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

Подождите немного. Документ загружается.

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 всем и давно. Действительно,

нужно измерять, контролировать основные технологиче-

ские параметры процессов, следить за их отклонениями.

Нужно иметь возможность дистанционно (из диспет-

черского пункта) включать и отключать отдельные

агрегаты, открывать и закрывать задвижки; обеспечи-

вать режимы работы установок путём поддержания наибо-

лее важных параметров на заранее рассчитанных зна-

чениях.

Реализация этих и многих других функций систем ав-

томатизации значительно видоизменилась в результате

бурного внедрения в промышленности микропроцессоров,

персональных компьютеров и прикладного программного

обеспечения.

Удешевление микропроцессорных устройств и расшире-

ние их функций сделало возможным построение так назы-

ваемых «интеллектуальных датчиков», которые вычисляют

значения косвенных параметров на основе прямых измере-

ний по запрограммированным формулам, показывают зна-

чения измеряемых параметров на жидкокристаллических

индикаторах, преобразуют измеряемый параметр в стан-

дартный 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 контролле-

ров. И если назначение первых ПЛК сводилось, в основ-

ном, к реализации функций «включить-отключить» на ос-

нове логических выражений, то в дальнейшем в ПЛК поя-

вились модули автоматического регулирования, реализую-

щие стандартные законы регулирования. С учётом расши-

ряющихся возможностей программирования современных

ПЛК и так называемых «управляющих процессов» стало

возможным создание сложных многоконтурных систем

управления, теория которых была известна давно, но тех-

ническая реализация не вызывала энтузиазма из-за отсут-

ствия технических средств.

Естественно, при появлении новой техники возникли

трудности с её освоением. Нужно было суметь «запро-

граммировать» ПЛК в соответствии с разработанными ал-

горитмами. Решение было найдено в разработке специаль-

ных 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 (панеля-

ми, станциями) управления, на мониторах которых

отображаются мнемосхемы технологических процессов с

указанием значений наиболее важных технологических па-

раметров и сопровождением системами сигнализации, бло-

кировок 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 ис-

полнения, в которой работает оператор по добыче нефти и

газа. Оператор имеет возможность вмешиваться в ход тех-

нологического процесса в рамках своей ответственности в

соответствии с действующими регламентами и инструк-

циями.

Предлагаемое читателю учебное пособие подготовлено

в рамках образовательной программы «Развитие инно-

вационных профессиональных компетенций в новой

среде обучения - виртуальной среде профессиональной

деятельности», реализуемой в РГУ нефти и газа им.

И.М. Губкина и имеет цель - познакомить специалиста

по разработке и эксплуатации нефтяных и газовых

месторождений с современным оборудованием систем

контроля и управления, которым уже оснащены многие

технологические установки и комплексы нефтегазовой

отрасли.

В первой части пособия рассмотрены базовые понятия

систем контроля и управления технологическими процес-

сами: методы и приборы для измерения температуры, дав-

ления расхода и уровня. Из многочисленных современных

приборов для измерения параметров качества подготовки

нефти и природного газа по причине ограниченного объё-

ма пособия приведены только поточные влагомеры. Здесь

же приведены схемы подключения датчиков к ПЛК и све-

дения о барьерах безопасности. В первых двух главах рас-

смотрены проблемы появления погрешностей измерений и

приведены сведения о методах обработки результатов из-

мерений.

Существенной проблемой при поддержании основных

параметров технологического процесса на заданных значе-

ниях является правильный выбор параметров настройки

автоматических регуляторов. Для того чтобы объяснить

важность этой проблемы в пособие включены несколько

тем теории автоматического регулирования. Приведены

сведения по техническим характеристикам и методика рас-

чёта исполнительных устройств.

Вторая часть пособия начинается со знакомства с прин-

ципом действия и основными техническими характеристи-

ками ПЛК. Рассмотрены ПЛК, применяемые в системах

управления технологическими процессами нефтегазовой

отрасли, различных фирм. Даётся представление о совре-

менных автоматизированных системах управления техно-

логическими процессами (АСУТП), реализованных в виде

SCADA-систем и DCS-систем. Приведены сведения о про-

граммных пакетах SCADA-систем.

Рассмотрены функциональные схемы автоматизации ос-

новных технологических объектов добычи и подготовки

нефти от скважин до узлов учёта нефти, а также функцио-

нальные схемы автоматизации основных блоков процессов

абсорбционной осушки газа и низкотемпературной сепа-

рации.

В заключительных главах приведены примеры комплек-

сов технических средств АСУТП основных цехов и устано-

вок нефтегазовой отрасли.

Авторы отдают себе отчет в том, что для достижения

цели, поставленной в упомянутой ранее инновационной

образовательной программе, изучение изложенного в учеб-

ном пособии материала должно сопровождаться лабора-

торными работами и практическими занятиями для зна-

комства с устройством современных средств автоматизации

методами программирования ПЛК и пакетами оператор-

ского интерфейса.

Часть 1

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

И АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

В ПРОЦЕССАХ ДОБЫЧИ И ПОДГОТОВКИ

НЕФТИ И ГАЗА

Глава 1

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Измерение - процесс получения опытным путём численного

соотношения между данной физической величиной и некоторым

ее значением, принятым за единицу измерения.

Результат измерения - именованное число, найденное путем

измерения физической величины.

Погрешность измерения - отклонение результата измерения

от истинного значения измеряемой величины.

Точность измерения - степень близости результата измерения

к истинному значению измеряемой величины.

Средство измерений - техническое средство, используемое в

измерительном процессе и имеющее нормированные метроло-

гические характеристики.

Метрология - учение о мерах, наука о методах и средствах

обеспечения единства измерений и способах достижения требуе-

мой точности.

Законодательная метрология - раздел метрологии, вклю-

чающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных

правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждаю-

щиеся в регламентации со стороны государства, направленные на

обеспечение единства измерений и единообразия средств изме-

рения.

Контроль - процесс установления соответствия между состоя-

нием объекта контроля или его свойством и заданной нормой.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроиз-

ведения физической величины заданного размера.

Измерительный преобразователь - средство измерений, пред-

назначенное для выработки сигнала измерительной информации

в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования,

обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному

восприятию наблюдателем.

Измерительный прибор - средство измерений, предназ-

наченное для выработки сигнала измерительной информации в

форме, доступной для непосредственного восприятия наблюда-

телем.

Измерительная информационная система - совокупность

средств измерений (мер, измерительных приборов, измеритель-

ных преобразователей и пр.) и вспомогательных устройств, со-

единенных между собой каналами связи и предназначенных для

получения измерительной информации, доступной для наблюде-

ния, обработки и управления объектами.

При анализе значений, полученных при измерениях, следует

разграничивать два понятия: истинные значения физических ве-

личин и их опытные проявления - результаты измерений.

Истинные значения физических величин - значения, идеаль-

ным образом отражающие свойства данного объекта, как в коли-

чественном, так и в качественном отношении. Они не зависят от

средств нашего познания и являются абсолютной истиной.

Результаты измерений представляют собой приближённые

оценки истинных значений величин, найденных опытным путем.

Результаты измерений зависят от метода измерения, от техниче-

ских средств измерения и от восприятия наблюдателя, осуществ-

ляющего измерения.

Разность А между результатами измерения X' и истинным

значением А измеряемой величины называется погрешностью

измерения:

при измерениях, и органов чувств наблюдателя. В отдельную

группу следует объединить причины, связанные с влиянием ус-

ловий проведения измерений.

Описанные причины возникновения погрешностей определя-

ются совокупностью большого числа факторов, под влиянием

которых складывается суммарная погрешность измерения. Их

можно объединить в две основные группы:

1. Факторы, постоянные или закономерно изменяющиеся в

процессе измерительного эксперимента, например плавные изме-

нения влияющих величин или погрешности применяемых при

измерениях образцовых мер. Составляющие суммарной погреш-

ности, определяемые действием факторов этой группы, называ-

ются систематическими погрешностями измерения. Их отличи-

тельная особенность в том, что они остаются постоянными или

закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той

же величины. До тех пор, пока систематические погрешности

больше случайных, их зачастую можно вычислить или исклю-

чить из результатов измерений надлежащей постановкой опыта.

2. Факторы, проявляющиеся весьма нерегулярно и столь же

неожиданно исчезающие или проявляющиеся с интенсивностью,

которую трудно предвидеть. К ним относятся, например, переко-

сы элементов приборов в их направляющих, нерегулярные изме-

нения моментов трения в опорах, малые флуктуации влияющих

величин, изменения внимания операторов и др.

Доля, или составляющая, суммарной погрешности измерения

(1.1), определяемая действием факторов этой группы, называется

случайной погрешностью измерения. Её основная особенность в

том, что она случайно изменяется при повторных измерениях

одной и той же величины.

При организации процесса измерения в целом интенсивность

проявления большинства факторов данной группы удаётся све-

сти к общему уровню, так что все они влияют более или менее

одинаково на формирование случайной погрешности. Однако

некоторые из них, например внезапное падение напряжения в

сети электропитания, могут проявиться неожиданно сильно, в

результате чего погрешность примет размеры, явно выходящие за

границы, обусловленные ходом эксперимента в целом. Такие по-

грешности в составе случайной погрешности называются грубы-

ми. К ним тесно примыкают промахи - погрешности, зависящие

от наблюдателя и связанные с неправильным обращением со

средствами измерений, неверным отсчётом показаний или ошиб-

ками при записи результатов.

Таким образом, мы имеем два типа погрешностей измерения:

• систематические погрешности, остающиеся постоянными

или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях;

• случайные (в том числе грубые погрешности и промахи),

изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях

одной и той же величины.

В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются

одновременно, и погрешность измерения можно представить в

виде суммы: