Разработка системы автоматизации газосепаратора на УПСВ

     Введение

     Средства  автоматизации получают все большее  применение в различных сферах деятельности человека. Одна из таких сфер - добыча, транспорт, хранение и переработка  нефти и газа.

     Для экономики государства эффективная  и надежная работа нефтепроводного  транспорта имеет очень большое  значение. Следует иметь в виду и то, что в последнее время  на государственном уровне высокие  требования предъявляются к защите окружающей среды от вредных воздействий. В этой связи значительно повышается роль автоматизации, контроля за работой нефтеперекачивающих комплексов, а также координации их работы. Наиболее оптимальным решением представляется внедрение технических средств на базе новейших микропроцессорных и сетевых технологий.

     Объектом  исследования является газосепаратор в системе установки предварительного сброса воды.

     Целью исследования является разработка системы  автоматизации газосепаратора на УПСВ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Технологический  процесс на установке  предварительного  сброса 

        воды (УПСВ)

     1.1 Общая характеристика  объекта

     УПСВ  предназначена для обезвоживания нефти в магистральном нефтепроводе при перекачке нефти.

     В состав УПСВ «2а» входят:

- 2 сепаратора-водоотделителя 1 ступени;

- 2 газосепаратора;

- 2 отстойника;

- 2 сепаратора-водоотделителя 2 ступени;

- 1 печь;

- 4 резервуара;

- 1 выветриватель;

- насосная станция с магистральными насосными агрегатами;

- блок контроля качества;

- 1 емкость для реагента-деэмульгатора;

- 1 блок ввода реагента;

- 1 дренажная емкость.

     Газосепараторы сетчатые с условным давлением от 0,6 до 4,0 МПа (2,0 МПа), с производительностью от 0,05 до 5,6 млн.мм3/сутки предназначены для окончательной очистки природного и попутного нефтяного газа от жидкости (конденсата, воды, ингибитора гидратообразования) в установках подготовки газа к транспорту, подземных хранилищах, а также на газо- и нефтеперерабатывающих предприятиях.

     Диаметр такого газосепаратора составляет 1200 мм.

     Температура рабочей среды от минус 30 до 100°С. Содержание жидкости поступающий в газосепаратор с газом, не должно быть более 200 см3/мм3.

     Конструктивно газосепараторы сетчатые представляют собой цилиндр из углеродистой или низколегированной стали, внутри которого находится отсек предварительной сепарации и отстойник для сбора жидкости. Для тонкой очистки газа от жидкости применяется каплеуловитель — сетчатый рукав-фильтр из специальной коррозионно-стойкой стали.

     Принцип действия сепараторов основан на различиях физических свойств, которыми обладают компоненты смеси. Размещаясь на входе насоса, качающего газ  из скважины под воздействием тяги, создаваемой насосом, внутри корпуса  газосепаратора создается завихрение среды. Под воздействием центробежной силы происходит отклонение потока за счет влияния на него специальных насадок различной конфигурации. Таким образом, более тяжелые углеводороды отделяются от газа и отбрасываются на сетку-каплеуловитель, благодаря чему очищенный газ вытягивается наверх, а примеси осаждаются на стенках корпуса и стекают в сборник отсепарированной жидкости.

     Внешний вид газосепаратора представлен на рисунке 1.

     Рисунок 1 – Внешний вид газосепаратора 
 
 

     1.2 Описание технологической схемы

     Технологический процесс предварительного обезвоживания  нефтей Быстринского (ЦДНГ-2) месторождения на установке УПСВ "2а" осуществляется по следующей схеме.

     Газ из сепараторов первой ступени сепарации  поступает в газосепаратор типа ГС-2-2,0-12002И ГС-1.

     В газосепараторе ГС-1 типа ГС 2-2,0-1200-2-И улавливается капельная жидкость и конденсат, находящиеся в газе. За счет центробежного эффекта, созданного узлом входа газа, на корпусе аппарата осаждаются капли жидкости, которые стекают в сборник жидкости через кольцевую щель между корпусом и защитным листом.

     После предварительной очистки газ  проходит сепарационную насадку, где  происходит отделение капель жидкости от газа. Очищенный газ выводится  из аппарата через штуцер выхода газа. Жидкость собирается в нижней части  аппарата.

     Газ из газосепаратора ГС-1 через регулирующий клапан поступает на ГПЗ, либо на факел, где сжигается. Уловленный конденсат дренируется в подземные емкости ЕП-1 [1].

     Далее будет подробно рассмотрена АСУ  ТП газового сепаратора на УПСВ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2  Автоматизированная  система управления  технологическим

         процессом (АСУ ТП) на УПСВ 

     Автоматизированная система управления технологическими процессами АСУ ТП УПСВ предназначена для оперативного контроля за технологическими параметрами процесса подготовки нефти перед подачей ее в магистральный нефтепровод.

     АСУ ТП выполняет следующие функции  визуализации:

− измерение и отображение в цифровой форме технологических параметров (в виде отдельных величин или в виде группы взаимосвязанных величин) по вызову оператора;

− вывод основных технологических параметров и состояния оборудования на мнемосхемы;

− обнаружение и оперативное отображение отклонений технологических параметров и показателей состояния оборудования за установленные пределы;

− реализация диалога с оператором-технологом.

     АСУ ТП выполняет следующие функции  регистрации:

− формирование графиков тенденций изменения основных технологических параметров;

− обнаружение, регистрации и сигнализация отклонений технологических параметров показателей состояния оборудования за установленные переделы;

− обнаружение и регистрация аварийных ситуаций.

     АСУ ТП обеспечивает автоматическое управление:

− управление исполнительными механизмами по заданному алгоритму;

− регулирование заданных технологических параметров.

     Система обеспечивает формирование и печать отчетно-учетных документов по запросу  оператора.

     Рисунок 2.1 – Структурная схема автоматизации  газосепаратора

     2.1 Описание функций  функциональной схемы  автоматизации

     Газосепаратор оборудован приборами замера уровня жидкости и давления.

     Давление в газосепараторе регулируется с помощью регулирующего устройства (УЭРВ1М), установленного на линии сброса газа из сепаратора на ГПЗ. Пределы регулирования давления P=0,35-0,70 МПа.

     Давление  в газосепараторе контролируется по техническому манометру и датчику избыточного давления YOKOGAWA EJX530A. Сигнализация по давлению датчиком ДМ 5001 на линии сброса газа на факел срабатывает при Pmax=0,7 МПа.

     Предупредительная сигнализация срабатывает по уровню жидкости на линии сброса в дренажные емкости при Нмах=1,0 м. 

     2.2 Обоснование и  выбор технических  средств автоматизации

     По  следующим критериям были выбраны  датчики:

- диапазон измерения;

- погрешность измерения;

- влияние неблагоприятных условий климата;

- долговечность, надежность;

- выходной унифицированный сигнал;

- степень защиты;

- приемлемая цена.

     В качестве технических средств нижнего  уровня для автоматизации газосепаратора был произведен выбор современных контрольно-измерительных приборов и исполнительных механизмов.

     Датчики:

- измерение давления – YOKOGAWA EJX530A;

- сигнализатор уровня – УЗС 300-400;

- сигнализатор давления – ДМ5001.

     Ниже  приведены описания перечисленных  средств автоматизации, в которых  рассмотрены принципы их действия, технические характеристики.

     Датчик  избыточного давления EJX530A фирмы YOKOGAWA – предназначен для измерения избыточного давления различных сред: жидкости, газа и пара [2].

     Характеристики  датчиков YOKOGAWA EJX530A приведены в таблице 2.1. Внешний вид датчика на рисунке 2.2.

Таблица 2.1 – Технические характеристики YOKOGAWA EJX530A

     Рисунок 2.2 – Внешний вид датчика YOKOGAWA EJX530A

     Цифровые  манометры ДМ5001 фирмы АО "Манотомь" предназначены для преобразования избыточного или вакуумметрического давления неагрессивных сред в электрический унифицированный выходной сигнал с отображением информации на цифровом табло, а так же для управления внешними электрическими цепями в системах автоматического контроля. Выпускаются в трех модификациях [7]. ДМ5001 имеет технические данные приведенные в таблице 2.2. Внешний вид датчика на рисунке 2.3.

Таблица 2.2 – Технические характеристики ДМ5001

    Рисунок 2.3 – Внешний вид датчика ДМ5001

     УЗС - 300 (300И), - 400 (400И) сигнализаторы уровня ультразвуковые фирмы ОАО «Теплоприбор» предназначены для контроля от одного до четырех положений уровня некипящих жидких сред в различных технологических резервуарах и хранилищах в стационарных и корабельных условиях. Сигнализаторы обеспечивают два вида сигнализации: наличие (Н) или отсутствие (О) контролируемой среды [6].

     Принцип действия сигнализатора основан  на использовании метода импульсного  зондирования ультразвуком с временной  и частотной селекцией, который  заключается в сравнении времени  прохождения ультразвукового сигнала  через рабочий зазор датчика, заполненный контролируемой средой, с вырабатываемым в самом сигнализаторе  временным интервалом. Стабильность точности срабатывания сигнализаторов не зависит от электрофизических  свойств жидкой среды.

     УЗС - 300 (300И), - 400 (400И) имеет технические  данные, приведенные в таблице 2.3. Внешний вид датчика на рисунке 2.4.

Таблица 2.3 – Технические характеристики УЗС - 300 (300И), - 400 (400И)

    Рисунок 2.4 – Внешний вид датчика УЗС - 300 (300И), - 400 (400И) 

     3 Выбор контроллера 

     Рынок промышленных контроллеров может предложить покупателю широкий спектр всевозможных моделей различных фирм - производителей, как отечественных, так и зарубежных. Анализируя предложение, делаем вывод, что наиболее подходящими по таким  параметрам, как функциональные возможности, программное обеспечение и развитая архитектура, являются контроллеры  ведущих мировых фирм: Advantech, Siemens, PLC Direct by Koyo, Allen-Bradley (Rockwell), а также контроллер отечественной фирмы Эмикон.

     В качестве определяемых характеристик  приняты пять обобщенных показателей:

- характеристика процессора;

- характеристика каналов ввода/вывода, поддерживаемых контроллерами;

- коммуникационные возможности;

- условия эксплуатации;

- программное обеспечение. 

     3.1 Сравнительный анализ  ПЛК

     Микроконтроллер фирмы Siemens S7–400 - это программируемый контроллер. Подходящим выборов компонентов S7–400 может быть реализована почти любая задача автоматизации. Модули S7–400 имеют блочную конструкцию для шарнирного монтажа в стойке. Имеются в распоряжении стойки расширения для дополнения системы [8].

     Программируемый контроллер S7–400 соединяет все преимущества предшествующей системы с преимуществами новой системы и нового программного обеспечения. Ими являются:

− разбитая на ранги платформа CPU;

− совместимые снизу вверх CPU;

− вложенные модули прочной конструкции;

− удобная терминальная система для сигнальных модулей;

− компактные модули с высокой плотностью компонентов;

− оптимальные возможности коммуникации и объединения в сеть;

− удобное включение систем интерфейса с оператором;

− назначение параметров для всех модулей с помощью программного обеспечения;

− обширный выбор слотов;

− работа без вентиляторов;

− мультипроцессорная работа в несегментированной стойке (уровень следующей версии).

     Система автоматизации SIMATIC S7 дополнена компьютером  для решения задач автоматизации SIMATIC М7, совместимым по своим функциональным возможностям с компьютерами АТ. Это предоставляет пользователю SIMATIC доступ к миру открытого программного обеспечения или в качестве дополнения к ПЛК S7, или в качестве независимой компьютерной системы М7. Весь диапазон периферийных устройств S7 доступен пользователю М7.

     Компьютер для автоматизации М7-400 пригоден для решения следующих типовых  задач:

− сбор данных о процессе;

− хранение больших объемов данных;

− управление вводом/выводом в локальном процессе;

− связь;

− автоматическое регулирование.

     Он  имеет следующие характеристики:

− выполнение доступных на рынке программ DOS/Windows;

− свободное программирование (на языках высокого уровня);

− многозадачная операционная система реального времени RMOS  (выполнение программ в реальном времени, обработка программ под управлением событий, многозадачность)

− может быть вставлена стандартная короткая плата АТ;

− многопроцессорная работа в несегментированной стойке (на этапе последующих версий);

− полное объединение с системами S7–400.

     Также на рынке контроллеров представлен MELSEC FX1S - самый доступный представитель  семейства контроллеров MELSEC FX. Предшественники  данной серии модели FXOS/FXON программно и аппаратно совместимы с современными аналогами FX1S/FX1N [9]. Однако, стремясь удовлетворять современные потребности в многофункциональных контроллерах, в моделях FX добавлены следующие основные функции:

- встроенный позиционер;

- увеличенное быстродействие;

- увеличенная допустимая частота для встроенных входов быстрого счета импульсов;

- увеличенный размер памяти;

- дополнительные возможности по вводу и отображению данных;

- расширенные коммуникационные возможности.

     Структура контроллеров серии MELSEC FX1S:

- полнофункциональный базовый блок;

- встроенный источник питания CPU со встроенным EEPROM;

- встроенные дискретные входы и выходы;

- часы реального времени;

- программное обеспечение, в том числе соответствующее IEC 1131.3;

- панели оператора;

- программаторы;

- аксессуары.

     Базовые блоки поставляются в различных  исполнениях с различными источниками  питания и типом выходов. Предусмотрены  модели с источниками питания 230 V АС или 12 V DC и 24 V DC, с релейными или  транзисторными выходами. Все исполнения базовых блоков имеют одинаковые CPU и одинаковую производительность.

     Технические характеристики FX1S в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Технические характеристики FX1S

     Еще одним представителем на рынке контроллеров является корпорация Advantech, основанная в 1983 году, является производителем вычислительной техники для промышленной автоматизации, встраиваемых систем и телекоммуникаций.

     Модульный контроллер серии ADAM-8000 является новым  шагом в направлении освоения рынка классических PLC-систем [10]. Новое поколение ADAM - это контроллеры и подсистемы ввода-вывода для сетей Fieldbus, отвечающие требованиям реального времени. Они с успехом могут использоваться в системах промышленной автоматизации с повышенными требованиями к надежности оборудования и к временным параметрам контуров управления. Но пока серия ADAM-8000 выходит только на уровень цеха и предприятия, для решения специфических задач управления движением и автоматизации зданий и под маркой Advantech сегодня выпускается более тысячи наименований продукции: промышленные компьютеры и контроллеры, интернет-серверы, панели управления и многое другое.

     Семейство SLC 500 фирмы Allen Bradley – семейство малых программируемых контроллеров, построенное на двух аппаратных модификациях:

− фиксированные контроллеры с опцией расширения при помощи двухслотного шасси;

− модульные контроллеры с количеством точек ввода/вывода до 960.

     Фиксированные контроллеры SLC 500 – серия контроллеров с широкими сетевыми возможностями, обеспечивающая до 104 вводов/выводов. Фиксированные SLC 500 включают центральный процессор  с возможностью подключения к  сети DH-485, встроенный источник питания  и определенное количество каналов  ввода/вывода [11].

     Существует 24 конфигурации контроллеров, отличающиеся количеством вводов/выводов (20, 30, 40), уровнем сигналов и источниками  питания.

     Конфигурация  на 20 точек (11 моделей) обеспечивает 12 DI (120, 240 VAC и 24 VDC) и 8 DO (реле, ключ, транзистор).

     Конфигурация  на 30 точек (6 моделей) обеспечивает 18 DI и 12 DO.

     Конфигурация  на 40 точек (7 моделей) обеспечивает 24 DI и 16 DO.

     Шасси расширения на 2 слота обеспечивает подключение 64 дополнительных вводов/выводов.

     Модульные контроллеры серии SLC 500 предлагают дополнительную гибкость конфигурирования системы, более мощные процессоры и  большую емкость ввода/вывода.

     Выбирая соответствующие шасси, источники  питания, процессоры, дискретные или  специальные модули ввода/вывода, можно  создать систему управления для  различных применений. Имеется четыре типа процессоров:

- процессор SLC 5/01 с памятью до 4 Кб и набором инструкций, аналогичным фиксированному SLC 500;

- процессор SLC 5/02 с памятью до 4 Кб и расширенным набором инструкций;

- процессор SLC 5/03 с памятью до 12 Кб, производительностью в 5–10 раз большей, чем у SLC 5/02 и широкими коммуникационными возможностями;

- процессор SLC 5/04 (с сопроцессором) с памятью до 20 Кб, возможностью коммуникаций по сети DH+, DH-485, RS-232 и быстродействием, превышающим SLC 5/03; 

     Контроллеры семейства SLC имеют 4 различных размера  шасси: на 4, 7, 10, 13 слотов. Технические  характеристики SLC в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Технические характеристики SLC