Удосконалення інформаційного забезпечення системи антипомпажного захисту відцентрованого нагнітача газоперекачувального агрегату на засадах штучного інтелекту

Abstract

У дисертаційному дослідженні вирішено актуальне науково-практичне завдання, що полягає в удосконаленні динамічного методу автоматичного антипомпажного захисту системи “відцентровий нагнітач газоперекачувального агрегату - трубопровід ” дотискувальної компресорної станції підземного сховища газу на основі раннього виявлення відхилень технологічного процесу компримування газу від норми, що досягається шляхом використання інформаційної технології злиття даних. Збільшення рівня автоматизації газотранспортної системи, зокрема компресорних станцій, має супроводжуватися підвищенням швидкодії і надійності не тільки автоматичного керування, але й автоматичного антипомпажного захисту газоперекачувальних агрегатів. Відомі способи діагностування стану відцентрових нагнітачів газоперекачувальних агрегатів нерозривно пов’язані з опрацюванням в реальному часі великої кількості контрольованих параметрів. Оскільки обсяг даних про фактичний технічний стан газоперекачувальних агрегатів є досить значним і не дозволяє проаналізувати усю доступну інформацію людині-оператору самостійно, доцільно застосовувати сучасні методи, зокрема методи штучного інтелекту. Виконано огляд стану проблеми автоматичного антипомпажного захисту відцентрових нагнітачів газоперекачувальних агрегатів дотискувальних компресорних станції підземних сховищ газу. На основі аналізу основних переваг і недоліків існуючих методів, встановлено, що ефективність існуючих систем автоматичного антипомпажного захисту не в повній мірі відповідає вимогам технологічного процесу, виявлено тенденції їхнього розвитку і удосконалення. Зроблено висновок, що найбільш ефективними методами автоматичного антипомпажного захисту системи “відцентровий нагнітач газоперекачувального агрегату - трубопровід” є методи обчислювального інтелекту, зокрема інформаційна технологія Data Fusion (злиття даних) адаптована до умов експлуатації на дотискувальних компресорних станція підземних сховищ - газу. З позиції автоматизації процесів керування задачу злиття даних в системі автоматичного керування газоперекачувальним агрегатом з газотурбінним приводом слід розглядати як спосіб підвищення ефективності взаємозв’язку між об’єктом керування і автоматичними керувальними пристроями, що дозволяє поєднати переваги стохастичних властивостей окремих контрольованих параметрів з обчислювальними можливостями мікропроцесорної техніки. 1 Розроблено описову фізичну модель взаємодії механічних, теплових і газодинамічних - процесів у системі відцентрового нагнітача газоперекачувального агрегату з газотурбінним приводом, що дозволило визначити напрями подальших досліджень щодо удосконалення методу шляхом злиття (об’єднання) інформації про спостережуваний випадковий процес та використання нових методів оброблення інформації. Проведено аналіз зв’язків математичної моделі процесу компримування газу газоперекачувальним агрегатом з газотурбінним приводом, що дало змогу сформувати алгоритм функціонування об’єкта керування з урахуванням обмежень окремих компонентів векторів стану, керувальних дій і зовнішніх впливів, визначити матрицю функції передачі, модель типу Multi Input - Multi Otput відцентрового нагнітача газоперекачувального агрегату як багатовимірного об’єкта антипомпажного захисту та методику визначення функції передачі відцентрового нагнітача за результатами спостережень. Сформовано підхід до вирішення задачі синтезу спостерігача станів відцентрового нагнітача газоперекачувального агрегату за умов поточної невизначеності, що дало змогу сформувати критерій у вигляді математичного формулювання задачі досліджень, синтезувати алгоритмічну структуру системи автоматичного антипомпажного захисту відцентрового нагнітача газоперекачувального агрегату як багатовимірним об’єктом із спостерігачем його станів у вигляді моделі у змінних стану. Розроблено узагальнену функціональну структурну систему антипомпажного захисту відцентрового нагнітача газоперекачувального агрегату на засадах нейро-нечіткої мережі, що дозволяє покращити точність діагностування їхнього технічного стану, підвищити ефективність та оперативність операторного керування газоперекачувальних агрегатів за рахунок використання сучасних технічних засобів контролю і керування. Проведено аналіз статистичних характеристик флуктуацій параметрів, що характеризують явище помпажу. У результаті багатопараметричного злиття основних параметрів, що характеризують роботу відцентрового нагнітача газоперекачувального агрегату, отримано сумарний випадковий сигнал; який підпорядковується нормальному закону розподілу, що відповідає твердженню теореми Ляпунова, що дозволяє проектувати контури систем автоматичного антипомпажного захисту, які інваріантні щодо функціонального розподілу випадкового процесу діючого в контурі зворотного зв’язку. Запропоновано модель визначення зон втрати стійкості розв’язків системи диференціальних рівнянь та встановлено що, явище помпажу корелює з втратою стійкості розв’язків системи, яка описує взаємозв’язок між параметрами (тиск та витрата), які контролюються на діючих компресорних станціях. Встановлено тип кожної із точок положення рівноваги та визначено як відповідні значення характеризують явище помпажу або виникнення передпомпажних ефектів. Розроблено структуру автоматичного пристрою виявлення явища помпажу в системі “відцентровий нагнітач газоперекачувального агрегату -трубопровід ”, яка основана на ефекті злиття даних реалізованого на засадах технології Data Fusion, що дало змогу підвищити ймовірність безаварійної роботи газоперекачувальних агрегатів. Розроблено гібридну нейро-нечітку мережу для злиття даних і виявлення явища помпажу на основі адаптивної нейро-нечіткої системи виводу -Adaptive-Network-Based Fuzzy Inference System, що дало змогу обробляти інформацію про явище помпажу в режимі on-line і підвищити надійність захисту відцентрового нагнітача газоперекачувального агрегату від помпажу за допомогою системи автоматичного захисту. Вперше розроблено інформаційну технологію раннього виявлення відхилення процесу компримування газу від нормальних робочих характеристик, що ґрунтується на багатовимірному аналізі і формуванні фазових портретів показників помпажу й порівнянні їх з атракторами. Якщо процес наближається до зони помпажу, то попередження шляхом сигналізації, або просто графічної зміни кольору передається на робочу станцію оператора для попередження про відхилення вимірювань від бажаного значення. Удосконалено функціональну структуру системи автоматичного захисту “відцентровий нагнітач газоперекачувального агрегату - трубопровід”, в процесі компримування природного газу, яка, на відміну від існуючих, реалізує запропонований спосіб раннього виявлення втрати стійкості роботи цієї системи внаслідок початку розвитку обертального зриву, шляхом багатопараметричного злиття даних в контурі зворотного зв’язку, що характеризують роботу системи “відцентровий нагнітач газоперекачувального агрегату - трубопровід”. Це дозволяє розпізнавати стани об’єкта керування з мінімальною ймовірністю помилки розпізнавання станів керування, окрім цього система сприяє збільшенню технічного ресурсу відцентрових нагнітачів газоперекачувальних агрегатів, забезпечує стабільність і безперебійність перекачування газу. Запропонований у роботі метод автоматичного антипомпажного захисту системи “ВН ГПА - ТП” дозволяє проектувати в складі системи автоматичного керування газоперекачувальними агрегатами дотискувалиних компресорних станцій підземних сховищ газу контури систем автоматичного захисту від помпажу, які робастні щодо порушення апріорних статистичних припущень і інваріантні щодо функціонального розподілу випадкового процесу діючого в контурі зворотного зв’язку. Розроблена методика раннього виявлення відхилення процесу компримування газу від нормальних робочих характеристик дає змогу зменшити кількість позапланових ремонтів обладнання, викликаних виникненням помпажних явищ у нагнітачах, а також модель інтелектуальної системи виявлення відхилень технологічних процесів від нормальних робочих характеристик за умов невизначеності, що побудована на засадах інформаційної технології з використанням гібридної нейро-фаззі архітектури, ще дозволить вирішувати задачі прогнозування та ідентифікації у реальному часі, прийняті для використання підприємствами, що підтверджується відповідними актами.

In the research the actual scientific and practical task ,the main aim of which was to improve the dynamic method of automatic anti-surge protection of the system "centrifugal supercharger of the gas pumping unit - the pipeline" of the compressor station of the underground storage of gas on the basis of early detection of deviations of the technological-gas compression process from normal operating characteristics , being achieved by the using of merging data informative technology, has been solved. The increasing of the gas transmission system automatic level, mainly compressor stations, must be accompanied by the increase of the speed and reliability not only the automatic control but also automatic anti-surge protection of gas pumping units. Known methods used for diagnosing the state of centrifugal superchargers of gas pumping units are inextricably linked with the real-time processing of a large number of controlled parameters. Since the volume of data on the actual technical-state of gas pumping units is quite large and does not allow to analyze all available information by a human operator himself, it is expedient to apply modem methods, in particular, methods of artificial intelligence. A review of the problem of automatic anti-surge protection of centrifugal superchargers of gas-pumping units of the compressor station of underground gas storage was performed. Having analyzed the main advantages and disadvantages of existing methods, it has been established that the effectiveness of existing automatic anti-surge protection systems does not fully meet the requirements of the technological process, and trends of their development and improvement have been revealed. It was concluded that the most effective methods of automatic anti -surge protection of the system "centrifugal supercharger of the gas pumping unit - the pipeline" were the methods of computing intelligence, in particular the informative technology Data Fusion (data fusion) was adapted to the operating conditions at the compressor station of underground gas storage. From the position of automation of control processes, the task of data merge in the system of automatic control of a gas-pumping unit with a gas turbine drive should be considered as a way to increase the efficiency of the relationship between the object of control and automotive control devices, which allow to combine the advantages of stochastic properties of individual controlled parameters with computing capabilities of microprocessor technology. The descriptive physical model of the interaction of mechanical, thermal and gasdynamic processes in the system of centrifugal supercharging of a gas-pumping unit with a gas turbine drive has been developed, which allowed to determine the directions ! of further research on the improvement of the method by merging (merging) information about the observed random process and the use of new methods of information processing. The analysis of the connections of the mathematical model of the process of gas compression with gas turbine driven gas compressor unit has been developed, It enabled to formulate an algorithm for the operation of the control object taking into account the constraints of the individual components of the state vectors, the control actions and external influences, to determine the matrix of the transmission function, the model of the type Multi Input - Multi Otput of the centrifugal supercharger of the gas-pumping unit as a multidimensional object of anti-surge protection and a method for determining the junction of the transmission of the centrifugal supercharger based on observations. The approach to solving the problem of synthesis of the observer states of the centrifugal superchargers of the gas-pumping aggregate under the conditions of current uncertainty, making it possible to formulate a criterion in the form of a mathematical formulation of the research problem, to synthesize the algorithmic structure of the automatic anti-surge protection system of the centrifugal supercharger of the gas-pumping aggregate as a multidimensional object with an observer of its states in the form of a model in the variables state was done. The universal functional structural system of the antisurge protection of the centrifugal supercharger of the gas-pumping unit on the basis of the neuro-fuzzy network has been developed, which allowed to improve the accuracy of the diagnostics of their technical condition, to increase the efficiency and efficiency of the operator's control of gas-pumping units by using modem technical means of control and management. The analysis of statistical characteristics of the fluctuations of the parameters describing the phenomenon of the storm has been carried out. As a result of the multiparameter merging of the main parameters characterizing the work of the centrifugal supercharger of a gas-pumping unit, a total random signal was obtained according to the normal distribution law corresponding to the statement of Lyapunov’s theorem, which allowed the design of contours of automatic antisurge protection systems being invariant under the functional distribution of the random process of feedback loop. The model of determination of zones of loss of stability of solutions of the system of differential equations was proposed, it was established the phenomenon of the fall correlates with the loss of stability of the system solutions, describing the relationship between the parameters (pressure and flow), controlled at the operating compressor stations. The type of each of the points of equilibrium position was determined and the relevant values were defined as the phenomenon of a storm or the appearance of pre-exiting effects. The structure of the automatic device for detecting the phenomenon of the pump in the system "centrifugal supercharger of the gas pumping unit - pipeline" , based on the effect ©f data fusion realized on the basis of the technology Data Fusion, making it possible to increase the probability of trouble-free operation of gas pumping units has been developed. A hybrid neuro-fuzzy network for merging data and detecting the phenomenon of a phenomenon on the basis of an adaptive neuro-fuzzy output system - the Adaptive-Network-Based Fuzzy Inference System , enabled to process information on the phenomenon of outbreak in the on-line mode and increase the reliability of the protection of the centrifugal supercharger of the gas pumping unit from falling through the system of automatic protection has been developed. The informative technology of early detection of the deviation of the process of gas compression from normal operating characteristics, based on multidimensional analysis and the formation of phase portraits of impulse parameters and comparable with attractors, has been developed for the first time. When the process approaches the penetration zone, warning by signaling, or simply a graphical color change, is transmitted to the operator's workstation to warn about the deviation of measurements from the desired value. The functional structure of the automatic protection system "centrifugal supercharger of the gas-pumping unit - the pipeline" has been improved, in the process of compressing natural gas, which, unlike existing ones, implements the proposed method of early detection of the loss of stability of this system due to the beginning of the development of the rotational breakage, by multiparameter data fusion in the circuit feedback, characterizing the work of the system "centrifugal Supercharger gas-pumping unit - pipeline". This allows to recognize the states of the control object with'a minimum probability of error recognition of control states, in addition, this system contributes to the increase of the technical resource of centrifugal superchargers of gas pumping units, ensures stability and continuity of gas pumping. The method of automatic anti-surge protection of the system "VN GPA-TP" allows to design, in the composition of the automatic control system of gas-pumping units of compressed stations of underground gas storage facilities, the contours of automatic protection systems from the impulse which are robust with respect to the violation of a priori statistical assumptions and invariant with respect to the functional distribution of the random process active in the feedback loop. The developed technique of early detection of the deviation of the process of gas compression from normal operating characteristics, enables to reduce the number of unscheduled repairs of equipment caused by the occurrence of excitement phenomena in superchargers, as well as the model of the intellectual system for detecting deviations of technological processes from normal operating characteristics in the conditions of uncertainty, which is based on the principles of information technology using a hybrid neurophase architecture that will enable prediction and identification tasks nowadays taken by enterprises, as confirmed relevant acts.