Системы автоматизации в нефтяной промышленности

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ  
В НЕФТЯНОЙ  
ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Учебное пособие

Москва   Вологда
Инфра-Инженерия 
2019

Под общей редакцией М. Ю. Праховой

УДК 681.5:[622.276+622.692]
ББК 32.965:[33.361+39.77]
         С40

А в т о р ы : 
Прахова М. Ю., Хорошавина Е. А., 
Краснов А. Н., Емец С. В.

Р е ц е н з е н т ы :
заместитель директора по научной работе НПП «Грант»  
д-р техн. наук В. Н. Федоров;
начальник отдела технологий и оборудования  
нефтепродуктообеспечения департамента химии и технологий  
АО «Институт нефтепереработки» канд. техн. наук Т. М. Муртазин

С40   Системы автоматизации в нефтяной промышленности :  
учебное пособие / [Прахова М. Ю. и др.] ; под общ. ред.  
М. Ю. Праховой. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. – 
304 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0362-7

Даны основы теории автоматического управления и рассмотрены основные направления автоматизации объектов нефтяного промысла, систем 
транспортировки, учета и хранения нефтепродуктов. Предложен обзор современных методов диагностики утечек в трубопроводах, уделено внимание вопросам автоматизированного обеспечения безопасности в нефтяной 
отрасли в соответствии с последними российскими и международными 
стандартами.
Для студентов нефтегазовых отраслей всех уровней обучения, а также специалистов нефтегазового дела.
УДК 681.5:[622.276+622.692]
ББК 32.965:[33.361+39.77]

ISBN 978-5-9729-0362-7   © Прахова М. Ю., Хорошавина Е. А.,
Краснов А. Н., Емец С. В., 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

Предисловие

Нефтегазовая отрасль является для России системообразую- 
щей, поэтому во многих вузах России проводится подготовка спе- 
циалистов по нефтегазовому делу. Федеральный государственный 
образовательный стандарт высшего образования по этому направлению подготовки и утверждаемые в настоящее время профессиональные стандарты требуют наличия определенных компетенций 
в области автоматизации основных объектов добычи, транспорта, 
хранения и распределения природных углеводородов — нефти и 
газа. Поэтому учебные планы по этому направлению подготовки 
практически всех вузов включают базовую дисциплину «Основы 
автоматизации технологических процессов нефтегазового производства» и какую-либо вариативную дисциплину, направленную на 
более детальное знакомство с системами автоматизации основных 
объектов отрасли.
Существующие учебники и учебные пособия рассчитаны преимущественно на специалистов в данной области, что затрудняет 
восприятие дисциплины студентами нефтегазового направления. 
В научно-технических журналах и интернет-источниках имеется 
очень большой объем самой разной информации по нефтегазовым 
объектам, касающейся технологий, оборудования, средств автоматизации, систем управления и т. п. Однако эта информация никак 
не систематизирована, зачастую отрывочна и также подразумевает 
высокий профессиональный уровень специалистов, пользующих- 
ся ею.
В данном издании авторами сделана попытка рассмотреть вопросы автоматизации всех основных объектов «жизненного цикла» 
нефти: добычи, первичной промысловой подготовки, транспорта по 
магистральным нефтепроводам, хранения в резервуарных парках и 
коммерческого учета. Кроме того, для лучшего понимания построения и работы современных систем автоматизации конкретных объектов нефтяной промышленности в учебном пособии рассмотрены 
основные понятия теории автоматического управления, на которой 
строятся все системы автоматизации. Отдельная глава посвящена 
вопросам промышленной безопасности в нефтегазовой отрасли. 

Системы автоматизации в нефтяной промышленности

4

Рассмотрены современные концепции обеспечения функциональной и информационной безопасности.
Данное учебное пособие является третьей частью учебно- 
методического комплекса, включающего базовый учебник «Основы 
автоматизации производственных процессов нефтегазового производства» и учебное пособие «Системы автоматизации в газовой 
промышленности». 
Надеемся, что учебное пособие будет также полезно специалистам в данной области и всем интересующимся вопросами автоматизации нефтяной отрасли. 
Выражаем искреннюю признательность и благодарность рецензентам учебного пособия за ценные замечания и рекомендации 
при подготовке рукописи: 
 – заместителю директора по научной работе НПП «Грант» 
доктору технических наук В. Н. Федорову;
 – начальнику отдела технологий и оборудования нефте- 
продуктообеспечения департамента химии и технологий  
АО «Институт нефтепереработки» кандидату технических 
наук Т. М. Муртазину.
Выражаем также большую благодарность доценту кафедры 
АТПП УГНТУ, зам. директора по учебно-информационным технологиям ИДПО Щербинину С. В. за помощь в подборе и оформлении 
иллюстраций.

Введение

Нефтяная промышленность России является одним из основных секторов топливно-энергетического комплекса страны, поэтому ее развитию уделяется большое внимание. В Энергетической 
стратегии России на период до 2030 года предусмотрено увеличение 
добычи нефти в 2030 году до 530 млн т и достижение коэффициента извлечения нефти 0,35–0,37, в том числе для трудноизвлекае- 
мых запасов (низкопроницаемых коллекторов и высоковязких нефтей). Решение этой задачи возможно только с помощью инновационных технологий, которые, в свою очередь, могут эффективно 
внедряться только в совокупности с современными системами автоматизации. 
Идеология «умных скважин» (smart well) и «умных месторождений» (smart field) подразумевает использование интеллектуальных автоматизированных систем управления процессом добычи 
нефти, обеспечивающих увеличение объемов производства с одновременной оптимизацией затрат ресурсов и обеспечением максимального жизненного цикла нефтяного пласта. 
Производственный процесс нефтяной отрасли представляет 
собой последовательность этапов, начиная с извлечения углеводородного сырья из недр и заканчивая поставкой потребителю готовой продукции, полученной из этого сырья. При управлении этим 
производственным процессом появляется необходимость четкого 
понимания его структуры в связи с разнообразием составляющих 
эту структуру элементов. 
Общими характеристиками для объектов нефтяной отрасли 
являются значительные капиталовложения, обусловленные крупномасштабностью объектов; наличие больших объемов информации, 
необходимой для управления; частичное многократное изменение 
структуры и состава объекта под воздействием окружающей среды 
и многих элементов разнообразной природы. 
Наряду с общими характеристиками имеются и особенности, 
характерные для отдельных объектов.
Для технологических процессов добычи, подготовки и транспортировки нефти, с одной стороны, характерна значительная  

Системы автоматизации в нефтяной промышленности

6

рассредоточенность объектов по площадям (добывающие и нагнетательные скважины, линейные участки нефтепроводов и т. д.). Такая рассредоточенность объектов, т. е. необходимость работы по 
протяженным линиям и каналам связи со значительным уровнем 
помех, предъявляет повышенные требования к помехоустойчивости систем передачи данных. Управление технологическими процессами добычи нефти сводится к командам «открыть», «закрыть», 
«включить», «выключить» (дискретное управление). Практически 
отсутствует непрерывное управление технологическими параметрами с обратной связью. Широко развиты функции контроля, сигнализации об аварийных ситуациях, блокировок.
С другой стороны, многие технологические процессы сосредоточены на сравнительно небольших площадях. Это установки 
комплексной подготовки нефти, нефтеперекачивающие станции, 
магистральные насосные агрегаты, резервуарные парки и т. п. 
На подобных объектах объемы автоматизации существенно больше, 
а отсюда вытекают свои требования к «интеллекту» контроллеров  
и количеству поддерживаемых вводов/выводов. В этом случае наряду с контролем, сигнализацией и дискретным управлением реализуются функции непрерывного управления (регулирования).
Таким образом, каждый объект нефтяной отрасли обладает 
своими особенностями с точки зрения его автоматизации. Исходя 
из этих особенностей выдвигаются и соответствующие требования 
к архитектуре, а также аппаратным и программным средствам автоматизированных систем управления технологическими процессами 
(АСУ ТП) каждого объекта. 
Стремительное развитие технологий передачи и обработки информации предъявляет к современным АСУ ТП добычи и транспортировки нефти новые требования, в частности:
 – возможность интегрирования в многоуровневые информационные системы;
 – дальнейшее сокращение времени на сбор и обработку технологической информации;
 – оперативное выявление аварийных и предаварийных ситуаций;
 – управление технологическими объектами (процессами) в 
реальном масштабе времени, в том числе в нештатных ситуациях;

Введение

7

 – расширение объема и повышение достоверности технологической информации.
Реализация перечисленных требований во многом определяет 
общую структуру систем автоматизации, состав и задачи верхнего 
и нижнего технологических уровней, а также распределение выполняемых функций между аппаратным и программным обеспечением.
Понимание основных принципов функционирования различных систем автоматизации возможно только при наличии некото- 
рого базового объема знаний по теории автоматического управления, поэтому первая глава учебного пособия посвящена этим вопросам.
С точки зрения структуры и функционального назначения систему нефтедобычи можно представить укрупненно в виде четырех 
относительно независимых по характеру и критериям функционирования подсистем (рисунок В.1): 
 – источники нефти; 
 – сооружения для ее подготовки; 
 – магистральные нефтепроводы; 
 – потребители нефти.

Рисунок В.1 — Функциональная схема структуры нефтедобычи

Назначение первых двух подсистем — добыча и подготовка заданного количества нефти. Основное назначение третьей подсистемы, которая представляет собой довольно сложную разветвленную 
сеть магистральных нефтепроводов, — транспорт нефти к местам ее 
переработки (нефтеперерабатывающим заводам) или подготовки для 
дальнейшего экспорта, например танкерами. Назначение четвертой 
подсистемы — переработка нефти и получение нефтепродуктов.
В настоящем учебном пособии рассмотрены вопросы автоматизации объектов, относящихся к трем первым подсистемам.

Системы автоматизации в нефтяной промышленности

8

На любом этапе добычи и транспорта нефти возникают проблемы обнаружения утечек, а также обеспечения максимально возможной безопасности технологических процессов. Оба этих вопроса пока не получили должного освещения в учебной литературе, 
поэтому их рассмотрение включено в данное учебное пособие. 

ГЛАВА 1 

Основные виды систем автоматизации,  
их функции

Автоматизацией производственного процесса (АПП) называют такую организацию этого процесса, при которой его технологические операции осуществляются автоматически с помощью 
специальных технических устройств без непосредственного участия человека.
АПП предполагает контроль за производственным процессом, 
его регулирование и управление им, а также сигнализацию об отклонениях от номинальных режимов, блокировку и защиту процесса от аварийных режимов (рис. 1.1). 
Контроль — это установление соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей 
качественно различные формы его состояния. В САК (рис. 1.2, а) 
объект контроля ОК находится под воздействием ряда влияющих величин ВВ, которые вызывают отклонение выходной величины Хвых 
от заданного значения. Оператор О постоянно контролирует со- 
стояние объекта, получая информацию о нем с помощью датчика Д  
и вторичного прибора ВП, и при необходимости осуществляет 
управление им в ручном режиме.

Рис. 1.1 — Основные функции систем автоматизации

Системы автоматизации в нефтяной промышленности

10

Регулирование — это поддержание постоянным значения некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или изменение его по заданному закону, осуществляемое с помощью изменения состояния объекта регулирования ОР или действующих на 
него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.  
В системах автоматического регулирования (САР) этот процесс происходит автоматически с помощью специального устройства, которое называется автоматическим регулятором АР (рисунок 1.2, б). 
Он постоянно сравнивает текущее значение Y регулируемой величины Хвых с заданным Yзад (т. н. уставкой) и при наличии рассогласования вырабатывает регулирующее воздействие Z, реализуемое 
исполнительным механизмом ИМ. Человек в эту систему непосредственно вмешаться не может, возможно только косвенное участие — 
посредством изменения уставки.

Д

ВП
О

ВВ

Xвх
Xвых
ОК

Д

ВП

АР

Y

ИМ

Z

Yзад
О

ВВ

Xвх
Xвых
ОР

а) САК
б) САР

ОУ

Д1

Y1

ВВ

Xвых1

Дn

Yn

Xвыхn

ИМ1
ИМn

Xвх1

Xвхn

МПК

.
.
.

.
.
.

Z1
Zn

.
.
.

.
.
.

в) САУ

Рис. 1.2 — Функциональные схемы САК, САР и САУ