uchebnoe_posobie_avtomatizaciya

«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