Honeywell: Измерение расхода для коммерческого учета — как данные превращаются в цифровой интеллектуальный акти
Тим Фогель, менеджер по маркетингу систем учета газа, Honeywell Process Solutions
Современные предприятия нефтегазовой и нефтехимической отраслей вынуждены учитывать в своей деятельности множество факторов, в том числе снижение цен на нефть, рост капитальных расходов и постоянно растущий спрос на дорогие продукты. Повышение производительности в постоянно меняющихся условиях имеет критически важное значение и зависит от внедрения эффективных технологий для измерения и управления технологическими параметрами. Производственному отделу необходимо получать точные показания от широкого спектра контрольно-измерительных приборов (КИП), в том числе устройств для измерения расхода.
Но помимо решения задачи точного контроля добычи и транспортировки нефтепродуктов современные системы учета расхода также должны предоставлять достоверные данные, которые можно превратить в цифровой интеллектуальный актив. Предоставив персоналу возможности для своевременного сбора, обработки и анализа нужной информации, предприятие повысит эффективность принятия решений.
Общие сведения
Промышленные предприятия по всему миру сталкиваются с растущими требованиями по сокращению операционных издержек, снижению рисков, а также интеграции технологий от множества поставщиков. Учитывая сложившуюся на рынке ситуацию, они стремятся к стандартизации и интеграции производственных систем и методов работы, что способствует повышению эффективности капиталовложений и оптимизации производства, а также позволяет выдерживать напряженный график работы
Коммерческий учет распределения и передачи продуктов потребителям является предметом особого внимания компаний нефтегазовой отрасли. Для измерения больших объемов нефтепродуктов требуются высокоточные инструменты. Даже самые незначительные погрешности измерений при оценке массового расхода перекачиваемого газа или других нефтепродуктов могут стоить компании миллионы долларов в год (см. рис. 1).
Коммерческий учет производится на любых этапах передачи нефтепродуктов от одной стороны к другой (например, с добывающей платформы в трубопровод, из трубопровода на НПЗ или в хранилище). Уникальное отличие коммерческого учета от других задач измерения расхода состоит в том, что в этом случае речь идет о значительных суммах денег, поэтому требования к погрешности измерений гораздо более строги, чем при решении большинства других задач. Таким образом, система коммерческого учета — это нечто большее, чем просто набор расходомеров, она представляет собой сочетание сложных высокотехнологичных систем измерения расхода, разработанных для решения конкретных задач.
Точная и надежная система коммерческого учета не только определяет точку, в которой право собственности на продукт переходит от одного владельца к другому с учетом нормативных требований, но также помогает увеличить общую эффективность производства и перемещения продукции.
Задачи, стоящие перед современным производством
В нефтедобывающем секторе наблюдается значительный рост объемов и сложности разнообразной оперативной информации, но при этом достаточно сложно найти квалифицированных специалистов для своевременной фильтрации и интерпретации данных.
В частности, топливно-энергетическая отрасль нуждается в более эффективных решениях для измерения передачи газа и других продуктов между компаниями, чтобы упростить документирование и учет сделок, связанных с передачей физических материалов от одного оператора к другому, а также оформление соответствующих таможенных и налоговых платежей.
Добывающие и перерабатывающие компании нефтегазового сектора должны точно определять количество продукта, перекачиваемого в трубопроводы, автоцистерны, на баржи или суда. В последнее время для таких измерений использовались разрозненные узкоспециализированные системы. Но текущая быстро меняющаяся ситуация со значительными ограничениями по расходам требует нового подхода к учету. Этот подход должен сохранять все преимущества централизованного решения, такие как унификация и масштабируемость, но при этом обеспечивать улучшение процессов контроля, управления и отчетности, предоставляя точные данные для всей деятельности предприятия (см. рис. 2).
Многие нефтегазовые компании стремятся заменить свои устаревшие вычислители расхода новыми, комплексными решениями автоматизации. Это обновление является важным шагом для удовлетворения нормативных требований по финансовой отчетности о выбросах, для упрощения передачи необработанных данных от расходомеров в системы бухгалтерского учета и отчетности, а также для повышения производительности, где задачи управления процессами и последовательностями имеют первостепенное значение.
Рост объема обрабатываемых данных
В основе интеллектуального багажа нефтегазовых компаний лежат исходные необработанные данные. В организациях наблюдается экспоненциальный рост доступных данных о технологических установках и процессах. Эти данные хранятся в различных базах данных и архивах. Подобный рост обусловлен разными факторами.
Первым фактором является общий рост автоматизации технологических процессов по мере того, как распределенные системы управления (РСУ) заменяют ручное управление. Другим фактором стали последние достижения в области диагностического и профилактического технического обслуживания на объектах нефтегазовой отрасли. Широкое применение цифровых технологий связи в архитектуре новых объектов обеспечило более легкий доступ к большему количеству данных, что привело к значительному увеличению числа доступных источников данных. Наконец, при текущем состоянии развития интерактивных систем управления, сочетающих ручные и автоматизированные средства, большие объемы данных собираются с помощью систем аварийной сигнализации. Эти данные используются производственными системами, когда технологические процессы выходят за установленные пределы нормального функционирования.
В дополнение к росту собираемых данных КИП имеются большие объемы данных, которые предоставляются многими компонентами современных нефтегазовых комплексов в качестве информации об активах. Эта информация включает в себя данные о начальных проверках и испытаниях, требования к профилактическому обслуживанию, записи о техническом обслуживании и эксплуатационные данные оборудования.
Благодаря усилиям специалистов по управлению контроллеры технологических процессов постепенно становятся все более и более интеллектуальными. Прежде всего были усовершенствованы средства пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления — добавлены функции внешнего сброса, развязки, запаздывания и динамической компенсации, программного изменения коэффициента усиления, прямой связи и автоматической настройки. Затем появились линейно-квадратичный гауссов регулятор (LQG), фильтр Калмана, системы управления на основе прогнозирующих моделей (MPC), системы адаптивного и многократного управления, а также средства оптимизации.
Развитие технологий искусственного интеллекта
В современных системах измерений данные собираются с помощью аппаратных средств, но их обработка и представление выполняются с помощью программного обеспечения. Ожидать сколько-нибудь существенного увеличения аппаратной точности сегодня не приходится, поэтому основным фактором улучшения бизнес-результатов являются сами данные — их организация, сбор дополнительной информации из других источников, представление наиболее удобным для операторов образом и использование для улучшения общей производительности.
Большинство КИП в настоящее время контролируют отдельные элементы производственного процесса и представляют их в индивидуальном порядке. Компании нуждаются в интеллектуальных решениях для интеграции разрозненных активов всей производственной цепочки, поэтому данные передаются в центральный узел, где их можно использовать для принятия обоснованных производственных и коммерческих решений.
В словаре инженеров по системам управления термин «искусственный интеллект» (ИИ) является относительно новым. При применении этого подхода отдельные технологические переменные, такие как расход, давление и температура, можно рассматривать как ограничения, которые используются многопараметрическими контроллерами для управления технологическими установками и повышения их эффективности. ИИ позволяет технологическим системам делать логические выводы и интуитивные предположения, которые сейчас при управлении многими технологическими операциями приходится делать людям.
Передовые технологии ИИ позволяют нефтегазовым и нефтехимическим компаниям превратить данные КИП в цифровой интеллектуальный актив. Это поможет операторам быстрее принимать важные решения за счет сбора, обработки и анализа нужной информации в нужное время (см. рис. 3).
Раньше люди, принимающие решения, должны были быть высококвалифицированными техническими экспертами, способными интерпретировать имеющиеся данные. Однако сегодня цель состоит в снижении требований к подготовке персонала за счет применения интеллектуальных программных решений, компенсирующих недостаток опыта за счет представления данных в более удобном для пользователя виде.
Применение технологий искусственного интеллекта позволяет дополнять предоставляемую операторам надежную информацию обоснованными рекомендациями и предложениями относительно соответствующих действий. Эти рекомендации подкреплены архивными данными, сведениями о предыдущих решениях и результатах, которые накапливались десятилетиями.
Передовые технологии измерений
Все технологические этапы типичного нефтегазового или нефтехимического предприятия связаны с перемещением жидкостей и газов, и для безопасной и эффективной работы эти потоки необходимо измерять.
Измерение расхода с помощью ультразвука считается предпочтительной технологией для многих задач контроля расхода, особенно при измерениях объема газа, подаваемого на нефтеперерабатывающий завод или технологическую установку. Эти измерители подсчитывают объемный расход и, как правило, используют метод оценки времени прохождения сигнала, основанный на том, что звуковые волны, передаваемые в направлении потока текучей среды, распространяются быстрее, чем против потока. Разница во времени прохождения сигналов пропорциональна скорости жидкости. Ультразвуковые расходомеры не создают значительных перепадов давления, имеют широкий динамический диапазон и могут применяться для решения широкого круга задач.
Нынешнее поколение ультразвуковых расходомеров использует надежные датчики, генерирующие импульсы с высокой повторяемостью по амплитуде и частоте, а также высокоскоростные электронные схемы в сочетании с точной синхронизацией. Эти схемы обнаруживают, принимают и анализируют звуковые импульсы и определяют время их прохождения с достаточным разрешением. Датчики и электроника обеспечивают высокую скорость передачи импульсов и измерения времени прохождения сигнала, что позволяет ежесекундно передавать точно измеренные значения скорости потока жидкости (см. рис. 4).
Возможно наиболее важным событием в развитии технологий ультразвукового измерения расхода является появление многолучевых расходомеров, которые обеспечивают усреднение осевых составляющих скорости потока по поперечному сечению замкнутой трубы.
Ключевым преимуществом ультразвуковых расходомеров по сравнению с другими решениями для измерения расхода является наличие диагностической информации, дополняющей передачу импульсов или сигналов, пропорциональных объему газа. В новых ультразвуковых расходомерах применяется электроника, которая оптимизирует внутреннюю диагностику, расчеты скорости потока, обработку сигналов, хранение данных, интерфейс с вычислителями расхода и системами диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), а также диагностику КИП (см. рис. 5).
Наиболее совершенные ультразвуковые расходомеры обеспечивают стабильность показаний при возмущениях потока за счет применения инновационной технологии прямого измерения с использованием нескольких измерительных путей на разных уровнях. Методы регулировки точности и измерения отражений уменьшают погрешность измерения, обусловленную местной автоматической калибровкой задержки (tw) после замены датчиков.
Кроме того, разработчики ультразвуковых расходомеров создали алгоритмы обнаружения, увеличивающие амплитуду сигнала для получения более высокого соотношения сигнал-шум (SNR) по сравнению с традиционными искробезопасными преобразователями. Методы качественного анализа оценивают огибающую импульса расходомера, выделяя ультразвуковые импульсы и сохраняя высокую частоту передачи импульсов. Этим инновационным алгоритмам обнаружения свойственна пониженная чувствительность к шуму во многих установках.
Ценность интеграции
Организации нефтегазовой и нефтехимической промышленности могут значительно ускорить темпы развития и повысить прибыльность, получив возможность оперативно принимать продуманные бизнес-решения. Для этого необходимо прежде всего оптимизировать сбор и проверку данных, а также процессы наблюдения и уведомления с использованием КИП, таких как ультразвуковые расходомеры. Также требуется интегрированная платформа управления производством, обеспечивающая доступ к результатам анализа производственной информации и интеграцию КИП и инженерных приложений для улучшения производственных показателей.
Традиционное представление о том, что для получения точных и достоверных измерений требуется отдельная замкнутая система, больше не актуально. Современные технологии открытых систем предоставляют дополнительные преимущества для модернизированного производства.
Предприятиям отрасли сейчас нужны комплексные измерительные решения вместо отдельных дорогостоящих специализированных систем. Простым ответом на эту потребность является решение, интегрирующее функции измерений в архитектуру системы управления. Дополнительные преимущества дает экономическая эффективность такого решения, обусловленная простотой установки, удобством настройки, а также широкими возможностями поддержки и модернизации в долгосрочной перспективе.
Расчет расхода на объектах нефтяной отрасли традиционно осуществлялся с помощью отдельных вычислителей расхода, а в последнее время для этого используются программируемые логические контроллеры (ПЛК) и «виртуальные» вычислители расхода. В отличие от автономных измерительных систем новые решения, интегрированные с распределенными системами управления, выполняют точные измерения расхода, обеспечивая повышение экономичности, расширенную поддержку жизненного цикла и улучшение эффективности управления.
Применение передовых технологий централизованного анализа измерений помогает соблюсти нормативные требования при предоставлении отчетности по выбросам углекислого газа, упрощает интеграцию необработанных данных расходомеров в системы бухгалтерского учета и отчетности и обеспечивает оптимизацию управления для жидкостных, отгрузочных и контрольных систем, где первостепенное значение имеет управление операциями и их последовательностью. Дополнительные преимущества дают гибкие функции формирования отчетности, доступ через Интернет и интеграция с беспроводными датчиками и датчиками, подключенными к промышленным шинам.
При использовании решения, встроенного в распределенную систему управления, функции коммерческого учета интегрированы в надежные и устойчивые средства управления вместо узкоспециализированных вычислителей расхода, контрольных приборов или систем SCADA. При этом подходе в качестве точки коммерческого учета используется резервный технологический контроллер. Дополнительные расчеты, связанные с вычислением расхода, легко настраиваются в программном обеспечении, что позволяет использовать для получения конечного результата данные от новых приборов (см. рис. 6).
Меньшее количество систем, нуждающихся в поддержке, снижает требования к подготовке специалистов. Наличие дополнительных функций внутри системы управления устраняет потребность в поддержке интерфейсов с внешними системами и других специализированных интерфейсов. Не нужно тратить силы и время на разработку отдельной базы данных, настройку конфигурации и создание графики.
Кроме того, современные управляющие процессоры поддерживают широкий спектр устройств ввода-вывода, включая аналоговые и удаленные, а также реализуют поддержку стандартов FOUNDATION Fieldbus и HART, что позволяет адаптировать системы измерения к выбранному методу организации ввода-вывода. Пользователи могут загружать в контроллеры алгоритмы расчета ISO, Американской газовой ассоциации (AGA) и Американского института нефти (API) и обновлять их, обеспечивая соответствие измерительной системы последним коммерческим и нормативным требованиям.
Благодаря интеграции систем измерения расхода для коммерческого учета и централизации расчетов данные становятся более точными, более управляемыми и, в конечном итоге, более понятными для операторов, партнеров и регулирующих органов. Интеграция с платформой РСУ также позволяет использовать передовые средства обслуживания баз данных, создания графики, контроля тенденций, составления управленческих отчетов и доступа через внутреннюю сеть на основе веб-технологий.
Заключение
Нефтепродукты исторически рассматривалась как ценный товар, однако современная экономическая конъюнктура существенно повысила важность точного измерения объемов производства и учета передачи продуктов потребителям. Нефтегазовые и нефтехимические компании находят новые способы использования оперативной информации, получаемой от систем коммерческого учета, которые позволяют быстрее принимать обоснованные решения, влияющие на производственные и коммерческие показатели.
