Разработка функциональной схемы автоматизации нефтегазового сепаратора

Содержание
TOC \o "1-3" \h \z \u Введение PAGEREF _Toc84412408 \h 21 Принципиальная технологическая схема и описание работы нефтегазового сепаратора PAGEREF _Toc84412409 \h 32 Выбор технических средств измерения и автоматизации PAGEREF _Toc84412410 \h 62.1 Выбор датчик для измерения уровня PAGEREF _Toc84412411 \h 82.2 Выбор датчика давления PAGEREF _Toc84412412 \h 92.3 Выбор сигнализатора уровня PAGEREF _Toc84412413 \h 102.4 Выбор расходомера PAGEREF _Toc84412414 \h 112.5 Выбор датчика температуры PAGEREF _Toc84412415 \h 132.6 Выбор исполнительных механизмов PAGEREF _Toc84412416 \h 14Заключение PAGEREF _Toc84412417 \h 15Список использованной литературы PAGEREF _Toc84412418 \h 16
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Разраб. Георгиев Разработка функциональной схемы автоматизации нефтегазового сепаратора
Лит. Лист Листов
Провер. Тушакова 1 1
Филиал ТИУ в г. Тобольске группа АТПбз-17-1
Н. Контр. Утверд. 32910779661397
ВведениеВ настоящее время производство стремительно развивается. Развивается и применение аппаратов и автоматических машин, а количество производственных процессов растет. В основе этого лежит автоматизация. Автоматизация охватывает широкий класс промышленных процессов, а также других классов трудовой или иной деятельности человека, в которых высокий объем операций, относящихся к получению, преобразованию, передаче и использовании энергии и особенно информации, передается специальными устройствами.
Для того, чтобы наиболее эффективно применить устройства и различные технологии, необходимо правильно их соединить, то есть осуществить корректный обмен информацией между ними. Сделать так, чтобы человеческий фактор снизился до минимума. Тоже самое произошло бы и с рисками.
С учетом вышесказанного, проектирование автоматизированных систем управления является эффективным и востребованным методом улучшения качества производства.
Целью данной курсовой работы является повышение качества процессов и обеспечение экономической выгоды за счет разработки функциональной схемы автоматизации нефтегазового сепаратора.
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Разраб. Георгиев Введение
Лит. Лист Листов
Провер. Тушакова 1 Филиал ТИУ в г. Тобольске группа АТПбз-17-1
Н. Контр. Утверд. 32910779661397
1 Принципиальная технологическая схема и описание работы нефтегазового сепаратораНеочищенные нефть и газ поступают из скважин. Совместно с ними поступают: попутный газ, пластовая вода, механические примеси. УПН предназначена для подготовки и сбора нефтепродукции. Подготовка нефти заключается в её разгазировании, стабилизации, обезвоживании и обессоливании. Используется процесс ступенчатой сепарации с промежуточным нагревом в теплообменниках. Выделившийся газ дожимается на компрессорной станции. Пластовая вода направляется на подготовку пластовой воды, после электростатических коагуляторов возвращается на 1-ю ступень сепарации или направляется в систему подготовки воды.
От эксплуатационного манифольда продукция поступает в сепаратор 1-й ступени (НГСВ 1,6 - 3400) (рисунок 1):

Рисунок 1 – Технологическая схема Схема трехфазного сепаратора
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Разраб. Георгиев Технологическая схема
Лит. Лист Листов
Провер. Тушакова 1 Филиал ТИУ в г. Тобольске группа АТПбз-17-1
Н. Контр. Утверд. 32910779661397
Газожидкостная смесь вводится в сепаратор через штуцер, оборудованный устройством приёма газожидкостной смеси циклонного типа, в котором происходит выделение свободного газа. Отделившийся газ собирается в верхней части аппарата, проходит устройство улавливания капельной жидкости и выводится через штуцер выхода газа. Сепаратор разделен перегородками на две полости. В первой полости нефтяная эмульсия обезвоживается. Далее располагается нефтесборник (вторая полость) для очищенной нефти. Отделившаяся вода скапливается в нижней части первой полости, откуда сбрасывается через штуцер выхода воды.
Уровень нефти в сепараторе определяется уровнемером LT 4-1 и поддерживается регулирующим клапаном, расположенным на выкидной линии со стороны теплообменника.
Уровень воды определяется уровнемером (LT 7-1) и поддерживается регулирующим клапаном, установленным на выкидной линии воды к установке подготовки пластовой воды.
Давление газа в аппарате определяется датчиком давления (PT 5-1) и поддерживается регулирующим клапаном, установленным на выходной линии, подающей газ на газовую компрессорную станцию высокого давления.
Температура в сепараторе контролируется датчиком температуры (TT 13-1). Предусмотрен сигнал тревоги по низкой температуре для предупреждения о возможности отложений парафинов, замерзания и образования гидратов.
Расход отходящего газа и расход нефти из сепаратора контролируются электромагнитными расходомерами (FT 3-1, FT 9-1, FT 8-1).
Для обеспечения защиты технологического процесса при аварийных ситуациях предусмотрена установка на сепараторе датчика уровня (LT 2-1).
Параметры трехфазного сепаратора следующие:
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ Лист
5
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Таблица 1 – НГСВ 1,6 – 3400
Полный объем сепаратора, м3 100
Объем цилиндрической части, мм 86,6
Объем сферических днищ, мм 13,4
Высота сепаратора, мм 3400
Производительность по нефти и воде, м3/ч 560
Производительность по газу, м3/ч 30000
Рабочее давление (не более), МПа 1,3
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ Лист
6
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 2 Выбор технических средств измерения и автоматизацииАвтоматизирование состоит в управлении оборудованием – регулирующими клапанами, управление уровнем, расходом, давлением. Командами включить/выключить, остановить/запустить, открыть/закрыть реализуется централизованное управление.
Объект управление – блок сепарации. Все системные параметры поступают в SCADA-систему. SCADA-система обеспечивает дистанционное (диспетчерское), автоматическое управление функциями распределенных устройств, а также наблюдение за параметрами системы. Необходимо, чтобы система была открытая, распределенная с иерархической структурой. Подчинялась трехуровневой модели АС:
- Низший уровень: исполнительные устройства и датчики, а также интеллектуальные датчики, которые могут иметь следующие интерфейсы – HART, CAN, 1-Wire и т.п.
Применительно к объекту управления:
a. датчики: уровнемеры для воды (LT 7-1) и нефти (LT 4-1) в сепараторе, сигнализатор уровня (LT 2-1), датчик давления (PT 5-1), датчик температуры (TT 13-1), расходомеры (FT 3-1, FT 8-1, FT 9-1).
b. исполнительные механизмы: регулирующие клапаны с электроприводами (позиции 1-3, 2-3, 3-3), ручные клапаны.
- Средний уровень: ПЛК, модули ввода/вывода, обменивающиеся информацией по Fieldbus (Profibus, Modbus TCP, Modbus RTU). Стоит отметить, что ПЛК собирает и обрабатывает информацию, затем реализует алгоритмы автоматического регулирования и программно-логического управления, защищает и блокирует процессы, а также обменивается данными с вышестоящим уровнем и реализует команды вышестоящего уровня.
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Разраб. Георгиев Средства измерения
Лит. Лист Листов
Провер. Тушакова 1 Филиал ТИУ в г. Тобольске группа АТПбз-17-1
Н. Контр. Утверд. Применительно к объекту управления используется локальный контроллер Siemens S7-300 и прилагающие к нему модули ввода/вывода.
- Третий уровень: компьютеры с HMI (SCADA-пакеты). Оператор наблюдает за ходом процессов с любого компьютера сети, но управление осуществляется с одного компьютера или функции управления распределяют между несколькими компьютерами.
Применительно к объекту управления верхний уровень состоит из коммуникационного контроллера, АРМ оператора, сервера базы данных, OPC-сервера. На АРМ оператора установлена операционная система Windows, TiA Portal v13.
В блоке сепарации осуществляется замеры уровня раздела фаз, уровня нефти, давления, температуры, расхода.
Функциональная схема автоматизация – технический документ, который входит в основной комплект рабочих чертежей проектируемой СА, в соответствии с ГОСТ 21.408-2013. ФСА создается для отображения значимых технических решений.
На функциональной схеме автоматизации представляют технологическое оборудование, а также связующие компоненты (например, трубо- и газопроводы) автоматизированной системы, средства автоматизации и контуры, отвечающие за управление, регулирование и контроль.
Функциональная схема автоматизация может быть выполнена развернутым или упрощенным способами. Различие развернутого способа в том, что на схеме изображаются месторасположения и состав каждого отдельного контура и средств автоматизации. Средства автоматизации и приборы изображаются, согласно ГОСТ 21.208-2013, в виде условных графических изображений.
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ Лист
8
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 2.1 Выбор датчик для измерения уровняДля контроля уровней нефти и воды в трехфазном сепараторе необходимо установить уровнемеры (LT 7-1, LT 4-1). Выбор происходил из следующих уровнемеров – ОВЕН ПДУ-И, ДУУ2М, Rosemount 5300 и VEGACAL 62. Самым привлекательным в плане характеристик уровнемеров оказался – ДУУ2М.
Таблица 2 – Сравнение уровнемеров
Уровнемеры ОВЕН ПДУ-И ДУУ2М Rosemount 5300 VEGACAL 62
Длина 3000 мм 4000 мм 50 000 мм 6000 мм
Погрешность измерений ±(10 + 0,01·L ) ±3 мм ±2 мм ±2 мм
Диапазон температур измеряемой среды -60…+125°C -55…+75°C -60…+75°С -50…+200°C
Температура окружающей среды -40…+85°C -50…+75°C -40…+80°C -40…+80°C
Выходной сигнал постоянного тока 4-20 мА 4…20 мА
0…20 мА 4-20 мА /HART, Foundation Fieldbus, Modbus 4-20 мА /HART, Foundation Fieldbus, Modbus
Давление измеряемой среды 0…4 МПа 0…2 МПа 0…4 МПа 0…6 МПа
Степень защиты IP65 IP68 IP67 IP68
Цена от 19 529р от 35 260р от 83 200р от 107 220р
Принцип измерения основан на измерении времени распространения в стальной проволоке (по длине которой намотана катушка, создающая магнитное поле) короткого импульса упругой деформации. В месте расположения поплавка с постоянным магнитом, который скользит вдоль проволоки, в ней под действием магнитострикционного эффекта возникает импульс продольной деформации, распространяющийся по проволоке и фиксируется пьезоэлементом.
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ Лист
9
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Датчики измеряют время, прошедшее с момента формирования импульса тока до момента приема сигнала от пьезоэлемента. Это позволяет вычислить расстояние до местоположения поплавка, определяемого положением уровня жидкости, при известной скорости звука.
Датчики состоят из:
1. ЧЭ (чувствительный элемент);
2. поплавка, скользящего вдоль продетого сквозь него ЧЭ;
3. первичного преобразователя, включающего пьезоэлемент.
ЧЭ включает в себя стальную проволоку (звуковод), которая размещена во фоторопластовой трубке, с намотанной катушкой возбуждения. Катушка располагается в глухом металлическом корпусе из нержавеющей трубы диаметром 14 мм. Для того, чтобы уменьшить трение при скольжении поплавка, на трубу надета фторопластовая трубка с антистаческими свойствами.
2.2 Выбор датчика давленияДля поддержания рабочего давления в сепараторе, необходимо установить датчик давления (PT 5-1). Выбор датчика давления остановлен на Метран-150CG (выбор происходил среди – ОВЕН ПД200-ДИ, Сапфир-22, Метран-150CG). Так как Метран-150CG по всем характеристикам превосходит традиционные датчики давления; имея стандартные присоединительные размеры, Метран-150CG полностью заменяет их.
Таблица 3 – Сравнение датчиков давления
Датчики давления ОВЕН ПД200-ДИ Сапфир-22 Метран-150CG Rosemount 3051
Диапазон измерений 0,004….7 МПа 0…2,5 МПа 0….10 МПа 0…13,7 МПа
Погрешность измерений ±0,1 % ±0,5 % ±0,075% ±0,04%
Диапазон температур измеряемой среды -40…+100°C -30…+50°C -40…+80°С -40…+150°C
Цена от 34 220.00р от 22 560р от 24 886.2р от 44 991,93р
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ Лист
10
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Датчики давления Метран-150CG (в дальнейшем датчики) предназначены для непрерывного преобразования измеряемой величины – давления избыточного, абсолютного, разности давлений – в унифицированный токовый выходной сигнал и/или цифровой сигнал на базе HART-протокола в системах автоматического управления, контроля и регулирования технологическими процессами на объектах АС.
HART протокол может использоваться в различных режимах связи от или к интеллектуальным полевым устройствам и к центральному пульту управления или контролирующего оборудования. Цифровая передача master/slave в сочетании с аналоговым сигналом 4-20 мА очень распространены. В этом режиме, в то время как основной параметр стабильно передает по аналоговой сети 4-20 мА для организации контроля и управления процессом, параллельно дважды в секунду обновляется информация по дополнительным параметрам. HART-протокол предоставляет возможность удаленного конфигурирования и в дальнейшем будет использоваться при масштабировании системы (до полной УКПН).
2.3 Выбор сигнализатора уровняДля контроля предельных уровней был выбран сигнализатор РИЗУР-900 (выбор происходил среди СУР5, РИЗУР-900, Rosemount 5300, VEGASWING 51).
Сигнализаторы уровня Rosemount 2160 СУР-5 РИЗУР-900 VEGASWING 51
Вынос чувствительной зоны до 50 м до 4 м до 6 м (жесткого)
до 20 м
(для гибкого) На любой высоте
Погрешность измерений ± 0,03% ±10 мм ±2 мм ±2 мм
Диапазон температур измеряемой среды -40…+150°C -45…+100°C -60…+150°С -40…+100°C
Температура окружающей среды -40…+80°C -55…+75°C -60…+75°С -40…+70°C
Выходной сигнал постоянного тока 4-20 мА /HART, Foundation Fieldbus, 4…20 мА 4-20 мА 4-20 мА
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ Лист
11
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Сигнализатор уровня и наличия среды ультразвуковой серии РИЗУР-900 предназначен для контроля уровня жидкостей (нефть, вода и другие жидкости) и сыпучих продуктов в открытых или закрытых, в том числе, находящихся под давлением емкостях в технологических установках промышленных объектов химической, нефтехимической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности. Также могут использоваться в качестве индикатора наличия (отсутствия) жидкости в контролируемом объеме на заранее заданной высоте емкости.
Принцип работы основан на определении затухания акустических импульсов в чувствительном элементе (трубка диаметром 16мм), которое увеличивается, если погрузить его в контролируемую среду. Около корпуса располагается пьезопреобразователь, который принимает и генерирует ультразвуковые импульсы.
Сигнализатор имеет светодиодный индикатор, показывающий состояние среды и работу сигнализатора.
Устройство используется как сигнализатор нижнего предельного уровня, когда жидкость в емкости опускается ниже уровня чувствительного элемента. Это изменение фиксируется электронной аппаратурой, которая переключает состояние на выходе.
Если устройство используется как сигнализатор верхнего предельного уровня, жидкость поднимается в резервуаре, контактирует с чувствительным элементом, после чего происходит переключение состояния на выходе.
2.4 Выбор расходомераКонтроль расхода нефти, воды и газа осуществляют расходомеры (FT 3-1, FT 8-1, FT 9-1). Выбор состоял из следующих расходомеров – Метран-350, Метран-370, Rosemount 8700, FLUXUS F808 и был остановлен на Rosemount 8700
Таблица 3 – Сравнение расходомеров
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ Лист
12
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Расходомеры Метран-350 Метран-370 Rosemount 8700 FLUXUS F808
Давление измеряемой среды до 25 МПа до 4 МПа до 40 МПа -
Условный проход 50…2400 15…200 4…900 10…6500
Температура измеряемой среды -40…+400°C -29…+180°C -29…+177°С -30…+60°C
Температура окружающей среды -40…+85°C -40…+65°C -50…+74°C -40…+130°C
Выходной сигнал постоянного тока 4-20 мА /HART, Foundation Fieldbus, WirelessHART 4-20 мА /HART 4-20 мА /HART, Foundation Fieldbus, Profibus PA 4-20 мА /HART, Foundation Fieldbus, Modbus
Погрешность измерений ±0,8 % ±0,5 % ±0,25 % ±1 %
Степень защиты IP68 IP68 IP67 IP68
Расходомер серии Rosemount 8700 – электромагнитный, предназначен для измерения объемного расхода.
Преимущества:
1. Точность измерения
2. Измерение расхода агрессивных сред
3. Низкие потери давления
4. Отсутствие движущихся частей
Принцип работы:
Сенсор расхода, представляющий собой трубу из нержавеющей стали с приваренными к ней фланцами, ставится в трубопровод. На трубе, в свою очередь, установлены две катушки возбуждения и два изолированных от трубы электрода.
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ Лист
13
Изм. Лист № докум. Подпись Дата В проводнике, движущимся перпендикулярно направлению магнитного поля, возникает ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника (ЭДС перпендикулярно, как к направлению движения проводника, так и к направлению магнитного поля).
Магнитное поле формируется катушками возбуждения. Преобразователем при помощи электродов расходомера измеряется разность потенциалов ЭДС.
Измеренная разность потенциалов преобразователем усиливается и обрабатывается, а далее формируется выходной сигнал расходомера.
2.5 Выбор датчика температурыДля предотвращения появления отложений парафинов, замерзания или образования гидратов должен быть установлен датчик температуры (TT 13-1) WIKA TR10-F. Выбор осуществлялся среди следующих датчиков Rosemount 0065, ТХАУ Метран-271, KOBOLD TTL.
Таблица 4 – Сравнение датчиков температур
Датчики температур Rosemount 0065 ТХАУ Метран-271 WIKA R10-F
Диапазон измерений -50…+450°C -40…+600°C -200…+600
Тип сенсора Pt100 Pt100 Pt100
Температура окружающей среды -40…+85°C -40…+65°C -60…+80°C
Выходной сигнал постоянного тока 4-20 мА /HART, Foundation Fieldbus, WirelessHART 4-20 мА 4-20 мА
Погрешность ±0,08°С ±0,5 % ±0,25 %
Степень защиты IP68 IP66 IP68
Принцип измерения основан на зависимости сопротивления металлической проволоки, либо пленки на диэлектрической подложке от температуры.
Pt100 – обозначение термометра сопротивления, где 100 – это 100 Ом при температуре 0°C, а Pt – изготовлен из платины.
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ Лист
14
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 2.6 Выбор исполнительных механизмовИсполнительное устройство - устройство в АСУ, реализующее управляющие воздействия c регулятора на объект управления, перемещая регулирующий орган.
Для стабилизации регулируемой величины нужно менять процесс в требуемом направлении. С помощью регулирующего воздействия исполнительного устройства.
В роли исполнительного механизма будет использован регулирующий клапан с электроприводом из каталога продукции компании «Авангард».
Для выбора регулирующего клапана необходимо определиться с его параметрами – материалом корпуса, температурой рабочей среды, температурой окружающей среды, типом конструкции, ходом штока и пропускной способностью.
Материал корпуса подбирается исходя из рабочей среды. В данном случае рабочие среды – нефть, вода и газ, соответственно материалом выступит легированная сталь.
Таблица 5 – Технические характеристики регулирующего клапана
Техническая характеристика Значение
Корпус Легированная сталь
Рабочее давление, МПа До 4 МПа
Температура рабочей среды, ºC -60…150
Температура окружающей среды, ºC -60…50
Присоединение Фланцевое
Для того, чтобы управлять клапаном был подобран электропривод Regada ST1 из того же каталога, что и регулирующий клапан. Технические характеристики электропривода представлены в таблице 6:
Таблица 6 – Технические характеристики электропривода
Техническая характеристика Значение (при различных вариантах исполнения)
Рабочий ход, мм 8…80
Скорость управления, мм/мин 8…80
Напряжение питания 230В, 50Гц
Температура окружающей среды -25…+55°C
Степень защиты IP67
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ Лист
15
Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЗаключениеРезультатом выполнения работы стала система автоматизированного управления нефтегазовым сепаратором. При выполнении выпускной квалификационной работы были разработаны функциональная и структурная схемы автоматизации (для определения состава необходимого оборудования, количества каналов передачи данных и сигналов), схемы информационных потоков и соединений внешних проводок. Был изучен технологический процесс работы НГСВ 1.6 – 3400 на УКПН.
Для обеспечения автоматизированной системы были выбраны КИП и исполнительные устройства: Метран-150CG, Rosemount 8700, WIKA TR10-F, РИЗУР-900, ДУУ2М, Клапан регулирующий односедельный компании «Авангард».
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Разраб. Георгиев Заключение
Лит. Лист Листов
Провер. Тушакова 1 Филиал ТИУ в г. Тобольске группа АТПбз-17-1
Н. Контр. Утверд. Список использованной литературы1 Датчики уровня ДУУ2М [Электронный ресурс] Режим доступа: http://albatros.nt-rt.ru/images/manuals/ATS_DUUM/ATS_DUU2M_RE.pdf
2 Клюев А. С., Глазов Б. В., Дубровский А. Х., Клюев А. А.; под ред. А.С. Клюева. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: справочное пособие.
3 Нефтегазовая микроэнциклопедия. Краткий электронный справочник по основным нефтегазовым терминам с системой перекрёстных ссылок [Электонный ресурс] Режим доступа: http://www.club-gas.ru/_ld/6/621__-__.pdf
4 Нефтегазовые сепараторы со сбросом воды НГСВ [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.tehnoeo.ru/product/separ/separato2/
5 Уровнемеры Rosemount [Электронный ресурс] Режим доступа: http://rosemeter.nt-rt.ru/images/showcase/04_RSE_LEVEL_SC.pdf
6 Комиссарчик В.Ф. Автоматическое регулирование технологических процессов: учебное пособие. Тверь 2001. – 247 с.
7 Емкостной уровнемер со стержневым зондом для непрерывного измерения уровня [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.vega-rus.ru/upload/iblock/633/34602-RU-VEGACAL-62-4-20-mA-HART Zweileiter.pdf
8 Громаков Е. И., Проектирование автоматизированных систем. Курсовое проектирование: учебно-методическое пособие: Томский политехнический университет. — Томск, 2009.
КР.15.03.04.623.2021.00.ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Разраб. Георгиев Список использованной литературы
Лит. Лист Листов
Провер. Тушакова 1 Филиал ТИУ в г. Тобольске группа АТПбз-17-1
Н. Контр. Утверд. 329107710200859
-2144-723091800