Информационно-измерительная система для контроля дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти

На правах рукописи

Баталов Вячеслав Сергеевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДРЕНИРОВАНИЯ МНОГОФАЗНЫХ СРЕД НА УСТАНОВКАХ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ

Специальность:

05.11.16 – «Информационно-измерительные и управляющие системы»

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Уфа - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимской государственной академии экономики и сервиса»

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники

Республики Башкортостан,

доктор технических наук, профессор

Ураксеев Марат Абдуллович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Исмагилов Флюр Рашитович

доктор технических наук, профессор

Баширов Мусса Гумерович

Ведущее предприятие: ОАО Башкирское специальное конструкторское

бюро «Нефтехимавтоматика», г. Уфа

Защита диссертации состоится 11 декабря 2008 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а, конференц-зал

С содержанием диссертации можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета

Автореферат разослан 10 ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, к.т.н. Щербинина О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возросшие требования к качеству управления технологическими процессами и объектами в различных отраслях промышленности диктуют необходимость широкого внедрения информационно-измерительных систем, в которых информация о контролируемых физических величинах получается с помощью первичных измерительных преобразователей. В плане развития нефтегазового комплекса автоматизация процессов сбора, подготовки и транспортировки нефти связана с совершенствованием средств измерительной техники и технологий. Такое направление развития объектов нефтепромысла позволяет повысить выпуск высококачественной нефтяной продукции при увеличении ее количественных показателей.

Проблема предварительной и полной очистки нефти зависит не только от совершенствования технологического оборудования установки подготовки нефти (УПН), но и от качества функционирования информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС), которая должна обладать высокими показателями точности, информативности и надежности. На УПН и узлах учета нефти широко используются датчики температуры, давления, расхода, влажности, плотности и других физических величин в системе дренирования многофазных сред (СДМС). Такие средства измерений функционируют в нормальных условиях исследуемой среды (до 80 оС) и реализуются на основе резистивных (РСД), индуктивных (ИСД) и емкостных (ЕСД) сопротивлений датчиков.

Условия исследований динамических уровней расслаиваемых многофазных нефтяных смесей в отстойном аппарате УПН характеризуются механическими воздействиями в виде вибраций при переключениях задвижек на входных и выходных коллекторах, а также агрессивностью исследуемой среды. При исследованиях высокотемпературных нефтяных смесей (от 80 оС до 100 оС и выше) в промежуточных стадиях подготовки нефти путем ее термообработки указанные условия значительно усугубляются.

Кроме того, высокие давления исследуемой среды (до 2,0-5,0 мПа и выше) обуславливают использование в многоканальных телеизмерительных системах (МТИС) одножильного бронированного кабеля в качестве линии связи (ЛС). Применение такого кабеля связано также с необходимостью выполнения им силовых функций во время протяжки приборов по высоте отстойного аппарата УПН.

В связи с этим датчики параметров дренирования должны обладать повышенной надежностью, устойчивостью к механическим воздействиям, термоустойчивостью, малопроводностью, малыми габаритными размерами конструкции приборов в передающей части МТИС, высокой информативностью и обеспечением инвариантности по отношению к влияющим факторам.

Известные датчики не отвечают комплексу вышеизложенных требований.

В области создания термостойких ИИУС наиболее перспективны резистивные, индуктивные и емкостные датчики, обеспечивающие преобразование одной из физических величин температуры, давления, вязкости или плотности среды в электрический сигнал.

Условия многофазности и многокомпонентности среды выдвигают требования по созданию датчиков на основе многофункциональных способов преобразования. Относительная погрешность преобразования известных датчиков в диапазоне от 100 оС и выше достигает 5-10 %. Все это обуславливает необходимость поиска новых методов построения датчиков с относительной погрешностью не более 1%, инвариантных к влиянию комплекса неинформативных факторов. В связи с этим задача теоретического исследования и разработки ИИУС с комплексом резистивных, индуктивных и емкостных датчиков является актуальной.

Цель работы:

Создание и исследование информационно-измерительной системы с улучшенными характеристиками (повышенными значениями надежности и информативности) для автоматизации контроля параметров дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти.

Задачи:

1. Провести анализ существующих способов и средств измерения комплекса физических величин для оперативных исследований дренируемых параметров нефтяных смесей на УПН нефтепромысла и выработки управляющих воздействий при автоматизации его функционирования.

2. Разработать резистивные, индуктивные и емкостные датчики для ИИУС, обеспечивающие:

а) инвариантность по отношению к электрическим помехам в условиях реализации принципа многоканальности;

б) инвариантность по отношению к влияющим факторам окружающей среды, которые уточнены в новом методе исследований дренируемых параметров;

в) повышение надежности и термоустойчивости передающих частей ИИУС;

г) реализуемость метода многофункциональности измерений в составе МТИС с цифровым КС при использовании одножильного бронированного кабеля в качестве линии связи;

д) выполнение совмещенных режимов измерений, управлений и сигнализации.

3. Проанализировать детерминированные и вероятностные характеристики погрешности результата в измерительных каналах с разными типами датчиков, а также динамические погрешности при установившихся и переходных процессах в линиях связи ИИУС.

4. Выявить быстродействие и информативность действующего технологического процесса и системы.

5. Создать модули ИИУС в лабораторных условиях, провести их экспериментальные исследования с обеспечением гибкого сопряжения в общей структуре корпоративной системы.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе:

1. Систематизированы принципы построения ИИУС и дан их анализ, позволяющий создавать унифицированные модули с заданными свойствами и совмещенными режимами измерения, управления и сигнализации.

2. Разработан способ одновременного преобразования и приемо-передачи сигналов для разных датчиков в составе ИИУС, позволяющий повысить точность измерений параметров многофазных сред.

3. Развиты и обоснованы с позиций принципа инвариантности методы многофункционального и многоканального преобразования сигналов резистивных, индуктивных и емкостных датчиков, когда КП формируются изменением параметров двухполюсников и дополняются КП образцовых мер.

4. Предложены аналоговые и цифровые способы организации КП в ИИУС с двухпроводной ЛС, инвариантность которых достигается с введением КП образцовых мер при адресации и временной привязке первичных и промежуточных процессов преобразования.

5. Разработаны методики проектирования цифровых и аналоговых датчиков в составе интегрируемых модулей ИИУС, позволяющие повысить их надежность и информативность в системе дренирования многофазных сред.

6. Разработана системная модель процесса дренирования многофазных сред и принципы построения на ее основе многосвязных СДМС, определяющие структуру корпоративной системы нефтепромысла.

На защиту выносятся:

1. Систематизация принципов построения модульных структур ИИУС с разными способами одновременного измерения дренируемых параметров многофазных сред с использованием резистивных, индуктивных и емкостных датчиков.

2. Структуры МТИС с двухпроводной ЛС при разных способах комплексирования аналоговых и цифровых КП.

3. Исследования условий достижения инвариантности преобразования сигналов датчиков по отношению к влияющим факторам.

4. Методы повышения точности КП в ИИУС.

5. Реализация экспериментальных исследований и основ проектирования унифицированных модулей ИИУС в составе корпоративных систем.

Практическая ценность.

1. Разработаны принципиальные электрические схемы унифицированных модулей ИИУС, позволяющих реализовать в своем составе аналоговые и цифровые МТИС с двухпроводной ЛС.

2. Предложены оригинальные конструкции многофункциональных датчиков в составе МТИС с цифровым КС, имеющие повышенные значения точности, надежности и помехоустойчивости.

3. Разработана методика проектирования термостойких датчиков (до 300 оС) на основе резистивных, индуктивных и емкостных элементов.

4. Выявлена возможность обоснованного выбора числа датчиков на УПН, а также количества каналов МТИС.

5. Предложена схема интеграции модулей ИИУС в единую корпоративную систему для одновременной эксплуатации всех имеющихся объектов дренирования на нефтепромысле.

В процессе проведенных исследований и разработок получены патенты на изобретения. Основные результаты диссертационной работы в виде сравнительного анализа существующих средств измерения параметров СДМС, принципов построения ИИУС, основных рабочих характеристик, характеристик погрешностей и методики проектирования внедрены в ЦХМН УНЦ РАН (г. Уфа), а также в ООО «Теплый стан», (г. Уфа).

Принципы построения и методика проектирования ИИУС внедрены в учебный процесс при чтении лекций по различным дисциплинам, курсовом и дипломном проектировании в Уфимской государственной академии экономике и сервиса.

Методы исследования основаны на применении: теории электрических цепей и информационно-измерительных систем, методов математического моделирования, а также тестового и функционального контроля для систем управления и измерительной техники, теории дифференциальных уравнений и методов статистической обработки результатов измерений, теории погрешности и помехоустойчивости. При выполнении исследований широко использовались пакеты программных систем Statistika, Компас, MatLab, Sigma Plot и др.

Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докла-дывались и обсуждались на III Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование». (г. Томск, 2004 год); Всероссийской научно-методической конференции «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике». (г.Уфа, 2007 год); Международной научно-практической конференции «Химия и химическая технология, экология сервиса» (г. Уфа, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК, а также 1 патент и 3 положительных решения на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, и приложений. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследований, приводятся основные положения и результаты, выносимые на защиту, отмечается их новизна, практическая и теоретическая значимость. Приводятся сведения о внедрении результатов работы и публикациях.

В первой главе проведен аналитический обзор существующих видов ИИУС, используемых на технологических объектах нефтеизвлечения, сбора, подготовки и транспортировки нефти. Показано, что в системном комплексе сбора и подготовки нефти можно использовать составные классы ИИС в виде измерительных систем (ИС), как подсистем низшей иерархии в реализации систем технической диагностики (СТД), автоматического контроля и многоканальных телеизмерительных систем (МТИС).

Установлено, что основные виды ИС (многоканальные, многоточечные, мультиплицированные и многомерные) накладывают определенные требования при создании различных типов однофункциональных и многофункциональных датчиков. Выявлено, что актуальным является разработка аналоговых и цифровых МТИС с составными методами разделения каналов (пространственным, временным и с уплотнением-разуплотнением цифровых каналов).

С целью определения комплекса измеряемых величин была рассмотрена специфика выполнения технологических процессов сбора и подготовки нефти на оборудовании УПН в соответствии с требованиями математического вида обеспечения ИИУС. Исследования гидравлической схемы обвязки УПН в процессе сбора нефти указывают на то, что она может использоваться только для стабилизации входных скважинных потоков. Анализ существующих технологий дренирования нефтяных смесей в современных системах ее подготовки указывает на группу выявленных недостатков из-за ограниченного применения одноконтурной системы дренирования. Показано, что современным требованиям удовлетворяют СДМС с учетом условий многофазности и многокомпонентности дренируемых нефтяных сред (рис. 1).

Рис. 1. Технологическая схема образования СДМС на основе УПН

Приведенная схема содержит отстойник 1, включающий входной коллектор 2 скважинной жидкости с дебитом Gс.ж., а также выходные коллекторы 3, 4, 5 и 6 для дренирования фаз нефти, воды, газа и механических примесей с дебитами Gн, Gв, Gг, и массы механических примесей м.п., соответственно; датчики концентраций нефти 7 и 8, эмульсий 9, воды 10, механических примесей 11 и газосодержания 12 (типа СТМ-10), измеритель давления 13 (типа Сапфир 22ЕхДи), уровнемер 14 и газоуловитель 15.

Проведенный анализ дренируемых параметров указывает на то, что они могут быть получены из модели потоков многофазных и многокомпонентных нефтяных продукций в процессе динамического расслаивания

hд = hм.п.1 + hн + hэ + hв + hм.п.2, (1)

где hм.п.1 и hм.п.2 – слои механических примесей легкой (битумы, парафины) и тяжелой (глина, песок) фракций; hн, hэ, hв – слои нефти, эмульсий и воды.

Показано, что для контроля динамических уровней указанных слоев нефтяных смесей необходимо измерение соответствующих их параметров. При этом процесс дренирования составных фаз нефтяных сред должен выполняться при совмещении режимов измерения, управления и сигнализации технического состояния ИИУС и оборудования УПН. Таким образом, разработка СДМС позволяет выявить полный перечень измеряемых физических величин для последующего определения используемых типов датчиков. Проведенный анализ существующих классов датчиков температуры и давления на нефтепромыслах и других отраслях промышленности указывает на перспективу использования РСД в первичных измерительных цепях. При анализе существующих измерителей состава нефтяных сред выявлены перспективные датчики на основе ИСД и ЕСД.

В этой же главе исследована возможность использования принципа инвариантности в измерительной технике для анализа и синтеза составных КП в ИИУС, реализуемых в процессах измерения, управления, сигнализации, и описываемых независимыми уравнениями

где aij - операторы взаимных связей; - количество свободных членов уравнений; xij - исследуемые информационные параметры; fi– влияющие факторы.

При этом необходимым условием достижения инвариантности исследуемых систем является наличие в них не менее двух каналов передачи воздействия между точкой приложения и точкой, относительно которой достигается инвариантность. Достаточным условием достижения инвариантности исследуемых систем является неравенство нулю якобиана из дифференциальных уравнений описания их элементов.

Указаны два основных направления разработки методов преобразования сопротивлений датчиков и комплексирования КП, инвариантных к влияющим факторам исследуемой среды и неинформативным электрическим факторам ИИУС.

Первое из них предполагает реализацию передающих частей ИИУС для умеренных температурных условий эксплуатации при их комплексировании РСД, ИСД и ЕСД с преобразовательными цепями. В случае исследований высокотемпературных нефтяных сред необходима реализация датчиков с непосредственным подключением РСД, ИСД и ЕСД к выводам двухпроводной ЛС. Поскольку первая группа ИИУС наиболее подвержена воздействиям влияющих факторов среды в условиях ее многофазности и многокомпонентности, поэтому установлена необходимость двухсторонней синхронизации преобразуемых сигналов в приемной и передающей частях с комплексами КП, и введение в передающую часть ИИУС с образцовыми сигналами для повышения надежности и информативности.

Во второй группе реализуемой ИИУС принцип организации КП может быть выполнен только за счет адресации РСД и образцового резистора в составе канала преобразования образцовых мер КП0. В этом случае приведены основные математические соотношения при выводе уравнения преобразования на примере двухканальных структур. Применение такого принципа преобразований дает возможность организации многоканальной структуры датчиков в соответствии с выявленными условиями измерений.

В конце главы рассматриваются методы анализа измерительных сигналов с установившимися и переходными процессами.

Во второй главе рассмотрена разработанная структура универсального модуля ИИУС, обеспечивающая выполнение режимов измерения, управления и сигнализации. Данная структура устанавливает возможность одновременного измерения комплекса гидродинамических параметров УПН на основе резистивных, индуктивных и емкостных датчиков. Показано, что аналоговые сигналы различных датчиков Дi поступают через коммутатор на вход АЦП микроконтроллера. Информацию, обработанную в микроконтроллере можно воспроизвести визуально. По интерфейсу модуль связывается с каналообразующей аппаратурой для обмена данными с центральным диспетчерским пультом, а алгоритм обмена информацией с помощью протокола, принципы функционирования которого зависят от количества измерительных модулей в сети, предназначения системы, оперативности представления данных и др.