Автоматизация технологических процессов книга. Компетенций в новой среде обучения виртуальной среде профессиональной деятельности
 Скачать 24.89 Mb.
|
|
Развитие инновационных профессиональных компетенций в новой среде обучения - виртуальной среде профессиональной деятельности Е.Б. Андреев А.И.Ключников А. В. Кротов В.Е.Попадько И.Я.Шарова автоматизация технологических процессов добычи и подготовки нефти и газа Под редакцией профессора В Е Попадько Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 130503 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений направления подготовки дипломированных специалистов 130500 Нефтегазовое дело МОСКВА НЕДРА УДК 658.52.011 56:/622.276+622.279/(075) ББК 32.965 АРе цензе н ты завкафедрой автоматизации производственных процессов Уфимского Г Н ТУ, кандидат технических наук, профессор В.В. Сафонов, генеральный директор Н ПА Вира Реалтайм, кандидат технических наук В.Б. Гармаш Андреев Е.Б., Ключников АИ, Кротов А.В., Попадько В.Е., Шарова И.Я. А Автоматизация технологических процессов добычи и подготовки нефти и газа Учебное пособие для вузов. - М ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008. - 399 сил Учебное пособие состоит из двух частей. Впервой части приведены классификация погрешностей измерений, их математические модели и методы обработки результатов измерений. Рассмотрены методы и приборы для измерения температуры, давления, расхода, уровня, а также влажности сырой нефти и природного газа. Приведены схемы подключения датчиков к программируемым логическим контроллерам ПЛ К ) . Рассмотрены основные понятия теории автоматического регулирования. Приведены методики расчёта параметров настройки автоматических регуляторов и расчёта исполнительных устройств. Во второй части пособия рассмотрены принципы построения и основные технические характеристики ПЛ К , наиболее распространенных в нефтегазовой отрасли. Даны общие сведения о системах и системах. Приведены функциональные схемы автоматизации основных технологических объектов добычи и подготовки нефти и природного газа, а также схемы комплексов технических средств систему правления технологическими процессами добычи и подготовки нефти и природного газа. Для студентов нефтегазовых специальностей, изучающих дисциплину Основы автоматизации производственных процессов. Данное издание является собственностью РГУ нефти и газа имени ИМ. Губкина и его репродуцирование ( воспроизведение) любыми способами без согласия университета запрещается. I S B N 978-5-8365-0316-1 © Андреев Е.Б., Ключников АИ, Кротов А.В., По падько В.Е., Шаров а И.Я., 2008 © Российский государственный университет нефти и газа имени ИМ. Губкина © Голубев B.C., оформление серии Оформление. ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008 ОГЛАВЛЕНИЕ Принятые сокращения 7 Введение И Часть 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ В ПРОЦЕССАХ ДОБЫЧИ И ПОДГОТОВКИ НЕФТИ ИГА ЗА Глава 1. Погрешности измерений 15 1.1. Основные термины и определения 15 1.2. Классификация погрешностей измерений 19 1.3. Математические модели погрешностей 23 1.4. Типовые законы распределения погрешностей 28 Глава 2. Методы обработки результатов измерения 33 2.1. Точечные оценки истинного значения и среднего квадратического отклонения 33 2.2. Расчёт погрешностей измерения 38 2.3. Погрешности прямых и косвенных измерений 43 2.4. Округление результатов измерений 47 2.5. Классы точности средств измерений 48 Глава 3. Методы и приборы для измерения температуры 51 3.1. Классификация приборов для измерения температуры 51 3.2. Манометрические термометры 52 3.3. Термопары 54 3.4. Термометры сопротивления 60 Глава 4. Приборы для измерения давления 68 4.1. Классификация приборов для измерения давления 68 4.2. Манометры с трубчатой пружиной 69 4.3. Мембранные манометры 70 4.4. Сильфонный манометр 73 4.5. Промышленный датчик давления 74 Глава 5. Методы и приборы для измерения расхода. Расходомеры переменного перепада давления 76 5.2. Тахометрические (турбинные) расходомеры 79 5.3. Ультразвуковые расходомеры 81 5.4. Электромагнитные расходомеры 87 5.5. Вихревые расходомеры 89 5.6. Кориолисовы расходомеры 91 Глава 6. Методы и приборы для измерения уровня 95 6.1. Классификация уровнемеров 95 6.2. Механический поплавковый уровнемер 96 6.3. Буйковый уровнемер 96 6.4. Гидростатический уровнемер 6.5. Ультразвуковой уровнемер 6.6. Радарный уровнемер 100 Глава 7. Поточные влагомеры 103 7.1. Измерение влагосодержания природного газа 103 3 104 4 7.2. Измеритель температуры точки росы J" 7.3. Методы определения влагосодержания нефти } « ' 7.4. Влагомер сырой нефти Глава 8. Аналоговые каналы связи. Схемы подключения датчиков с аналоговым выходным сигналом к контроллерам J I J 8.1. Датчики с двухпроводной токовой линией связи ИЗ 8.2. Датчики для невзрывоопасной зоны 115 8.3. Датчики для взрывоопасной зоны. Барьеры безопасности 116 8.4. Интеллектуальные датчики 120 Глава 9. Основные понятия теории автоматического управления 124 9.1. Принцип действия и классификация систем автоматического управления 124 9.2. Структурная схема САР 129 9.3. Статические и динамические характеристики элементов С АР Глава 10. Устойчивость и качество С АР. Типовые динамические звенья 134 10.2. Статика и динамика САР 141 10.3. Понятие устойчивости и показатели качества САР 146 Глава 11. Рас ч ё т параметров настройки регуляторов 150 11.1. Свойства объектов регулирования 150 11.2. Законы регулирования 154 11.3. Влияние параметров настройки регулятора на показатели качества регулирования 157 11.4. Выбор типа автоматического регулятора и определение параметров его настройки 160 Глава 12. Расчёт и выбор исполнительных устройств С АР. Основные технические характеристики исполнительных устройств С АР. Конструкции регулирующих органов исполнительных устройств. 166 12.3. Порядок расчёта и выбора исполнительных устройств 169 ЧАСТЬ. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ДОБЫЧИ И ПОДГОТОВКИ НЕФТИ И ГАЗА 170 Глава 13. Назначение и основные технические характеристики программируемых логических контроллеров ( ПЛ К ) 170 13.1. Основные функции ПЛК 170 13.2. Принципы построения 175 13.3. Характеристика процессора. 180 13.4. Характеристика каналов ввода/вывода 182 13.5. Коммуникационные возможности контроллеров 186 13.6. Эксплуатационные характеристики 191 Глава 14. Промышленные ПЛ К 194 14.1. Телемеханические контроллеры фирм Bristol Babcock, Control Microsystems, Motorola 194 14.2. Общепромышленные контроллеры фирм Allen-Bradley, GE Fa- nuc, Siemens 207 14.3. Противоаварийные контроллеры Tricon 219 Глава 15. Программирование ПЛ К 224 15.1. Стандарт IEC 61131-3 224 15.2. Краткая характеристика стандартных языков программирования ПЛ К 227 15.3. Алгоритм выполнения программ в ПЛ К 231 15.4. Инструментальная среда программирования ISaGRAF 232 Глава 16. Общие сведения о системах 236 16.1. Основные функции систем 236 16.2. Архитектурное построение систем 239 16.3. S C A D A как открытая система 241 16.4. Организация доступа к приложениям 246 16.5. Надёжность систем 248 16.6. Программно-аппаратная платформа 250 16.7. Масштабируемость 252 16.8. Эксплуатационные характеристики систем 252 Глава 17. Основные подсистемы пакетов 253 17.1. Графический интерфейс 253 17.2. Подсистема сигнализации 257 17.3. Подсистема регистрации, архивирования и отображения данных в виде трендов 261 17.4. Встроенные языки программирования 263 Глава 18. системы 265 18.1. Состав и особенности построения 265 18.2. система I/A Series фирмы Foxboro (Invensys pic) 266 18.3. система Delta V фирмы Emerson 273 Глава 19. Автоматизация технологических объектов добычи и подготовки нефти 282 19.1. Объекты автоматизации 282 19.2. Объёмы автоматизации 285 19.3. Условные обозначения средств автоматизации на функциональных схемах 291 19.4. Функциональные схемы автоматизации скважин 296 19.5. Функциональные схемы автоматизации объектов цеха поддержания пластового давления 299 19.6. Функциональные схемы автоматизации основных объектов центрального пункта сбора 302 Глава 20. Системы управления технологическими процессами добычи и подготовки нефти 306 20.1. Станции управления скважинами 306 20.2. АСУ Т П цеха добычи нефти и газа ( Ц ДН Г ) на базе технических средств фирмы Control Microsystems 311 20.3. АСУ Т П центрального пункта сбора ( Ц ПС) на базе технических средств фирмы Schneider Electric 318 20.4. АСУ Т П комплексного сборочного пункта ( К С П ) на базе технических средств фирмы Allen-Bradley 325 20.5. АСУ Т П цеха поддержания пластового давления ( Ц П П Дна базе технических средств фирмы Emerson 331 Глава 2 1 . Автоматизация технологических объектов добычи и подготовки природного газа 336 21.1. Автоматизация газовых скважин 338 21.2. Автоматизация объектов абсорбционной осушки газа 3 4 3 21.3. Функциональные схемы автоматизации блока сепарации и блока абсорбции 348 21.4. Функциональные схемы автоматизации разделителя и блока регенерации 354 21.5. Автоматизация объектов установки низкотемпературной сепарации 360 21.6. Функциональная схема автоматизации первой ступени сепарации 363 21.7. Функциональная схема автоматизации низкотемпературного сепаратора 364 5 Глава 22. Системы управления технологическими процессами добычи и подготовки природного газа •• 2 2 . 1 . Система телемеханики кустов газовых скважин на базе технических средств фирмы Bristol Babcock 22.2. Система телемеханики кустов газовых скважин на базе технических средств фирмы Motorola ^ / 4 22.3. АСУ Т П абсорбционной установки комплексной подготовки газа на базе технических средств фирмы Siemens 379 22.4. АСУ Т П установки комплексной подготовки газа Валанжинской залежи с Н Т Сна базе технических средств фирмы GE Fanuc 386 22.5. АСУ Т П абсорбционной установки комплексной подготовки газа Сеноманской залежи на базе технических средств фирмы Foxboro (Invensys) 3 9 2 Список литературы 399 ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ ABO Аппараты воздушного охлаждения АГЗУ Автоматизированная групповая замерная установка АР Автоматический регулятор АРМ Автоматизированное рабочее место АСДУ Автоматизированная система диспетчерского управления АСУТП Автоматизированная система управления технологическим процессом АСУЭ Автоматизированная система управления энергоснабжения АФУ Антенно-фидерное устройство БНГ ДЗлок напорной гребенки BMP Водометанольный раствор ГДИ Газодинамические исследования ГЗУ Групповая замерная установка ГИС Газоизмерительная станция ГКМ Газоконденсатное месторождение ГП Газовый промысел ГПУ Главный пункт управления ГРП Газораспределительный пункт ГРС Газораспределительная станция ГСК Газосборный коллектор Д Датчик ДИКТ Диафрагменный измеритель критического течения ДК Диспетчерский комплект ДКС Дожимная компрессорная станция ДНС Дожимная насосная станция ДП Диспетчерский пункт ДТП Дифференциально-трансформаторный преобразователь ДЭГ Диэтиленгликоль ЕСГ Единая система газоснабжения России ЖКИ Жидкокристаллический индикатор ЗПА Здание переключающей арматуры ИБП Источник бесперебойного питания ИК Инфракрасный диапазон 7 ИП Измерительный преобразователь ИТ Информационные технологии ИУ Исполнительное устройство ИУС Информационно-управляющая система ИУС ДУ Информационно-управляющая система диспетчерского управления КГС Куст газовых скважин КД Концентратор данных КИП Контрольно-измерительные приборы КК Кустовой комплект КНС Кустовая насосная станция КП Контролируемый пункт КС Компрессорная станция КТМ Комплекс телемеханики КТС Комплекс технических средств ЛВС Локальная вычислительная сеть ЛПУ Линейно-производственное управление МКНС Модульная кустовая насосная станция НГДУ Нефтегазодобывающее управление НДЭГ Насыщенный диэтиленгликоль НЗ Нормально закрытый НО Нормально открытый НСУ Нестандартное сужающее устройство НТС Низкотемпературная сепарация ОЗУ Оперативное запоминающее устройство ОПС Оперативно-производственная служба ОР Объект регулирования ОС Операционная система ОСОДУ Отраслевая система оперативного диспетчерского управления ОСРВ Операционная система реального времени ПАЗ Противоаварийная защита ПДС Производственно-диспетчерская служба ПЗУ Постоянное запоминающее устройство ПК Персональный компьютер ПЛК Программируемый логический контроллер ПО Программное обеспечение ППА Площадка переключающей аппаратуры ПТК Программно-технический комплекс ПУ Пункт управления РБД Реляционная база данных РДЭГ Регенерированный диэтиленгликоль РСПД Региональная сеть передачи данных РСУ Распределенная система управления РУ Расходомерный узел 8 САР Система автоматического регулирования САУ Система автоматического управления СКЗ Система катодной защиты СКО Среднее квадратическое отклонение СОГ Система очистки газа СПА Система пожарной автоматики СПАЗ Система противоаварийной защиты СППЗУ Стираемое перепрограммируемое ПЗУ СПХГ Станция подземного хранения газа СТМ Система телемеханики СУ Сепарационная установка СУБД Система управления базой данных СЭБ Служебно-эксплуатационный блок СЭО Система экстренного останова ТК Технологический корпус ТКПГ Технологический корпус подготовки газа ТКС Температурный коэффициент сопротивления ТМ Телемеханика ТН Технологическая насосная ТПГ Термометр манометрический газовый ТПЖ Термометр манометрический жидкостной ТС Термометр сопротивления ТСМ Термометр сопротивления медный ТСП Термометр сопротивления платиновый ТЭГ Триэтиленгликоль УГПУ Уренгойское газопромысловое управление УКПГ Установка комплексной подготовки газа УМГ Управление магистрального газопровода УОГ Установка очистки газа УОО Установка обезвоживания и обессоливания УПН Установка подготовки нефти УППГ Установка предварительной подготовки газа УПСВ Установка предварительного сброса воды УСО Устройство связи с объектом ЦДНГ Цех добычи нефти и газа ЦДП Центральный диспетчерский пункт ЦОГ Цех очистки газа ЦППД Цех поддержания пластового давления ЦП С Центральный пункт сбора ЦПУ Центральное процессорное устройство ЦРТ Цех регенерации ТЭГа ШГН Штанговый глубинный насос ЭДС Электродвижущая сила ЭС Энергоснабжение ЭСППЗУ Электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ 9 ЭЦН Электроцентробежный насос AI Аналоговый ввод АО Аналоговый вывод CPU Центральный процессор DI Дискретный ввод DO Дискретный вывод FIU Field Interface Unit - интерфейсный контроллер FMCW Frequency modulated continious wave HART Highway Addressable Remote Transducer - протокол стандарта BELL 202 HMI Human Machine Interface - человеко-машинный интерфейс HTTP Hyper Text Transfer Protocol - протокол передачи гипертекста ODBC Open Data Base Connectivity - протокол взаимодействия с открытыми базами данных ОРС OLE for Process Control - протокол взаимодействия программно-аппаратных средств разных производителей RAM Оперативная память контроллера RTU Remote Terminal Unit - удаленное терминальное устройство SCADA Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных SQL Structured Query Language - язык структурированных запросов VBA Visual Basic for Application - язык программирования высокого уровня VDC Напряжение постоянного тока ВВЕДЕНИЕ В последние 10-15 лет на предприятиях нефтяной и газовой промышленности происходят значительные изменения. О том, что технологические процессы в нефтегазовой отрасли не могут быть реализованы без автоматизации, известно всеми давно. Действительно, нужно измерять, контролировать основные технологические параметры процессов, следить за их отклонениями. Нужно иметь возможность дистанционно (из диспетчерского пункта) включать и отключать отдельные агрегаты, открывать и закрывать задвижки обеспечивать режимы работы установок путём поддержания наиболее важных параметров на заранее рассчитанных значениях. Реализация этих и многих других функций систем автоматизации значительно видоизменилась в результате бурного внедрения в промышленности микропроцессоров, персональных компьютеров и прикладного программного обеспечения. Удешевление микропроцессорных устройств и расширение их функций сделало возможным построение так называемых интеллектуальных датчиков, которые вычисляют значения косвенных параметров на основе прямых измерений по запрограммированным формулам, показывают значения измеряемых параметров на жидкокристаллических индикаторах, преобразуют измеряемый параметр в стандартный унифицированный сигнал для его передачи по каналам связи. Появились новые средства измерительной техники, такие как ультразвуковые, электромагнитные и кориолисовы расходомеры, радарные и ультразвуковые уровнемеры и т.п. Существенным этапом в развитии систем автоматизации стало появление программируемых логических контроллеров. И если назначение первых ПЛ К сводилось, в основ- н ном, к реализации функций «включить-отключить» на основе логических выражений, тов дальнейшем в ПЛ К появились модули автоматического регулирования, реализующие стандартные законы регулирования. С учётом расширяющихся возможностей программирования современных ПЛ К итак называемых управляющих процессов стало возможным создание сложных многоконтурных систем управления, теория которых была известна давно, но техническая реализация не вызывала энтузиазма из-за отсутствия технических средств. Естественно, при появлении новой техники возникли трудности се освоением. Нужно было суметь запрограммировать ПЛ Кв соответствии с разработанными алгоритмами. Решение было найдено в разработке специальных методов программирования, понятных широкой массе специалистов по автоматизации. При всём многообразии новых технических средств автоматизации оператор по добыче нефти и газа наиболее тесно взаимодействует с современными пультами (панелями, станциями) управления, на мониторах которых отображаются мнемосхемы технологических процессов с указанием значений наиболее важных технологических параметров и сопровождением системами сигнализации, блокировок и защит. Создают такие экранные формы с помощью специальных программ пакетов операторского интерфейса. Каждый такой пакет состоит из двух частей среды разработки с помощью которой специалисты по автоматизации создают систему управления, и среды исполнения в которой работает оператор по добыче нефти и газа. Оператор имеет возможность вмешиваться вход технологического процесса в рамках своей ответственности в соответствии с действующими регламентами и инструкциями. Предлагаемое читателю учебное пособие подготовлено в рамках образовательной программы Развитие инновационных профессиональных компетенций в новой среде обучения - виртуальной среде профессиональной деятельности, реализуемой в РГУ нефти и газа им. ИМ. Губкина и имеет цель - познакомить специалиста по разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений с современным оборудованием систем |