Применение цифровых технологий для предприятий нефтегазохимического комплекса
Чтобы удовлетворить глобальный спрос на ресурсы, предприятия нефтегазохимического комплекса увеличивают добычу полезных ископаемых. Из-за этого они сталкиваются с рядом проблем, которые требуют инновационных решений. В статье эксперты АО “МЦД” рассказывают про актуальные цифровые технологии, которые успешно решают проблемы и задачи отрасли.
Рост глобального спроса на нефть и газ стимулирует увеличение добычи на новых, зрелых месторождениях и в открытом море. Компании вынуждены увеличивать выработку полезных ископаемых на более отдаленных и труднодоступных резервах в суровом климате, а также использовать новые нетрадиционные ресурсы. При производстве нефти и газа из этих ресурсов возникает ряд задач, требующих инновационных решений для повышения выработки и снижения капитальных и эксплуатационных расходов в течение всего срока использования месторождения. Кроме того, большое влияние на структуру производства и качество нефтепродуктов оказывают технологические процессы, а также обеспечение эффективности и безопасности.
В решении этих задач значительную роль играет цифровизация промышленности. Цифровые технологии позволяют моделировать различные сценарии развития ситуации на нефтегазовом производстве и выбирать оптимальные решения при добыче, транспортировке и переработки нефти. Эффект от цифровых инициатив выражается как в финансовых выгодах, так и в снижении рисков — внедрение соответствующих технологий, например, может минимизировать возможность крупной аварии, ведущей к значительным затратам на устранение ее последствий, либо даже человеческим жертвам. Анализ международного опыта внедрения цифровых технологий показывает, что их применение на этапах добычи и переработка нефти и газа позволяет расширить сырьевую базу предприятия в 3 и более раз, повысить эффективность технического обслуживания оборудования на 20-30%, сократить внеплановые простои оборудования на 15-20%, увеличить показатели извлечения и объемы добычи нефти на 10% и снизить удельную себестоимость добычи нефти на 15%.
Компьютерное моделирование в нефтегазовой отрасли
Малейшие неполадки и сбои в работе оборудования могут привести к значительному ущербу, простою производства и, что самое главное, подвергнуть опасности жизнь работников. Чтобы минимизировать риски, связанные с производственными процессами, и оптимизировать работу оборудования, нефтегазовые компании внедряют современные технологии компьютерного моделирования. Программные средства для моделирования помогают разрабатывать, верифицировать и внедрять специализированные технологии, связанные с новыми методами производства, эксплуатационной эффективностью, безопасностью и устойчивым развитием.
Инструменты численного анализа позволяют добиться максимальной эффективности производственных участков, рассчитать максимально возможную нагрузку на оборудование, оптимизировать работу трубопроводных систем и насосов, спрогнозировать износ оборудования и возможные поломки, а также спланировать техническое обслуживание и ремонт. Они обеспечивают глубокое понимание процессов, задействованных в нефтегазовой отрасли, позволяют локализовы-вать проблемные места процесса или конструкций оборудования. Это достигается за счет детализации течения технологического процесса вплоть до поведения единичных струек жидкости или газа и т.п. В результате технология предоставляет визуально понятную картину.
Средства инженерного моделирования позволяют воссоздавать производственные участки в виртуальной среде и оптимизировать процессы добычи и транспортировки, минимизировать потери материала, предотвратить возможные сбои в работе оборудования, выход техники из строя из-за перегрузки. Любые поломки приводят к нарушению процессов добычи, простою оборудования и, следовательно, финансовым потерям, поэтому ведущие предприятия отрасли успешно применяют программные средства численного моделирования для расчетов прочности, износостойкости, динамики потоков материала, а также прогнозирования взаимодействия частиц с оборудованием и друг с другом.
В свою очередь, цифровой двойник на базе численного моделирования дает предприятиям возможность моделировать работу даже не построенного, а только планируемого объекта. Это позволяет специалистам заранее узнать, как оно будет работать и как изменится эффективность, если скорректировать режим или конструкцию. Аналогичные расчеты, выполненные для уже работающего оборудования — ценный источник данных для последующего создания цифрового двойника.
Роль цифровых двойников на нефтегазовых предприятиях
Эксперты компании «Моделирование и цифровые двойники» (АО «МЦД») описывают технологию следующим образом: цифровой двойник — это цифровая копия физического оборудования, построенная на основании математической модели с использованием технологии машинного обучения (ML). Эта модель работает параллельно «живому» активу и имитирует его работу в реальном времени и в ближайшей перспективе. Предварительно модель обучают на статистических данных оборудования за последнее N-oe количество времени и определяют его целевые показатели работы. Каждый такой целевой показатель можно представить в виде некой «идеальной» кривой на координатной плоскости. Таким образом, мы получим две кривые на одной координатной плоскости: показание модели и показание с датчика актива. Любое значительное расхождение между ними (учитывая погрешность) — аномалия. На основе этих данных он дает предсказание и позволяет поддерживать надежность оборудования и приоретизировать его ремонт.
Цифровые двойники ключевых объектов транспорта газа способны повысить их эффективность, сократив затраты газа на собственные нужды и повысив эксплуатационную надежность оборудования. Технология позволяет получить гораздо больше данных о состоянии оборудования на основе модели и виртуальных датчиков. Например, он может обеспечить подробную информацию о процессах, происходящих в газоперекачивающих агрегатах (ГПА), аппаратах воздушного охлаждения (АВО) и других компонентах компрессорной станции. С помощью цифрового двойника можно проводить комплексную диагностику и выявление механических дефектов ГПА в автоматизированном режиме, а также выполнять интеллектуальный контроль всех режимов работы ГПА, включая нестационарные. Это позволяет заранее выявить проблемы, связанные с зарождением дефектов в подшипниках и валах агрегата, и получить достаточно времени на принятие решения по обслуживанию и предупредительному ремонту.
Кроме того, на основе расширенных данных от цифрового двойника можно не только получать более точную информацию о техническом состоянии АВО, например, о степени загрязнения теплообменных поверхностей, гидравлическом сопротивлении или состоянии двигателей привода вентиляторов, но и определять выход за границу уставки и прогнозировать развитие дефектов заранее, планируя ремонты. Также на основании модели можно рекомендовать оптимальные режимы работы АВО для снижения энергопотребления. Цифровой двойник позволяет оперативно контролировать фактические загрязнения и, отслеживая динамику, экстраполировать ее, давая необходимые рекомендации по обслуживанию либо изменению режимов работы. С помощью виртуальных датчиков оператор может получать такие показатели, как фактические коэффициенты теплопередачи, тепловое сопротивление теплообменных поверхностей АВО (по газу) и перепад давления на АВО по газу, нормированный по расходу.
Цифровые технологии для автоматизации процессов ТОиР
Сегодня большинство нефтеперерабатывающих компаний страны осознают необходимость и важность внедрения цифровых и автоматизирующих технологий, и в первую очередь — интеллектуальных средств мониторинга технического состояния наиболее критического оборудования НПЗ. Средний возраст российских НПЗ — свыше 60 лет. Это говорит об изношенности нефтеперерабатывающий мощностей.
При эксплуатации оборудования НПЗ различают несколько стратегий управления его техническим обслуживанием и ремонтом: техническое обслуживание и ремонт по событию или реактивное обслуживание, превентивное обслуживание (планово-предупредительные ремонты) и ТОиР по фактическому состоянию. При этом использование технологии цифровых двойников является необходимым условием эффективной реализации стратегии «ТОиР по фактическому состоянию».
Эффективный ТОиР по фактическому состоянию возможен, если организован непрерывный мониторинг технического состояния оборудования, анализ динамики его изменения и прогнозирование оптимального срока ремонта. Ключевые показатели эффективности при применении обслуживания по фактическому состоянию с учетом роста проникновения технологий цифровых двойников в нефтеперерабатывающую отрасль могут достигать следующих показателей:
- Расходы на техническое обслуживание — снижаются на 25%.
- Количество аварий — на 70%.
- Незапланированный простой вследствие аварий — на 35%.
- Производительность оборудования — увеличивается на 20%.
Процессы ТОиР напрямую связаны с прибылью предприятия. Своевременное выполнение мероприятий по ТОиР обеспечивает нормальную работу станков и оборудования для производства продукции, из которой и формируется прибыль. Таким образом, автоматизация ТОиР становится сегодня одной из приоритетных задач для российской промышленности.
Вопросы технического обслуживания и ремонта (ТОиР) на предприятии, как правило, связаны с рядом сложностей. Они касаются и оптимального бюджетирования ТОиР, и приоритезации расходов на ремонт или закупку оборудования, и работы с устаревшими способами хранения данных. Автоматизация процессов планирования и реализации ТОиР дает возможность решить эти вопросы, позволяя повышать надежность и при этом экономить ресурсы и сокращать издержки, возникающие в процессе эксплуатации или технического обслуживания оборудования. Помимо цифровых двойников, эффективным инструментом для решения этой задачи является дополненная реальность (AR).
Роль AR в автоматизации ТОиР
Сегодня автоматизация ТОиР обычно включает внедрение решения для управления ремонтами и снабжением. Для этого используются системы класса БАМ (Enterprise Asset Management System), позволяющие автоматизировать процесс планирования и обслуживания оборудования. Еще одно направление — развитие технических средств диагностики. Они включают системы пре-диктивной аналитики, которые могут заранее сообщить о приближении дефекта, чтобы устранить его до поломки.
Сейчас дополненная реальность используется на производстве не так часто, хотя является эффективным вспомогательным инструментом для улучшения процесса ремонта. С помощью AR можно наглядно показать исполнителю, как правильно выполнить работу — например, с помощью ЗО-модели, наложив анимацию разборки прямо «поверх» оборудования. Это позволяет повысить скорость и качество работ. В результате увеличивается надежность оборудования и снижаются простои, потому что сокращается количество повторных ремонтов и задержки в работе из-за недостатка квалификации слесарей или информации. Кроме того, дополненная реальность позволяет снизить издержки на обучение специалистов, способствуя расширению их компетенций и сохранению знаний в виде интерактивных инструкций, доступных всем исполнителям работ.
Дополненная реальность также служит инструментом для оказания помощи полевому персоналу. При возникновении вопросов по ремонту оборудования, инженеру будет достаточно навести на него планшет, и изображение вместе с информацией о поломке будет направлено удаленному специалисту. В свою очередь, он может оказать поддержку из своего офиса или диспетчерского центра и отметить необходимые действия на экране, которые полевой персонал получит в режиме реальном времени. Кроме вывода показаний, техник может получать предупреждения о дефектах с указанием места их возникновения, инструкции по ремонту, справочные видеоролики и многое другое.
Для решения задач ТОиР специалисты АО «МЦД» разработали собственное решение для автоматизации бизнес-процессов сервисного обслуживания на основе дополненной реальности -ServiceVizor. Оно предназначен для помощи техническому персоналу, создания цифровой базы знаний по ТОиР, регистрации дефектов и аварий, а также анализа критичности последствий отказов на цифровой технологической модели. Сегодня ServiceVizor использует ряд промышленных предприятий, в частности, один из НПЗ Татарстана. Ключевой задачей при внедрении системы являлось сопровождение эксплуатации и ТОиР источников бесперебойного питания (ИБП), бесперебойная работа которых критически важна для работы автоматизированных систем, управляющих оборудованием завода.
На объекте технология была внедрена для информационного сопровождения и обучения инженеров автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), автоматизации процессов обслуживания критически важного оборудования. С ее помощью инженерам на объекте доступна дополнительная информация про оборудование в виде виртуальных датчиков, мнемосхем с цветовой индикацией показаний контрольно-измерительных приборов (КИП) и наглядная визуализация в виде точной ЗО-копии оборудования. В AR специалисты могут увидеть внутренние элементы шкафа, где подсвечены силовые линии, по которым в данный момент находятся под напряжением, а также увидеть значения силы тока и напряжения.
Эксперты АО «МЦД» проработали разные инструкции, которые можно использовать как первую помощь при различных видах аварий. Раньше, в зависимости от аварии, персоналу приходилось самостоятельно оценивать ситуацию, выбирать алгоритм действий и тратить время на принятие решений. В ServiceVizor за каждую аварию и проблему отвечает отдельная инструкция, которая сразу дает рекомендации по действиям, необходимым для ее максимально быстрого устранения. Более того, при возникновении аварии все ответственные лица получают соответствующие уведомления о месте и источнике аварии, а также краткое описание ее возможных причин. Если случится какая-либо неисправность, система мгновенно предупредит о ней, тем самым уменьшая масштабы последствий и обеспечив технический персонал четкой последовательностью действий для ее устранения. Первые результаты показали — если без системы ServiceVizor общее время устранения аварии составляло 31 минуту 13 секунд, то теперь на это уходит 16 минут 29 секунд.
Заключение
Тенденция цифровизации большого количества рыночных сегментов набирает обороты. Нефтегазовая отрасль, являясь ключевой отраслью для российской экономики, не осталась в стороне от этого процесса. Этапы развития процессов цифровизации в нефтегазовой отрасли страны всегда были обусловлены научно-техническим прогрессом: появление новой техники и технологий сразу же затрагивало все аспекты функционирования предприятий данной отрасли. Нефтегазовые компании во многом являются пионерами целого ряда новых технологий, имеют достаточно средств и действительно актуальных задач для развития инноваций. Среди них — оптимизация промысловой переработки и транспорта, задачи, связанные с цифровым месторождением и многие другие. Эти цифровые технологии, в начале носившие инвестиционный характер, сейчас приносят прибыль реальному сектору, а многие проектные организации, участвующие в разработке объектов транспорта и переработки газа, технологически и организационно готовы к разработке цифрового двойника. В отрасли уже сложилась практика моделирования в ходе проектно-изыска-тельских работ, есть соответствующие специалисты, компетенции и опыт. Важно интегрировать модели и знания, которыми располагает проектная компания, при разработке цифрового двойника. Тогда это принесет реальную пользу от внедрения новых цифровых технологий.
