ҚЫСҚАША МӘЛІМЕТ
«Жаратылыстану ғылымдары саласындағы ақпараттық, телекоммуникациялық және ғарыштық технологиялар, ғылыми зерттеулер» басымдық бағыты бойынша жасалған «ҚазТрансОйл» АҚ мұнай құбыры бағыттары бойынша мұнай және мұнай қоспаларын тасымалдауда энергияны үнемдеуді ғылыми-техникалық қамтамасыз ету» жұмысы тез қататын және тұтқырлығы жоғары мұнай және мұнай қоспаларын магистральдық құбырлар арқылы тасымалдау есебін автоматтандыруға, жоспарлауға және оңтайландыруға арналған бірегей сандық технологиясын жасау және енгізуге арналған.
Жұмыстың өзектілігі. Энергияны үнемдеу мәселесі мұнай құбырын тасымалдау саласында мұнай кешенінің маңызды міндеттерінің бірі болып табылады. Мұнай құбыры — негізгі және қосалқы құбырлар, мұнай айдау станциялары, резервуарлар паркі, жылыту пештері және басқа технологиялық жабдықтарды қамтитын ауқымды энергетикалық кешен. Қазақстанның тез қататын және тұтқырлығы жоғары мұнай және мұнай қоспаларын тасымалдау экономикасы, негізінен, мұнайды тасымалдауға және қыздыруға жұмсалатын энергияның құнымен айқындалады.
Жұмыстың идеясы. Ғылыми-техникалық жұмыстың мақсаты — «ҚазТрансОйл» АҚ (бұдан әрі — ҚТО) жүйесіне жұмыс нәтижелерін енгізу және жоғары экономикалық табыс алу арқылы магистральды құбырлармен мұнайды тасымалдаудың технологиялық режимдерін басқару және оңтайландыруға арналған ақпараттық жүйелер саласындағы сандық технологияны жасау.
Жұмыстың ғылыми жаңалығы. Энергия үнемдеуді оңтайландыру критерийі алынды және ҚТО құбыр желісі арқылы технологиялық жабдықтардың және мұнайдың жүк айналымының энергия үнемдеуші режимдерін анықтауға мүмкіндік беретін есептеуді автоматтандыру және жоспарлау жүйесінің, яғни SmartTran бағдарламалық жасақтамасының (бұдан әрі – SmartTran БЖ) тиімді алгоритмдері жасалды.
Басқа жұмыстарға қарағанда, SmartTran БЖ нақты уақыт режимінде БДБЖ, ЭКЕАЖ жүйелерінен алынған деректерді пайдаланып, мұнай тасымалдауда энергия үнемдеуші режимдерін анықтайды.
Бұл жұмыста басым әлеуметтік-экономикалық мәселелердің шешілуін қамтамасыз ететін және отандық және шетелдік нарықтарда бәсекеге қабілеттілігін арттыруды қамтамасыз ететін ҚТО-да сандық технологияларды енгізудегі инновациялық қызметтің расталған маңызды нәтижелері берілген.
Жұмыстың теориялық бөлігінде:
1) химиялық реагенттерді қолдану арқылы (депрессорлық және турбуленттілікті азайтатын қоспалар) және «ыстық» тасымалдау әдісімен тез қататын және тұтқырлығы жоғары мұнай және мұнай қоспаларын тасымалдаудың математикалық модельдері мен алгоритмдері жасалды;
2) сорғы қондырғыларының және жылыту пештерінің энергия үнемдейтін жұмыс жағдайларын анықтау үшін графтар теориясына негізделген динамикалық программалау алгоритмдерін оңтайландыру критерийі алынды;
3) бірнеше мұнай айдау станциялары мен жылу пункттері бар магистральдық мұнай құбырлары бойымен мұнай айдауды жоспарлау және қыздыру температурасын анықтау үшін оңтайландыру критерийі мен алгоритмдері алынды.
Жұмыстың қолданбалы бөлігінде математикалық модель мен алгоритмдер негізінде SmartTran бағдарламалық жасақтамасы әзірленгені көрсетілді, SmartTran бағдарламалық жасақтамасы БДБЖ (бақылау және диспетчерлік басқару жүйесі) және ЭКЕАЖ (электр энергиясын коммерциялық есепке алудың автоматтандырылған жүйесі) ақпараттық жүйелерімен интеграциялау арқылы сандық технология жасалды. Сандық технологияның модульдері сорғылар мен қыздыру пештерінің сипаттамаларын, магистральды мұнай құбырларының бүкіл бағыты бойынша құбыр қабырғасының кедір-бұдырын және топырақтың жылу өткізгіштігін бейімдеуге мүмкіндік берді.
Жұмысты енгізу нәтижелері 2015 жылдан бастап «ҚазТрансОйл» АҚ-ның 24 технологиялық учаскені, 35 мұнай айдау станциясын, 7 жылыту пунктін, 200 сорғы агрегатын, 67 жылыту пештерін пайдаланатын, жалпы ұзындығы 5377,3 км магистральдық мұнай құбырларында жүргізілді.
SmartTran БЖ-ның мұнай тасымалдауда энергия үнемдеу режимдерінің экономикалық тиімділігі 2015-2017 жылдары 3 894 766 862,3 теңгені құрады.
Бұл жұмыс үш бөлімнен тұрады — теориялық, қолданбалы және инновациялық әзірлемені енгізудің нәтижелері.
Теориялық бөлімінің бірінші бөлігі жұмыстың өзектілігін, атап айтқанда, магистральды мұнай құбырлары арқылы жоғары сапалы және жоғары тұтқыр мұнай қоспаларын тасымалдау үшін энергия үнемдеу мәселесінің маңыздылығын көрсетеді.
Тез қататын (парафинді) және тұтқырлығы жоғары мұнайларды тасымалдаудың сенімді әдісі «ыстық» айдау болып табылады. Бұл жағдайда тасымалдауда энергия тиімділігі мұнайды айдау мен қыздыруға кететін қаржы арқылы анықталады, тұтынылатын энергияның 80 % дейін шамасы сорғы қондырғылары және қыздыру пештерінің жұмысына жұмсалады.
Бұл мәселенің шешімі инновациялық әзірлеме, яғни БДБЖ, ЭКЕАЖ ақпараттық жүйелермен интеграцияланған SmartTran бағдарламалық жасақтамасы, арқылы алынды. Басқару жүйесі мұнай тасымалдауда энергия үнемдеу режимдерін аз ресурстар жұмсау және қуатты үнемді тұтыну арқылы анықтайды.
Бұл жағдайлар магистральды мұнай құбырының тиімділігін арттыру үшін жаңа сандық технологияны қолдану арқылы озық басқару әдістерін әзірлеуге бағытталған осы жұмыстың өзектілігін негіздейді.
Екінші бөлікте тез қататын (парафинды) және тұтқырлығы жоғары мұнай қоспаларын тасымалдау әдістерінің математикалық моделі берілген. Мұнай қоспаларының физикао-химиялық қасиеттерінің күрделі болуы магистральды құбырлар арқылы қауіпсіз тасымалдау режимдерін қамтамасыз ету үшін сенімді әдістерді («ыстық» айдау, депрессорлық және турбуленттілікті азайтатын қоспамен айдау) пайдалануға әкеледі.
Магистральдық мұнай құбырымен «ыстық» мұнай айдауды модельдеу келесі орналауларды ескере отырып жүзеге асырылады: 1) бірнеше сорғы станциялары мен жылу станцияларының; 2) мұнайды жолай қосу және алу пункттерінің; 3) сорғы қондырғылары және қыздыру пештерінің. Онымен қоса модель мына нәрселерді ескеру керек: 1) құбырлардың гидравликалық сипаттамаларын (кедір-бұдыр, құбыр ақаулары, қысым реттегіші); 2) жылу сипаттамаларын (материал және оқшаулау қалыңдығы, тереңдігі, топырақтың жылу өткізгіштігі); 3) құбыр жолының профилін (геодезиялық биіктік, өткелдер); 4) мұнай қоспаларының физика-химиялық және реологиялық қасиеттерін (тығыздық, жылу сыйымдылығы, тұтқырлығы, құйма нүкте және т.б.).
Бұл бөлімде магистральды мұнай құбырлырының бойымен тез қататын, парафинді мұнайды суық мезгілде депрессорлық қоспамен айдауды модельдеу келтірілген. Депрессорлық қосапамен айдауды модельдеу: 1) мұнайдың аққыштық жоғалту температурасын төмендету; 2) мұнай қоспасының тұтқырлығын төмендетіп, аққыштығын арттыру; 3) қысқа уақыт аялдаған мұнай құбырын қайта қосу кезінде сорғыға түсетін жүктемені төмендету; 4) магистральды сорғының жүктемесі өзгеріссіз қалғанда мұнай қоспасының шығынын арттыруды көрсетеді.
Турбуленттілікті азайтатын қоспамен тасымалдау мұнайдың турбулентті ағынының гидравликалық кедергісін азайту үшін қолданылады. Мысалы, «Өзен -Атырау-Самара» магистральдық мұнай құбырының «Сахарный» — «Үлкен Шаған» учаскесінде құбырдың диаметрі 0,999 м-ден 0,703 м-ге дейін өзгереді, сонымен қатар мұнайдың орташа жылдамдығы шамамен екі есе артады.
Жүргізілген зерттеулердің нәтижесінде құбырдың гидравликалық коэффициентінің lПТП қоспаның концентрациясына тәуелділігі анықталды;
(1)
мұндағы С – қоспа контентрациясы, l — қоспа қосылмағандағы құбырдың гидравликалық коэффициенті.
Энергияны үнемдейтін мұнайды айдау режимдерін есептеу алгоритмдері осы бөлімнің екінші бөлігінде берілген. Мұнда стационарлық, стационарлық емес, тізбекті тасымалдау режимдері мен максималды айдау көлемдерінің алгоритмдері, сондай-ақ жолай мұнайды қосудың айнымалы режимдері берілген.
Стационарлық режимдер тасымалдаудың негізін құрайды, «құбыр — сорғы станциясы» жүйесінің жұмысын анықтайды және қысымның баланстық теңдеуімен сипатталады. Энергияны үнемдеу режимі сорғы қондырғылары мен алдын ала қыздыру пештеріне арналған оңтайлы жұмыс жағдайын анықтайды.
Изотермиялық емес мұнай құбыры учаскесін тоқтағаннан кейін қайта іске қосу — стационарлы емес режим және бүкіл құбырдың жұмысын реттейтін күрделі технологиялық операциялардың бірі. Алгоритм учаскені қайта қосудың ықтимал жағдайларын талдауға, қарастырылып отырған учаскелермен мұнай қоспасын тасымалдауда энергияны үнемдейтін режимдерін анықтау үшін оңтайлы жылу және гидравликалық есептеулерді жүргізуге мүмкіндік береді.
Құбырда тасымалданатын мұнайдың максималды көлемін іздеу алгоритмі «құбыр — сорғы станциясы» жүйесіндегі рұқсат етілген қауіпсіздік жағдайымен анықталады. Магистральдық мұнай құбырларының сызықты бөліктерінде барынша жоғары мұнай айдау қабілеттілігін табу үшін алгоритм құбырдың қауіпсіздік жағдайына сәйкес негізгі және тіреу сорғыларын таңдайды.
Тізбекті айдау режимдері мұнай қоспаларының әртүрлі сұрыбын тасымалдауда, яғни құбырдың сызықты бөлігінде мұнай қоспаларының бір партиясы екіншісін ығыстырып отыруы, пайдаланылады. Есептеу алгоритмі мұнай қоспаларының әртүрлі сұрыптарын тізбекті айдаудың энергия үнемдеу режимдерін анықтайды.
Мұнайды ілеспе айдау кезінде туындайтын айнымалы режимдер құбырдың шығыны және гидравликалық кедергісінің өсуімен сипатталады. Ілеспе айдаудың сыни көлемін анықтау, қосымша айдайтын мұнайдың максималды көлемі мен құбыр бөлігінің қауіпсіз жұмысы үшін қажет.
Үшінші бөлікте оңтайлылық критерийін жетілдіру нәтижелері келтірілген. Магистральдық құбырлар арқылы мұнай және мұнай қоспаларын тасымалдау кезінде электр энергиясын негізгі тұтынушы мұнай айдау станцияларындағы сорғы қондырғылары болып табылады.
Сорғы қондырғыларын басқарудағы оңтайлылық критерийлері алынып, бірегей есептеу алгоритмі әзірленді (Бейсембетов И.К. және басқалары. Мұнай қоспаларын тасымалдауда энергия үнемдеу режимдерін басқару – Алматы: 2016). Бұл критерий мына түрде анықталған:
|
(2) |
«Ыстық» айдау әдісі тез қататын (парафинді) және жоғары тұтқырлы мұнайды тасымалдаудың сенімді әдісі болып қала береді. Алғаш рет «ыстық» айдауды оңтайландыру критерийін В.С. Яблонский ұсынды. (Магистральдық мұнай құбырларын жобалау, пайдалану және жөндеу / В.Я. Яблонский және т.б. — М.: Недра, 1965). Алайда В.С. Яблонский критерийі магистральды мұнай құбырының учаскелеріндегі жылу пештерінде мұнай қоспаларын жолай қыздыру және жолай айдалатын мұнай көлемінің өзгеруін ескермейді.
Белгілі жұмыстарға қарағанда, «ыстық» сорғы қондырғыларының энергияны үнемдейтін режимдері сорап қондырғыларының және алдын- ала қыздыру пештерінің оңтайлы жұмыс жағдайларын анықтау арқылы зерттеледі (Е.Қ. Бейсембетов және басқалар. Мұнай қоспасын тасымалдауды үнемдеу режимдерін басқару. Алматы: 2016). Оңтайландыру критерийі мына түрде анықталған:
|
(3) |
Құбырдың желілік бөліктерінде мұнай қоспаларын айдау үшін оңтайлы температураны анықтау алгоритмі сорғы қондырғыларының және қыздыру пештерінің жұмысының үнемделуін анықтау үшін маңызды.
Жоспарланған айдау режимдері үшін оңтайландыру алгоритмі ҚТО мұнай құбыры арқылы мұнай қоспаларын тасымалдау тиімділігін анықтайды. Оңтайландыру алгоритмін әзірлеу нәтижесінде магистральды мұнай құбырларының учаскелерінде ай сайын жоспарланған көлемдегі энергияны үнемдеу режимдері анықталды.
Мұнай қоспаларын тасымалдауды есептеудің математикалық модельдері мен алгоритмдері тез қататын және тұтқырлығы жоғары мұнай және мұнай қоспаларын тасымалдауда энергия үнемдейтін режимдерді автоматты түрде есептеу және оңтайландыру үшін SmartTran бағдарламалық жасақтамасын әзірлеудің теориялық негізі болып табылады.
Жұмыстың қолданбалы бөлімі төртінші бөлікте келтірілген және магистральды мұнай құбырларының учаскелерінде мұнай қоспаларының технологиялық режимдерін моделдеу, жоспарлау және оңтайландыру үшін SmartTran бағдарламалық жасақтамасын әзірлеуге арналған. Көптеген шетелдік ұқсас бағдарламалармен салыстырғанда SmartTran келесі артықшылықтарға ие:
- Депрессорлық қоспаны қолдану кезінде мұнай қоспасын тасымалдауда энергия үнемдеу режимдерін мұнай құбырлар бойында орналасқан ауыспалы роторлы және жиіліктік-реттегіштік жетекпен басқарылатын сораптық агрегаттардың оңтайлы жағдайы арқылы анықтау;
- Қыздыру пештерінің үнімді жұмыс істеуі үшін мұнай қоспасын ыстық айдаудың оңтайлы температурасын мұнай құбырының гидравликалық және жылулық көрсеткіштеріне байланысты анықтау;
- Жанармай мен электр энергиясы тарифтердің айырмашылығын ескере отырып, мұнай қоспаларын тасымалдаудың технологиялық режимдерінің экономикалық тиімділігін анықтау.
Бұл бөлікте SmartTran бағдарламасын БДБЖ, ЭКЕАЖ жүйелерімен мұнай және мұнай қоспаларын айдауды басқару үшін интеграциялау нәтижелері келтірілген. БДБЖ, ЭКЕАЖ жүйелерінің бастапқы мәліметтері SmartTran бағдарламасының жаңа модулдерін жасауға мүмкіндік береді: 1) мұнай айдау станциясында сорғы қондырғыларының энергияны тұтынуын бейімдеу; 2) МЖС-дағы пештерде мұнайды қыздыруға жұмсалған энергияны бейімдеу; 3) құбырлардың гидравликалық сипаттамаларын бейімдеу; 4) топырақтың жылу өткізгіштігін бүкіл құбыр жолының бойында бейімдеу.
SmartTran бағдарламалық жасақтамасын БДБЖ, ЭКЕАЖ-мен интеграциялау «құбыр – мұнай айдау станциясы» жүйесінің жұмысын бақылауға мүмкіндік береді және ҚТО мұнай құбыры арқылы мұнай қоспаларын тасымалдауда энергия үнемдеу режимдерінің экономикалық тиімділігін анықтауға мүмкіндік береді. SmartTran бағдарламасын және БДБЖ, ЭКЕАЖ жүйелерін ортақ пайдалану мұнай құбырларының қауіпсіздігін қамтамасыз ете отырып, мұнай қоспаларын тасымалдауда энергия үнемдеу режимдерін модельдеу және оңтайландыру үшін сандық технологияны жасайды.
ҚТО магистральды құбырларында сандық технологияны енгізудің нәтижелері жұмыстың бесінші бөлігінде келтірілген.
Қазіргі уақытта ҚТО республикадағы өндірілген мұнайдың 42% -ын, оның ішінде экспортқа, сондай-ақ Қазақстандағы мұнай өңдеу зауыттарына тасымалдайды. Ресей Федерациясының шекарасына дейін «Өзен-Атырау-Самара» бірегей «ыстық» мұнай құбырын қосып айтқанда, ҚТО ұзындығы 5377,3 км магистральды мұнай құбырларын басқарады. Сондай-ақ Омбы-Павлодар-Шымкент, Кеңқияқ-Құмкөл және Атасу-Алашанькоу магистральды мұнай құбырлары бір тармақты жұмыс істейді.
Сондай-ақ, бұл бөлімде бақылау және диспетчерлік басқару жүйесінің (БДБЖ) құрылымы мен жұмыс істеу принципі көрсетілген. БДБЖ жүйесінің жұмыс істеу принципі: өндірістік және ақпараттық қауіпсіздікті және магистральды мұнай құбырлар желісімен мұнай тасымалдаудың тиімділігін; тасымалдаудың ақпараттық үйлесімділігін және стандарттауды қамтамасыз ету.
ҚТО БДБЖ-жүйесі әлемдегі ең алып жүйелердің бірі болып табылады, және келесі технологиялық қондырғылардан тұрады: 200 сорғы агрегаты; 67 қыздыру пештері, 86 резервуар, 626 қосалқы жүйе, 1731 жапқыш; датчиктер саны: температураның – 2468, қысымның – 1649, деңгейдің – 995, шығынның – 239.
Осы бөлімде SmartTran БЖ, БДБЖ, ЭКЕАЖ жүйелерімен бірге, сандық технологияны 23 технологиялық учаскеде, 36 мұнай айдау станциясында, 7 мұнай жылыту станциясында, 200 сорғы қондырғысында, 67 қыздыру пештерінде енгізудің нәтижелері ұсынылған.
Мұнай және мұнай қоспаларын тасымалдауда энергияны үнемдеу режимдерінің экономикалық тиімділігі мынадай жағдайларға анықталған: 1) депрессорлық қоспамен мұнайды және мұнай қоспаларын тасымалдаудың; 2) «ыстық» айдаудағы энергияны; 3) тізбекті айдаудың энергия; 4) «ҚазТрансОйл» АҚ мұнай құбыры маршруттары бойынша энергия үнемдеу режимдері.
Жұмысты әзірлеу және іске асыру нәтижелері 5 монографияда; 2 анықтамада; 3 авторлық куәлігінде; 6 ҚР алдын-ала патенттерінде; ҚР БҒМ Ғылым комитетінің «2009-2011 жылдарға арналған перспективалық проблемаларды шешуге бағытталған ұлттық компаниялармен бірлесіп арнайы ғылыми-техникалық бағдарламаларды іске асыру» мемлекеттік ғылыми-техникалық бағдарламасының 1 есебінде (мемлекеттік тіркеу нөмірі 0109РК01417); 2012-2018 жылдарға арналған SmartTran бағдарламасын тестілеу және енгізу бойынша ҚТО-ның ғылыми-зерттеу келісімдері бойынша 7 есебінде; 55 ғылыми мақалада, халықаралық және республикалық конференциялардың еңбектерінде жарияланды. Жұмыстың жалпы саны — 79. Авторлардың 19 ғылыми мақаласы Web of Science, Scopus және РИНЦ деректер қорына енгізілген, олардың 17-ы оң импакт-факторы бар журналдарда.
Осылайша, теориялық бөлімнің нәтижелері SmartTran бірегей бағдарламалық жасақтаманы әзірлеуге мүмкіндік берді. ҚТО-ның БДБЖ, ЭКЕАЖ ақпараттық жүйелерімен біріктіру арқылы жоғары экономикалық кірістері бар мұнай мен мұнай қоспаларын энергия үнемдейтін тасымалдау режимдерін анықтайтын цифрлық технологияны құрды.