Основы автоматизации горного и нефтегазового производства

            ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ГОРНОГО И НЕФТЕГАЗОВОГО ПРОИЗВОДСТВА




Учебное пособие

2-е издание, переработанное и дополненное













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.31:622.27
ББК 31.29
     0-75

Авторы:
     Бебихов Ю. В., Подкаменный Ю. А., Якушев И. А., Двойченкова Г. П.

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры УИД НГТУ им. Р. Е. Алексеева (г. Нижний Новгород) Федоров Олег Васильевич;
начальник управления связи СТ «Алмазавтоматика»
АК «АЛРОСА» (ПА0), г. Мирный, Республика Саха (Якутия)
Егоров Айаал Николаевич

    0-75      Основы автоматизации горного и нефтегазового производства :

      учебное пособие / [Бебихов Ю. В. и др.]. - 2-е изд., перераб. и доп. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 128 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1123-3

          Рассмотрены общие сведения об автоматизации технологических и производственных процессов горного и нефтегазового производства. Более детально рассмотрена автоматизация технологических процессов в горном производстве, методы и схемы автоматизации технологических процессов в нефтегазовой промышленности. Приведены практические и типовые задачи по автоматизации технологических и производственных процессов, вопросы для самостоятельной подготовки студентов и тестовые задания для проведения промежуточного контроля.
          Для студентов направлений подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и 21.03.01 «Нефтегазовое дело», а также специальности 21.05.04 «Горное дело».

                                                     УДК 621.31:622.27
                                                     ББК 31.29



Печатается, в авторской редакции





ISBN 978-5-9729-1123-3

      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ...........................................................5
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ.......................6
1.1. Характеристика технологических процессов горного производства.6
1.2. Объекты автоматизации в нефтегазовой промышленности..........14
1.3. Направления технологических процессов на предприятиях горной и нефтегазовой промышленности.......................................18
1.4. Технические средства автоматизации процессов горного производства... 22
1.5. Принципы работы и устройства систем автоматизации технологических процессов нефтегазового производства..............................28
ГЛАВА 2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ГОРНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 33
2.1. Аппаратура автоматического управления в горном производстве....33
2.2. Автоматизированная система контроля и управления главными высоковольтными, низковольтными и одиночными водоотливными установками.......................................................41
2.3. Системы автоматического управления проветриванием шахт.......47
2.4. Автоматическое регулирование производительности конвейеров...55
2.5. Элементы и системы автоматики диспетчеризации в горном производстве.............................................63
ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОБОГАЩЕНИИ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ...............................................69
3.1. Автоматическое регулирование и управление процессами дробления.69
3.2. Автоматическое регулирование и управление процессами измельчения и классификации.....................................................74
3.3. Автоматическое регулирование и управление процессами флотации..78
3.4. Автоматическое регулирование и управление процессами гравитационного обогащения..........................................................83
3.5. Автоматическое регулирование и управление процессами рентгенолюминесцентной сепарации....................................86

3

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ И СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
В НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ............................90
4.1. Общие сведения автоматизации технологических процессов добычи и подготовки нефти.........................................90
4.2. Методы исследования установления технологического режима для перевода скважин на эксплуатацию.........................92
4.3. Схемы контроля за временем работы скважин...........94
4.4. Методы и приборы для измерения температуры, давления, расхода, уровня, а также влажности сырой нефти и природного газа.........103
4.5. Функциональные схемы автоматизации основных технологических объектов добычи и подготовки нефти и природного газа....105
4.6. Системы управления технологическими процессами добычи и подготовки нефти и природного газа.................................109
ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
ПРОЦЕССОВ ГОРНОГО И НЕФТЕГАЗОВОГО ПРОИЗВОДСТВА...........115
5.1. Практические задачи по автоматизации технологических процессов в горном производстве.....................................115
5.2. Практические задачи по автоматизации технологических процессов в нефтегазовом производстве...............................117
5.3. Вопросы для самостоятельной подготовки студентов...118
5.4. Тестовые задания...................................119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................123

4

ВВЕДЕНИЕ


     Учебное пособие разработано для студентов направлений подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и 21.03.04 «Нефтегазовое дело», а также специальности 21.05.04 «Горное дело» (специализации «Горные машины и оборудование», «Обогащение полезных ископаемых», «Подземная разработка рудных месторождений», «Электрификация и автоматизация горного производства») очной и заочной форм обучения.
     Пособие предназначено для систематизации обучения дисциплинам «Автоматика машин и установок горного производства», «Автоматизированные системы управления технологическими процессами», «Автоматизация производственных процессов», «Автоматизированные системы горных предприятий», «Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства», а также для раздела «Автоматизация» выпускной квалификационной работы специалистов.
     В учебном пособии рассмотрены общие сведения об автоматизации технологических и производственных процессов горного и нефтегазового производства. Более детально рассмотрена автоматизация технологических процессов в горном производстве, методы и схемы автоматизации технологических процессов в нефтегазовой промышленности. Приведены практические и типовые задачи по автоматизации технологических и производственных процессов, вопросы для самостоятельной подготовки студентов и тестовые задания для проведения промежуточного контроля.
     Данное пособие будет интересно и полезно студентам вышеуказанных специальностей, осваивающим курсы приведенных дисциплин в Политехническом институте (филиале) СВФУ им. М. К. Аммосова в г. Мирном, расположенном в непосредственной близости от крупных предприятий нефтегазодобычи и горной промышленности.

5

ГЛАВА 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
ПРОЦЕССОВ

    1.1. Характеристика технологических процессов горного производства

     Горные предприятия непосредственно являются частью природной среды. Все процессы преобразования исходного сырья в готовый продукт также непосредственно связаны с окружающей природной средой.
     Ресурсно-экологическое моделирование предполагает рассмотрение производственных объектов с точки зрения потребления ресурсов (минеральных и энергетических) и образования отходов производства.
     В современной науке для изучения сложных, многокомпонентных объектов - природных и созданных человеком, а также сложных природных и антропогенных процессов широко применяют метод, получивший наименование моделирования.
     При таком методе исследования сложный реальный объект - оригинал заменяют его схематическим образом, возникшим в сознании исследователя и отражающим наиболее существенные стороны - черты оригинала. Так же поступают и с изучаемыми процессами.
     Разрабатываемые модели горных предприятий позволяют оценить существующее состояние объекта исследования, а также сделать выводы о его дальнейшем развитии с учетом изменяющихся природных, экономических и социальных условий.
     В общем случае можно выделить основные стратегические направления, анализ которых позволит обеспечить устойчивое развитие горного предприятия. К ним относятся: безопасность, окружающая среда и энергопотребление (Sustainability); повышение производительности и эффективности производства

6

и снижение затрат, управление инвестициями, информационная интеграция и визуализация (Operations and Technology); бизнес-модель инноваций, управление трудовыми ресурсами и сотрудничество (People and Work).
     Рассмотрим работу горного производства в условиях снижения качества добываемой руды и как эти природные факторы будут влиять на работу горного производства, в том числе на образование отходов производства, т. е. на состояние окружающей природной среды, производительность и эффективность горного производства.
     На первом этапе исследований представим горнодобывающий комбинат как «черный ящик», т. е. не будем рассматривать технологические процессы преобразования горной массы в готовую продукцию. На рис. 1 представлена модель горнодобывающего комбината с ресурсно-экологических позиций.


Природные (в т.ч. минеральные и энергетические) ресурсы, потребляемые горным производством

Залежь полезного ископаемого

Горное производство


    Отходы горного производства


Продукция горного производства (руды цветных и черных металлов, удобрения, энергетическое сырье и др.)

Рис. 1. Ресурсно-экологическая модель горного производства

      Как следует из рис. 1, для преобразования горной массы в готовый продукт горнодобывающий комбинат затрачивает энергетические, минеральные и др. ресурсы, а в окружающую среду поступают отходы производственной деятельности. Вскрышные породы и хвосты обогащения являются основными видами горнопромышленных отходов, оказывающих неблагоприятное воздействие на состояние окружающей среды.

7

     Важным объектом моделирования является также горная масса рудных месторождений. Она представляет собой сложное природное образование, состоящее из полезного ископаемого, содержащего ценный компонент, и пустых -вскрышных и вмещающих пород.
     Горные породы характеризуются различными показателями, среди которых качественные показатели должны занять соответствующее место.
     Будем считать, что разработку месторождения и преобразование горной массы в готовую продукцию осуществляет горно-обогатительный комбинат. При выполнении производственного процесса комбинат решает четыре основные задачи:
     1)       удаляет из залежи вскрышные породы, закрывающие доступ к полезному ископаемому - руде, содержащей ценный компонент;
     2)       осуществляет добычу полезного ископаемого;
     3)       освобождает руду от вмещающих пород;
     4)       очищает ценный компонент от вредных примесей (в случае необходимости), обогащает его и превращает в концентрат (готовый продукт).
     Задачи 1 и 2 возложены на добычной комплекс комбината, а 3 и 4 - на обогатительный комплекс.
     Разделение горной массы, находящейся в месторождении, на полезное ископаемое и пустые породы осуществляется с учетом особенностей: залегания и технологических свойств полезного ископаемого и пустых пород.
     Породы вскрыши размещаются в отвалах, которые, как правило, располагаются на относительно небольших расстояниях от рудников. В отвалах размещаются породы вскрыши от участков открытых горных работ рудника и породы от проходки подземных горных выработок, лежалый материал отвалов не используется.

8

Рис. 2. Структурная модель комплекса горных пород, образующих горную массу в месторождении рудного полезного ископаемого

     Полезное ископаемое от места добычи поступает на обогатительную фабрику, где добытая в рудниках горная масса проходит процессы дробления, грохочения, измельчения и классификации, основного обогащения полезных ископаемых с выделением концентратов и отходов (вмещающих пород). Готовый продукт (концентрат) накапливают в бункерах или складах, откуда он поступает на последующую переработку или отпускается потребителю, а отходы в виде суспензии направляются в хвостохранилища.
     Структурная модель горной массы, характерной для многих рудных месторождений полезных ископаемых, представлена на рис. 2. Данная структурная модель представляет собой материальный баланс горной массы.
     Предлагаемая модель является трехуровневой. На первом (нижнем) уровне расположены вмещающие породы и полезный компонент руды - металл. На втором (среднем) уровне размещены вскрышные породы и руда - полезное ископаемое. На верхнем (третьем) уровне находится горная масса разрабатываемого месторождения, объединяющая в одно целое первый и второй уровни схематической модели.
     Под балансами мы понимаем равенства между количествами вещества или энергии на «входах» и «выходах» объекта до и после осуществления в нем преобразований.
     Одним из таких показателей является коэффициент вскрышных пород или вскрыши. Под коэффициентом вскрыши Квск понимают количество вскрышных

9

пород в тоннах или кубометрах, исчисляемое на единицу полезного ископаемого в тоннах или кубометрах. Коэффициент вскрыши называется весовым, если количества вскрышных пород и полезного ископаемого измеряются в тоннах. По нашему мнению, именно весовой коэффициент вскрышных пород обладает наибольшей определенностью для анализа материального баланса производственного объекта.
     Формулы для расчета весового коэффициента Квск вскрышных пород имеет


вид:


Квск = Мвск / Миск,


(1)

где Мвск и Миск - количества (масса) вскрышных пород и полезного ископаемого, извлекаемых из залежи.
     По аналогии с коэффициентом вскрышных пород введем новый показатель - коэффициент вмещающих пород. Под коэффициентом вмещающих пород Кем будем понимать отношение количества вмещающих пород в тоннах или в кубометрах к количеству полезного ископаемого в тоннах или кубометрах. Коэффициент вмещающих пород, исчисляемый в тоннах таких пород на тонну полезного ископаемого, будем именовать весовым.
     Весовой коэффициент Кем вмещающих пород рассчитывается по формуле:

Кем = Мем / Миск,


(2)

где М5М и Миск - количества (масса) вмещающих пород и полезного ископаемого, извлекаемых из залежи.
     Основываясь на структурной модели горной массы, как комплекса горных пород, образующих горную массу месторождения рудного полезного ископаемого (рис. 2), запишем следующие уравнения:

Мг.м. = Миск + Мвск


и

Миск = Мконц + Мем;

(3)

(4)

10

где М<Онц - количество (масса) концентрата полезного компонента. Остальные члены уравнений (3) и (4) были названы выше.
     Разделив правые и левые части уравнений (3) и (4) на Мг.м. и Миск, получим выражения для долевых коэффициентов, характеризующих состав рассматриваемых горных пород:

           риск = Миск / Мг.м. = Миск / (Миск + Мвск) = 1 / (1+ Квск);  (5)

           рвск = Мвск / Мг.м. = Мвск / (Миск + Мвск) = 1 / (1+ Квск);  (6)

рконц = Мконц / Миск = 1- Квм;                    (7)

рвм = Мвм / Миск = Квм;                       (8)

очевидно, что                  р иск + р вск = 1                        (9)

и                              Цконц + Цвм = 1.                         (10)


      Математическая обработка опытных данных по горно-обогатительным комбинатам, опубликованных в соответствующей научной и технической литературе, позволила определить интервалы числовых значений средние величины коэффициентов, характеризующих состав разрабатываемых горных пород.
      Суммарный выход всех продуктов обогащения должен соответствовать выходу исходной обогащаемой руды, принимаемой за 100 %. При разделении обогащаемой руды на два конечных продукта - концентрат (с выходом Ук) и хвосты (с выходом Ухв) - это условие запишется равенством:
Ук + Ухв = 100 %.                       (11)
      Содержание компонентов в исходном полезном ископаемом а, полученных концентратах - р и хвостах 9 обычно дается в процентах.
      Обычно на горно-обогатительных комбинатах важными показателями являются показатели процесса обогащения. Для геоэкологических исследований важными показателями будут:
      -  количество хвостов и содержание в них полезного компонента;
      -  количество концентрата и содержание в нем полезного компонента.


11

      В связи с этим для горно-обогатительного комплекса целесообразно ввести понятия коэффициента полезности горной массы или материальный коэффициент полезного действия КПДг.м. и коэффициента производства отходов КПДотх и оценить их примерные значения.
      Известно уравнение баланса компонента по руде и продуктам обогащения
100 ■ а = (Ук ■ Р) + (100 - Ук) ■ 9.           (12)
      Решим это уравнение относительно Ухв
100 ■ а = (100 - Ухв) ■ Р + Ухв ■ 9.           (13)
      Таким образом, зная содержание компонента в руде и полученных концентрате и хвостах можно вычислить из (1) и (2) выход концентрата и выход хвостов. Для Ук. можно записать:

а для Ухв
Y ₌Pz£.100 .                          (14)
р - е
     Таким образом, Ук показывает, какая часть исходной руды является концентратом. В свою очередь Ухв показывает, какая часть исходной руды попадает в отход.
Таблица 1
Определение материального коэффициента полезного действия и коэффициента производства отходов

  а      2     4     6     8    10    12    14    16    17    20   20,25
 КПДм  1,33  6,67  12,00 17,33 22,67 28,00 33,33 38,67 41,33 49,33 50,00
КПДотх 98,67 93,33 88,00 82,67 77,33 72,00 66,67 61,33 58,67 50,67 50,00

12