Автоматизация технологических процессов в нефтегазовой отрасли


Т. Д. Гладких





АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.013
ББК 65.305.14+33.131
      Г52




Рецензент: кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой нефтегазового дела филиала ТИУ в г. Нижневартовске С. В. Колесник





        Гладких, Т. Д.

Г52 Автоматизация технологических процессов в нефтегазовой отрасли : учебное пособие / Т. Д. Гладких. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 152 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0926-1

      Раскрыты основные понятия теории автоматического управления, материал по системам и средствам автоматизации, применяемым в нефтегазовой отрасли. Рассматриваются некоторые схемы автоматизации: объектов добычи нефти, установок подготовки и переработки нефти, технологических процессов строительства скважин на нефть и газ.
      Для обучающихся высших и средних специальных учебных заведений по направлениям подготовки «Нефтегазовое дело», «Автоматизация технологических процессов и производств», «Управление в технических системах».

                                                    УДК 622.013
                                                    ББК 65.305.14+33.131











ISBN 978-5-9729-0926-1

© Гладких Т. Д., 2022
      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ........................................................6
1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.....................7
    1.1. Общие понятия......................................7
    1.2. Классификация САУ.................................10
    1.3. Математическое описание САУ.......................11
    1.4. Преобразование структурных схем САУ...............13
    1.5. Временные характеристики..........................15
    1.6. Частотные характеристики динамических звеньев.....16
    1.7. Логарифмические частотные характеристики..........19
    1.8. Типовые динамические звенья.......................20
      1.8.1. Пропорциональное (усилительное) звено.........21
      1.8.2. Апериодическое (инерционное) звено............22
      1.8.3. Интегрирующее звено...........................25
      1.8.4. Колебательное звено...........................26
      1.8.5. Дифференцирующее звено........................27
    1.9. Основные понятия теории устойчивости..............29
      1.9.1. Алгебраические критерии устойчивости..........31
      1.9.2. Частотные критерии устойчивости...............33
      1.9.3. Запасы устойчивости...........................35
    1.10. Анализ качества САУ..............................37
    1.11. Задачи синтеза САУ...............................38
    1.12. Законы управления................................38
2. ФУНКЦИИ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ...........................40
    2.1. Структура автоматизированных систем управления технологическими процессами............................40
    2.2. Функции элементов автоматики......................41
      2.2.1. Средства автоматизации нижнего уровня.........42
      2.2.2. Технические средства автоматизации среднего уровня.43
      2.2.3. Технические средства автоматизации верхнего уровня.47
    2.3. Функциональные схемы систем автоматизации.........51
    2.4. Примеры обозначения элементов автоматизации на функциональных схемах...............................56
3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ......................................................60
    3.1. Первичные преобразователи..............................60
      3.1.1. Реостатные (реохордные) преобразователи.......60
      3.1.2. Индуктивные преобразователи...................62
      3.1.3. Индукционные преобразователи..................63
      3.1.4. Тахогенераторы................................64
      3.1.5. Магнитоупругие датчики........................65

3

      3.1.6. Тензопреобразователи...........................66
      3.1.7. Герконы........................................67
    3.2. Методы и приборы для измерения давления............67
      3.2.1. Классификация приборов измерения давления......67
      3.2.2. Жидкостные манометры...........................68
      3.2.3. Сильфонный датчик давления.....................68
      3.2.4. Пружинные манометры............................69
      3.2.5. Электрические манометры........................69
    3.3. Методы и приборы для измерения температуры.........70
      3.3.1. Жидкостные термометры расширения...............71
      3.3.2. Термометры расширения твердотельные............71
      3.3.3. Манометрические термометры.....................72
      3.3.4. Электрические термометры.......................72
      3.3.5. Термометры сопротивления.......................73
      3.3.6. Пирометры излучения............................74
    3.4. Методы и приборы для измерения расхода жидкости....74
      3.4.1. Классификация измерителей расхода..............74
      3.4.2. Турбинные расходомеры..........................75
      3.4.3. Электромагнитные расходомеры...................76
      3.4.4. Расходомеры переменного перепададавления.......77
      3.4.5. Расходомеры постоянного перепада давления......78
      3.4.6. Ультразвуковые расходомеры.....................78
      3.4.7. Вихревые расходомеры...........................80
    3.5. Методы и приборы для измерения уровня..............80
      3.5.1. Методы измерения уровня........................80
      3.5.2. Поплавковый метод измерения уровня.............81
      3.5.3. Буйковые уровнемеры............................82
      3.5.4. Гидростатические уровнемеры....................83
      3.5.5. Электрические методы измерения уровня..........84
    3.6. Методы и средства измерения технологических параметров бурения.................................................86
      3.6.1. Измерители веса снаряда и осевой нагрузки в процессе бурения скважин на нефть и газ........................88
      3.6.2. Измерение частоты оборотов породоразрушающего инструмента...........................................90
4. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА................................92
    4.1. Классификация исполнительных устройств.............92
    4.2. Электрические исполнительные механизмы.............93
    4.3. Электромагниты.....................................94
    4.4. Электромагнитные муфты.............................95
    4.5. Элементы гидроавтоматики...........................95
      4.5.1. Поршневые и плунжерные гидроцилиндры...........96
      4.5.2. Сильфоны и мембранные механизмы................96
      4.5.3. Направляющая аппаратура........................97

4

5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КУСТА СКВАЖИН................................................100
    5.1. Общая характеристика объекта автоматизации..........100
    5.2. Описание технологического процесса объекта добычи нефти ... 102
    5.3. Автоматизация добывающих скважин...................103
    5.4. Автоматизация групповой замерной установки.........108
    5.5. Автоматизация дренажных емкостей...................110
    5.6. Автоматизация скважинной установки дозирования химических реагентов....................................111
    5.7. Автоматизация блока водяной гребенки...............114
6. АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ..................116
    6.1. Автоматизация установки предварительного обезвоживания нефти...................................................116
    6.2. Блочные сепарационные установки....................118
    6.3. Блочная установка вакуумной горячей сепарации......120
    6.4. Концевые сепарационные установки...................121
    6.5. Автоматизация насосной установки...................122
7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ.......................................125
    7.1. Первичная переработка нефти........................125
    7.2. Автоматизация ректификационных установок...........126
    7.3. Процессы глубокой переработки нефтяного сырья......127
      7.3.1. Система автоматического управления трубчатой пиролизной печью......................................128
      7.3.2. Система автоматического управления пиролизом бензина и этана в трубчатой печи......................130
      7.3.3. Автоматизация колонны первичного фракционирования пирогаза этиленовой установки.........................131
8. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН.............................................134
    8.1. Общая характеристика автоматизации бурения.........134
    8.2. Регулирование параметров бурового насоса...........135
    8.3. Регулирование привода подачи бурового инструмента..138
    8.4. Примеры буровых автоматических регуляторов.........141
      8.4.1. Упрощенная схема БАР-150 для турбинного бурения.141
      8.4.2. Буровой автоматический регулятор БАР Скворцова.142
    8.5. Телеметрические системы при строительстве скважин..144
ЛИТЕРАТУРА..................................................146

5

                Введение





    В современных условиях функционирование технологических процессов на предприятиях нефтяной и газовой промышленности без средств автоматизации не представляется возможным:
    -      требуется измерять, контролировать и регулировать технологические параметры;
    -      требуется включать, отключать, защищать и корректировать работу оборудования;
    -      требуется дистанционно передавать информацию, собирать и анализировать данные;
    -     требуется дистанционно управлять технологическими агрегатами и др.
    Функции по управлению технологическими процессами выполняют системы автоматизации. Поэтому для формирования профессиональных компетенций обучающиеся должны иметь представление о способах контроля и регулирования в технологических процессах.
    Первая глава данного учебного пособия посвящена теории автоматического управления, где представлен материал по способам описания и моделирования технологических объектов и систем автоматического управления, даны общие понятия об анализе и синтезе систем управления.
    Во второй главе рассмотрена структура автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), а именно, выделены три уровня автоматизации, определены функции элементов автоматики и даны способы графического изображения систем автоматизации и управления.
    Третья глава затрагивает вопросы контроля некоторых технологических параметров, а именно методы и средства измерения давления, температуры, расхода, уровня, а также технологических параметров бурения нефтяных и газовых скважин.
    В четвертой главе рассмотрены некоторые типы исполнительных механизмов, которые, по сути, являются «руками» систем регулирования.
    В главах с пятой по восьмую рассмотрены примеры автоматизации объектов добычи нефти, установок первичной подготовки нефти, установок переработки углеводородного сырья и объектов строительства скважин.
    В пособии использована учебная литература Тюменского индустриального университета [5], Российского государственного университета нефти и газа им. И. М. Губкина [1], материалы проектов нефтегазовых производств, функционирующих в Западной Сибири и др.
    Учебное пособие не претендует на исчерпывающую полноту.

6

                1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ





        1.1. Общие понятия

    При описании систем автоматического управления используют математические модели: статические и динамические характеристики, дифференциальные уравнения, передаточные функции W(р), частотные и переходные характеристики.
    При использовании этих моделей, объект представляют в виде звена (блока), на который действуют входные воздействия: задающие (управляющие) сигналы X, возмущения (помехи) F, а на выходе звена имеют технологические параметры объекта Y (рис. 1.1, а).

а)

Рисунок 1.1. Иллюстрация звена (а) и режимов работы объекта (б)

    Под воздействием входных величин X и F выходные параметры Y изменяются. Например, для центробежного насоса увеличение частоты вращения привода (входной величины) вызывает увеличение подачи жидкости (выходной величины); помехами для насоса будут: изменяющаяся вязкость жидкости, износ оборудования, вибрации и др.
    Объекты управления могут работать в установившемся и переходном режиме (рис. 1.1, б).
    Установившийся режим - это режим, при котором выходной параметр объекта управления не изменяется (или изменяется по определенному закону).
    Переходный режим - это режим перехода объекта из одного установившегося режима в другой установившийся режим.
    Статической характеристикой объекта называют зависимость установившегося значения выходной величины от входной величины Y = f(X) (рис. 1.2, а).
    Линейные статические характеристики более удобны в отличие от нелинейных, поэтому нелинейные модели обычно преобразуют к линейному виду путем линеаризации.
    Динамической характеристикой объекта называется зависимость выходной величины от времени при различных входных воздействиях (ступенчатых, импульсных и др.).

7

Рисунок 1.2. Примеры статических (а) и динамической (б) характеристик

    Выделяют следующие принципы автоматического управления:
    1)      Принцип разомкнутого управления (разомкнутые системы автоматического управления САУ) (рис. 1.3): сигнал с задающего устройства усиливается и подается на исполнительный механизм, который воздействуя на объект управления, изменяет выходной сигнал Y.
    Рассмотрим разомкнутую систему на примере емкости для нагрева жидкости. Пусть система содержит элементы:
    •  объект управления - емкость (резервуар) с жидкостью;
    •  исполнительный механизм - нагревательный электрический элемент;
    •  выходной параметр - температура жидкости t°;
    •  входной параметр - ток нагревательного элемента I.
    При увеличении тока I нагревательного элемента, температура жидкости t° увеличивается, и наоборот. Но при неизменных параметрах работы нагревателя, то есть при фиксированном токе (I = const), температура жидкости t° может изменяться (отклонятся от заданной) под воздействием помех: температуры окружающей среды. Возникнет ошибка управления - статическая ошибка £ - отклонение фактической температуры жидкости от заданного значения.
    Недостаток разомкнутых систем состоит в том, что система обеспечивает точное управление только при соответствии всех параметров системы управления и объекта управления их расчетным величинам.

Рисунок 1.3. Разомкнутая система автоматического управления

    2)    Принцип компенсации (управление по возмущению).
    В системах автоматического управления по возмущению измеряют возмущающие воздействия и при их отклонении от расчетных (нормальных) значений корректируютуправляющий сигнал (рис. 1.4).

8

     В настоящее время системы управления, реализующие принцип компенсации не нашли широкого распространения, так как невозможно оценить все возмущения, действующие на объект и достичь высокой точности управления.



Рисунок 1.4. Система автоматического управления, реализующая принцип компенсации

    3)     Управление по замкнутой схеме (замкнутые САУ) (рис. 1.5).
    В замкнутых САУ выходной параметр измеряется и сравнивается с заданным значением. При несоответствии контролируемого параметра Y заданному X₃ вводится корректировка XX = X₃ - Xи в управляющий сигнал. Таким образом, управляющий сигнал формируется в функции отклонения выходного параметра.
    Замкнутые системы обеспечивают высокую точность управления, так как в фактическом значении регулируемой величины заложены данные всех возмущений. Замкнутые САУ называются системами автоматического регулирования (САР).



Рисунок 1.5. Замкнутая система автоматического управления

     Принцип замкнутого управления (по отклонению) осуществляется замыканием цепи обратной связи (ОС). Обратная связь - это канал связи от выхода объекта управления до входа системы.
     Как правило, в системах регулирования обратная связь отрицательная (см. рис. 1.5), при которой на выходе сумматора появляется сигнал разности заданного X₃ и фактического значения Xи. Чем больше XX, тем сильнее система управления воздействует на объект.
     Замкнутые САУ получили самое широкое распространение.
     Недостатком замкнутых систем управления является их повышенная колебательность, то есть длительное регулирование «больше - меньше» от заданного значения.


9

    4)     Комбинированные САУ осуществляют контроль возмущающих воздействий и выходного параметра, и на основании этих измерений формируют управляющее воздействие. Таким образом, используются принцип компенсации и принцип замкнутых систем.

        1.2. Классификация САУ

    Классификация систем автоматического управления представлена в табл. 1.1.
Таблица 1.1

Классификация САУ

        Признак                           Классификация                   
     классификации                                                        
Наличие или             Выделяют системы прямого и непрямого управле-     
отсутствие              ния.                                              
дополнительных          Системы прямого управления - это системы управле- 
источников энергии      ния, для которых не требуется дополнительные ис-  
                        точники энергии, и чувствительный элемент непо-   
                        средственно воздействует на регулирующее устрой-  
                        ство.                                             
                        Системы непрямого управления - это системы управ- 
                        ления, в которых используются дополнительные ис-  
                        точники энергии (например, усилители)             
Характер сигналов, цир- Аналоговые (непрерывные), дискретные (цифро-      
кулирующих в системе    вые) и дискретно-непрерывные (гибридные) систе-   
                        мы управления                                     
Цель управления         Системы стабилизации, системы программного ре-    
                        гулирования и следящие системы.                   
                        Системы стабилизации - это системы управления, ко-
                        торые обеспечивают стабилизацию (поддержание      
                        требуемого значения) выходной величины в соответ- 
                        ствии с задающим воздействием.                    
                        Системы программного регулирования - это системы, 
                        в которых задающее воздействие изменяется по за-  
                        данной программе.                                 
                        Следящие системы - это системы обеспечивающие     
                        изменение регулируемого параметра по закону, кото-
                        рый заранее неизвестен (например, манипуляторы)   
По величине ошибки      Системы статические и астатические.               
управления s            Статические системы по окончанию процесса регули- 
                        рования имеют ошибку, равную некоторой постоян-   
                        ной величине, называемую статической ошибкой s.   
                        Астатические системы по окончании процесса регу-  
                        лирования не имеют ошибку управления (s = 0 )     
По числу замкнутых      Одноконтурные и многоконтурные системы            
контуров регулирования                                                    
САУ                                                                       

10

    Помимо указанных типов САУ выделяют стационарные и нестационарные системы (по виду зависимости коэффициентов дифференциальных уравнений от времени); бывают обыкновенные и самонастраивающиеся (адаптивные) системы (по возможности изменения параметров управляющих устройств).


        1.3. Математическое описание САУ


    Для описания САУ используют математические модели - дифференциальные (интегральные, разностные) уравнения, описывающие движение системы, это так называемые уравнения динамики.
    Например, уравнение динамики 3-го порядка имеет вид:
а о у+ a₁ y" + a ₂ y' + a₃ y = b₀ x+ b1 x" + b ₂ x' + b₃ x (1.1)
или
          d³ у   d² у  dy .            , d³ x . d² x , dx . .
a0-73 ⁺ ''2 ⁺ a2-y: + a3 ■ у⁽t⁾ = bo~7T + b', 2 + b2-y: + b3 •x⁽t)> dt³      dt² dt                 dt³    dt²    dt
где x - входной параметр;
    y - выходной параметр;
    aᵢ, bi - коэффициенты.
    Если принять все производные равными нулю получим уравнение статики: a₃ ■ y = b₃ ■ x, показывающее взаимосвязь выходного и входного параметра в

установившемся режиме.
    Дифференциальные уравнения элементов и всей САУ составляются в соответствии с физическими законами их функционирования.
    Для описания САУ применяют передаточные функции, получаемые при помощи преобразования Лапласа.
    Преобразование Лапласа заключается в том, что исходной функции времени x(t) устанавливается в однозначное соответствие функция-изображение ~ (5) , где 5 - оператор Лапласа (также оператор Лапласа обозначают символом p). Исходная функция параметра во времени x(t) называется оригиналом, а функция x(5) - изображением.
    Изображение определяется через оригинал по формуле:
X »


            X (5) = j x (t) e ⁵ dt.


о
    При использовании преобразования Лапласа используют теоремы, которые даны в литературе [7]. Изображения некоторых функций приведены в табл. 1.2. ,,                     d
Например, производная — заменяется оператором Лапласа 5 или p, то есть dt

dQ dt

>⁵ ■ Q⁽⁵⁾.

11

Таблица 1.2

Изображения функций

Оригинал функции Изображение функции
       A                  A         
                          s         
     df (t)       sF (s) --- f (0)  
       dt                           
t                       F (s)       
j f (t)dt                 s         
0                                   
     ---at                1         
       e                s + a       
. --- at                  1         
te                   ( s + a )2     

        Пример.

    Процесс нагрева жидкости в котле описывается дифференциальным уравнением:
                              de Tdf + в( t) = J (t), dt
где J - ток, потребляемый электронагревателем (входной параметр);
    0 - температура нагреваемой жидкости (выходная величина);
    T - постоянная времени, характеризующая инертность процесса нагрева (определяется техническими характеристиками).
    Применяя преобразование Лапласа, получим изображение данного уравнения: T ■ s ■ в(s) + в(s) = J(s), здесь знаком «~» отмечены изображения входной J и выходной в величины (то есть данные параметры указаны не в функции времени).
    Пример.
    Получим изображение дифференциального уравнения
У (t) = Ti ' ₊ x (t) ₊ T₂ f.
dt²         dt
    По данному уравнению видно, что выходная величинау объекта зависит от двух входных параметров x и/. Изображение уравнения примет вид:
у ⁽s⁾ = T1 ■ s ² ■ x⁽s⁾ + x⁽s⁾ + T2 ■ s ■ f ⁽s ⁾ .
    Передаточная функция.
    Для описания, анализа и синтеза САУ используют передаточные функции.
    Передаточная функция системы (звена) W(s) это отношение изображения выходной величины к изображению входной величины в преобразовании Лапласа при нулевых начальных условиях:

12

~
вых ( 5 )

W (5 ) =

~

(1-2)

вХ ( 5 )
    Пусть система описывается дифференциальным уравнением а о y+ а1 y" + a ₂ y' + a ₃ y = b₀ x+ b1 x" + b₂ x' + b₃ x.
    Примем нулевые начальные условия, преобразуем уравнение к изображению по Лапласу, получим:
а о y ■ s³ + а1 y ■ s ² + а ₂ y ■ s + а ₃ y = b₀ x ■ s³ + b1 x ■ s ² + b₂ x ■ s + b₃ x .
    Вынесем за скобки изображения выходного y и входного x параметров:
y (' а ₀ ■ s³ + а1 ■ s ² + а ₂ ■ s + а ₃ j = x ('b₀ ■ s³ + b1 ■ s² + b₂ ■ s + b₃ j .
    Обозначим выражения в скобках соответственно A(s) и B(s):
y ■ A (s) = x ■ B (s).
    _    _               v B (s) _
    Преобразуем к виду: — = ——. Полученное выражение есть передаточная x A (s)
функция, так как получено отношение изображения выходной величины y(s) к изображению входной величины x(s):

W (p) =

                                ~
                                y (s) B (s)     b0 ■ s³ + b1 ■ s ² + b ₂ ■ s + b₃

z , A (s) а₀ ■ s³ + а1 ■ s² + а ₂ ■ s + а₃
                               x (s)            ⁰          ¹       ²³

    Пример. Для системы, описываемой дифференциальным уравнением
0,01 — + y(t) = 5x(t) (y - выходной параметр, x - входной параметр) после пре-dt

образования Лапласа получаем: 0,01 s ■ y(s) + y(s) = 5x(s).
    Упростим: y(s) ■(0,01 s +1) = 5 ■ x(s) .
    Откуда передаточная функция W (s) = y⁽s⁾ =------.
                                       x( s) 0,01 s +1
    Так как САУ может состоять из нескольких элементов, удобно использо

вать структурные схемы, показывающие взаимосвязи между звеньями.
    Структурной схемой называется схема системы автоматического управления, представленная в виде соединения звеньев, описанных передаточными функциями.


        1.4. Преобразование структурных схем САУ

    При анализе и синтезе САУ ее схему представляют не в виде соединения функциональных блоков (элементов), а в виде структурной схемы - цепи соединения динамических звеньев.
    Динамическое звено - это математическая модель объекта или его части, записанная в виде дифференциального уравнения или передаточной функции.

13