Для контроля технологических параметров и дистанционного управления запорной арматурой линейной части (ЛЧ) многониточных магистральных газопроводов (ММГ) ПАО «Газпром» используются системы линейной телемеханики. Информация от датчиков и исполнительных устройств поступает в контролируемый пункт (КП) телемеханики и по каналам связи передается на диспетчерский пункт линейного производственного управления (ЛПУ), где отображается на экране пульта управления (ПУ). Количество КП в системе телемеханики в большинстве случаев варьируется от 2 до 30, при этом суммарное количество датчиков давления на всех КП может достигать до 200 шт. Диспетчер анализирует поступающую информацию и вводит команды управления запорной арматурой, при этом функции диспетчера на этом не заканчиваются. В зоне его ответственности большой объем работ, связанный с работой компрессорной станции, выдачей разрешений на работы и контроль их выполнения, формирование баланса прихода и расхода газа, отчеты перед центральной диспетчерской службой газотранспортного предприятия и т.д.

Таким образом, диспетчер не имеет возможности постоянного наблюдения за состоянием газопроводов ЛЧ ММГ. При возникновении нештатных событий (НС), требующих принятия оперативных решений для их локализации, диспетчеру зачастую требуется время на анализ технологической конфигурации участка ММГ, определение типа и местонахождения НС, решение вопроса об очередности выдачи команд на запорную арматуру. Все эти действия происходят в стрессовой обстановке и часто приводят к непреднамеренным ошибкам [1, 2], что грозит существенной потерей товарного газа, опасностью для жизни и здоровья людей, а также увеличением вреда для экологии.

В связи с этим возник вопрос о необходимости автоматизированного анализа данных для раннего обнаружения НС, с использованием только штатных аппаратных средств телемеханики без установки дополнительного оборудования.

В 2018 г. в филиале РФЯЦ-ВНИИЭФ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова» была завершена разработка подсистемы обнаружения нештатных событий для телемеханики УНК ТМ [1, 2], позволяющая выявлять на линейной части ММГ утечку газа или разрыв ММГ, несанкционированную перестановку линейных кранов, переток газа между ММГ с разными газодинамическими режимами транспорта. В основу ПОНС были положены методы и алгоритмы, описанные в патенте РФЯЦ-ВНИИЭФ [3].

В марте 2020 г. была утверждена «Дорожная карта по взаимодействию ПАО «Газпром» с промышленным комплексом Нижегородской области», раздел 2 которой посвящен «Организации адаптации и внедрения подсистемы обнаружения нештатных событий (ПОНС)». Куратором работ от
ПАО «Газпром» было назначено газотранспортное предприятие ООО «Газпром трансгаз Нижний
Новгород», местом проведения испытаний — Моркинское ЛПУ МГ.

Сформированный план проведения испытаний и опытной эксплуатации ПОНС в Моркинском ЛПУ МГ включал в себя следующие основные пункты:

• заводские испытания ПОНС с использованием стенда;
• предварительные испытания на объекте;
• проведение опытной эксплуатации;
• приемочные испытания.

Для проведения заводских испытаний был разработан стенд на основе программного обеспечения (ПО) математической модели (ММ) тренажера диспетчера ЛПУ [4].
ПО стенда позволяет (рис. 1):

• моделировать информацию о транспорте газа по ЛЧ и компрессорным цехам (КЦ) в реальном масштабе времени с точностью до секунды;
• формировать информацию о нештатных событиях на ЛЧ:

- несанкционированная перестановка кранов;
- неполное закрытие или открытие любых кранов;
- аварийные ситуации, возникающие при частичном или полном разрыве газопроводов, и многие другие.

В процессе создания стенда потребовалась доработка ПО стенда в части:

• подключения драйверов обмена данными с контроллерами КП УНК ТМ по протоколу обмена Modbus/RTU;
• формирования перепадов давления при моделировании утечек газа.

Для формирования перепадов давления в ПО ММ был использован алгоритм представления ММГ в виде весового неориентированного графа, где вершинами служат датчики давления, а весами — расстояния между этими датчиками. Дополнительной вершиной выступает место «утечки/разрыва». Был реализован алгоритм Дейкстры, осуществляющий поиск кратчайшего расстояния между вершинами неориентированного графа и точкой «утечки/разрыва». Значения на всех датчиках давления, до которых может дойти волна давления от «разрыва», остаются на уровне последнего вычисленного значения до начала моделирования «разрыва», что обеспечивает моделирование перепада давления для датчика по истечении времени прихода перепада (рис. 2).

До проведения заводских испытаний было разработано ПО КП комплекса телемеханики
УНК ТМ Моркинского ЛПУ МГ на базе ОС РВ QNX 4.25 для контроллеров СРС108. ПО КП и ПУ
было дополнено модулями ПОНС.
Для проверки ПОНС было проведено более 500 экспериментов с созданием нештатных событий. Такое количество экспериментов объясняется необходимостью проверки 14 возможных комбинаций транспорта газа на участке Моркинского ЛПУ и необходимостью проверки правильности работы ПОНС при имитации «разрывов» ММГ различной степени в 13 возможных участках возникновения НС.
При проведении заводских испытаний были подтверждены следующие технические характеристики ПОНС:

• погрешность определения мест «разрыва» ММГ не более 1 км на всех участках контролируемого ММГ Моркинского ЛПУ при различных конфигурациях транспорта газа;
• выявление перепадов давления газа не менее 0,1 кгс/см²;
• определение нештатной перестановки кранов при изменении давления газа на датчиках до и после крана на 0,35 кгс/см².

таний была разработана и утверждена «Программа и методика предварительных испытаний»,
в которой имитация «разрыва» ММГ и нештатной перестановки кранов проводилась путем стравливания газа с датчиков давления.
При проведении предварительных испытаний была подтверждена работоспособность ПОНС в части обнаружения нештатной перестановки кранов и «разрывов» ММГ, однако подтвердить уровень минимального фиксируемого перепада давления и точность обнаружения места «разрыва» ММГ методика, основанная на ручном стравливании газа с датчиков давления, не позволила.
Кроме того, при проведении неподготовленного эксперимента со стравливанием газа через свечной кран на компрессорной станции (КС) перепад давления не был обнаружен на КП в 25 км
от КС, что оставило нерешенным вопрос о зоне чувствительности ПОНС, а также привело к необходимости проведения натурных экспериментов, связанных со стравливанием газа, максимально приближенным к реальному частичному разрыву ММГ.

Основной целью натурных экспериментов было определение характеристик фронта, амплитуды
и длительности перепада давления газа, возникающих при «частичном разрыве» ММГ, а также скорости распространения перепада давления газа по ММГ.
Для проведения первого эксперимента был выбран участок ММГ между КП 202 и КП 203 на отводе к ГРС «Йошкар-Ола».
Имитация проводилась путем сброса газа через свечной кран Ду200 мм на отводе резким открытием на 100 % на 60 секунд. ПОНС зафиксировал перепад на КП 202 в 6 км от места стравливания размером 0,18 кгс/см2 и не зафиксировал перепад 0,06 кгс/см2 на КП 203 в 23 км
от места стравливания (рис. 3).

Форма перепада давления газа и его временные характеристики, зафиксированные на КП, полностью совпадали с формой и временными характеристиками, зафиксированными на месте проведения эксперимента при открытии свечного крана. Исходя из тенденций изменения давления газа в натурном эксперименте, при «частичном разрыве» ММГ, соотносимом площадью сечения со свечным краном, система телемеханики УНК ТМ (не оснащенная ПОНС) сформировала бы аварийный сигнал по изменению давления (уставка 1 кгс/см²) на КП 202 не ранее 5 минут от начала стравливания, а на КП 203 через 20 минут, что подтверждается реальными аварийными событиями, зафиксированными УНК ТМ [2]. По проведенным расчетам скорость распространения перепада давления составила в среднем 430 м/с, что подтверждало теоретические данные по скорости звука в метане.

По результатам натурных экспериментов было доработано ПО ПОНС в части уменьшения минимального значения определения перепада давления с 0,1 до 0,06 кгс/см².

Во время работ по внутритрубной диагностике ПОНС неоднократно фиксировала проход устройства внутритрубной диагностики (УВТД) через кран в виде сообщения «Закрытие крана» при возникновении разницы между давлением до и после крана выше 0,35 кгс/см² и скорости прохождения УВТД менее 5 м/с.
При восстановлении потоков газа на КС после выхода УВТД образовались перепады давления, фиксируемые ПОНС в виде сообщения «Первый перепад» (рис. 4).

Аналогичные результаты фиксировались и при плановых перестановках кранов.
Для проведения приемочных испытаний была подготовлена и согласована программа и методика, включающая в себя имитации «разрывов», максимально приближенных к реальным разрывам, и имитации различных вариантов реальной нештатной перестановки кранов. Имитация проводилась стравливанием газа из ММГ и перестановкой кранов.
В результате проведенных работ по имитации «разрыва» ММГ на участке между КП 202 и КП 203 (отводе к ГРС «Йошкар-Ола») ПОНС зафиксировала переданные КП 202 и КП 203 сообщения о перепадах (0,06–0,21 кгс/см²) в виде экстренных сигналов и определила место разрыва с погрешностью 200 м (рис. 5). Аналогичные результаты по размерам перепадов и погрешностям обнаружения места фиксировались и при имитации «разрывов» ММГ на участках охранных площадок КС в 25 км от КП телемеханики.