Моделирование и визуализация систем и процессов нефтегазового производства с использованием CAE-программ
- Авторы: Соловьев А.А.1, Работягов Г.Б.1, Некрасов А.В.1, Волкова И.А.2
-
Учреждения:
- Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина
- Нижневартовский государственный университет
- Выпуск: 2024: Культура, наука, образование: проблемы и перспективы: материалы ХI Международной научно-практической конференции (г. Нижневартовск, 9–10 ноября 2023 г.)
- Страницы: 479-484
- Раздел: Секция 13. Нефть, газ: современные технологии и лучшие практики
- URL: https://journals.eco-vector.com/kultura_nvsu2023/article/view/631283
- DOI: https://doi.org/10.36906/KSP-2023/67
- ID: 631283
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Статья представляет собой обзор возможностей современных CAE- программ и их значимость для разработки, анализа и оптимизации систем нефтегазового производства, а также демонстрирует наработки кафедры нефтегазового дела Нижневартовского государственного университета в этой области. В частности, статья освещает проект создания виртуального учебного комплекса «Рабочее место технолога ЦДНГ (цеха добычи нефти и газа)», реализованного недавно нашим студентом совместно с преподавателями кафедры.
Полный текст
Нефтегазовая промышленность играет ключевую роль в мировой экономике, обеспечивая энергией и сырьем множество отраслей. Она также является одной из отраслей, где инженерное моделирование и визуализация процессов имеют огромное значение. Современные CAE-программы (Computer-Aided Engineering) стали важным инструментом для разработки, анализа и оптимизации систем и процессов нефтегазового производства. В данной статье мы рассмотрим, как CAE-программы помогают улучшить эффективность и безопасность в этой отрасли. Цель данной статьи дать обзор особенностей применения данного вида программ с учетом специфики нефтегазовой отрасли и продемонстрировать наработки кафедры нефтегазового дела НВГУ в этом вопросе.
Анализ научных источников по данному направлению показал, что моделирование и визуализация систем и процессов нефтегазового производства с использованием CAE- программ активно развиваются как с теоретической, так и с практической точек зрения. Количество и качество программных продуктов растет, и этот прогресс отражается и находит соответствующее теоретическое и методологическое обоснование в научной печати. Так Дмитриев В.М., Ганджа Т.В. рассмотрели общие принципы формирования многоуровневых компьютерных моделей SCADA-систем для управления сложными технологическими объектами [2]. Научная статья Медведева В.И. посвящена возможностям имитационного моделирования систем и процессов в системе Tecnomatix Plant Simulation [3]. Остальные из проанализированных источников концентрируют внимание на тех или иных практических аспектах использования потенциала программных продуктов. В статье Репях Л.П. речь идет о преимуществах, которые обеспечивают CAE-программы для подготовки персонала к ситуациям, связанным с риском, что довольно часто происходит в нефтегазовом производстве [5]. Таким образом, персонал получает опыт в безопасных условиях виртуальной реальности, которые позволяют избежать ошибок в дальнейшем, а значит уменьшает производственные риски и травматизм. Также производственному обучению, но уже с помощью VR технологий посвящена публикация Вейса Ю.В., Алфимова Г.Д. [1]. Активно используются данные технологии и учебном процессе. Причем студенты не только выступают в роли пользователей, но и сами принимают участие в разработке данного программного обеспечения, как об этом говорится в статье Обухова А.Д., Чеботова Н.А., Вехтевой Н.А., Патутина К.И., Прокудиной [4]. На нашей кафедре также активно используются программы для моделирования, и визуализация систем и процессов нефтегазового производства и ведутся собственные разработки в данной области, о чем пойдет речь ниже. Пока же подытожим результаты анализа научной литературы по вопросам разработки и использования CAE-программ в нефтегазовой промышленности. Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:
- CAE-программ все больше входят в производственную и обучающую деятельность в нефтегазовой промышленности и приобретают в современных условиях очень важное значение для отрасли. Нефтегазовые предприятия подвергаются постоянным вызовам, таким как увеличение требований к безопасности, экологичности и экономической эффективности. CAE-программы предоставляют инженерам и специалистам возможность создавать виртуальные модели и анализировать различные аспекты систем и процессов нефтегазового производства:
- Моделирование оборудования. CAE-программы позволяют создавать 3D-модели нефтегазового оборудования, такого как скважины, насосы, компрессоры и трубопроводы. Это помогает инженерам лучше понимать работу оборудования и оптимизировать его производительность.
- Анализ течения жидкости и газа. CAE-программы позволяют моделировать и анализировать течение нефти, газа и воды в трубопроводах и резервуарах. Это важно для оптимизации транспорта и обработки сырья.
- Анализ прочности и безопасности. Инженеры могут использовать CAE-программы для оценки прочности оборудования и трубопроводов при различных условиях эксплуатации. Это помогает предотвратить аварии и снизить риски для персонала.
- Оптимизация процессов. CAE-программы позволяют проводить симуляции различных сценариев работы систем и процессов, что позволяет оптимизировать производственные процессы и сократить издержки.
- Существует множество CAE-программ, которые широко используются в нефтегазовой промышленности. Ниже приведены некоторые из них:
- COMSOL Multiphysics – это мощное программное обеспечение для моделирования физических процессов, таких как теплопередача, гидродинамика и химические реакции. Оно может использоваться для моделирования различных аспектов нефтегазовой добычи и обработки.
- ANSYS предоставляет инструменты для анализа прочности, теплообмена и динамики жидкости, что позволяет инженерам оптимизировать оборудование и процессы.
- Aspen HYSYS – это программное обеспечение специализируется на моделировании процессов в химической и нефтегазовой промышленности. Оно позволяет анализировать процессы дистилляции, химические реакции и т.д.
- Autodesk Computational Fluid Dynamics (CFD) предоставляет инструменты для моделирования течения жидкости и газа, что может быть полезно при проектировании трубопроводов и резервуаров.
- Использование CAE-программ в нефтегазовой промышленности предоставляет следующие преимущества:
- Снижение рисков. Моделирование и анализ с помощью CAE-программ позволяют выявить потенциальные проблемы и риски до их возникновения, что способствует улучшению безопасности.
- Экономия времени и ресурсов. Инженеры могут проводить виртуальные тесты и оптимизировать процессы без необходимости строительства физических прототипов.
- Увеличение производительности. Оптимизация систем и процессов позволяет повысить производительность и снизить издержки.
- Улучшение качества управления. CAE-программы помогают отслеживать состояние и производительность оборудования, что позволяет лучше управлять оборудованием.
Как уже говорилось выше данное программное обеспечение позволяет также повысить эффективность обучения студентов. Огромное по размерам нефтегазовое оборудование невозможно разместить в аудиториях и тут на помощь приходят виртуальные лабораторные работы и тренажеры, моделирующие и визуально наглядно отображающие работу оборудования. Пример, одного из них, используемого у нас на кафедре, приведен на рисунке 1 ниже.
Рис. 1. Тренажер, облегчающий изучение машин и оборудования для добычи нефти и газа
Также, хочется в качестве иллюстрации привести проект студента Работягова Г.Б., по созданию виртуального учебного комплекса «Рабочее место технолога ЦДНГ» для использования в учебном процессе. Проект получил грант ректора НВГУ, а в данный момент Работягов Г.Б. продолжает обучение на кафедре уже в качестве магистранта. На рисунке 2 показан эскиз главного окна приложения.
Рис. 2. Рабочее место технолога. Главное окно программы
Чтобы более наглядно продемонстрировать возможности программы, на рисунке 3 ниже показан эскиз начальной страницы рабочего экрана приложения.
Рис. 3. Эскиз начальной страницы рабочего экрана приложения
На этапе проектирования приложения были выполнены следующие задачи: создана стартовая страница приложения, разработан дизайн производственных объектов, внедрена система авторизации для пользователей, создан интерактивный видеоролик, который объясняет работу объекта и его назначение, а также разработана интерактивная карта центра дистрибуции и навигации по ЦДНГ.
Рис. 4. Детализация производственных объектов
На рисунке 4 представлена более подробная информация о производственных объектах. Эта информация доступна для трех объектов, и она позволяет более подробно изучить процессы производства, просматривать оборудование и взаимодействовать с объектом для понимания его работы. Пользователь может выбрать объект на карте и получить более подробную информацию о его функционировании.
Рис. 5. Функционал просмотра оборудования нефтяного куста
На рисунке 5 показан функционал просмотра оборудования нефтяного куста – ЭЦН, ШГН, АГЗУ, ТП, внутриплощадочные трубопроводы, где можно увидеть характеристики оборудования, установленного на скважине и на кусте.
Проект успешно завершен и его результаты сейчас внедряются в учебный процесс. Этот опыт вдохновил нас на поиск новых и интересных решений, и мы планируем продолжить развивать эту образовательную деятельность, привлекая новых заинтересованных студентов- нефтяников к проектам создания моделей работы нефтегазового оборудования и имитации производственных процессов с помощью CAE-программ.
Подведем итоги. Использование CAE-программ в нефтегазовой промышленности является неотъемлемой частью современных технологий. Они позволяют инженерам и специалистам создавать виртуальные модели, анализировать системы и процессы, и оптимизировать их для достижения лучших результатов. Благодаря этим инструментам, нефтегазовая промышленность может справляться с вызовами безопасности, эффективности и экологии, обеспечивая надежное и устойчивое производство. Активно используются данные программы и в обучении, в частности на нашей кафедре активно применяются тренажеры и виртуальные лабораторные работы, позволяющие сделать образовательный процесс более наглядным и эффективным, а также активно ведутся разработки собственного программного обеспечения в рамках научно-исследовательской деятельности преподавателей и проектного обучения студентов и магистрантов.
Об авторах
А. А. Соловьев
Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина
Автор, ответственный за переписку.
Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0009-0007-9389-0004
Россия, Омск
Г. Б. Работягов
Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина
Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0009-0009-0840-3318
Россия, Омск
А. В. Некрасов
Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина
Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2589-0858
канд. экон. наук
Россия, ОмскИ. А. Волкова
Нижневартовский государственный университет
Email: uni@nvsu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2231-6351
доктор экон. наук
Россия, НижневартовскСписок литературы
- Вейс Ю.В., Алфимов Г.Д. Влияние VR технологий на эффективность производства в нефтегазовом комплексе // Экономика и бизнес: теория и практика. 2023. № 5-1(99). С. 79-83.
- Дмитриев В.М., Ганджа Т.В. Принцип формирования многоуровневых компьютерных моделей SCADA-систем для управления сложными технологическими объектами // Информатика и системы управления. 2013. № 2. С. 24-35.
- Медведев В.И. Имитационное моделирование систем и процессов в системе Tecnomatix Plant Simulation // Имитационное моделирование. Теория и практика: Четвертая Всероссийская научно- практическая конференция: сб. докладов. СПб., 2009. С. 289-292.
- Обухов А.Д., Чеботов Н.А., Вехтева Н.А., Патутин К.И., Прокудина Н. Разработка системы визуализации виртуальной установки для подготовки специалистов нефтегазовой отрасли // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2020. Т. 26. № 4. С. 571-580.
- Репях Л.П. Моделирование и реализация подготовки персонала нефтегазовой отрасли к ситуациям производственного риска // Вестник Оренбургского государственного университета. 2020.
- № 1(224). С. 94-100.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)