Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство энергетики Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Нижневартовский нефтяной техникум

Курсовой проект

по предмету: АСУ ТП

на тему: Автоматизация газоманифольда куста нефтедобычи

по специальности: 2101 « Автоматизация технологических процессов и производств»

Студента очного отделения

Группа: 0А0-00

Иванов Иван Иванович

Нижневартовск 2004 г.

Введение

Нефтедобыча- это основная отрасль развития экономики России и других государств. Это отрасль требует больших капиталовложений, материальных ресурсов, прежде чем будет получена прибыль от добытой нефти. Поэтому сокращение затрат на добычу 1 т. нефти - это основная задача НГДУ. Самое главное поддерживать дебит скважин. По мере эксплуатации дебит жидкости падает, так как уменьшается пластовое давление. Чтобы поддерживать его (пластовое давление) необходимо закачивать в пласт воду. Другие способы - это механизировать добычу. Для этого применяют насосы ( ЭЦН- электрический центробежный насос, ШГН- штанговый глубинный насос), газлифтный способ добычи.

Данный проект отражает принцип газлифтной добычи и автоматизацию этого способа. нефтедобыча газ автоматизация

Основной принцип - закачивается газ (попутный) в затрубное пространство скважины. Выходит газ по эксплуатационной трубе, захватывая из пласта нефть. Основная задача АСУ ТП в работе газомонифольда- оптимизировать подачу газа в пласт. Большой или маленький расход закачиваемого газа, это не рационально добытая нефть. Необходимо закачивать газ с таким расходом, чтобы добытая нефть была наибольшей на единицу расхода газа, т.к. за газ надо платить Компрессорной Станции. Эту задачу выполняет автоматика ГРМ и БТМА.

1. Исходные данные

1.1 Структурная схема куста нефтедобычи

Структурная схема куста нефтедобычи представлена на листе «Система управления кустом нефтяных скважин».

На схеме наглядно представлены все скважины по типу добычи.

Скважина номер №1 - газлифтная. Газораспределительный блок называют газомонифольд (далее ГРМ). В ГРМ подается газ под высоким давлением 10,5МПа с КС (компрессорная станция). На компрессорной станции газ осушается, очищается и по трубопроводу подается в Газораспределительные монифольды.

Газ подается с Газораспределительного монифольда в затрубное пространство скважины. Из скважины, добытая газонефтяная смесь подается в АГЗУ «Спутник», где происходит сепарация и замер добытой нефти, которая уходит в сборный коллектор. Далее номер скважины, замеренный дебит нефти, количество (расход) закаченного газа в пласт из Блока Контроля и Управления передаются по линии связи на верхний уровень управления ДП (диспетчерский пункт), РИВЦ (районный вычислительный центр), сервер и т. д.

Скважина номер №2 - глубинно-насосная (ШГН -штанговый глубинный насос). Глубинный насос, установленный на глубине уровня нефти, приводится в работу станком-качалкой. Добытая нефть подается в АГЗУ «Спутник», сепарируется, замеряется и уходит в коллектор сборный. Далее замеренный дебит и номер скважины передаются на верхний уровень.

Скважина номер №3 - глубинно-насосная (ЭЦН - электрический центробежный насос). Глубинный насос, установленный на глубине уровня жидкости, приводится в работу 3х фазным напряжением. Добытая нефть подается в АГЗУ «Спутник», сепарируется, замеряется и уходит в коллектор сборный. Далее замеренный дебит и номер скважины передаются на верхний уровень.

Скважина номер №4 - нагнетательная. С Водораспределительного блока в скважину подается вода под большим давлением, для создания пластового давления, которое поддерживает работу других фонтанных скважин. В Водораспределительном блоке, на 4х отводах установлены четыре датчика расхода воды типа ДРС, задача которых контролировать расход (приемистость скважин). Замеренный дебит воды передается в Блок контроля и управления и далее на верхний уровень по линии связи (по радиосвязи) на ДП (диспетчерский пункт).

На Диспетчерском пункте идет обработка всех данных, производится анализ этих данных и делается вывод о работе технологического оборудования об оптимальности режима эксплуатации механизированной, газлифтной, водяной скважин. При необходимости меняются параметры работы технологического оборудования для достижения оптимального режима добычи нефти.

Блоки Дозирования реагентов №1 и №2 необходимы для подачи реагента и трубопроводы газомонифольда. Реагент служит для предотвращения появления конденсатных пробок.

Трансформаторная подстанция - для питания приборов, электроустановок, отопления и освещения технологических блоков.

1.2 Технология распределения газа

Распределение газа по выходным линиям производится в технологическом блоке распределения газа ГРМ. В блоке ГРМ

есть «вход газа». Газ проходит через шаровой кран с электроприводом (MOV) на распределительный коллектор. Перед MOV контролируется входное давление газа. После MOV установлены термометры температуры показывающий и дистанционный (электронный). Далее установлена диафрагма, подключенная к датчику расхода газа для контроля суммарного расхода газа по всем скважинам.

К распределительному коллектору подключено восемь газовых линий, по которым газ подается в скважины с 1 по 8 . Все линии абсолютно одинаковы, и поэтому нет смысла повторяться, а достаточно описать лишь первую линию. На первой линии установлен шаровой кран 2. После шарового крана установлена диафрагма к которой подключен датчик расхода для контроля расхода газа по линии №1. Далее установлен регулирующий клапан с электроприводом, который регулирует расход газа по линии №1 по команде с второго уровня автоматизации. После регулирующего клапана установлены манометры (показывающий и дистанционный) для контроля давления на устье скважины и режима закачки. На выходе газовой линии №1 установлен шаровой кран для технологического ремонта. Также, для технологического ремонта, предусмотрена байпасная линия или линия на свечу.

В ГРМ проложены две линии для подачи реагента до регулятора расхода и после. На каждой линии установлены технологические манометры и микрофильтры.

В ГРМ установлена вентиляторная установка, которая включается от датчика загазованности и в ручном режиме с блокировкой на открытие двери.

В ГРМ установлены обогреватели электрические и осветительная арматура.

1.3 Характеристика технологического оборудования

1. Буквенное и цифровое обозначение, записываемое в кружке, символизирует схему измерения в технологической схеме процесса, или же рядом с чертежном обозначением, которое служит для идентификации оборудования управления процессом схем измерения или регулирования.

2. Первая цифра проектного обозначения указывает на то, что измерительная схема к какому технологическому узлу относится.

3. устройство распределения газа

4. блок водораспределения

5. блок дозирования реагента

6. нефтяные скважины

7. АГЗУ «Спутник»

8. трансформаторная подстанция

9. блок управления

Вторая цифра проектного обозначения указывает на измеренный параметр:

1. температура

2. давление

3. количество (дебит)

4. уровень

5. газовая опасность

6. сигнализация, управление

7. электроснабжение

8. электроснабжение

Третья цифра проектного обозначения указывает на число ответвления скважин у устройства ГРМ

Первая буква в проектном обозначении схем измерения, регулирования, управления, сигнализации обозначает измеренный параметр.

Использованные буквы и их значение:

Е- электрический параметр

F- расход, количество

Р- давление

Т- температура

Q- анализ

G- сигнализация положения, управление

S- управление, сигнализация

Y- распределение питания

Остальные буквы проектного обозначения обозначают функции измерительной схемы и схемы регулирования:

Е- оценка

А- сигнализация, аварийная сигнализация

С- регулирование

I- показывание

R- регулирование

Q- вычисление

S-блокировка

Входной отсекающий клапан (1шт.) на входе ГРМ GZA169 с электроприводом, а также с переключением «ручной» - « автомат» и указателем положения «открыт» - « закрыт» типа MOV с рабочим давлением до 16.0МПа с ВЗО тип 20571 A KT I -Ex -взрывозащищенная оболочка, 380 В.

Регулирующие клапана (8шт.) с электроприводом на выходных линиях FIRC 131- FIRC 138 тип FCV c рабочим давлением до 16,0МПа с ВЗО тип 20571 A KT I -Ex - взрывозащищенная оболочка, 220V.

Технологические манометры с пределом шкалы до 160кгс/см2 с обозначеним на схеме PI 120 - PI 129.

Электрические датчики давления PR 121- 129 МИНИТРАН 3119 взрывобезопасного исполнения, напряжение питания 18-45 В, выходной сигнал 4 - 20мА, рабочее давление до 16,0МПа

Электрические датчики перепада давления (расхода газа) FIRC 131 -FIRC 139 тип KAR- TRAN , вид защиты Ex des IIB T6, напряжение питания 14-45 В, помещение В-1А, выходной сигнал 4---20мА, рабочее давление до 16,0МПа

Электрический двухпроводный датчик температуры ТR 119 завода MMG AM, взрывозащищенная оболочка, напряжение питания 18-45 В, выход 4--20мА.

Все вентиля, клемные коробки, шаровые краны рассчитаны на рабочее давление до 16,0МПа.

Все электрооборудование имеет защиту- взрывобезопасная оболочка.

1.4 Параметры автоматизации

Основной параметр автоматизации в ГРМ- это автоматическая регулировка расхода газа по линиям до заданной уставки. Уставка определяется расчетным путем технологом нефтепромысла. Уставка - это например 1800м3/в сут. Этот параметр регулируют регуляторы расхода FCV по команде с терминала до равенства расхода газа по линии с ее установочном расходом.

Параметр - расхода газа по линиям контролируется терминалом. Этот контроль обеспечивают датчики расхода газа, установленные на линиях 1-8, 9. Выходной сигнал 4--20мА.

Параметр - давление газа на линиях ГРМ и на входе ГРМ контролируется терминалом для оценки режима закачки газа, контроля аварии в ГРМ. По высокому или низкому давлению терминал дает команду на закрытие регуляторов FCV и MOV. Выходной сигнал датчиков 4--20мА.

Параметр - загазованность в ГРМ контролируется детектором загазованности QISA 150. Терминал контролирует загазованности в ГРМ. При 10% НПВ (нижний предел взрываемости) концентрации включается вентилятор, и если концентрация доходит до 60%НПВ - дается команда на закрытие регуляторов и МОV и блокируется открытие входной двери.

Параметр температура в помещении ГРМ контролируется терминалом. При понижении температуры ниже -20 С , терминал прекращает регулирование по скважинам.

2. Техническая часть

2.1 Выбор и обоснование выбора средств автоматизации

К эксплуатации во взрывоопасных зонах допускаются электро-оборудование (машины, аппараты, устройства), контрольно-измерительные приборы, электрические светильники, средства блокировки, телефонные аппараты и сигнальные устройства к ним, устанавливаемые во взрывоопасных зонах 0, 1, и 2, должны быть выполнены во взрывозащищенном исполнении и иметь уровень взрывозащиты не ниже для данной зоны, вид взрывозащиты - соответствовать категории и группе взрывоопасной среды.

На каждый тип взрывозащищенного электрооборудования зарубежного производства должно предоставляться свидетельство (сертификат) Российской испытательной организации о его соответствии действующим в Российской Федерации нормативным требованиям в условиях его эксплуатации во взрывоопасной зоне. На применение такого оборудования должно быть разрешение Госгортехнадзора России.

Стандарты, использованные при разработке проектной документации:

- стандарт СЭВ 1635-70. Унифицированная международная система контроля, регулирования и управления (УРС). Общие технические требования:

- стандарт СЭВ 1708-79. Метрология. Общие требования к государственным испытаниям и типовой аттестации измерительных средств.

- ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и прочие технические изделия. Исполнения, принимающие во внимание различные климатические условия. Зачисление в категории, принимающие во внимание факторы климатической среды, условия эксплуатации, хранения и транспортирования.

- отраслевой стандарт ОСТ 16-0689.003-71. Взрывоопасное электрическое оборудование. Выбор заграничного электрического оборудования и их использование в взрывоопасной среде сооружений.

Венгерский стандарт MZA172. Правила по защите от прикосновения сильноточного электрического оборудования с напряжением не более 100В.

Венгерский стандарт MSZ1600. Правила по технике безопасности установки сильноточного электрического оборудования с напряжением не более 1000В.

Венгерский стандарт MSZ 4814. Взрывоопасные электрические изделия.

Регулирующие клапаны.

Применяются два типа клапанов: с малым седлом, имеющие линейную характеристику.

Этот тип применяется при расходах от 900 до 18000м3/сут.

Как следует из характеристики, одинаковые воздействия на клапан приводят к одинаковым изменениям расхода на всем диапазоне работы клапана с большим, седлом имеющим экспоненциальную характеристику.

Этот тип применяется при расходах от 54000 до 108000м3/сут.

Как следует из характеристики, одинаковые воздействия на клапан приводят к различным изменениям расхода на всем диапазоне работы клапана.

2.2 Функциональная схема автоматизации

Функциональная схема автоматизации представлена в графической части. Она представляет собой расположение приборов КИП и А на технологическом оборудовании ГРМ.

Входной отсекающий клапан (1шт.) на входе ГРМ GZA169 с электроприводом, а также с переключением «ручной» - « автомат» и указателем положения «открыт» - « закрыт» типа MOV с рабочим давлением до 16.0МПа с ВЗО тип 20571 A KT I -Ex -взрывозащищенная оболочка, 380 В. В процессе работы управляется в местном режиме автоматическим регулятором ASM, и телемеханикой АСУ ТП (терминалом RPT-80? SLC-500).

Регулирующие клапана (8шт.) с электроприводом на выходных линиях FIRC 131- FIRC 138 тип FCV c рабочим давлением до 16,0МПа с ВЗО тип 20571 A KT I -Ex - взрывозащищенная оболочка, 220V. В процессе работы управляется в местном режиме автоматическим регулятором ASM, и телемеханикой АСУ ТП (терминалом).

Электрические датчики давления PR 121- 129 МИНИТРАН 3119 взрывобезопасного исполнения, напряжение питания 18-45 В, выходной сигнал 4 - 20мА, рабочее давление до 16,0МПа. В процессе работы контролируются в местном режиме Регистратором, индикатором и телемеханикой АСУ ТП (терминалом).

Электрические датчики перепада давления (расхода газа) FIRC 131 -FIRC 139 тип KAR- TRAN , вид защиты Ex des IIB T6, напряжение питания 14-45 В, помещение В-1А, выходной сигнал 4---20мА, рабочее давление до 16,0МПа. В процессе работы контролируются в местном режиме Регистратором, индикатором ASM и телемеханикой АСУ ТП (терминалом).

Электрический двухпроводный датчик температуры ТR 119 завода MMG AM, взрывозащищенная оболочка, напряжение питания 18-45 В, выход 4--20мА. В процессе работы контролируются в местном режиме Регистратором, индикатором и телемеханикой АСУ ТП (терминалом).

2.3 Схема внешних соединений

Схема внешних соединений представлена на чертеже в графической части проекта.

Во взрывоопасных зонах любого класса применение неизолированных проводников запрещается.

Во взрывоопасных зонах класса В-1, В-1а должны применяться провода и кабели с медными жилами.

Кабеля с полиэтиленовой оболочкой запрещены к применению во взрывоопасной зоне. Поэтому все кабеля внешних соединений технологических объектов на нефтяном кусту должны быть типа КВВГ, т.е. с медными жилами. Все кабеля, как силовые, так и контрольные проложены на эстокаде, кабели не должны иметь повреждения ни верхней оболочки ни бронезащиты. Кабель должен быть цельным и не иметь переходных коробок без взрывозащиты. В процессе эксплуатации контролируются вся кабельная продукция на целостность, на петлю фаза-нуль, заземление экранов кабеля.

Во взрывоопасных зонах любого класса подлежат заземлению все электрические аппараты и приборы при всех напряжениях переменного и постоянного токов.

Нулевые защитные проводники во всех звеньях сети должны быть проложены в общих оболочках, трубах, коробках пучках с фазными проводниками.

2.4 Схема АСУ ТП первого уровня

Схема АСУ ТП первого уровня представляет собой: приборы КИП и А, установленные в ГРМ на распределительной трубной и вентильной арматуре, контролирующие технологический процесс закачки газа в скважину и их связь с приборами КИП и А, установленные в БТМА (блок телемеханики и местной автоматики).

- Приборами местной автоматики являются:

- показывающие приборы (мА, мВ);

- регистратор R, многоканальный;

- автоматический регулятор ASM;

- терминал RPT-80 или контроллер SLC-500 Alen Bredlu;

Показывающие приборы представляют собой миллиамперметры с прямой шкалой, показывающие температуру помещения, газа, давления на линиях и в общем (входном) коллекторе.

Регистратор многоканальный предназначен для контроля и записи измеренных параметров на перфоленту в пределах 4-20 мА:

- расхода газа по 1-8 линиям ГРМ;

- по входному коллектору;

- температуры газа;

- давления по 1-8 линиям ГРМ;

Автоматический регулятор расхода газа предназначен для контроля:

- расхода газа;

- и управления регуляторами расхода FCV 1-8 (дает команду «открыть» или «закрыть»);

установленного значения расхода газа по линии ГРМ.

Автоматический электронный регулятор ASM имеет два входных канала 4-20 мА, На лицевой части расположен диск для ручной установки процентной шкалы - для задания % открытия регулятора (или, иначе называя - расход по линии). На лицевой части расположены также кнопки управления «автоматический» - «ручной» режим управления регулятором, кнопки «открыть» - «закрыть» регулятор в «ручном» режиме, необходимые для оперативного вмешательства оператора. На лицевой части расположена светодиодная индикация положения регулятора от на шкале «открыто» до «закрыто).

На лицевой части расположена светодиодная индикация соответствия установочного значения расхода с закачиваем расходом по линии ГРМ. При равенстве уставки и расхода - в середине светодиодной шкалы должен гореть зеленый светодиод. Также расположены регуляторы Хр (чувствительность) и Хн (процент разброса от (уставки» до 5%), устанавливающие пределы разброса значений.

Автоматический регулятор имеет релейный выход на открытие или закрытие регулятора.

Терминал RPT-80, или SLC-500 Alen Bredlu выполняет функцию автоматического контроля и управления режимом работы ГРМ. Осуществляет регулирование расхода газа по линиям, согласно установочному расходу «уставке», ведет контроль за давлением, температурой, загазованностью в ГРМ и несанкционированного доступа в ГРМ. На представленной мнемосхеме показано, какие параметры передает терминал на верхний уровень:

По общему коллектору:

Р=127,9 кгс/см2- наибольший предел

Q=143794 -расход газа по общему коллектору

P=128,1 кгс/см2- рабочее общее давление

По первой линии скважина№699:

Q=12800,2 m3/сут -расход по линии №1 скважина№699

Q=11000,0 m3/сут - «уставка» по линии №1

V- галочка над клапаном, значит регулятор расхода в работе

Р= 77,9 кгс/см2 - давление после регулятора расхода

И так далее показана информация по остальным линиям мнемосхемы.

Описание работы схемы АСУ ТП первого уровня.

На схеме показано, что газ проходит через датчик расхода Т и регулятор расхода SZ. Датчик расхода выдает рабочий ток (от 4-20м) пропорционально измеренному расходу газа. Этот ток проходит через регистратор R. В регистраторе фиксируется на перфоленту и далее на ASM. После ASM через нагрузочный резистор 50 Ом ток возвращается к датчику расхода. С нагрузочного резистора на терминал подается напряжение (мВ), пропорциональное расходу газа в линии. В ASM происходит сравнение измеренного тока с установленным током. Если есть разница, то выдается сигнал на «закрытие» или «открытие» регулятора расхода SZ, и это в том случае, если ASM работает в автоматическом режиме. Включение в работу ASM осуществляет терминал по команде «терминал управляет». Если ASM не в работе, то терминал производит сравнение и сам управляет регуляторами расхода.

3. Расчетная часть

3.1 Расчет САР расхода газа

+24В -24В -24В

Уставка

открыть

закрыть

Рис. 1.

Нарисуем функциональную схему САР регулирования расхода газа в ГРМ.

Участок от регулятора до датчика расхода газа называется каналом регулирования.

Функциональной схемой называется графическое изображение совокупности функциональных блоков и связей между ними, образующих САР.

Направление стрелок соответствует направлению воздействия одного функционального блока на другой. Над стрелками пишут обозначение технологических параметров - расхода газа Q, Qз,Qр, Хр. Стрелки, входящие в элементы системы, называются входами, а параметры, которые они отражают, - входными; стрелки, выходящие из элементов, - выходами, а параметры - выходными. Входом функционального блока называются цепи, на которые подается воздействие извне; выходом - цепи, которые непосредственно воздействуют во вне. Так выход канала регулирования расхода газа Q одновременно является входом первичного преобразователя расхода газа Q. Выход датчика расхода является входом объекта сравнения и регулирования. Выход объекта сравнения Qр является входом регулирующего органа. Выход регулирующего органа Хр называется регулирующим воздействием, Выход канала регулирования - регулируемым параметром. Вся схема в целом отражает структуру взаимодействия элементов системы и называется функциональной схемой.

Для регулирования расхода газа применяется регулятор непрямого действия, а электроприводной.

Рассмотрим его принцип действия. С изменением расхода газа на величину Qр, объект сравнения замыкает разные контакты в зависимости от направления его изменения, что определяет направление вращения двигателя. Далее механическая система превращает вращательное движение якоря двигателя в поступательное движение штока клапана.

Диафрагма

Измеренное значение расхода Q=12000

Qз=11000

Xp Qp

Сигнал рассогласования

Qр= Qз-Q= - 1000

X

Рис. 2 Сигнал рассогласования

Вся система регулирования состоит из трех основных элементов: первичного измерительного преобразователя, объект сравнения и управления и объект регулирования.

Рассмотрим принцип действия обратной связи. Предположим, что возмущением служит изменение подачи газа Q =12000. Увеличение расхода обозначим «+», т.е. положительное возмущение, а уменьшение обозначим « _». Увеличим расхода газа через регулирующий клапан на Qp= +1000. Чтобы вернуть расход в исходное положение, регулятор должен уменьшить расход газа через клапан на -Q p= -1000, тогда в объекте сравнения на выходе сигнал будет равен 0, т.е. (+1000)+(-1000)=0.

Это означает, что приращение (изменение расхода) равно нулю, т.е. расход вернулся к первоначальному значению. Регулятор инвертирует знак приращения и тем самым осуществляет отрицательную обратную связь.

При всех внешних и внутренних возмущениях регулируемый параметр возвращается регулятором к первоначальному значению. При изменении задания Qз будет автоматически устанавливаться новая величина регулируемого параметра Q.

Разница между заданным и действительным значениями регулируемой величины называется рассогласованием или ошибкой: Qp=Qз-Q.

Поведение системы в интервале времени, когда Qp не =0, и характер факторов, влияющих на это поведение, называется динамическими свойствами замкнутой системы, а график изменения параметров системы и ее элементов во времени называется динамической характеристикой.

Увеличим расход газа на входе с помощью клапана и характер изменения расхода изобразим графически (рис.3,а)

По оси абсцисс отложим время (сек.), на оси ординат - расход газа в м3/сут.

До момента изменения Qз расход газа на выходе равен 11000м3/сут. В момент времени t=20с изменим скачком расход газа на входе с 11000 до Qз=12000м3/сут.

Увеличением Qз расход газа начинает расти с 11000 и выше до 12000 по кривой. В момент, когда расход на выходе , увеличиваясь, станет равным Qз регулирование прекратится. Система перейдет в новое устойчивое состояние. Характер перехода системы из одного устойчивого состояния в другое определяется динамическими свойствами объекта.

Q,м3/сут Qз Qз=Q

12000

11000

Qз=Q Q

10000

10 20 30 40 50 60 t, c

Рис. 3а

см

Ход клапана

4

2

0 10 20 30 40 50 60 t, c

Рис.3б

Qз Регулятор расхода Q

+ + +

Рис.3 в

На рис 3а,б представлены график изменения параметров и разгонная характеристика регулятора.

Кривая перехода технологического параметра из одного устойчивого состояния в другое при ступенчатом возмущении называется разгонной (переходной) характеристикой регулируемого параметра. А свойство системы достигать устойчивого состояния после приложения длительного возмущения называется самовыравниванием.

Если параметры процесса изобразить кружками, а влияние параметров друг на друга - стрелками, то получим диаграмму прохождения сигнала (Рис3 в), которая вскрывает природу саморегулирования динамической системы.

На диаграмме прохождения сигнала видна отрицательная обратная связь, осуществляющая самовыравнивание. Совокупность прямой цепи и обратной связи называется контуром.

На рис. 3в представлена диаграмма прохождения сигналов.

Наличие отрицательного контура всегда характеризует стабилизирующие свойства системы.

Построение разгонной и временной характеристик.

За начало отсчета времени принимают момент внесения возмущения, а за начало отсчета - расход до внесения возмущения, то есть разгонная характеристика переносится в начало координат. Затем несколько текущих значений расхода, соответствующих точкам 1-5, делят на числовые значения возмущения (500 м3/сут).

Полученная таким образом характеристика (Рис4,в) обозначается h(t) и называется временной. Она представляет собой кривую изменения выходной величины объекта во времени, полученную в результате единичного входного ступенчатого возмущения при условии, что до момента приложения этого возмущения система находилась в покое.

см

1

0,5

0 10 20 30 40 50 60 t, c

Рис.4,а

м3/сут

1000

500

0 10 20 30 40 50 60 t, c

Рис.4,б

h(t), см/(м3/сут)

1

0,5

0 10 20 30 40 50 60 t, c

Рис.4, в

Данная САР работает по пропорциональному закону регулирования. Перемещение Хр регулирующего органа пропорциональна отклонению регулируемой величины Q от заданного значения Qз, т. е. пропорционально рассогласованию Qр. Сигнал на выходе регулятора Хр=КрQр=Кр (Q-Qз), где Кр - коэффицент усиления регулятора.

Регулятор, осуществляющий П- закон регулирования, называется пропорциональным регулятором(П-регулятором). Динамические характеристики П- регулятора однозначно соответствуют характеристикам безинерционного звена:

м3/сут

11000

5500

0 10 20 30 40 50 60 t, c

Рис. 5

С изменением Кр изменяются динамические свойства и характеристики замкнутой системы. Если Кр=0, т.е. обратная связь разорвана, то при ступенчатом изменении Qз регулируемая величина будет изменяться по кривой, соответствующей разгонной характеристике объекта (Рис.6)

При увеличении коэффициента регулятора до величины Кр установившееся значение кривой разгона уменьшится и станет равным О1.При дальнейшем увеличении коэффициента усиления регулятора отклонение регулируемой величины от заданной будет уменьшаться.

При значительном увеличении коэффициента усиления регулятора переходной процесс регулируемой величины приобретает колебательный характер, но по окончании переходного процесса регулируемая величина всегда не равна заданной - существует некоторая ошибка (О1,О2,О3). Эта ошибка получила название статической ошибки регулирования.

м3/сут

Кр=0

Кр=0,5

О1 О0

Кр=0,8

О2

Кр=1

Qз =11000

0 О3 t, c

Динамическая ошибка

Рис.4,б

Регулятором называется совокупность регулирующего прибора и исполнительного механизма. Зная динамические характеристики исполнительного механизма, подобрать динамические характеристики корректирующих звеньев так, чтобы динамические характеристики регулятора воспроизводили требуемый закон регулирования.

Динамические характеристики исполнительных механизмов могут быть аппроксимированы характеристиками интегрирующего звена и пропорционального. К первым относятся исполнительные механизмы с электродвигателями, имеющими постоянную скорость перемещения регулирующего органа (сервомотор).

Исполнительный механизм имеет временную характеристику интегрирующего звена рис.7. Наше интегрирующее звено охвачено обратной отрицательной связью и имеет свойство инерциального звена с постоянной времени.

Тр = 1/(см*Кус*Ко.с);

И коэффициентом усиления:

Кр = 1/Ко.с;

где см - коэффициент передачи исполнительного механизма равный 0,85 для сервомотора; Кус - коэффициент усиления усилителя в прямой цепи регулятора равный 2; Ко.с - коэффициент усиления обратной связи равный 1/7. Тр = 4,2 сек.

С увеличением Кус уменьшается Тр. В регуляторах Кус можно считать бесконечно большим (Кус - бесконечность) по этому постоянная времени Тр равно нулю, т.е. временная характеристика сервоматора, охваченного обратной связью (рис.8) приобретает вид динамической характеристики без инерционного звена с коэффициентом усиления всей схемы:

Кс = 1/Ко.с*1/Ко.с;

эту величину называют степенью обратной связи, а без инерционную обратную связь жесткой обратной связью:

Хр,см

7

Кр

А)

Тр =4.2с Т

Хр,см

7

Кр

Б)

Тр = 0с Т

Рис. 8 а) временная характеристика сервоматора, охваченного обратной связью; б) временная характеристика сервоматора, охваченного обратной связью при Ку.с.

Критерием устойчивости являются условия, при которых данная система является устойчивой. От системы регулирования отключим отрицательную обратную связь и подключим генератор синусоидальных колебаний:

Q

90 270

180

t

Х

Т=3мин t

Рис.9 - Критерий устойчивости: сдвиг между входными и выходными колебаниями.

Замкнута система автоматического регулирования будет находится на границе устойчивости, если в разомкнутой системе сдвиг по фазе составляет 180 (() = 180) и отношение амплитуды равно единицы (А() = 1).

Рассмотрим эти условия на графиках амплитудно-фазовых частотных характеристик. Для построения точки частотной характеристики разомкнутой системы, соответствующей границе устойчивости замкнутой системы, построим вектор под углом 180 (рис.10)

IJ()

(А() = 1)

-1 +1 R()

()=180

Рис. 11 - АФЧХ системы на границе устойчивости.

Если амплитудно-фазовая частотная характеристика разомкнутой системы не охватывает тачки с координатами - 1; i0, то после замыкания этой системы отрицательной обратной связью она будет устойчива.

Критическая частота кр = 1/7мин в наше САР равна отношению единицы к периоду хода регулятора. Это частота при которой система находится на границе устойчивости. Кр, кр - критически коэффициент усиления регулятора, при котором система вышла на границу устойчивости (Кр. Кр = 0,25).

Критерии выбора оптимальных параметров настройки:

Оптимальными параметрами настройки замкнутой системы автоматического регулирования называются значения коэффициента усиления регулятора Кр и времени изодрома Тиз при которых переходный процесс соответствует одному из следующих критериев: степень затухания равна = 0,9 или 0 75; площадь под кривой переходного процесса минимальна.

Наиболее общим критерием оптимальности, получившим широкое распространение, является критерий минимума площади под кривой переходного процесса (на рис. 58 -- заштрихованная площадь).Физически величина площади под кривой переходного процесса будет определяться величиной отклонения регулируемой величины от заданного значения временем, в течение которого это отклонение существует. Когда для технологического процесса важна стабилизация регулируемой величины за заданное время, в качестве критерия выбирают степень затухания переходного процесса. В большинстве других случаев оптимальными считаются настройки, при которых площадь под кривой переходного процесса (динамическая ошибка АСР) минимальна. Как уже отмечалось (см. рис. 56, д), с уменьшением динамической ошибки длительность переходного процесса Т растет. Оптимальный переходный процесс требует минимизации одновременно динамической ошибки времени переходного процесса. Минимизация площади переходного процесса позволяет объединить эти два показателя качества переходного процесса в один - минимум площади. На рис. 59 даны переходные процессы системы с ПИ-регуляторомв плоскости параметров настройки системы кр. и Т. Из рисунка видно, что при постоянном значении Т„, (например, T„, = 10 мин)и увеличении кр. (кр -- -- 0,5; 1,1; 3; 5; 6,8) переходный процесс меняется от апериодического (при кр = 0 5; 1,1) до границы устойчивости (кр ---- =6,8). При этом площадь S под кривой переходного процесса сначала уменьшается от 336 до 52, а затем снова увеличивается: S = 56; 8 =.

Аналогично меняется площадь и при уменьшении времени изодрома (от 10 до 0,8 мин) и неизменном кр. Например, при кр -- -- 0,5 площадь уменьшается с S = 336 до S = 109, а затем увеличивается с 8 = 109 до 8 = 135; 8 = оо. Оптимальные параметры настройки кр. „, и Т„.,, соответствуют переходному процессу с минимальной площадью. В нашем примере минимальная площадь (S = 45) получена при настройках кр,, ---- 3; Т„,,, = 4,5 мин.

Для расчета устойчивости САР расхода газа возьмем для примера действующую скважину №699 куста 40б Самотлорского месторождения.

Данные для расчета.

1) Уставка 11000м3/сут.

2) Диаметр диафрагмы d=20мм, следовательно «Максимальный расход диафрагмы» по таблице равен 43176 м3/сутки.

3) «Коэффицент контроля регулирования 1» 0,005

4) «Коэффицент контроля регулирования 2» 0,005

5) «Время для контроля регулирования» 3 мин.

6) Максимальное время воздействия на клапан tmax=300 мкс

7) Минимальное время воздействия на клапан tmin=20 мкс

8) Отклонение расхода от уставки в соседние циклы замера Е=250, 300, 750 нм3/сут

9) Пропорциональный коэффицент регулирования Кр=0,0006 мс/нм/сут

10) Интегральный коэффицент регулирования Кi=0,024 мс/нм/сут

При регулировании расхода газа по линиям контроллер работает по следующему алгоритму:

Если расход не отличается от уставки (в зависимости от текущего порога давления) более чем на величину, определяемую умножением параметра «Максимальный расход диафрагмы» на параметр «Коэффицент контроля регулирования 1» считается, что скважина работает в нормальном режиме и необходимости регулирования нет.

Qmax * K= 43176 * 0,005=215,88

Как видим наши отклонения Е больше по абсолютной величине и необходимость регулирования появилась.

Если расхождение между расходом и уставкой превышает расчетную величину (215,88), проверяется, что данное расхождение действительно в течении времени, определяемое в контроллере как параметр «Время для контроля регулирования» = 3мин. Если нет - считается, что скважина работает в нормальном режиме и необходимости регулирования нет.

Производится расчет времени воздействия на регулирующий клапан:

t =Ki x En - (En -En…) x Kp или

t= (Ki + Kp) x En - Kp x En-1

t= (0,024+ 0,0006)*11250 - 0,0006* 11000= 270,15 мс

t= (0,024+ 0,0006)*11300 - 0,0006* 11000= 270,3 мс

t= (0,024+ 0,0006)*11750 - 0,0006* 11000= 280,65 мс

Из расчетов видно, что чем больше отклонение от установочного расхода, тем больше время воздействия на регулятор ( в данном случае на закрытие). Следовательно расчет терминала на устранение рассогласования верен и характеристика регулирования расхода в течении времени направлена вниз на уменьшение расхода.

При наличии отклонения первый импульс воздействия является совместным действием двух коэффициентов. Последующие импульсы представляют собой результат действия Кр+Кi на отклонение и замедление предыдущего отклонения с помощью Кр.

Таким образом, при первом воздействии система дает импульс большего значения, а затем имеет асимптотическую тенденцию к установке.

Tмс

300

250

180

20

0

t

Рис. 12

Значения Кр и Кi зависят от типа клапанов и задаются с верхнего уровня. В нашем случае они постоянны в любой точке кривой.

Если рассчитанное контроллером время воздействия на клапан более 3-х секунд, во избежание пере регулирования время разбивается на несколько циклов. Если рассчитанное время меньше 200мсек, то, учитывая люфты в приводах клапанов, импульсы регулирования не выдаются.

Возможное отклонение расхода газа меньше установочного значения компенсируется подачей сигнала на открытие, то есть инверсного воздействия на регулятор. Так как характер приемной скважины может меняться, то и регулятор компенсирует подачу газа в пласт. То есть работает как ПИ-регулятор.

Q(t)

Qз

t

Не трудно заметить, что П- регулятор обеспечивает хорошее регулирование в начальной части переходного процесса благодаря своей безинерционности, но допускает статические ошибки. Благодаря интелектуальности терминала, да и других, уже новых поколений приборов, расчет САР производится автоматически в течении короткого промежутка времени, и не является трудной задачей.

Вывод

Система автоматического регулирования расхода газа устойчива. Устойчивость системы достигается расчитанными параметрами составных звеньев регулирования (регулятор расхода FCV, автоматический регулятор расхода ASM). Наличие терминала SLC-500, слелящего за режимами закачки (расхода) газа позволяет ввести САР в режим регулирования или закрытие регулятора при аварийных ситуациях.

Размещено на Allbest.ru

...