранилища данных и аналитические системы для нефтегазовой отрасли все чаще представляют собой сложные комплексные решения, команда компании IBS решила создать продукт, который объединял бы в себе все необходимые компоненты, имел модульную структуру, базировался на импортозамещенном стыке программного обеспечения. Так, у IBS появилась собственная Платформа данных, решающая большую часть задач как предиктивной и регуляторной аналитики, так и хранения информации, причем любой – структурированной, неструктурированной, больших и малых объемов.

Это комплексное инфраструктурное решение включает весь набор предопределенных компонентов, необходимых:

– для сбора данных из систем-источников с учетом их доступности, в том числе в режиме реального времени;

– персистентного хранения данных с должным уровнем детализации и избыточности на уровне как накопления данных, так и их представления для внешних систем;

– выбора внутреннего оптимального межкомпонентного движения данных (Dataflow) для каждой новой предметной области;

– реализации имманентной адаптивной модели данных, служащей источником для реализации бизнес-задач внешними средствами аналитической отчетности;

– обслуживания аналитических сервисов и внешних систем-потребителей за счет стандартизованных и открытых протоколов взаимодействия, а также инструментов, обеспечивающих загрузку данных в целевые системы.

Платформа данных IBS решает задачу по импортозамещению, так как абсолютное большинство компонентов продукта составляют отечественные решения из Единого реестра российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных. Кроме того, очень многие из них относятся к приложениям Open Source (с открытым исходным кодом). Также в Платформе используются универсальная масштабируемая платформа данных Arenadata и зарекомендовавшая себя на рынке разработка IBS – платформа «Планета. Аналитика» (рис. 1).

Созданная Платформа данных может вмещать несколько модулей или работать без любого из них: количество легко варьируется в зависимости от потребностей бизнеса. Благодаря гибкости и масштабируемости она способна решать самый широкий спектр задач.

Важно отметить, что это меньше программный, но больше консалтинговый продукт. Команда IBS собирает, внедряет и настраивает все компоненты исходя из нужд заказчика.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМЫ: ЧЕТЫРЕ МОДУЛЯ – ЧЕТЫРЕ ВОЗМОЖНОСТИ

При разработке архитектуры решения команда экспертов IBS руководствовалась основными принципами, сформулированными Международной ассоциацией управления данными DAMA International. Поэтому в Платформе данных четыре больших блока: интеграционный слой, слои хранилища данных, аналитических сервисов и управления данными (рис. 2). Можно подключать их все или только те, в которых есть необходимость на данный момент.

Первый модуль – это интеграционный слой. Он предназначен для взаимодействия с источниками данных, реализации внутренних алгоритмов в режиме реального времени и по расписанию, выстраивания оркестрациии и мониторинга интеграционных процессов.

В слое хранилища данных находится информация, полученная из различных внешних и внутренних источников: системы промысловых данных, капитальное строительство, геолокация и разработка, финансовые системы, корпоративные системы управления, нормативно-справочная информация и др. При этом данные неизменяемы, историчны и распределяются по «температурным» слоям в зависимости от требований к доступности.

Слой аналитических сервисов – это набор средств визуализации, библиотек машинного обучения, областей проведения экспериментов с данными и разработки сервисов.

В блоке управления данными происходит отслеживание качества и всего жизненного цикла данных. Там же хранится единое определение бизнес-терминов.

Чтобы лучше понять функциональность модулей, стоит остановиться на каждом подробнее.

Интеграционный слой

Компоненты этого модуля забирают данные из разных источников, перекладывают полученную информацию и выполняют алгоритмическую обработку (рис. 3).

В Платформе данных интеграционный слой важен для проектирования и поддержки основных типов источников данных и методологий взаимодействия. Технология и подход к интеграции в каждом случае должны выбираться на основе анализа функциональных и нефункциональных требований к конкретному потоку. В целом Платформа может поддерживать весь спектр возникающих интеграционных задач.

Слой хранилища данных

Задача модуля – обеспечение хранения данных в соответствии с требованиями к составу, структуре, гранулярности, историчности для подготовки отчетов и проведения анализа. Хранилище данных может честно показать, что происходит в системе и на предприятии.

В этом слое объединено несколько баз данных для разных нужд и целей:

– хранение: база данных, настроенная для хранения большого объема информации с учетом частоты доступа и изменений;

– поддержка аналитических разрезов: хранилище базируется на модели данных предприятия и поддерживает предоставление информации по требуемым разрезам и предметным областям;

– поддержка историчности: данные в хранилище не создаются, а попадают из внешних систем. В случае изменений данных создается новая запись, а предыдущая сохраняется как история;

– консолидация: хранилище содержит единую консолидированную версию данных.

В слое хранилища есть база данных так называемого холодного хранения, где лежит информация, нужная нечасто (рис. 4). Как правило, это большие объемы данных за продолжительный период времени, к которому редко обращаются и в которых также редко происходят какие‑либо изменения.

Выше устанавливается база данных теплого хранения Arenadata DB – российское решение на базе продукта компании Greenplum. Здесь хранятся нормальные данные, средние по объему, к которым могут часто обращаться, но в которых редко происходят изменения, или к которым редко обращаются, но в них часто происходят изменения.

Обе системы горизонтально масштабируются: можно использовать дополнительные серверы и за счет их мощностей увеличивать производительность. Средние объемы, которые могут храниться на этом уровне, составляют порядка 5 Пбайт (5 242 880 Гбайт) данных.

Третий уровень – так называемый горячий. Как правило, там хранятся витринные данные, на которых строятся отчеты, выгрузки, которые нужны очень быстро, но по объему они относительно небольшие. Для Платформы используется решение ClickHouse от «Яндекса».

Слой аналитических сервисов

Аналитический сервис – это программный продукт, представляющий собой отчеты, сервисы прогнозной аналитики, набор метрик для самостоятельного создания информационных панелей.

По сути, этот модуль – трансаналитическая система, то, с чем работают конечные пользователи. На текущий момент здесь можно выделить несколько блоков.

Первый блок – это классическая отчетность: регуляторная, управленческая, а также информационные и аналитические панели, которые помогают руководству принимать управленческие решения. Это большая классическая отчетная аналитика.

Во втором блоке находятся предиктивная аналитика, Data Science, машинное обучение специально для потребителей данных, которые смотрят в будущее, стараются прогнозировать, делать лучше, выявлять явные закономерности и т. д.

Еще стоит упомянуть большой блок процессов управления. Здесь особенно интересны геопроцессинг – управление командной разработкой и блок внешней интеграции с различными приложениями, ведь хранилище не только потребляет данные, но может отдавать их вовне.

В слой аналитических сервисов входят (рис. 5):

– сервисы отчетности: статическая отчетность;

– аналитические сервисы: дашборды, KPI, Drill Down, Self-service;

– сервисы на базе Machine Learning (ML-сервисы): репозиторий моделей, прогнозирование (отказы, выявление событий и пр.), экспертные и рекомендательные системы;

– промышленный интернет вещей (Industrial Internet of Things – IIoT): цифровой двойник, имитационное моделирование, планирование ресурсов, энергосбережение.

Модуль включает все необходимые инструменты для интеллектуального анализа данных, прогнозирования, визуализации и сценарного моделирования. Аналитический центр обеспечивает поддержку принятия управленческих решений, оперативный мониторинг достижения целевых показателей эффективности подразделений и организации в целом.

Управление данными

Управление данными – процесс, обеспечивающий контроль за успешным выполнением всех инициатив, связанных с данными, путем формирования целей, организационных изменений и создания политики и стандартов.

Сюда входят:

– методологический аспект: бизнес-глоссарий, политика управления данными, политика качества данных, политика безопасности, регламенты ведения данных, соответствие DMBOK;

– технологический аспект: архитектура данных, система хранения и управления метаданными, система управления качеством данных;

– организационный аспект: совет по управлению DG, владельцы данных, процессы управления данными, роли и ответственность сотрудников.

В Платформе от компании IBS система управления данными включает модуль жизненного цикла данных, глоссарий данных, модули справочной информации и контроля качества данных. Обеспечение качества данных – это планирование, организация и контроль выполнения работ по применению методов управления качеством в целях обеспечения пригодности данных к использованию (рис. 6).

Основные аспекты качества данных: полнота (отсутствие пробелов), правильность (корректность, точность, достоверность), непротиворечивость (согласованность, целостность, уникальность), актуальность (своевременность обновления или реагирования), доступность и возможность использования (годность), безопасность (защищенность).

Цели качества данных:

– согласованный подход соответствия данных потребностям;

– определение стандартов контроля качества данных на протяжении их жизненного цикла;

– разработка процессов мониторинга и учета показателей качества данных;

– выявление, изыскание и реализация возможностей для повышения качества данных посредством совершенствования систем и процессов.

Что касается стратегии управления данными, то в нее входят принципы классификации данных и критерии качества данных, принципы и цели управления данными, жизненный цикл данных, требования к организации управления данными, базовые требования для разработки архитектуры данных и базовые процессы управления данными.

Еще один важный и большой блок в модуле управления данными – Data Governance. Его бизнес-зада-ча – обеспечение организационного процесса управления корпоративными данными как активом организации. Это достаточно молодое направление, имеющее свою методологическую часть, собственные стратегии и решения. Оно может закрывать возможную потребность компании в монетизации данных.

Если рассматривать данные как актив компании наравне с заводами, произведенными продуктами и пр., то они представляют сопоставимую ценность. Самый простой вариант – продажа данных или торговля ими. Например, компания получает много геолого-разведочных данных, которыми может обмениваться с другими, делиться полученной информацией. Пропуская их через модуль Data Science, можно узнать, например, что в конкретных точках нет нефти, но с высокой вероятностью есть уран. Тогда можно продать эти данные заинтересованным компаниям. Data Governance помогает и с неявной монетизацией. Постоянный мониторинг данных, оптимизация процессов компании экономят значительные материальные ресурсы и повышают экономическую эффективность.

БИЗНЕС-ЭФФЕКТЫ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ДЛЯ КОМПАНИЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Платформа данных, разработанная экспертами IBS, представляет собой надежную кастомизированную инфраструктуру, адаптивную к целям, задачам и потребностям различных предприятий. Система способна решать самые сложные задачи по обработке данных любого формата и объема, хранению, управлению, аналитике и интеграции.

Эффективное использование данных улучшает работу предприятия нефтегазового сегмента, сокращает излишние расходы, увеличивает эффективность добычи нефти и газа на действующих месторождениях, повышает безопасность и многое другое. А определить значимые данные, выбрать и настроить необходимые модули, построить и проверить гипотезы, используя аналитические решения, поможет проверенный внешний партнер.

Результаты использования Платформы данных:

– повышение производственной и экономической эффективности (за счет использования только необходимых модулей);

– поддержка требуемого уровня качества данных;

– гибкое управление сервисами;

– консолидация и метаописание информации для удобства использования;

– минимизация операционных и санкционных рисков;

– сокращение затрат на владение IT-решениями;

– сокращение времени на принятие решений.

Ключевые преимущества:

– обеспечение высокой производительности и масштабируемости решений;

– проверка гипотез и выявление причинно-следственных связей средствами многомерного анализа данных;

– настройка процессов сбора данных с распределенных организационных структур и их согласование;

– решение задач нескольких подразделений компании в рамках одной платформы;

– работа через интернет-браузер без установки дополнительного программного обеспечения;

– работа с версиями данных и структур, гибкая система хранения показателей;

– полностью российская разработка, нацеленная на импортозамещение.

Осуществляя масштабные проекты, компания привлекает к работе большое количество подрядных организаций. Одновременно на Южно-Русском месторождении могут работать до 20 компаний-подрядчиков. Все они обязаны соблюдать требования по охране окружающей среды.

На стадии заключения договора с подрядной организацией четко прописываются правила работы и степень ответственности за нарушения.

Отдел экологии и охраны окружающей среды ОАО «Север-нефтегазпром» постоянно осуществляет производственный экологический контроль в отношении подрядных организаций. Ежеквартально на основании информации от структурных подразделений, курирующих выполнение работ, составляется план проверок, которые проводятся в соответствии с Регламентом по организации производственного контроля за соблюдением подрядными организациями требований производственной безопасности. При выявлении нарушений выдаются предписания и применяются штрафные санкции.

Важный инструмент управления подрядными организациями в области охраны окружающей среды – информирование в области экологической безопасности. С этой целью используется весь диапозон существующих форматов.

«Инструкция о требованиях в области охраны окружающей среды при производстве работ подрядными организациями на объектах ОАО «Севернефтегазпром» является обязательным приложением к каждому договору с подрядной организацией.

Согласно требованиям Общества, проезд автотранспорта по территории Южно-Русского месторождения осуществляется только по автодорогам, категорически запрещается разведение собак и прочих домашних животных, нельзя уничтожать растительность, охотиться и рыбачить на территории лицензионного участка ОАО «Севернефтегазпром». Особое внимание уделяется обращению с отходами: их накопление должно осуществляться только в специальных емкостях, которые обязательно должны быть защищены от осадков и ветра. Маркировка контейнеров с отходами, удобный подъезд для их вывоза – обязательные условия. Прописан также определенный алгоритм действий при разливе нефти, нефтепродуктов и химреагентов. И это неполный перечень требований к представителям подрядных организаций. Минимизация воздействия на окружающую среду является одной из приоритетных задач ОАО «Севернефтегазпром».

В соответствии с Федеральным законом от 3 июня 2011 г. № 107-ФЗ «Об исчислении времени» и По-ложением о порядке получения статуса субъекта оптового рынка и ведения реестра субъектов оптового рынка от 21 августа 2015 г. системы обеспечения единого времени (СОЕВ) автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учета электрической энергии (АИИС КУЭ) должны обеспечивать синхронизацию времени от источника точного времени при проведении измерений количества электроэнергии с точностью не меньше ±5,0 с и прослеживаемость к национальной шкале времени Российской Федерации (смещение шкалы времени любого из компонентов СОЕВ относительно национальной шкалы времени не должно превышать ±5,0 с).

В настоящее время синхронизация шкал времени, формируемых СОЕВ АИИС КУЭ, в 43 % случаев проводится по сигналам GPS, что противоречит № 107‑ФЗ.

В рамках Инновационной схемы синхронизации СОЕВ АИИС КУЭ от национальной шкалы времени, разрабатываемой ФГУП «ВНИИФТРИ», синхронизация шкал времени возможна по каналам с различной погрешностью. Предполагается создание кластеров по территориальному признаку (см. рис.) В том числе с использованием уже существующих технических средств, расположенных в Менделеево, Новосибирске, Хабаровске, Иркутске, Петропавловске-Камчатском. В каждом кластере проводится синхронизация отдельных шкал времени, например, сервера информационно-вычислительных комплексов или УСПД, с национальной шкалой РФ по сигналам Глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС с погрешностью несколько наносекунд и дальнейшей синхронизацией счетчиков электроэнергии по протоколу сетевого времени (Network Time Protocol) с погрешностью до сотен миллисекунд, что позволит синхронизовать шкалы времени на уровне ±5,0 с.

В статье представлены преимущества электроприводов «РэмТЭК» производства ООО НПП «ТЭК», применяемых в энергосистемах с низковольтным питанием и в системах альтернативной генерации на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для задач управления запорной, отсечной или регулирующей трубопроводной арматурой.

Использование электроприводов «РэмТЭК» позволяет существенно увеличить энергоэффективность объекта, а также снизить материальные затраты на его строительство и последующую эксплуатацию. Первое достигается за счет применения в составе электропривода современных, инновационных технических решений: вентильного синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, циклоидальных редукторов с высоким КПД, а также встроенного частотного преобразователя с алгоритмом векторного управления.

Питание осуществляется напрямую от низковольтной системы электропитания 24 В с допуском по входному напряжению от 12 до 50 В. При этом электропривод обеспечивает максимальные значения момента на выходном звене арматуры 40–10 000 Н · м для многооборотных, 3500–175 000 Н для линейных и 64–63 000 Н · м для неполнооборотных исполнений.

Электропривод «РэмТЭК» работает без обогрева при крайне низких температурах – до –63 °С, мощность на обогрев не расходуется. После подачи питания электропривод сразу готов к работе.

Для снижения нагрузки на аккумулятор реализован режим ограничения мощности потребления по линии питания. При этом электропривод сохраняет заявленный максимальный момент на выходном звене арматуры.

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА В ДЕЙСТВИИ

При создании энергосистемы в труднодоступных регионах, удаленных от сетевой инфраструктуры, все чаще применяется альтернативная генерация на базе ВИЭ, что позволяет существенно снизить расходы на этапе капитального строительства за счет отказа от линии электропередач.

В настоящее время крупные нефтегазовые компании увеличивают инвестиции в развитие проектов по использованию альтернативной энергетики на базе ВИЭ. Подобные энергосистемы запущены на Ярактинском нефтегазоконденатном месторождении ООО «Иркутская нефтяная компания», территории Омского нефтеперерабатывающего завода компании ПАО «Газпром нефть», на объектах Ямало-Ненецкого авт. окр., заводе «Ямал СПГ» компании ПАО «НОВАТЭК».

Основные виды зеленой энергетики: ветроэнергетика – использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии; солнечная энергетика – получение электрической энергии от излучения солнца; геотермальная энергетика – использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. Принцип действия таких электростанций построен на том, что энергия, получаемая из природных ресурсов, таких как ветер, солнечный свет, геотермальное тепло, при помощи ветрогенераторов, солнечных панелей, паровых турбин преобразуется в электрическую энергию и запасается в аккумуляторах со стандартными напряжениями 12, 24, 48 В. Для повышения энергоэффективности применяют специальные MPP-трекеры – устройства отбора максимальной мощности и контроллеры заряда / разряда. Для преобразования энергии, запасенной в аккумуляторе, в стандартную промышленную однофазную сеть 230 В или трехфазную сеть 400 В переменного тока используют повышающий преобразователь – инвертор, который на выходе формирует переменное напряжение промышленной частоты 50 Гц для питания потребителей (рис. 1).

Данная схема имеет ряд преимуществ, таких как: использование потребителей со стандартными значениями промышленного питающего напряжения, возможность подключения к инвертору резервного источника питания (дизель-генераторы), низкие потери при передаче энергии в нагрузку при длинных линиях питания. Однако есть и недостатки: повышенные затраты на строительство системы (инвертор), потери энергии в инверторе на дополнительное преобразование, которые в энергосистемах на базе ВИЭ нецелесообразны. Кроме того, системы промышленной автоматизации имеют стандартное напряжение питания 12 и 24 В постоянного тока, и для обеспечения их работы требуется установка дополнительных вторичных источников.

Для систем с применением инвертора электропривод «РэмТЭК» со входом питания 230 / 400 В переменного тока имеет ряд преимуществ за счет отсутствия пусковых токов и энергоэффективной системы управления и редукторов с высоким КПД.

Вторым типом энергосистем являются системы с выходным напряжением питания постоянного тока и потребителями (рис. 2). Такие системы не содержат инвертор напряжения и обеспечивают питание потребителей непосредственно с аккумулятора. Напряжение питания при этом подбирается исходя из номинального напряжения на аккумуляторе.

В зависимости от мощности потребителя выбирается напряжение на шине постоянного тока аккумулятора. Рекомендуемые значения: 12 В – диапазон нагрузки до 600 Вт, 24 В – 600–1500 Вт, 48 В – свыше 1500 Вт. Соединяя аккумуляторы последовательно, можно легко масштабировать и формировать стандартное напряжение 12, 24, 48 В постоянного тока для питания низковольтного оборудования.

Исключение инвертора из общей схемы электропитания позволяет повысить энергоэффективность и надежность объекта, сократить номенклатуру системы, тем самым снизить материальные затраты на строительство и обслуживание.

Отсутствие инвертора положительно сказывается на надежности системы. Структурная схема энергосистемы является последовательной, и отказ любого из элементов приведет к отказу всей системы. Каждое ее звено имеет свою характеристику надежности: – интенсивность отказа. Согласно теории надежности при последовательном соединении элементов интенсивности отказов суммируются: . При исключении из системы звена суммарная интенсивность отказа всей системы снизится, соответственно увеличив надежность.

Электропривод «РэмТЭК» с напряжением питания 24 В постоянного тока разработан и серийно выпускается ООО НПП «ТЭК» специально для применения в энергосистемах с низковольтным питанием и в системах альтернативной генерации на базе ВИЭ для задач управления запорной, отсечной или регулирующей трубопроводной арматурой. Входное номинальное напряжение питания 24 В позволяет использовать электропривод «РэмТЭК» без промежуточного преобразователя напряжения – инвертора, соответственно, без потери мощности на преобразование. Данное решение энергоэффективно и удовлетворяет требованиям зеленой энергетики.

Технические характеристики и основные модификации электроприводов «РэмТЭК» представлены в табл. 1, 2.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ «РЭМТЭК»

Входное переменное напряжение 230 / 400 В выпрямляется мостовым выпрямителем и поступает на шину постоянного тока.

Входное постоянное напряжение 24 В проходит через схему защиты от переполюсовки и напрямую поступает на шину постоянного тока.

На шине постоянного тока установлен фильтрующий конденсатор для сглаживания пульсаций потребляемого тока. Датчик измеряет значение входного напряжения и передает данные на микроконтроллер блока управления. Напряжение с шины постоянного тока поступает на инвертор, и с помощью широтно-импульсной модуляции формируется переменное напряжение необходимой частоты и амплитуды на статоре электродвигателя. Переменный ток в обмотках статора измеряется датчиком тока. Бесконтактный датчик положения считывает текущее положение ротора электродвигателя и обеспечивает калибровку выходного звена электропривода для применения на арматуре (рис. 3).

Преимущества электропривода «РэмТЭК» достигаются применением в его составе:

– вентильного синхронного высокоэффективного электродвигателя с постоянными магнитами;

– надежных редукторов с высоким КПД;

– встроенного частотного преобразователя с алгоритмом векторного управления;

– специализированных решений для применения без обогрева при крайне низких температурах до –63 °С.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Электропривод с вентильным синхронным электродвигателем с постоянными магнитами сочетает в себе надежность машин переменного тока с управляемостью машин постоянного тока и является передовым и инновационным решением в области регулируемого электропривода. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами обладает высоким КПД из‑за отсутствия потерь в роторе, лучшим отношением максимальной полезной мощности к массе по сравнению с другими двигателями аналогичной мощности. Вентильный синхронный электродвигатель не содержит в своем составе изнашиваемых компонентов, щеток и не требует обслуживания.

Применение вентильного электродвигателя в электроприводе «РэмТЭК» позволяет получить высокие эксплуатационные характеристики, снизить энергопотребление, добиться высокой кратности максимального и номинального момента, сохранить требуемый крутящий момент на максимальной скорости.

Применение синхронного электродвигателя обеспечивает компактность системы электропривода, позволяет получить низкие виброакустические шумы и увеличить надежность и долговечность системы.

Электропривод «РэмТЭК» содержит полный комплекс защит электродвигателя: короткое замыкание, обрыв фаз, перегрев, токовременная защита, снижение сопротивления изоляции.

НАДЕЖНЫЕ РЕДУКТОРЫ С ВЫСОКИМ КПД

В составе электропривода «РэмТЭК» применяются редукторы на основе циклоидальной передачи (цевочные), передачи с промежуточными телами качения и шариковинтовой передачи собственного производства. Использование передач с промежуточными телами качения и циклоидальных передач обеспечивает компактность многоступенчатых редукторов и высокие массогабаритные показатели. Редукторы производства ООО НПП «ТЭК» позволяют получить большое передаточное отношение и имеют высокий КПД – 0,85–0,90, а также обладают ресурсом не менее 15 тыс. циклов, 1 млн пусков на регулировании. Применение редукторов с высоким КПД позволяет достичь максимального момента на выходном звене электропривода 63 000 Н · м для поворотных, 175 000 Н · м для прямоходных исполнений.

ВЕКТОРНЫЙ АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ

Векторный алгоритм управления синхронным мотором обеспечивает качественно другой уровень управления по сравнению со стандартным способом скалярного управления U/f (напряжение / частота). Реализация алгоритма векторного управления синхронным мотором в электроприводе «РэмТЭК» позволяет получить высокие динамические и энергетические показатели качества управления при токах, не превышающих двух номинальных значений, в том числе в пусковых режимах.

Преимущества использования электроприводов «РэмТЭК» с алгоритмом векторного управления:

– независимость максимального момента от напряжения питания;

– высокая устойчивость динамических показателей электропривода при изменении момента арматуры, температуры окружающей среды, напряжения питания;

– высочайшая точность в регу-лировании, в том числе с использованием встроенных пропорционально-интегрально-дифференцирующих регуляторов технологических параметров.

Векторное управление в электроприводах «РэмТЭК» обеспечивает эффективное управление арматурой, в частности в системах с альтернативной генерацией на базе ВИЭ: плавный пуск и бережное отношение к арматуре, точный останов с использованием регуляторов положения, точный контроль момента во всех режимах работы, точное регулирование скорости.

Регулирование скорости вращения и плавный пуск позволяют избежать ударных воздействий на арматуру, продлить ее ресурс, обеспечить точный, бережный подход выходного звена в заданное положение. Применение векторного алгоритма и транзисторного преобразователя в электроприводе «РэмТЭК» позволяет решить задачу чувствительности электропривода к просадкам питающей сети. Электромеханический момент двигателя пропорционален напряжению в квадрате: M ~ U2. Так, при просадке питающего напряжения на 50 % электромеханический привод потеряет 75 % момента, а электропривод «РэмТЭК» сохранит его максимальные значения. Устойчивость к просадке сети дает возможность гарантированно закончить выполнение команды на движение, что обеспечивает высокую надежность управления технологическим процессом.

ПРЕИМУЩЕСТВА В УПРАВЛЕНИИ АРМАТУРОЙ

Использование современных технических решений в электроприводе «РэмТЭК» позволяет реализовать режим штатного управления арматурой на малой скорости с обеспечением высокой точности позиционирования и поддержания технологического параметра.

Компактный внешний габарит электропривода «РэмТЭК» обеспечивает значительные преимущества при проектировании технологических узлов и установок.

Реализованный алгоритм предиктивного анализа и применение специального диагностического программного обеспечения для тестирования основных электронных узлов дают возможность в полной мере прогнозировать будущее состояние электропривода. Это позволяет обслуживающему персоналу оперативно и своевременно проводить техническое обслуживание оборудования.

Широкий спектр современных интерфейсов автоматизированной системы управления технологическим процессом, реализованных в электроприводе «РэмТЭК», отвечает всем современным тенденциям в области цифровизации промышленных объектов.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ

Создавая современное промышленное оборудование, компания ООО НПП «ТЭК», наряду с крупнейшими компаниями, вносит свой вклад в развитие зеленой энергетики и автоматизации на объектах нефтегазодобычи.

Постоянное стремление к инновациям и внедрение новых технологий позволяют компании ООО НПП «ТЭК» создавать промышленное оборудование, соответствующее всем современным мировым стандартам. Приоритетная задача компании – разработка высокоинтеллектуального, надежного и энергоэффективного промышленного оборудования.

Таблица 1. Технические характеристики электроприводов «РэмТЭК»

Таблица 2. Основные модификации электроприводов «РэмТЭК» по управлению арматурой