Технологический процесс подготовки нефти на дожимной насосной станции.

Реферат
Выпускная квалификационная работа _ страниц, _ рисунков, _ таблиц, _ источника, _ приложений.
Ключевые слова: ДОЖИМНАЯ НАСОСНАЯ СТАНЦИЯ, СЕПАРАТОР, ГАЗОСЕПАРАТОР, АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, ДАТЧИК,УРОВЕНЬ, ТЕМПЕРАТУРА, ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ,ПИ-РЕГУЛЯТОР.
Объект исследования-ДНС.
Цель работы – проектирование автоматизированной системы управления ДНС.
В проекте был произведен выбор технических средств автоматизации, разработана система управления и контроля технологическим процессом на ДНС, на базе промышленного контроллера Siemens SIMATIC S7-300, разработан алгоритм сбора данных и произведен расчет системы автоматического регулирования давления газа в газосепараторе.
Систему, разработанную в данном проекте, возможно, применять для управления, контроля и сбора данных  на  различных  промышленных предприятиях. Она позволит повысить надежность и точность измерений и сократит число аварий, что увеличит производительность.











Содержания
Обозначения и сокращения...............................................................................3
Введение……………………………………………………………………....5
1 Технологический процесс подготовки нефти на дожимной насосной станции (ДНС)………………………………………………………………...7
     1.1Общая характеристика…………………………………….……...7
     1.2Описание технологического процесса на ДНС……………........8
2 Автоматизация технологического процесса на ДНС……………….….9
     2.1Функции и структура АСУ ТП……………………………………9
     2.2Выбор технических средств автоматизации нижнего уровня...12
     2.2.1Выбор датчика для измерения уровня…………………12
     2.2.2Выбор датчика скорости………………………………..14
     2.2.3Выбор датчика давления…………………….………….16
     2.2.4 Выбор датчика температуры……………………….….19
     2.2.5 Управление клапанами и задвижками…………………22
2.2.6 Выбор регулятора асинхронного двигателя…………..23
3   Программируемый логический контроллер…………………………….25
3.1 Обоснование выбора контроллера……………………………..25
4 Разработкаалгоритмасбораданныхизмерений……………………….35
5 Расчет контура регулирования давления в газосепараторе……………38
		5.1 Определение параметров модели объекта и выбор типа регулятора…………………………………………………………………….38
		5.2 Расчет оптимальных настроек регулятора………………...….40
Заключение…………………………………………………………………....48
Список использованных источников……………………………………….49
Приложение А………………………………………………………………...50




Введение
Нефтедобывающие предприятия состоят из технологических объектов, которые размещены на больших площадях, осуществляющих добычу, первоначальную обработку, хранение, транспортировку и внешнюю перекачку нефти и газа.
Процесс добычи нефти происходит непрерывно, да и технологические объекты расположены на огромных площадях, что привело к необходимости разработки и внедрения систем автоматизации и структур дистанционного контроля и управления технологическими объектами и процессами.
Технологические объекты, охватываемые АСУ ТП, оснащены, измерительными преобразователями, исполнительным механизмом датчиками и другой аппаратуро. АСУ ТП позволяет осуществить следующие основные функции по контролю и управлению этими объектами:
-регулирование технологических режимных параметров
-автоматическое и дистанционное управление приводами, защиты и блокировки при аварийных ситуациях
-регистрация и индикация учетных и технологических режимных параметров
-аварийную сигнализацию о предельных значениях технологических параметров
-сигнализацию, которая предупреждает об отклонениях от нормы режимных технологических параметров;
-исполнительную сигнализацию о состоянии вентилятора и насосов ("включен-отключен-режим управления") и исполнительных механизмов ("открыт-закрыт-режим управления");
-контролирование параметров, которые  обеспечивают выполнение требований техники безопасности и охраны окружающей среды;
-Проектируемые программно-технические средства автоматизации и оперативного управления для объектов ДНС обеспечивают:
-контроль состояния объекта и параметров, которые характеризуют технологический процесс;
-контроль за технологическими объектами, которые работают в автоматическом режиме, заданными параметрами технологического процесса, в условиях нормальной эксплуатации;
- формирование и передачу информации на верхней уровень управления;
-сбор, обработку и предоставление в удобной форме информации о состоянии оборудования и параметр технологического процесса в масштабе реального времени, специалистам;
-автоматизированных контроль объектов и оборудования, которые функционируют, анализ состояния и работы технологического оборудования, оценка режимов работы, своевременное обнаружение и устранение аварийных ситуаций и имеющихся неисправностей, реализация поступающих команд управления.














1 Технологический процесс подготовки нефти на дожимной насосной станции.
     1.1 Общая характеристика
ДНС(Дожимная насосная станция)- это часть технологической системы сбора и транспортировки нефти и газа на промыслах.

ДНС оборудована прежде всего насосами, сообщающими нефти и газу дополнительный напор, Напорпредназначен для дальнейшей транспортировки в направлении высоконапорныхучастко, проходя через системы сбора и подготовки нефти.
Дожимная насосная станция регламентируется двумя документами: технологическая схема и технологический регламент. Они утверждаются техническим руководителем предприятия по добычи и  транспортировки нефти и газа.
ДНС применяются не на всех месторождения. Необходимость применения ДНС обусловлена тем, что на месторождении недостаточно энергии нефтегазового пласта, которая требуется для транспортировки нефтегазовой смеси до УПСВ.
Также ДНС выполняют функции сепараци нефти от газа, очистки газа от капельной жидкости и раздельной дальнейшей транспортировкой углеводорода. При этом газ перекачивается под давлением сепарации, а нефть центробежным насосом. В зависимости от пропускной способности ДНС различают по нескольким типам.При этом ДНС полного цикла состоит из буферной емкости, насосного блока, узла сбора и откачки утечек нефти, а так же, для аварийного сброса газа, группы свечей.
Нефть, нанефтепромысла, после прохождения групповых замерных установок и сепарации поступает в буферную ёмкость, для обеспечения равномерного поступления нефти к насосу, который ее перекачивает. Затем уже нефть поступает в нефтепровод. 
1.2 Описание технологической схемы
Нефть с кустов поступает на УПОГ (устройство предварительного отбора газа). Там отбирается свободный газ,  выделившийся из продукции нефтяных скважин. Затем нефть поступает в трехфазный нефтегазосепаратор, где происходит первичное разделение на нефть, воду и газ. После этого нефть, для обезвоживания, переходит в горизонтальные отстойники (Е-1,2,2), а затем, для дегазации, в буферные ёмкости. Вода переходит в водоочистное сооружение и дальше на кустовую насосную станцию. Для окончательной сушки газ переходит в газосепаратор. С резервуарного парка нефтьподаётсянанасоснуюнефти,далее черезузелучёта направляетсявмагистральныйнефтепровод. Газ, через узел газа, направляется на газоперекачивающий завод и факел высокого и низкого давления.

2. Автоматизация технологического процесса на ДНС.
     2.1 Функции и структура АСУ ТП
Автоматическая система управления технологическим процессом на дожимной насосной станции предназначена для автоматизированного контроля и управления в масштаб реального времени основными и вспомогательными технологическими процессами.
Система автоматизации ДНС имеет три уровня.
Верхний уровень (информационной-вычислительный). Основная задача этого уровня заключается в отображении течения технологического процесса, который происходит на дожимной насосной станции, сигнализации об авариях и регистрации данных, предоставление интерфейса для того чтоб внести изменения в технологический процесс.
Средний уровень (контроллерный). Он выполняет функцию управления технологическим процессом в соответствии с программ, которая заложена в микроконтроллере, так же передает информацию о технологическом процессе на верхнем уровне и выполняет команд, которые поступают с верхнего уровня АСУ ТП. Средний уровень реализуется с помощью  программируемого микроконтроллера.
Нижний (полевой) уровень. Основная задача этого уровня заключается в преобразовании значений технологических параметрв в электрические сигналы. Реализовапри помощи полевых приборов и датчиков.
Проектируемая система выполняет следующие основные функции:
-информационные функции
-управление технологическим процессом
-передает оперативные данные на промышленный контроллер
-автоматический сбор и хранение различных учетных параметров, их просмотр и статическую обработку
-отображает текущее значение технологических параметров
Система обеспечивает выполнение следующих функций управления:
-технологические блокировки
-дискретное управление
-дистанционное управление с рабочих мест операторв.
Функции управляющего контроллера:
-сбор и обработка цифровых сигналов о состоянии оборудования, авариях и предупредительных сигналов;
-сбор и обработка аналоговых параметров: давление, температура, расход;
-автоматическое управление: электроприводными задвижками, насосными агрегатами, вентиляторами в соответствии с заданными алгоритмами и клапанами;
-выполнение команд оператора для возможности управления оборудованием дистанционно;
-своевременное включение предупредительной и аварийной сигнализации;
-противоаварийная защита насосных агрегатов;
-автоматическое поддержание давления и уровня жидкости в ёмкостях;
-фиксация изменений состояния технологического оборудования;
-формирование 2-ч часовых замеров по нефти, газу и воды;
-почасовое оформление отчета;
-оформление режимного листа дожимной насосной станции;
Функции  интерфейса оператора:
-круглосуточный и непрерывный обмен полученных данных с контроллерами;
-Визуальное представление всего процесса и оборудования  с помощью мнемосхем и таблиц;
-оперативное изменение оператором ,без привлечения разработчиков и остановки управляющего компьютера, параметров датчиков: диапазон измерений, время фильтрации сигналов, предупредительных и аварийных установок;
-удаленное  управление насосными агрегатами, клапанами, задвижками и вентиляторами;
? обработка всей поступившей информации, формирование таблиц произведённых замеров, режимного листа, прошедших событийи трендов по имеющимся аналоговым датчикам;
? печать отчетов.
2.2 Выбор технических средств автоматизации нижнего уровня.
В технических аппаратах установки  для контроля, регистрации, измерения и вычисления различных параметров осушки и очистки газа, были рассмотрены и применены следующие  технические средства.
2.2.1  Выбор датчика для измерения уровня
Для того, чтоб выбрать датчик измерения уровня были рассмотрены Yokogawa EJX210, Сапфир-22ДУи VEGAPULS 62

Был выбран Сапфир-22ДУ-Вн (рисунок 1), так он подходит для работы в подходящем диапазоне температур окружающей среды.


Данный датчик состоит из электронного преобразователя и блока измерения. 
Когда изменяется измеряемый уровень, то  изменяется гидростатическая выталкивающая силы, которая воздействует на чувствительный элемент-буёк. Изменение это передается через рычаг тензопреобразователь, который размещен в блоке измерен, где происходит линейное преобразование электрического сопротивлениятензорезисторов. Это сопротивления с помощью преобразователя изменяется в выходной токовый сигнал.

2.2.2 Выбордатчикаскорости
Во      время      работы      перекачивающих      насосов      необходимо контролироватьскоростьперекачивания. Дляэтогобудетиспользоваться датчикчастот фирмы GeosensorДПМ-336-04.1 (рисунок). Также он является магнитным датчиком частоты перемещений и датчиком ходов насоса.

Принцип действия этого датчика заключается в свойстве дросселя, во время приближения постоянного магнита, он меняет свою индуктивность. Индуктивность эта измеряется электронной схемой, основой которой является микропроцессор. Следовательно, есть возможность изменять технические характеристики датчика или добавлять к нему новые функции. При помощи крепёжного приспособления датчик устанавливается на корпусе механизма. На его подвижной части устанавливается магнит. 



2.2.3 Выбор датчика давления.
Для того чтобы выбрать датчик давления проведем сравнительный анализ следующих датчиков: 
-Метран 75;
-Метран 150;
-КВАРЦ-2

В качестве датчика давления был выбран датчик Метран-75,так как он имеет малую погрешность, возможность широкой перестройки диапазона, и самое главное интеллектуальный датчик Метран-75 имеет функцию самодиагностики.
Интеллектуальный датчик давления Метран-75 предназначен для постоянного преобразования в стандартный унифицированный токовый выходной сигнал и/или цифровой сигнал по протоколу HART входных измеряемых величин:
-абсолютного давления
-избыточного давления
-давления-разрежения





2.2.4 Выбор датчика температуры.
Для контроля температуры жидкости и газ приведем сравнительный анализ следующих датчиков:
- WIKA TR50
- Метран ТСМУ-274
- Метран-240
Для того, чтобы измерять температуру был выбран датчик Метран-274, так как он удовлетворяет степени защиты, а так как возможнысейсмические воздействия, данный датчик имеет протокол HART и возможность самодиагностики.
Выбранный датчик  предназначен для измерения температур нейтральных и агрессивных сред. В первичном преобразователе и встроенной головке датчика чувствительный элемент производит преобразование измеряемой температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что предоставляет возможность создания АСУТП не применяя дополнительных нормирующих преобразователей
2.2.5 Управление клапанами и задвижками
Для выбора исполнительного механизма мы произвели сравнительный анализ нескольких механизмов:
-МЭП
-МЭО
-АUMA
Выбран был исполнительнй механизм МЭП-2500/6300
Преимущества МЭП это соотношение трех составляющих- цена, качество, стабильность. Так же выбранный механизм более удобен в плане обслуживания.
Исполнительный механизм преобразует электрический сигнал  поступающий от управляющего или регулирующего устройств, в перемещение выходного элемента, передающее перестановочное усилие или момент регулирущего органу.
Используя механизм во взрывоопасной зоне  вместе с ним должен поставляться датчик положения во взрывозащищённой оболочке.


      2.2.6 Выборрегулятораасинхронногодвигателя
      Нефть перекачивается центробежным насосом. Насос же приводится в действие асинхронным двигателем. Для того, чтобы регулировать обороты двигателя необходимо использовать преобразователь частоты (ПЧ). ПЧ генерирует трёхфазое напряжение переменной амплитуды и частоты из однофазного или трёхфазного напряжения фиксированной частоты. С помощью конденсатора большой ёмкости и диодного моста происходит выпрямление трёхфазного напряжения, который после преобразовывается втрёхфазноенапряжениесизменяемой частотойиамплитудой. Для этого во входной цепииспользуютсяоперативныеэлектронные ключи- IGBTтранзисторы. Ключи эти подключают каждую из фаз электродвигател к отрицательной или положительной шине.


3 Программируемый логический контроллер.
3.1 Обоснование выбора контроллера.
В настоящее время рынок промышленных контролеров может предложить покупателю широкий спектр всевозмоных моделей различных фирм – производителе, как зарубежных, так и отечественных.
Произведя анализ, приходим к выводуо том, что наиболее подходящими по таким параметрам, как программной обеспечение, функциональные возможности и улучшенная архитектура, являются контроллеры ведущих мировых фирм:
- Siemens
- Advantech
- Allen-Bradley
- Advantech
Анализируястоимостиконтроллеров, укоторыхприблизительноодинаковаяконфигурация,выделимследующие: SLC–, ScadaPackRS–485,SIMATICS7 .
Для выполнения задач, связанных с управлением и контролем процессов на ДНС, был выбран контроллер SIMATICS7-300, основываясь на следующих параметрах: 
-небольшая стоимость контроллера и его обслуживания;
-допустима работа ПЛК в сложнейших климатически условиях, высокая автономность и многофункциональность;
- обменданными (поддерживает форматы стандартных данных и сетевых протоколов);
Для автоматизированного управления дожимной насосной станцией используется  ПЛК SiemensSIMATICS7-300 (Рисунок 7)
1) локальный;
2) коммуникационный.
Их взаимодействие производится на базе интерфейса Ethernet.


SiemensSIMATIC S7-300-программируемый модульный контроллер, который предназначен для создания систем автоматизации средней и низкой степени сложности.
Осуществимость использования ввода-вывода локальной и распределенной структуры, модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, удобное обслуживание и эксплуатация, широкие коммуникационные возможности предоставляют право получения правильных решений областей промышленного производства. Дляэффективного	применения    контроллеров    SiemensSIMATIC	S7-300 предусмотрены: наличие функциональных модулй, модулей ввода-вывода аналоговых  дискретных сигналов, возможность использования нескольких типом центральных  процессоров с различной производительностью и микрочипами.
Контроллеры Siemens SIMATIC S7-300 обладают модульной конструкцией, которая включает в себе: 
- Интерфейсные модули (IM);
- Коммуникационныепроцессоры (CP);
- Сигнальные модули (SM);
- Функциональные модули (FM);
- Модули центральногопроцессора (CPU);
- Модули блоковпитания (PS).
Модули все работают с естественным охлаждением.
Согласно перечню сигналов, контроллер должен обрабатывать следующее количество сигналов:
- входные аналоговые (AI) – 26, резерв –8;
- выходные аналоговые (AO) – 2;
- входные дискретные (DI) – 26, резерв – 38;
- выходные дискреные (DO) – 56, резерв – 8.

      Выделенный ПЛК(Siemens SIMATICS7-300спроцессорным модулем CPU315-2 PN/DP) удовлетворяет параметрам:
1. Устройства ввода/вывода информации периферийные (дисплей, принтер).
2. УСО ввода/вывода: восемь каналов ввода аналоговых сигналов и один канал выхода аналоговых сигналов (модульSM 334), четыре канала ввода дискретных сигналов (модульSM323).
3.Алгоритм контроля имеет битовые и числовые комбинации.
4.управление ПЛК производится: по прерываниям, по готовности или по команде человека.
5.Общий объём манипуляций для одного ПЛК не менее 100 команд.
6.Питание контроллера от сети переменного тока, напряжения 230В.
7. Контроль и управление типов I/O-устройствтакие как: сенсоры ( давление, температура, уровень).
8.Высокая отказоустойчивость источника напряжения.
9.Рабочий ток 140 мА.
10.ПЛК может работать при напряжени сети питания технологической площадки.
11.Допустима работа от батареи.
12.Допустима работа от сети.
13. Есть возможность удержания напряжения вузкомфиксированном диапазоне изменений.
14. Требования к условиям эксплуатации:
-атмосферное давление: от 1080 до 660 гПа;
-влажность: 10-95% без конденсации;
-температура: от -40?С до+70?С.
15. В рабочем режиме батарея работает 24 часа и более,  при режиме ожидания: 12 месяцев и более.
16. Степень пыле-влагозащиты– IP-65поГОСТ14254-96 «Степени защиты,обеспечиваемыеоболочками (кодIP)».
17. ПользовательскоеПОосновывается на: флеш-памяти.





      






4 Разработкаалгоритмасбораданныхизмерений
Разработка алгоритмов управления преследует следующие цели:
-увеличение уровня информативности персонала и точность данных о состоянии технологического оборудования;
-качественного ведения технологического режима и его безопасности;
-повышение эффективности действий персонала;
-увеличение надёжности управление объектом.
Чтобы представитьалгоритмввидеблок-схем будем использовать следующие элементы :

Каналом измерения возьмем канал измерения уровня нефти в резервуаре. Для этого канала нужно разработать алгоритм сбора и отображения данных.

5Расчет  давления на выходе в газосепараторе.
5.1Определение параметров модели объекта и выбор типа регулятор.
Определение математической модели объекта
Объект регулирования-газосепаратор.
Необходимо произвести расчет настройки регулятора, системы автоматического регулирования давления на выходе газа в газосепараторе.
Допустимое перерегулирование 10%

Математическая модель объекта регулирования- апериодическое звено с запаздываниемпервого порядка.	
Для полученного  значения критерия лучше использовать пропорционально-интегральный регулятор. 
5.2 Расчет оптимальных настроек регулятора 
Для настроек регулятора будем использовать формульный метод определения.
Формульный метод настроек регулятора используется для быстрой и приближенной оценки значений параметров настройки регулятора для всех трех видов оптимальных типовых процессов регулирования.
Рассматриваемый объект управления аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка. Определим параметры регулятора апериодического процесса.


Заключение
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы была разработана автоматизированная система управления дожимной насосной станции.
В ходе проведения работы были изучены особенности технологического процесса очистки, сбора и дальнейшей перекачки нефти на дожимной насосной станции, подобраны технические средства нижнего уровня. Применение датчиков нового поколения предоставило возможность повысить точность измерений технологических параметров. Разработан алгоритм сбора данных. 
В заключительном разделе был произведен расчет контура регулирования давления в газосепараторе, 
Таким образом, в результате выполнения выпускной квалификационной работы была разработана автоматизированная система управления ДНС нижнего и среднего уровней. 












1


.......................