Энергетический комплекс (ЭК) нефтегазовых предприятий (НГП) взаимосвязан с технологической системой (ТС), внешними системами энергообеспечения и окружающей средой, и характеризуется сложной структурой и многофункциональными режимами эксплуатации оборудования, установок и производств. Поэтому для решения задач эффективного управления потреблением и генерацией энергоресурсов (ЭР), водопотреблением и водоотведением за любой заданный промежуток времени с необходимой степенью детализации объекта (аппарат, установка, производство, предприятие) требуется создание специализированного информационно-аналитического обеспечения (ИАО), учитывающего технологическую топологию НГП, состав оборудования и режимы эксплуатации.
Следует отметить, что качественной формулировке цели управления потреблением ЭР отвечает многокритериальная задача оптимизации динамического объекта, поскольку ЭК НГП с самого начала его жизненного цикла ставится несколько целей: максимизировать системную эффективность (целесообразность ЭК НГП в топливно-энергетическом комплексе региона) с одновременной минимизацией потребления ЭР от внешних источников, водопотребления и водоотведения.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования ЭК предприятий по подготовке, переработке и транспортировке газа, газового конденсата и нефти позволили сформировать методологию оценки и анализа потребления ЭР, а также разработать комплекс показателей энергетической эффективности и математические модели их расчета с достаточной степенью детализации на каждом иерархическом уровне НГП [1–3].
В качестве базового принципа методологии оптимизации и управления потреблением ЭР нами принят агрегативно-декомпозиционный подход, который предусматривает два этапа исследования: последовательную декомпозицию НГП и выполняемых им целей и функций, и агрегирование (синтез) на соответствующих иерархических уровнях детализации для генерирования оптимальных вариантов ЭК во взаимосвязи с ТС НГП (далее – объекта). На этих этапах решены следующие основные взаимосвязанные задачи:
– разработаны операционно-описательные и иконографические модели объекта; идентифицированы внутренние и внешние связи между элементами (производствами, подсистемами, установками, аппаратами) по степени значимости; выделены детерминирующие элементы и связи;
– разработана методология анализа локальной и системной энергетической эффективности и математические модели их расчета для компонентов и объекта в целом;
– проведены экспериментальные исследования в рамках энергетического аудита крупных НГП – Астраханского и Сосногорского газоперерабатывающих заводов, Ново – Уренгойского завода по подготовке конденсата к транспорту, Сургутского завода стабилизации конденсата, Вуктыльского газопромыслового управления;
– разработаны рациональные алгоритмы расчета, программное обеспечение созданных информационно-аналитических моделей [4] и реляционная база данных (БД) объекта;
– создана информационно-аналитическая система нормирования и оптимизации выработки и потребления топлива и энергоносителей на предприятии (ИАС ТЭР) [5] для определения оптимальных параметров подсистем ЭК и объекта в целом на основе имитационного моделирования;
– проведена успешная экспериментальная апробация ИАС ТЭР в структурных подразделениях Астраханского газоперерабатывающего завода;
– разработан комплекс технических решений по повышению энергетической эффективности ЭК НГП с использованием ИАС ТЭР.
На основе выполненных нами исследований с использованием разработанного программного комплекса (ПК) создано ИАО для решения задач оперативного управления энергопотреблением и разработки стратегии развития ЭК НГП [4, 5], содержащее совокупность расчетно-информационных блоков, модулей и реляционную БД, и реализующее определение показателей энергетической эффективности НГП с любой технологической топологией.
Фундаментальная организация разработанного ПК основана на блочно-иерархическом принципе и реализована в отдельных его компонентах – программных модулях, взаимосвязанных друг с другом. Модули являются дискретными элементами ПК, полностью допускают раздельную компиляцию, объединение с другими элементами и загрузку.
Основой каждого модуля является программное обеспечение, разработанное с использованием метода пошагового усовершенствования, когда первоначально были определены данные и способы их обработки в целом для ЭК и ТС НГП, после чего процедура определения осуществлялась во все возрастающей степени подробности (производства, установки, аппараты).
При разработке программного обеспечения расчета энергетических характеристик на уровне установок и аппаратов использован метод инкапсуляции, в результате чего для пользователя оставлены видимыми только внешние интерфейсы модулей, которые определяют все допустимые операции над ними (ввод данных, расчет, вывод результатов, передача информации) при скрытой от пользователя программной реализации модуля.
После ввода исходных данных расчеты с использованием разработанных модулей ПК осуществляются как в автоматическом (без участия пользователя), так и в автоматизированном режиме. В последнем случае в интерфейсе пользователя предусмотрены соответствующие опции для обмена информацией с программными компонентами модуля.
Программное обеспечение модулей реализует разработанные математические модели и алгоритмы расчета характеристик ЭК и ТС на любом иерархическом уровне НГП, которые представлены в авторских разработках. Модули планирования, анализа и нормирования потребления и генерации ЭР, водопотребления и водоотведения содержат функции, объединенные в логически законченные блоки расчета, основными из которых являются блоки расчета энерготехнологического баланса (материального и энергетического), гидродинамики и свойств материальных потоков и ЭР, кинетики процессов, а также базы данных параметров и констант по аппаратам и процессам, методическим положениям учета, нормирования, планирования, регулирования и оптимизации генерации и потребления ЭР, результатам энергетического аудита и экспериментальных исследований.
Модули разработанного ПК объединены в две группы: 1 – модули для определения, нормирования, оптимизации характеристик действующих объектов; 2 – модули для расчета и оптимизации характеристик реконструируемых, модернизируемых и проектируемых ЭК и ТС НГП.
В первой группе, в свою очередь, выделены модули расчета энерготехнологических балансов (ЭТБ) установок, производств, подсистем и модули расчета энергетических характеристик оборудования в составе НГП.
Вторая группа представлена модулями конструкторского расчета основного оборудования НГП.
Базовым элементом ПК расчета энергетических характеристик НГП является блок расчета материальных балансов установок и производств предприятия в широком диапазоне значений состава сырья. В основу разработанного программного модуля положены математические модели материальных балансов и результаты системного анализа технологических процессов действующих НГП [1–3].
Синтез оптимального ЭК и формирование стратегии управления энергопотреблением НГП осуществляются поэтапно в следующей последовательности.
1. Формируется БД исходной информации по профилю НГП, составу сырья и номенклатуре выпускаемой продукции, графикам планово-предупредительных и капитальных ремонтов оборудования, базе данных по аппаратам, методикам, процессам и другим данным. В исходные данные входят технологические, конструктивные характеристики ЭК и ТС, эколого-климатические и экономические факторы (в том числе комплекс критериев эффективности).
2. Идентифицируется структура ЭК и ТС НГП, необходимая для выполнения производственного задания с имеющимся ресурсом оборудования.
3. Формируются модели расчета соответствующих элементов объекта с выделением моделей функций (расчета материальных и энергетических балансов) и моделей данных (расчета показателей эффективности аппаратов, установок, подсистем, производств).
4. Осуществляется формирование вариантов ЭТБ по различным видам ЭР и обобщенного ЭТБ НГП с учетом влияющих климатических, технико-экономических, экологических, технологических и других факторов для различных периодов жизненного цикла НГП.
5. Оптимизируются режимные переменные и структура ЭК в соответствии с возможностью управления потреблением и генерацией ЭР. При этом формирование оптимальной структуры ЭК, обеспечивающей энергоресурсами ТС с оптимальными режимами эксплуатации оборудования осуществляется в соответствии с принятым комплексом критериев эффективности, включающим показатели рационализации энергопотребления, водопотребления, водоотведения, технико-экономические и экологические критерии.
Полученные результаты являются основой для формирования задания внешней системе энергоснабжения, обеспечивающей НГП электрической и тепловой энергией, а также системам водоснабжения, водоотведения и утилизации отходов.
В разработанном ИАО систем управления энергопотреблением основным блоком является БД, которая формируется на начальном этапе синтеза оптимального ЭК, и объем и информативность которой определяет возможность управляющих воздействий при оптимизации и реконструкции объекта. Для топливной, электро- теплотехнологической и других подсистем ЭК и ТС БД по оборудованию (БДО) позволяет формировать структуру промышленного предприятия и разрабатывать энергетические балансы по видам ЭР и комплексный ЭТБ.
Создание БДО осуществлялось нами на трех взаимосвязанных уровнях проектирования: концептуальном, логическом и физическом.
На стадии концептуального проектирования изучена деятельность предприятия, определены задачи, которые требовалось решить с использованием проектируемой БДО, выполнен анализ информационных потребностей функций и процессов, выполняющих поставленные задачи. В результате концептуального проектирования разработана композиционная модель БДО, в которой в самом общем случае информационные объекты предприятия соотносятся между собой следующим образом. ЭК и ТС связаны с производством отображением 1:M («один-ко-многим») – то есть, в составе ЭК и ТС имеется несколько производств, но каждое производство относится только к ЭК, связанному с ТС НГП. Таким же отображением связаны информационные объекты «производство» и «установка». Отображения «один-ко-многим» распространяются и на объекты нижних уровней иерархии. Каждая установка комплектуется несколькими агрегатами (ассоциация типа M), при этом каждый агрегат принадлежит только одной установке (ассоциация типа 1). Агрегат составляет некоторое количество аппаратов, при этом любой из аппаратов, составляющих агрегат, принадлежит только этому агрегату.
Например, в структуру предприятия по переработке гетерогенного углеводородного сырья (газа, газового конденсата, нефти) входят многочисленные унифицированные ряды типовых аппаратов и агрегатов. Очевидно, что хранить в базе данных полный список характеристик отдельно по каждому наличному аппарату и агрегату, принадлежащему к ограниченной номенклатуре типовых моделей, нерационально, поскольку это вызовет неоправданное увеличение размера БДО и затруднит ее заполнение и редактирование. Целесообразнее выделить информационные объекты «модель аппарата» и «модель агрегата» («марка аппарата / агрегата») с соответствующими отображениями М:М, поскольку в состав агрегата одной модели входит несколько моделей аппаратов, но в то же время одна модель аппарата может применяться во многих моделях агрегатов.
Таблицы с данными по моделям аппаратов и агрегатов составляют основу для формирования таблиц по конкретным экземплярам аппаратов и агрегатов предприятия, которые, помимо поля с указанием модели аппарата и агрегата (связанного с соответствующей записью в таблице модельного ряда) будут содержать поля с данными по каждому описываемому экземпляру оборудования. Одним из обязательных элементов информационной схемы является поле с данными об установке указанного оборудования, позволяющее на основе составленных таким образом таблиц получить состав и структуру установок предприятия.
В свою очередь, таблицы более высокого уровня иерархии – уровня установок – содержат данные с разбивкой установок по производствам, благодаря чему в БДО закладывается структура предприятия в целом.
Входящие в состав ИАО клиентские программы, основной из которых является «Система энергоресурс» [4], используя разработанную БДО, позволяют осуществлять требуемые пользовательские функции: рассчитывать энергетические характеристики оборудования, показатели энергетической эффективности установок, производств, ЭК и предприятия в целом, формировать ЭТБ на любой расчетный период времени, нормировать и оптимизировать потребление и генерацию ЭР на любом иерархическом уровне предприятия.
Функционирование клиентских программ осуществляется на автоматизированных рабочих местах пользователей, каждое из которых включает: информационно-аналитическую подсистему, состоящую из информационно-аналитических модулей учета, планирования, нормирования, оптимизации ЭТБ аппаратов, установок, производств, предприятия (каждый из которых, в свою очередь, содержит соответствующие блоки программной компьютерной обработки и анализа данных); модуль отображения и документирования результатов (учета, планирования, нормирования, оптимизации ЭТБ аппаратов, установок, производств, предприятия); блок формирования запросов к центральному серверу и блоку памяти с БДО.
Экспериментальная отработка ИАО систем управления энергопотреблением НГП проведена как для отдельных подсистем ЭК (электро- и теплотехнической, топливной) [6–9], показав широкие возможности программного комплекса в области решения задач формирования оптимальных эксплуатационных режимов оборудования и систем внешнего энергоснабжения в условиях переменных технологических нагрузок и параметров процессов, так и для всего ЭК НГП [10, 11] при разработке стратегии его развития на основе собственных энергогенерирующих источников с утилизацией горючих отходов и стоков и минимизацией внешнего энерго- и водопотребления.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (Проект № 1579).