2835.Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных и

Секция 7. Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом комплексе

Решение этой системы уравнений позволяет найти искомые сопротивления

Rab , Rbc , Rca .

Совокупные и совместные измерения часто применяют в измерениях различных параметров и характеристик в области электротехники. В обоих случаях искомые значения находят в результате решения системы уравнений, коэффициенты в которых получены путем прямых измерений. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноименных величин, а при совместных – разноименных. Совместные измерения основываются на известных уравнениях, отражающих существующие связи между измеряемыми величинами, а совокупные – на уравнениях, отражающих произвольное комбинирование величин. Следовательно, совместные измерения можно интерпретировать как обобщение косвенных, а совокупные – как обобщение прямых измерений.

Список литературы

1.Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели: учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 2002. – 348 с.

2.Электрические измерения неэлектрических величин / под ред. П.В. Новицкого. – 5-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергия, Ленингр. отд-е, 1975. – 576 с.

581

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ИЗУЧЕНИЕ ЭНТРОПИИ КАК МЕРЫ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ СОСТОЯНИЙ ФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

К.С. Семёнова

Научный руководитель – Е.С. Анохина Альметьевский государственный нефтяной институт

Рассмотренаэнтропиякакмеранеопределенностисостоянийфизическойсистемы. Ключевые слова: энтропия, неопределенность.

Рассмотрим меру неопределенности физической системы, ее особенности, отличие от других форм энтропии.

Термин «энтропия» широко используется в естественных и точных науках, впервые введен Р. Клаузиусом в 1865 г. для решения термодинамических задач. Впоследствии он стал широко использоваться во всех областях науки.

Сегодня в литературе встречается описание по меньшей мере четырех основных форм энтропии.

1.Термодинамическая энтропия, часто именуемая просто энтропией, – физическая величина, используемая для описания термодинамической системы, одна из основных термодинамических величин. Энтропия является функцией состояния и широко используется в термодинамике, в том числе химической.

2.Информационная энтропия – мера неопределенности источника сообщения, определяемая вероятностями появления тех или иных символов при его передаче.

В классической теории информации информация определена величиной устраненной неопределенности. Вот простой пример: если неизвестен адрес человека

вданном городе, то неопределенность состоит в ожидании найти его в любом доме этого города и в любой квартире в нем. Переданное сообщение об адресе эту неопределенность полностью устраняет. Возникает детерминированное состояние. Итак, где бы и как бы ни использовалось понятие об информации, обязательно должно присутствовать понятие устранения неопределенности.

Нужно отметить двойственность способов устранения неопределенности. Поясню ее на примере с сообщением с адресом в городе. Пусть оно содержит не только сам адрес, но и путь, по которому его можно достигнуть. Его можно задать любым, сколь угодно сложным (по критериям длины пути, по времени достижения цели, по возможному транспорту, пересадкам и т.д). Независимо от этих вариантов неопределенность в сообщении будет устранена.

В 1948 г., исследуя проблему рациональной передачи информации через зашумленный коммуникационный канал, К. Шеннон предложил революционный вероятностный подход к пониманию коммуникации и создал первую, истинно математическую, теорию энтропии. Его сенсационные идеи послужили основой двух основных направлений: теории информации, которая использует понятие вероятности и эргодическую теорию для изучения статистических характеристик

582

Секция 7. Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом комплексе

данных и коммуникационных систем, и теории кодирования, в которой используются главным образом алгебраические и геометрические инструменты для разработки эффективных кодов.

3.Энтропия, или неопределенность поведения любой не вполне упорядоченной системы вплоть до макроскопических множеств.

4.Энтропия как мера неопределенности состояния любой вполне упорядоченной физической системы или поведения любой системы, включая живые и неживые объекты и их функции. Именно эта интерпретация энтропии, связанная

снеопределенностью состояния системы, находит в последнее время наибольшее применение при исследовании как живых, так и неживых объектов, и процессов. При этом энтропия не имеет своей размерности.

Связь между понятиями порядка и хаоса, организации и дезорганизации послужила сильнейшим стимулом к проведению целого ряда серьезных исследований понятия энтропии и ее роли как в области физических явлений, так и в мире живой природы.

Примером возрастания упорядоченности могут служить кристаллы льда, из которых состоят снежинки. Во время замерзания вода отдает тепло во внешнюю среду, так что кристалл льда можно считать открытой системой. Почему на макроскопическом уровне в кристалле происходит организация и уменьшается энтропия? Только ли благодаря оттоку тепла? Нет. Молекулы, замедляя движение, конденсируются. Между ними образуются водородные связи. Становится энергетически более выгодно составлять молекулы в кристаллическую структуру, чем ориентировать беспорядочно. Можно сказать, что порядок в данном случае заранее присутствовал в симметрии молекул и соответствующих межатомных электромагнитных силах. Нельзя сказать, что отток тепла создал порядок – он всего лишь позволил проявиться порядку, скрытому в физических законах. Интересно также, что это согласуется с формулами изменения тепловой энтропии: отток тепла приводит к ее убыванию, она как бы вытесняется за границы системы, а порядок возрастает. Это связано именно с тем, что тепловое движение мешает атомам сблизиться достаточно, чтобы между ними начали действовать законы квантовой физики.

Энтропия характеризует определенную направленность процесса в замкнутой системе. В соответствии со вторым началом термодинамики возрастанию энтропии соответствует направление теплового потока от более горячего тела к менее горячему. Непрерывное возрастание энтропии в замкнутой системе происходит до тех пор, пока температура не выравняется по всему объему системы. Наступает, как говорят, термодинамическое равновесие системы, при котором исчезают направленные тепловые потоки и система становится однородной.

Абсолютное значение энтропии зависит от целого ряда физических параметров – температуры, объема, фазового состояния системы и др.

Энтропией системы (H(X)) называется сумма произведений вероятностей

различных состояний системы на логарифмы этих вероятностей (pi), взятая с обратным знаком:

583

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

H ( X ) = −∑n pi logpi .

i=1

Энтропия сложной системы (X, Y) по определению равна сумме произведений вероятностей всех возможных ее состояний (i, j) на их логарифмы с обратным знаком:

n m

H ( X , Y ) = −∑∑pij logpij ,

i =1 j =1

где Pij – вероятность того, что система (X, Y) будет в состоянии (xi, yj).

Условная энтропия – это энтропия для алфавита, где известны вероятности появления однойбуквы последругой, т.е. вероятности двухбуквенных сочетаний:

H1 (S ) = −∑pi ∑pi ( j) log2 pi ( j),

i j

где i – состояние, зависящее от предшествующего символа; pi(j) – вероятность j при условии, что i был предыдущим символом.

Рассмотрев несколько форм энтропии, можно сделать вывод: энтропия как физическая переменная первично возникла из задач описания тепловых процессов. Впоследствии она стала широко использоваться во всех областях науки.

Информация – это знание, которое используется для развития, совершенствования системы и ее взаимодействия с окружающей средой. Информация сама развивается вслед за развитием системы. Новые формы, принципы, подсистемы, взаимосвязи и отношения вызывают изменения в информации, ее содержании, формах получения, переработки, передачи и использования. Благодаря потокам информации система осуществляет целесообразное взаимодействие с окружающей средой, т.е. управляет или управляема. Своевременная и оперативная информация может позволить стабилизировать систему, адаптироваться, восстанавливаться при нарушениях структуры и/или подсистем. От степени информированности системы, от взаимодействия системы и среды зависит развитие

иустойчивость системы.

Всовременном мире все большее значение в управлении организацией отдается прогнозированию. Любая организация в процессе своей деятельности сталкивается с различными рисками, которые в большей или меньшей степени влияют на ее состояние. Многочисленны примеры ситуаций, связанных с социальными, технологическими, экономическими, политическими, экологическими и другими рисками. Именно в таких ситуациях обычно и необходимо прогнозирование. Известны различные виды критериев, используемых в теории принятия решений в условиях неопределенности. Из-за противоречивости решений, получаемых по различным критериям, очевидна необходимость применения понятия энтропии.

584

Секция 7. Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом комплексе

Список литературы

1.Прангишвили И.В. Системный подход и общесистемные закономерности. – М.: Синтег, 2000.

2.Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учебник для вузов. – 6-е изд., стер. –

М.: Высшая школа, 1999. – 576 c.

3.Осипов А.И., Уваров А.В. Энтропия и ее роль в науке // Сетевой образова-

тельный журнал. – 2004. – Т. 8, № 7. – С. 70–79.

585

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ С ПРОВОДЯЩИМ ТИГЛЕМ ДЛЯ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ

М.А. Федин, А.О. Кулешов

Научный руководитель – д-р техн. наук, профессор А.Б. Кувалдин Национальный исследовательский университет « МЭИ»

Предложен принцип регулирования теплового режима работы индукционных тигельных печей с проводящим тиглем мощностью до 100–150 кВт, питающихся от транзисторных преобразователей высокой частоты. С использованием полученных результатов создана лабораторно-промышленная установка для плавки меди, магния и сплавов.

Ключевые слова: индукционная тигельная печь, проводящий тигель, плавка меди, двухпозиционная система регулирования, температура металла, транзисторный преобразователь высокой частоты.

Индукционные тигельные печи (ИТП) широко применяются в промышленности для плавки черных и цветных металлов, в частности качественных медных и магниевых сплавов. В зависимости от электрических свойств материала тигля различают ИТП с непроводящим и проводящим тиглем.

В настоящее время в России и за рубежом выпускаются ИТП с проводящим стальным тиглем для плавки магния емкостью от 300 кг до 8 т (мощностью от 120 до 1200 кВт соответственно) и печи с графитовым тиглем для плавки меди емкостью от 1 кг до 6 т (мощностью от 2 до 1500 кВт).

Современные установки ИТП требуют автоматизации проводимого в них технологического процесса, контроля и управления электрических (напряжение, ток, мощность, cosφ) и технологических параметров (температура металла). Поскольку плавильные ИТП, в частности рассматриваемые ИТП с проводящим тиглем, являются достаточно инерционными в тепловом отношении объектами, практика показывает, что систему регулирования электрическим и тепловым режимом в печах мощностью до 100–150 кВт можно строить по двухпозиционному принципу. Источниками питания таких печей, как правило, являются транзисторные преобразователи частоты, работающие как в продолжительном, так и в по- вторно-кратковременном режиме. Для выбора параметров системы регулирования печи необходима идентификация ИТП с проводящим тиглем как объекта системы управления с последующим встраиванием модели печи в структурную модель системы регулирования в MATLAB [1–5].

С использованием пакета MATLAB проведена идентификация ИТП с проводящим тиглем как объекта управления, получены структурные модели печи и регулятора температуры садки. С использованием структурного моделирования получены необходимые настройки регулятора для различных режимов работы печей с проводящим тиглем [6].

586

Секция 7. Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом комплексе

Для экспериментальных исследований в НИУ «МЭИ» создан лабораторнопромышленный стенд на базе ИТП с проводящим тиглем для плавки меди мощностью 2,5 кВт, питающейся от транзисторного преобразователя высокой частоты (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид лабораторно-промышленного стенда

Для регулирования величины входного напряжения используется однофазный лабораторный автотрансформатор Fnex мощностью 3 кВА.

Для регулирования температуры используется цифровой регулятор температуры OMRON E5CC. В стенде реализована система управления температурой садки, построенная по двухпозиционному принципу. Настройки используемого терморегулятора OMRON E5CC позволяют задавать температуру нагрева и ширину петли гистерезиса, определяющую размах колебаний температуры в процессе регулирования. В системе регулирования, основанной на прямом измерении температуры, используется погружная многоразовая хромель-алюмелевая термопара (типа K) с защитным чехлом, выдерживающим несколько погружений в жидкий металл.

В экспериментальных исследованиях использовалось следующее измерительное оборудование: тепловизор FLIR T425 с диапазоном измерения температуры от –20 до 1200 °С, двухканальный цифровой осциллограф Tektronix TDS 1012B, хромель-алюмелевые термопары (типа K), стрелочные вольтметр, амперметр, ваттметр, фазометр, цифровые вольтметры, цифровой мультиметр, цифровой трехканальный измеритель-регистратор температуры Aktakom ATE-9380, трансформаторы тока и напряжения.

587

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

в г

Рис. 2. Фотографии и тепловизионные изображения тигля с шихтой (а, б) и жидким расплавом (в, г)

На рис. 2 приведены фотографии и тепловизионные изображения тигля с медной шихтой и тигля с жидкой медью. Рис. 2, а соответствует времени нагрева около 15 мин, рис. 2, в – моменту, предшествующему сливу металла. Первоначальная загрузка медной шихты производилась в холодный тигель, затем через некоторое время по мере расплавления и осаживания шихты были произведены две дозагрузки. Суммарная масса расплавленной меди составила около 1 кг, общее время расплавления – около 19 мин, температура перегрева – 1120 °С. Настройки регулятора при выплавке меди: температура задания – 1120 °С, размах колебаний температуры в процессе регулирования – 10 °С (от 1110 до 1120 °С). Переходные процессы совпадают с теоретическими, полученными в MATLAB, точность не менее 5 % [6].

Сделаем выводы:

1. Установлено, что поскольку рассматриваемые ИТП с проводящим тиглем являются достаточно инерционными в тепловом отношении объектами (постоянная

588

Секция 7. Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом комплексе

времени тигля, как правило, составляет более 300 с), систему регулирования электрическим и тепловым режимом в печах мощностью до 100–150 кВт можно строить по двухпозиционному принципу. Источниками питания таких печей, как правило, являются транзисторные преобразователи частоты, работающие как в продолжительном, так и в повторно-кратковременном режимах. Использовать для регулирования температуры ПИД-регулирование здесь не имеет особого смысла.

2. Создан лабораторно-промышленный стенд на базе ИТП мощностью 2,5 кВт, работающей на частоте 22 кГц, позволяющий проводить выплавку меди, магния и сплавов, осуществляя разливку при заданной оператором температуре, выдерживать жидкий металл при определенной температуре.

Список литературы

1.Автоматическое управление электротермическими установками: учебник для вузов / А.М. Кручинин, К.М. Махмудов, Ю.М. Миронов [и др.]; под ред. А.Д. Свенчанского. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

2.Кувалдин А.Б., Федин М.А. Идентификация индукционных тигельных миксеров как объектов параметрической системы управления // Индукционный нагрев. – 2013. – № 1 (23). – С. 19–24.

3.Kuvaldin A.B., Fedin M.A. Development of a system of regulation induction melting installations with indirect estimates of the temperature load // Workshop Elek-

troprozesstechnik. Tagungsband, Ilmenau, 2013.

4.Гитгарц Д.А. Автоматизация плавильных электропечей с применением микро-ЭВМ. – М.: Энергоатомиздат, 1984.

5.Электрооборудование и автоматика электротермических установок: справочник / А.П. Альтгаузен, И.М. Бершицкий, М.Д. Бершицкий [и др.]; под ред. А.П. Альтгаузена, М.Д. Бершицкого, М.Я. Смелянского, В.М. Эдемского. – М.: Энергия, 1978.

6.Федин М.А. Выбор принципа регулирования и разработка систем управления индукционных тигельных печей с проводящим тиглем // Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий – 2014: сб. науч. тр. – Екатеринбург,

2014. – С. 135–140.

589

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОТБОРА КЕРНА

Р.А. Шакиров

Научный руководитель – канд. хим. наук, доцент А.А. Емекеев Альметьевский государственный нефтяной институт

Задачей проекта является расширение эксплуатационных возможностей системы нефтегазодобывающих скважин с отбором керна и сохранение пластовой среды. Поставленная задача решаются предлагаемой системой непрерывного отбора керна.

Ключевые слова: керн, датчик уровня, датчик вибрации, керноотборный снаряд, узел кернорвателей, керноприемная труба, система передачи данных.

В сложившейся социально-экономической ситуации задача повышения надежности и эффективности отечественного бурового оборудования становится все более актуальной. Это служит поводом для всестороннего рассмотрения вопроса о модернизации систем бурения и исследования нефтяных и газовых скважин.

Анализ существующего уровня техники в данной области показал следующее. Известен керноотборный снаряд, состоящий из корпуса с верхним переводником для соединения с колонной труб и кожуха в виде трубы с верхним и нижним узлами герметизации, размещенный в корпусе и снабженный регулируемой подвеской, узлом поджатия и стаканом, установленным в коронке, а также содержащий керноприемник, выполненный в виде трубы, и узел отделения керна от забоя [1].

Недостатком этого керноотборного снаряда является возможность снижения выноса керна, связанная с его заклиниванием в узле отделения керна, особенно при его отборе в разрезах скважин с чередованием пластов, перемежающихся по прочности. При входе коронки в пласт, сложенный неконсолидированными породами, предел текучести которых меньше напряжений сжатия, возникающих от давления вышерасположенной колонки керна, возможно смятие вновь выбуриваемого керна: вместо сформированной цилиндрической колонки в отверстие бурголовки будут поступать мелкие обломки и сыпучая масса разрушенной горной породы. От давления вышерасположенной колонки керна эта бесформенная масса будет расширяться, увеличивая свой диаметр, и после выхода из отверстия бурголовки в стакан и далее в узел отделения керна, где установлены кернорватели, эта сыпучая масса, расширяясь, заполнит все зазоры, как за счет внутреннего трения между частицами разрушенной горной породы, так и за счет трения о стенки кернорвателей и их рабочие элементы будет препятствовать свободному продвижению вновь выбуриваемого керна.

В результате этого процесса в бурголовке и нижней зоне узла отделения будет сформирована уплотненная пробка и произойдет ее заклинивание с герметичным перекрытием входа в керноприемник, заполненный изолирующей жидкостью. Дальнейшее бурение будет происходить сплошным забоем, так как вновь выбуриваемый керн будет разрушаться путем перетирания на забое образовавшейся пробкой и размываться струями бурового раствора, превращаясь в шлам,

врезультате чего будет уменьшен вынос керна.

Вкачестве прототипа мы приняли керноотборный снаряд, предназначенный для отбораидоставкинаповерхностькернаприбурениинефтяныхигазовыхскважин[2].

590