Андреев Е.Б., Ключников А.И. и др. Автоматизация технологических процессов добычи и подготовки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

«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

2008

УДК 658.52.011 56:/622.276+622.279/(075)

ББК 32.965

А66

Рецензенты:

зав. кафедрой автоматизации производственных процессов Уфимского ГНТУ,

кандидат технических наук, профессор В.В. Сафонов,

генеральный директор НПА Вира Реалтайм,

кандидат технических наук В.Б. Гармаш

Андреев Е.Б., Ключников А.И., Кротов А.В.,

Попадько В.Е., Шарова И.Я.

А66 Автоматизация технологических процессов добычи и

подготовки нефти и газа: Учебное пособие для вузов. - М.:

ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008. - 399 с: ил.

ISBN 978-5-8365-0316-1

Учебное пособие состоит из двух частей. В первой части приведены

классификация погрешностей измерений, их математические модели и

методы обработки результатов измерений. Рассмотрены методы и прибо-

ры для измерения температуры, давления, расхода, уровня, а также влаж-

ности сырой нефти и природного газа. Приведены схемы подключения

датчиков к программируемым логическим контроллерам (ПЛК). Рас-

смотрены основные понятия теории автоматического регулирования.

Приведены методики расчёта параметров настройки автоматических ре-

гуляторов и расчёта исполнительных устройств.

Во второй части пособия рассмотрены принципы построения и

основные технические характеристики ПЛК, наиболее распространенных

в нефтегазовой отрасли. Даны общие сведения о SCADA-системах и

DCS-системах. Приведены функциональные схемы автоматизации основ-

ных технологических объектов добычи и подготовки нефти и природного

газа, а также схемы комплексов технических средств систем управления

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.

ISBN 978-5-8365-0316-1 © Андреев Е.Б., Ключников А.И., Кротов А.В., По-

падько В.Е., Шарова И.Я., 2008

и газа имени И.М. Губкина

ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Принятые сокращения 7

Введение И

Часть 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И АВТОМАТИЧЕ-

СКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ В ПРОЦЕССАХ ДОБЫЧИ И ПОДГОТОВ-

КИ НЕФТИ И ГАЗА 15

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 75

5.1. 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

104

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 JIJ

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 уп-

равления 124

9.2. Структурная схема САР 129

9.3. Статические и динамические характеристики элементов САР 132

Глава 10. Устойчивость и качество САР 134

10.1. Типовые динамические звенья 134

10.2. Статика и динамика САР 141

10.3. Понятие устойчивости и показатели качества САР 146

Глава 11. Расчёт параметров настройки регуляторов 150

11.1. Свойства объектов регулирования 150

11.2. Законы регулирования 154

11.3. Влияние параметров настройки регулятора на показатели каче-

ства регулирования 157

11.4. Выбор типа автоматического регулятора и определение парамет-

ров его настройки 160

Глава 12. Расчёт и выбор исполнительных устройств САР 163

12.1. Основные технические характеристики исполнительных уст-

ройств САР 163

12.2. Конструкции регулирующих органов исполнительных устройств.. 166

12.3. Порядок расчёта и выбора исполнительных устройств 169

ЧАСТЬ 2. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРО-

ЦЕССАМИ ДОБЫЧИ И ПОДГОТОВКИ НЕФТИ И ГАЗА 170

Глава 13. Назначение и основные технические характеристики про-

граммируемых логических контроллеров (ПЛК) 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 ПЛК 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 ПЛК 224

15.1. Стандарт IEC 61131-3 224

15.2. Краткая характеристика стандартных языков программирования

ПЛК 227

15.3. Алгоритм выполнения программ в ПЛК 231

15.4. Инструментальная среда программирования ISaGRAF 232

Глава 16. Общие сведения о SCADA-системах 236

16.1. Основные функции SCADA-систем 236

16.2. Архитектурное построение SCADA-систем 239

16.3. SCADA как открытая система 241

16.4. Организация доступа к SCADA-приложениям 246

16.5. Надёжность SCADA-систем 248

16.6. Программно-аппаратная платформа 250

16.7. Масштабируемость 252

16.8. Эксплуатационные характеристики SCADA-систем 252

Глава 17. Основные подсистемы SCADA-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. DCS-системы 265

18.1. Состав и особенности построения 265

18.2. DCS-система I/A Series фирмы Foxboro (Invensys pic) 266

18.3. DCS-система Delta V фирмы Emerson 273

Глава 19. Автоматизация технологических объектов добычи и подготов-

ки нефти 282

19.1. Объекты автоматизации 282

19.2. Объёмы автоматизации 285

19.3. Условные обозначения средств автоматизации на функциональ-

ных схемах 291

19.4. Функциональные схемы автоматизации скважин 296

19.5. Функциональные схемы автоматизации объектов цеха поддержа-

ния пластового давления 299

19.6. Функциональные схемы автоматизации основных объектов цен-

трального пункта сбора 302

Глава 20. Системы управления технологическими процессами добычи и

подготовки нефти 306

20.1. Станции управления скважинами 306

20.2. АСУТП цеха добычи нефти и газа (ЦДНГ) на базе технических

средств фирмы Control Microsystems 311

20.3. АСУТП центрального пункта сбора (ЦПС) на базе технических

средств фирмы Schneider Electric 318

20.4. АСУТП комплексного сборочного пункта (КСП) на базе техни-

ческих средств фирмы Allen-Bradley 325

20.5. АСУТП цеха поддержания пластового давления (ЦППД) на базе

технических средств фирмы Emerson 331

Глава 21. Автоматизация технологических объектов добычи и подготов-

ки природного газа 336

21.1. Автоматизация газовых скважин 338

21.2. Автоматизация объектов абсорбционной осушки газа 343

21.3. Функциональные схемы автоматизации блока сепарации и блока

абсорбции 348

21.4. Функциональные схемы автоматизации разделителя и блока ре-

генерации 354

21.5. Автоматизация объектов установки низкотемпературной сепара-

ции 360

21.6. Функциональная схема автоматизации первой ступени сепара-

ции 363

21.7. Функциональная схема автоматизации низкотемпературного се-

паратора 364

Глава 22. Системы управления технологическими процессами добычи и

подготовки природного газа ••

22.1. Система

телемеханики кустов газовых скважин на базе техниче-

ских средств фирмы Bristol Babcock

22.2. Система телемеханики кустов газовых скважин на базе техниче-

ских средств фирмы Motorola ^/4

22.3. АСУТП абсорбционной установки комплексной подготовки газа

на базе технических средств фирмы Siemens 379

22.4. АСУТП установки комплексной подготовки газа Валанжинской

залежи с НТС на базе технических средств фирмы GE Fanuc 386

22.5. АСУТП абсорбционной установки комплексной подготовки газа

Сеноманской залежи на базе технических средств фирмы Foxboro

(Invensys) 392

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 управ-

ления

АСУТП Автоматизированная система управления технологи-

ческим процессом

АСУЭ Автоматизированная система управления энергоснаб-

жения

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 преобразова-

тель

ДЭГ Диэтиленгликоль

ЕСГ Единая система газоснабжения России

ЖКИ Жидкокристаллический индикатор

ЗПА Здание переключающей арматуры

ИБП Источник бесперебойного питания

ИК Инфракрасный диапазон

ИП Измерительный преобразователь

ИТ Информационные технологии

ИУ Исполнительное устройство

ИУС Информационно-управляющая система

ИУС ДУ Информационно-управляющая система диспетчерско-

го 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 уп-

равления

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

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

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 ин-

терфейс

HTTP Hyper Text Transfer Protocol - протокол передачи ги-

пертекста

ODBC Open Data Base Connectivity - протокол взаимодей-

ствия с открытыми базами данных

ОРС OLE for Process Control - протокол взаимодействия

программно-аппаратных средств разных производи-

телей

RAM Оперативная память контроллера

RTU Remote Terminal Unit - удаленное терминальное уст-

ройство

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчер-

ское управление и сбор данных

SQL Structured Query Language - язык структурирован-

ных запросов

VBA Visual Basic for Application - язык программирования

высокого уровня

VDC Напряжение постоянного тока