uchebnoe_posobie_avtomatizaciya
.pdf«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»
М О С К В А Н Е Д Р А
2008
УДК 658.52.011 56:/622.276+622.279/(075) ББК 32.965
А66
Р е ц е н з е н т ы :
зав. кафедрой автоматизации производственных процессов Уфимского ГНТУ, кандидат технических наук, профессор В.В. Сафонов,
генеральный директор Н П А 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 ( П Л К ) . 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.
Д л я студентов нефтегазовых специальностей, изучающих дисциплину «Основы автоматизации производственных процессов».
Данное издание является собственностью РГУ нефти и газа имени И М . Губкина и его репродуцирование (воспроизведение) любыми способами без согласия университета запрещается.
I S BN 978-5-8365-0316-1 © Андреев Е.Б., Ключников А.И., Кротов А.В., По падько В.Е., Шарова И.Я., 2008
©Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина
©Голубев B.C., оформление серии, 2008
©Оформление.
О О О «Недра-Бизнесцентр», 2008
ОГЛАВЛЕНИЕ
Принятые сокращения |
7 |
Введение |
И |
Часть 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИ Я И АВТОМАТИЧЕ СКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ В ПРОЦЕССАХ Д О Б Ы Ч И И ПОДГОТОВ
КИ НЕФТ И 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 |
3
7.2. Измеритель температуры точки росы |
|
|
J" |
104 |
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 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 Д О Б Ы Ч И 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 |
4
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 |
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 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 |
|
|
ДДатчик
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 |
7
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 |
КККустовой 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 |
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 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 |
|