Автоматизированная система управления дожимной насосной станции на месторождении нефти. Автоматизированная система управления дожимной насосной станции на месторождении нефти
 Скачать 5.13 Mb.
|
|
2.6.2 Выбор датчика давления Был проведен сравнительный анализ датчиков давления Метран-75, Элемер АИР-20 и КВАРЦ-2. Результаты анализа представлены в таблице 4 [15][16]. 32 Таблица 4 – Сравнительный анализ датчиков давления Критерий КВАРЦ-2 Метран-75 Элемер АИР- 20 Диапазон пределов измерений, МПа 0-100 0-25 0-100 Предел допускаемой погрешности 0,1% 0,075% 0, 075% Выходной сигнал 4..20мА 4..20мА 4..20мА + HART Наличие взрывозащищенного исполнения Да Да Да Срок службы 6 лет 12 лет 15 лет Степень защиты о пыли и воды IP-54 IP-66 IP-67 Цена От 27 тыс. руб. От 55 тыс. руб. От 35 тыс. руб. Для измерения давления был выбран датчик Элемер АИР-20 (рисунок 4), который имеет малую погрешность, хорошую степень защиты от воды и пыли, а также высокий срок службы. Датчик поддерживает необходимый сигнал 4..20мА + HART, его можно приобрести во взрывозащищенном исполнении. Рисунок 4 – Элемер АИР-20 и кронштейн для крепления 33 Датчик состоит из сенсорного модуля и электронного преобразователя. Сенсорный модуль состоит из измерительного блока и платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Давление подается в камеру измерительного блока, преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сигнала. Электронный преобразователь преобразует электрический сигнал в соответствующий выходной сигнал. В измерительном блоке используется тензорезистивный модуль на кремниевой подложке. Чувствительным элементом тензомодуля является пластина из кремния с пленочными тензорезисторами. 2.6.3 Выбор датчика температуры В процессе работы дожимной насосной станции необходимо отслеживать температуру нефти в буферной емкости, для этого был выбран датчик Метран- 274. В таблице 5 представлен сравнительный анализ датчиков температуры [15][16]. Таблица 5 – Сравнительный анализ датчиков температуры Критерий Метран-274 Элемер ТПУ-0304 Предел допускаемой погрешности 0,25% от 0,1% Наличие взрывозащищенного исполнения Да Да Выходные сигналы 4-20 мА 4-20 мА + HART Диапазон измеряемых температур минус 150..+300 о С минус 50..+500 о С Устойчивость к окружающим температурам минус 45..+85 о С минус 50..+85 о С Срок службы 5 лет 10 лет Степень защиты от пыли и воды IP-65 IP-67 Цена От 15 000 руб. От 10 000 руб. 34 Метран-274 (рисунок 5) преобразует сигнал первичное преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока при помощи измерительного преобразователя, вмонтированного в головку первичного преобразователя. Рисунок 5 – Элемер ТПУ-0304 и гильзы защитные 2.6.4 Выбор уровнемера Для корректной работы нефтяных отстойников необходимо осуществлять постоянный контроль за уровнем жидкости. В таблице 6 были рассмотрены уровнемеры Rosemount 3300 и OPTIFLEX 1300C. Таблица 6 – Сравнительный анализ датчиков уровня Критерий Rosemount 3300 OPTIFLEX 1300C Предел допускаемой погрешности 0,1% 0,3% Наличие взрывозащищенного исполнения Да Да Выходной сигнал Modbus, 4..20мА + HART 4..20мА 35 Продолжение Таблицы 6 Устойчивость к окружающим температурам минус 45..+85 о С минус 40..+80 о С Срок службы 20 лет 10 лет Степень защиты от пыли и воды IP-67 IP-66 Цена От 150000 руб. От 80000 руб. Для измерения уровня был выбран волновой радарный уровнемер Rosemount 3300 (рисунок 6), который имеет более низкую погрешность измерения, лучше защищен от воды и срок службы которого составляет 20 лет, что является отличным показателем качества. Рисунок 6 – Rosemount 3300 Уровнемеры Rosemount 3300 – интеллектуальные устройства, которые предназначены для постоянного измерения уровня и раздела сред в резервуаре. Принцип действия основан на технологии рефлектометрии с временным 36 разрешением (TDR=Time Domain Reflectometry). Радиоимпульсы направляются вниз по зонду, который погружен в измеряемую среду. При достижении поверхности измеряемой среды, часть радиоимпульса отражается и поступает обратно в приёмник. Интервал времени между моментом передачи и приёма радиоимпульса пропорционален расстоянию до поверхности (уровню). 2.6.5 Выбор исполнительных механизмов Исполнительным устройством называют устройство, непосредственно реализующее управляющее воздействие на объект управления со стороны регулятора с помощью перемещения регулирующего органа. В итоге регулирующее воздействие, производимое исполнительным устройством, стабилизирует регулируемую величину путем изменения процесса в заданном направлении. В процессе обезвоживания нефти важно поддерживать постоянный уровень жидкости в отстойнике. Для этого необходимо регулировать подачу жидкости в отстойник, что можно осуществить при помощи клапана с электроприводом. Для того чтобы выбрать клапан, необходимо сделать расчет нужной пропускной способности клапана Kv (м 3 /час), для этого можно воспользоваться формулой: = ∗ ∗ , (1) где Q max - максимальное значение расхода (700 м 3 /час); р 0 - потеря давления на клапане (1 кгс/см 2 ); р - разность давления в трубопроводе до клапана и после клапана (0,5 кгс/см 2 ); - плотность среды (836 кг/м 3 ); 0 - плотность воды (1000 кг/м 3 ). 37 Подставив данные, мы определим, что пропускная способность клапана составит не менее 450 м 3 /час. Далее необходимо определить требуемую минимальную пропускную способность клапана, она должна быть больше или равна нужной пропускной способности клапана, умноженной на 1,3. Таким образом Kvs ≥ 580 м 3 /час. Диаметр трубопровода будем считать равным 250мм. Исходя из выясненных условий был выбран клапан регулирующий под электропривод с сальниковым уплотнением штока – РУСТ 510-2 (рисунок 7). Он имеет следующие характеристики: Условный проход ДУ – 250 мм; Пропускная способность – 1000 м 3 /час; Протечка через закрытый клапан – 0,05%; Температура регулируемой среды – минус 60..+550 о С. Рисунок 7 – Клапан РУСТ 510-2 Для управления клапаном был выбран прямоходный электропривод SIPOS 5 FLASH 2SB5 (рисунок 8). 38 Рисунок 8 – Электропривод SIPOS 5 FLASH Данный электропривод выполнен во взрывозащищенном исполнении, а также имеет класс защиты IP-67 и температурный диапазон минус 40..+60 о С. Монтаж клапана и электропривода осуществляется фланцевым соединением. 2.7 Разработка схемы внешних проводок Схема внешних проводок представлена в Приложении Г. На ней обозначены следующие датчики: уровнемеры Rosemount 3300; датчик температуры Элемер ТПУ-0304; датчики давления Элемер АИР-20; расходомеры Micro Motion R-series. Все датчики имеют унифицированные выходные токовые сигналы 4..20 мА. На щит КИПиА сигнал подается от датчиков по кабелям. В данной системе был выбран кабель КВВГЭнг (рисунок 9) пятижильный и десятижильный с толщиной жилы 2,5мм. 39 Рисунок 9 – Кабель КВВГЭнг Обозначение кабеля расшифровывается как: К – кабель контрольный; ВВГ – с медной жилой, а также внутренней и внешней изоляцией из поливинилхлоридного (ПВХ) пластиката; Э – экранированный; Нг – низкая пожароопасность [20]. Кабель данной марки используется для прокладки в помещениях, каналах, туннелях, а также в условиях агрессивной среды, при отсутствии механических воздействий на кабель. Наличие экрана означает, что кабель не только не распространяет собственные электромагнитные поля, но и защищен от всяческих воздействий внешних помех. Необходимо прокладывать в специальных трубах, для того чтобы ограничить механическое воздействие на кабель. Кабель КВВГ предназначен для соединений с различными электроприборами и аппаратурой с переменным напряжением до 660 В с частотой до 100 Гц или с постоянным напряжением до 1000 В. Диапазон рабочих температур для данного кабеля составляет минус 50..+50 о С. 40 2.8 Разработка алгоритмов управления 2.8.1 Алгоритм проверки сигнала с датчиков Перед запуском какой-либо части дожимной насосной станции после ремонта, резервации или технического обслуживания необходимо убедиться, что все датчики находятся в рабочем состоянии. Для этого все токовые сигналы, поступающие с датчиков, проверяются на попадание в диапазон стандартного сигнала 4..20мА. В случае непопадания хотя бы одного сигнала в нужный диапазон оператор будет извещен о неисправности датчика. Если же все датчики работают корректно, то произойдет запуск технологического процесса[21]. 2.8.2 Алгоритм сбора данных измерений На данном этапе был разработан алгоритм сбора данных с канала измерения температуры нефти в буферной емкости Алгоритм представлен на рисунке 10. 41 Рисунок 10 – Алгоритм сбора данных измерений 42 2.8.3 Алгоритм автоматического регулирования технологического параметра В качестве основного регулируемого технологического параметра на дожимной насосной станции выступают уровни жидкости в отстойниках. Для того, чтобы происходило разделение на нефть и воду необходимо постоянно поддерживать определенный уровень жидкости в отстойнике. Для осуществления этой задачи будем использовать алгоритм ПИД-регулирования. Основные элементы схемы – ПЛК с ПИД-регулятором, объект управления и регулирующий орган. Полученная функциональная схема представлена на рисунке 11. Рисунок 11 – Функциональная схема автоматизации Блок преобразователя представляет собой устройство, преобразующее сигнал с ПИД-регулятора в сигнал с параметрами, заданными исполнительным устройством. Представим усилитель как пропорциональное звено с коэффициентом примерно равным 20. Это обусловлено размерностями вход/выходных параметров. Передаточные функции элемента трубопровода и электропривода представлены апериодическими звеньями первого порядка и равны: труба = , , (2) эп = , , (3) Редуктор – элемент, преобразующий угловую скорость электропривода в 43 линейную, исходя из технических данных электропривода, передаточная функция редуктора будет описываться пропорциональным звеном с коэффициентом 0,001. Клапан, получая на вход линейную скорость, выдает на выходе расстояние, на которое он приоткрылся, это значит, что его передаточная функция будет представлять собой идеальное интегрирующее звено. Представим отстойник, как емкость, объем которого можно посчитать по формуле: = ∗ ℎ, (4) тогда его передаточная функция может быть представлена интегратором: отст = , = 1 . (5) Зная все переходные функции можно приступать к моделированию процесса регулирования при помощи программного пакета Simulink. Структурная схема представлена на рисунке 12. Рисунок 12 – Модель алгоритма ПИД-регулирования в пакете программ MathLab Несмотря на то, что в модели присутствует возмущение, которое может быть вызвано резким увеличением потока жидкости, настройку ПИД-регулятора проведем без учета возмущения. Для определения коэффициентов ПИД-регулятора воспользуемся автоматической настройкой в Simulink. Эта функция позволяет подобрать время переходного процесса и перерегулирование для заданной системы. В ходе автоматической настройки было выяснено, что если взять интегрирующую составляющую равную нулю, то перерегулирование для данной системы также 44 станет равным нулю. Т.е. в данном случае вместо ПИД-регулятора будет лучше использовать ПД-регулятор с коэффициентами, изображенными на рисунке 13. Рисунок 13 – Коэффициенты ПД-регулятора На рисунке 14 представлен переходный процесс при заданных коэффициентах и реакция системы на возмущение. Рисунок 14 – Переходный процесс Таким образом, время переходного процесса равно 183 секунд, что нормально, т.к. необходимо набрать в емкость большой объем жидкости, а перерегулирование отсутствует. Также система справилась с возмущением и вернулась к заданному значению уровня жидкости. 45 2.9 Экранные формы АСУ 2.9.1 Разработка дерева экранных форм Для оперативного оповещения оператора о ходе технологического процесса были разработаны типовые экранные формы и дерево экранных форм (рисунок 15). При запуске проекта система потребует авторизации пользователя путем ввода личного логина и пароля. В случае успешной авторизации на экране появится мнемосхема основных объектов дожимной насосной станции. С данной экранной формы пользователь может перейти на экранные формы «Нефтегазовые сепараторы», «Установка предварительного отбора газа» или «Газосепаратор и компрессорная станция». Для этого нужно нажать на прямоугольную область с соответствующим названием. Также с каждой из перечисленных выше экранных форм можно перейти в «Журнал событий», «Журнал аварий» и «Тренды». В каждой из этих вкладок можно отсортировать информацию по отдельным объектам ДНС либо просмотреть общую информацию. На экранной форме «Тренды» пользователь может на графиках посмотреть зависимость выбранных параметров от времени. 46 Рисунок 15 – Дерево экранных форм 2.9.2 Разработка экранной формы АСУ В Приложении Д представлена разработанная основная экранная форма. На ней находятся кнопки для перехода к другим экранным формам, отстойники, буферная емкость и водоочистное сооружение (рисунок 16). Оператор может получить здесь данные о расходе нефти на выходе нефтегазовых сепараторов и расходе воды, откачиваемой из отстойников, об уровне жидкостей в отстойниках, буферной емкости и водоочистном сооружении, температуре нефти в буферной емкости и давлениях на участках трубопровода. Также здесь можно задать уставки для уровней жидкости в отстойниках и водоочистном сооружении, для этого необходимо нажать на сам объект и задать уставку в появившемся окне. 2.9.3 Надежность системы Обеспечение надёжности систем охватывает самые различные аспекты человеческой деятельности. Надёжность является одной из важнейших 47 характеристик, учитываемых на этапах разработки, проектирования и эксплуатации самых различных технических систем. При изучении вопросов надёжности рассматривают самые разнообразные объекты – изделия, сооружения, системы с их подсистемами. Надёжность изделия зависит от надёжности его элементов, и чем выше их надёжность, тем выше надёжность всего изделия. В данной системе предполагается провести резервирование основных узлов и агрегатов. Все клапаны зарезервированы ручной запорной арматурой. Так же система имеет высокую модульность, что способствует быстрому ремонту. Датчики подобраны во взрывозащищенных корпусах в соответствие со стандартом ГОСТ Р 51330.0-99. Датчик Micro Motion R имеет маркировку по взрывозащите 1ЕxdIIСT6, это означает: 1 –взрывобезопасное оборудование; Ex – соответствующее стандартам взрывозащищенности; d – с взрывонепроницаемой оболочкой; IIС – категория взрывоопасной смеси – водород, сероуглерод; температурным классом Т6 – от 85 до 100 ˚С. И степень защиты IP-66, ниже приведена расшифровка степеней пылевлагозащиты (таблицы 27-28). Таблица 7 – Защита от проникновения посторонних предметов Уровень Защита от посторонних предметов, имеющих диаметр Описание 0 — Защита отсутствует 1 ≥50 мм Большие поверхности тела, нет защиты от сознательного контакта 2 ≥12,5 мм Пальцы и подобные объекты 3 ≥2,5 мм Инструменты, кабели и т. п. 48 Продолжение таблицы 7 4 ≥1 мм Большинство проводов, болты и т. п. 5 Пылезащищённое Некоторое количество пыли может проникать внутрь, однако это не нарушает работу устройства. Полная защита от контакта 6 Пыленепроницаемое Пыль не может попасть в устройство. Полная защита от контакта Таблица 8 – Защита от проникновения воды Уровень Защита от Описание 0 — Защита отсутствует 1 Вертикальные капли Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства 2 Вертикальные капли под углом до 15° Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства, если его отклонить от рабочего положения на угол до 15° 3 Падающие брызги Защита от дождя. Брызги падают вертикально или под углом до 60° к вертикали. 4 Брызги Защита от брызг, падающих в любом направлении. 5 Струи Защита от водяных струй с любого направления 49 Продолжение таблицы 8 6 Морские волны Защита от морских волн или сильных водяных струй. Попавшая внутрь корпуса вода не должна нарушать работу устройства. 7 Кратковременное погружение на глубину до 1 м При кратковременном погружении вода не попадает в количествах, нарушающих работу устройства. Постоянная работа в погружённом режиме не предполагается. 8 Погружение на глубину более 1 м длительностью более 30 мин. Устройство может работать в погружённом режиме 9 Воздействие струй воды высокой температуры Устройство может работать в условиях высокотемпературной мойки водой высокого давления Таким образом, имея степень защиты IP-66, датчик является полностью пыленепроницаемым и защищен от дождя, случайных брызг или струй воды, но не может работать даже при кратковременном погружении под воду. Датчик Элемер АИР-20 имеет маркировку по взрывозащите 1ЕxdIIСT6X и степень защиты IP-67. Символ «X» после температурного класса обозначает наличие каких-либо ограничений, о которых можно прочитать в прилагаемой документации. В данном случае это относится к особенностям монтажа датчика, если он изготовлен во взрывобезопасном исполнении. Датчик Элемер ТПУ-0304 имеет маркировку по взрывозащите 1ЕxdIIСT4 и степень защиты IP-67. Температурный класс T4 означает, что температура 50 самовоспламенения взрывоопасных смесей газов и паров с воздухом находится в диапазоне от 135 до 200 ˚С. Датчик Rosemount 3300 имеет маркировку по взрывозащите 1ЕxdIIСT6 (аналогичная с взрывозащитой Micro Motion R) и степень защиты IP-66. Также, для управления клапанами используется электропривод SIPOS 5 Flash 2SB5, который имеет маркировку 1ExdIIBT5 (IIB – этилен) . Для передачи сигналов от перечисленных выше датчиков на щит КИПиА выбран кабель контрольный с токопроводящей медной жилой в ПВХ оболочке с ПВХ изоляцией не горящий (КВВГЭ нг). |