Автоматизация технологических процессов в нефтегазовой отрасли

 
 
 
 
 
 
Т. Д. Гладких 
 
 
 
 
 
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  
ПРОЦЕССОВ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 622.013 
ББК 65.305.14+33.131 
Г52 
 
 
 
Рецензент: 
кандидат технических наук, доцент,  
заведующий кафедрой нефтегазового дела филиала ТИУ  
в г. Нижневартовске С. В. Колесник 
 
 
 
 
Гладких, Т. Д. 
Г52  
Автоматизация технологических процессов в нефтегазовой отрасли : 
учебное пособие / Т. Д. Гладких. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2022. – 152 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0926-1 
 
Раскрыты основные понятия теории автоматического управления, материал по системам и средствам автоматизации, применяемым в нефтегазовой 
отрасли. Рассматриваются некоторые схемы автоматизации: объектов добычи 
нефти, установок подготовки и переработки нефти, технологических процессов 
строительства скважин на нефть и газ. 
Для обучающихся высших и средних специальных учебных заведений по 
направлениям подготовки «Нефтегазовое дело», «Автоматизация технологических процессов и производств», «Управление в технических системах». 
 
УДК 622.013 
ББК 65.305.1433.131 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0926-1 
” Гладких Т. Д., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
......................................................................................................... 
6 
1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 
........... 7 
1.1. Общие понятия ..................................................................................... 
7 
1.2. Классификация САУ 
.......................................................................... 
10 
1.3. Математическое описание САУ ....................................................... 
11 
1.4. Преобразование структурных схем САУ ........................................ 
13 
1.5. Временные характеристики .............................................................. 
15 
1.6. Частотные характеристики динамических звеньев ........................ 
16 
1.7. Логарифмические частотные характеристики ................................ 
19 
1.8. Типовые динамические звенья ......................................................... 
20 
1.8.1. Пропорциональное (усилительное) звено ................................ 
21 
1.8.2. Апериодическое (инерционное) звено 
...................................... 
22 
1.8.3. Интегрирующее звено ................................................................ 
25 
1.8.4. Колебательное звено 
................................................................... 
26 
1.8.5. Дифференцирующее звено 
......................................................... 
27 
1.9. Основные понятия теории устойчивости ........................................ 
29 
1.9.1. Алгебраические критерии устойчивости 
.................................. 
31 
1.9.2. Частотные критерии устойчивости ........................................... 
33 
1.9.3. Запасы устойчивости .................................................................. 
35 
1.10. Анализ качества САУ ...................................................................... 
37 
1.11. Задачи синтеза САУ 
......................................................................... 
38 
1.12. Законы управления 
........................................................................... 
38 
2. ФУНКЦИИ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ........................................ 
40 
2.1. Структура автоматизированных систем управления  
технологическими процессами ................................................................ 
40 
2.2. Функции элементов автоматики 
....................................................... 
41 
2.2.1. Средства автоматизации нижнего уровня ................................ 
42 
2.2.2. Технические средства автоматизации среднего уровня ......... 43 
2.2.3. Технические средства автоматизации верхнего уровня ......... 47 
2.3. Функциональные схемы систем автоматизации 
............................. 
51 
2.4. Примеры обозначения элементов автоматизации  
на функциональных схемах...................................................................... 
56 
3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПАРАМЕТРОВ ................................................................................................ 
60 
3.1. Первичные преобразователи 
............................................................. 
60 
3.1.1. Реостатные (реохордные) преобразователи ............................. 
60 
3.1.2. Индуктивные преобразователи 
.................................................. 
62 
3.1.3. Индукционные преобразователи ............................................... 
63 
3.1.4. Тахогенераторы ........................................................................... 
64 
3.1.5. Магнитоупругие датчики ........................................................... 
65 
 
3 

3.1.6. Тензопреобразователи ................................................................ 
66 
3.1.7. Герконы ........................................................................................ 
67 
3.2. Методы и приборы для измерения давления .................................. 
67 
3.2.1. Классификация приборов измерения давления ....................... 
67 
3.2.2. Жидкостные манометры 
............................................................. 
68 
3.2.3. Сильфонный датчик давления ................................................... 
68 
3.2.4. Пружинные манометры .............................................................. 
69 
3.2.5. Электрические манометры 
......................................................... 
69 
3.3. Методы и приборы для измерения температуры 
............................ 
70 
3.3.1. Жидкостные термометры расширения ..................................... 
71 
3.3.2. Термометры расширения твердотельные ................................. 71 
3.3.3. Манометрические термометры 
.................................................. 
72 
3.3.4. Электрические термометры ....................................................... 
72 
3.3.5. Термометры сопротивления 
....................................................... 
73 
3.3.6. Пирометры излучения ................................................................ 
74 
3.4. Методы и приборы для измерения расхода жидкости 
................... 74 
3.4.1. Классификация измерителей расхода 
....................................... 
74 
3.4.2. Турбинные расходомеры 
............................................................ 
75 
3.4.3. Электромагнитные расходомеры .............................................. 
76 
3.4.4. Расходомеры переменного перепада давления 
........................ 
77 
3.4.5. Расходомеры постоянного перепада давления ........................ 
78 
3.4.6. Ультразвуковые расходомеры ................................................... 
78 
3.4.7. Вихревые расходомеры .............................................................. 
80 
3.5. Методы и приборы для измерения уровня ...................................... 
80 
3.5.1. Методы измерения уровня ......................................................... 
80 
3.5.2. Поплавковый метод измерения уровня .................................... 
81 
3.5.3. Буйковые уровнемеры ................................................................ 
82 
3.5.4. Гидростатические уровнемеры 
.................................................. 
83 
3.5.5. Электрические методы измерения уровня ............................... 
84 
3.6. Методы и средства измерения технологических параметров  
бурения ....................................................................................................... 
86 
3.6.1. Измерители веса снаряда и осевой нагрузки в процессе  
бурения скважин на нефть и газ .......................................................... 
88 
3.6.2. Измерение частоты оборотов породоразрушающего  
инструмента ........................................................................................... 
90 
4. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ................................................. 
92 
4.1. Классификация исполнительных устройств ................................... 
92 
4.2. Электрические исполнительные механизмы................................... 
93 
4.3. Электромагниты ................................................................................. 
94 
4.4. Электромагнитные муфты 
................................................................. 95 
4.5. Элементы гидроавтоматики .............................................................. 
95 
4.5.1. Поршневые и плунжерные гидроцилиндры 
............................. 
96 
4.5.2. Сильфоны и мембранные механизмы 
....................................... 
96 
4.5.3. Направляющая аппаратура 
......................................................... 
97 
 
4 

5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ  
КУСТА СКВАЖИН ...................................................................................... 
100 
5.1. Общая характеристика объекта автоматизации 
............................ 
100 
5.2. Описание технологического процесса объекта добычи нефти ... 102 
5.3. Автоматизация добывающих скважин .......................................... 
103 
5.4. Автоматизация групповой замерной установки ........................... 
108 
5.5. Автоматизация дренажных емкостей............................................. 
110 
5.6. Автоматизация скважинной установки дозирования  
химических реагентов 
............................................................................. 
111 
5.7. Автоматизация блока водяной гребенки ....................................... 
114 
6. АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ 
........... 
116 
6.1. Автоматизация установки предварительного обезвоживания  
нефти 
......................................................................................................... 
116 
6.2. Блочные сепарационные установки ............................................... 
118 
6.3. Блочная установка вакуумной горячей сепарации ....................... 
120 
6.4. Концевые сепарационные установки ............................................. 
121 
6.5. Автоматизация насосной установки .............................................. 
122 
7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ 
УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ ................................................................ 
125 
7.1. Первичная переработка нефти ........................................................ 
125 
7.2. Автоматизация ректификационных установок 
............................. 
126 
7.3. Процессы глубокой переработки нефтяного сырья ..................... 
127 
7.3.1. Система автоматического управления трубчатой  
пиролизной печью 
............................................................................... 
128 
7.3.2. Система автоматического управления пиролизом  
бензина и этана в трубчатой печи ..................................................... 
130 
7.3.3. Автоматизация колонны первичного фракционирования  
пирогаза этиленовой установки 
......................................................... 
131 
8. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И 
ГАЗОВЫХ СКВАЖИН ................................................................................ 
134 
8.1. Общая характеристика автоматизации бурения ........................... 
134 
8.2. Регулирование параметров бурового насоса 
................................. 135 
8.3. Регулирование привода подачи бурового инструмента 
............... 138 
8.4. Примеры буровых автоматических регуляторов 
.......................... 
141 
8.4.1. Упрощенная схема БАР-150 для турбинного бурения ......... 141 
8.4.2. Буровой автоматический регулятор БАР Скворцова ............ 142 
8.5. Телеметрические системы при строительстве скважин 
............... 144 
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................... 
146 
 
 
 
 
5 

Введение 
 
В современных условиях функционирование технологических процессов 
на предприятиях нефтяной и газовой промышленности без средств автоматизации не представляется возможным: 
– требуется измерять, контролировать и регулировать технологические параметры; 
– требуется включать, отключать, защищать и корректировать работу оборудования; 
– требуется дистанционно передавать информацию, собирать и анализировать данные; 
– требуется дистанционно управлять технологическими агрегатами и др. 
Функции по управлению технологическими процессами выполняют системы автоматизации. Поэтому для формирования профессиональных компетенций обучающиеся должны иметь представление о способах контроля и регулирования в технологических процессах. 
Первая глава данного учебного пособия посвящена теории автоматического управления, где представлен материал по способам описания и моделирования технологических объектов и систем автоматического управления, даны 
общие понятия об анализе и синтезе систем управления. 
Во второй главе рассмотрена структура автоматизированных систем 
управления технологическими процессами (АСУ ТП), а именно, выделены три 
уровня автоматизации, определены функции элементов автоматики и даны способы графического изображения систем автоматизации и управления. 
Третья глава затрагивает вопросы контроля некоторых технологических 
параметров, а именно методы и средства измерения давления, температуры, 
расхода, уровня, а также технологических параметров бурения нефтяных и газовых скважин. 
В четвертой главе рассмотрены некоторые типы исполнительных механизмов, которые, по сути, являются «руками» систем регулирования. 
В главах с пятой по восьмую рассмотрены примеры автоматизации объектов добычи нефти, установок первичной подготовки нефти, установок переработки углеводородного сырья и объектов строительства скважин. 
В пособии использована учебная литература Тюменского индустриального 
университета [5], Российского государственного университета нефти и газа  
им. И. М. Губкина [1], материалы проектов нефтегазовых производств, функционирующих в Западной Сибири и др. 
Учебное пособие не претендует на исчерпывающую полноту. 
 
 
6 

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО  
УПРАВЛЕНИЯ 
 
1.1. Общие понятия 
 
При описании систем автоматического управления используют математические модели: статические и динамические характеристики, дифференциальные уравнения, передаточные функции W(p), частотные и переходные характеристики. 
При использовании этих моделей, объект представляют в виде звена (блока), на который действуют входные воздействия: задающие (управляющие) 
сигналы  X, возмущения (помехи) F, а на выходе звена имеют технологические 
параметры объекта Y (рис. 1.1, а). 
 
Q
X
F
Y
W(p)
Установившийся 
режим
Переходный 
режим
Уст. 
режим
t
0
a)
б)
 
 
Рисунок 1.1. Иллюстрация звена (а) и режимов работы объекта (б) 
 
Под воздействием входных величин X и F выходные параметры Y изменяются. Например, для центробежного насоса увеличение частоты вращения привода (входной величины) вызывает увеличение подачи жидкости (выходной величины); помехами для насоса будут: изменяющаяся вязкость жидкости, износ 
оборудования, вибрации и др. 
Объекты управления могут работать в установившемся и переходном режиме (рис. 1.1, б). 
Установившийся режим – это режим, при котором выходной параметр 
объекта управления не изменяется (или изменяется по определенному закону). 
Переходный режим – это режим перехода объекта из одного установившегося режима в другой установившийся режим. 
Статической характеристикой объекта называют зависимость установившегося значения выходной величины от входной величины Y = f(X)  
(рис. 1.2, а). 
Линейные статические характеристики более удобны в отличие от нелинейных, поэтому нелинейные модели обычно преобразуют к линейному виду 
путем линеаризации. 
Динамической характеристикой объекта называется зависимость выходной величины от времени при различных входных воздействиях (ступенчатых, 
импульсных и др.). 
 
7 

Y
Y
Y- вых
нелинейная
линейная
X- вх
0
0
t
X
a)
б)
 
 
Рисунок 1.2. Примеры статических (а) и динамической (б) характеристик 
 
Выделяют следующие принципы автоматического управления: 
1) Принцип разомкнутого управления (разомкнутые системы автоматического управления САУ) (рис. 1.3): сигнал с задающего устройства усиливается и подается на исполнительный механизм, который воздействуя на объект 
управления, изменяет выходной сигнал Y. 
Рассмотрим разомкнутую систему на примере емкости для нагрева жидкости. Пусть система содержит элементы: 
x объект управления – емкость (резервуар) с жидкостью; 
x исполнительный механизм – нагревательный электрический элемент; 
x выходной параметр – температура жидкости t°; 
x входной параметр – ток нагревательного элемента I. 
При увеличении тока I нагревательного элемента, температура жидкости  
t° увеличивается, и наоборот. Но при неизменных параметрах работы нагревателя, то есть при фиксированном токе (I = const), температура жидкости  t° может изменяться (отклонятся от заданной) под воздействием помех: температуры окружающей среды. Возникнет ошибка управления – статическая ошибка 
ѓ – отклонение фактической температуры жидкости от заданного значения. 
Недостаток разомкнутых систем состоит в том, что система обеспечивает 
точное управление только при соответствии всех параметров системы управления и объекта управления их расчетным величинам. 
 
XЗ
XУ
X
Y
Задающее 
устройство
Усилительное 
устройство
Исполнительное 
устройство
Объект 
управления
 
 
Рисунок 1.3. Разомкнутая система автоматического управления 
 
2) Принцип компенсации (управление по возмущению). 
В системах автоматического управления по возмущению измеряют возмущающие воздействия и при их отклонении от расчетных (нормальных) значений корректируют управляющий сигнал (рис. 1.4). 
 
8 

В настоящее время системы управления, реализующие принцип компенсации не нашли широкого распространения, так как невозможно оценить все возмущения, действующие на объект и достичь высокой точности управления. 
 
F
Измерительное 
устройство
F
FИ
XЗ+'
XЗ
XУ
X
Y
Задающее 
устройство
Усилительное 
устройство
Исполнительное 
устройство
Объект 
управления
сумматор
 
Рисунок 1.4. Система автоматического управления,  
реализующая принцип компенсации 
 
3) Управление по замкнутой схеме (замкнутые САУ) (рис. 1.5). 
В замкнутых САУ выходной параметр измеряется и сравнивается с заданным значением. При несоответствии контролируемого параметра Y заданному 
3
X  вводится корректировка 
И
X
X
X

 
'
3
 в управляющий сигнал. Таким образом, управляющий сигнал формируется в функции отклонения выходного параметра. 
Замкнутые системы обеспечивают высокую точность управления, так как в 
фактическом значении регулируемой величины заложены данные всех возмущений. Замкнутые САУ называются системами автоматического регулирования (САР). 
 
'
сумматор
X
XЗ
XУ
X
Y
Задающее 
устройство
Усилительное 
устройство
Исполнительное 
устройство
Объект 
управления

Измерительное 
устройство
XИ
Y
 
Рисунок 1.5. Замкнутая система автоматического управления 
 
Принцип замкнутого управления (по отклонению) осуществляется замыканием цепи обратной связи (ОС). Обратная связь – это канал связи от выхода 
объекта управления до входа системы. 
Как правило, в системах регулирования обратная связь отрицательная (см. 
рис. 1.5), при которой на выходе сумматора появляется сигнал разности заданного 
3
X  и фактического значения 
И
X
. Чем больше 
X
'
, тем сильнее система 
управления воздействует на объект. 
Замкнутые САУ получили самое широкое распространение. 
Недостатком замкнутых систем управления является их повышенная колебательность, то есть длительное регулирование «больше – меньше» от заданного значения. 
 
9 

4) Комбинированные САУ осуществляют контроль возмущающих воздействий и выходного параметра, и на основании этих измерений формируют 
управляющее воздействие. Таким образом, используются принцип компенсации и принцип замкнутых систем. 
 
1.2. Классификация САУ 
 
Классификация систем автоматического управления представлена в 
табл. 1.1. 
Таблица 1.1 
Классификация САУ 
Признак  
классификации 
Классификация 
Наличие или  
отсутствие  
дополнительных  
источников энергии 
Выделяют системы прямого и непрямого управления. 
Системы прямого управления í это системы управления, для которых не требуется дополнительные источники энергии, и чувствительный элемент непосредственно воздействует на регулирующее устройство. 
Системы непрямого управления – это системы управления, в которых используются дополнительные источники энергии (например, усилители) 
Характер сигналов, циркулирующих в системе 
Аналоговые (непрерывные), дискретные (цифровые) и дискретно-непрерывные (гибридные) системы управления 
Цель управления 
Системы стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы. 
Системы стабилизации í это системы управления, которые обеспечивают стабилизацию (поддержание 
требуемого значения) выходной величины в соответствии с задающим воздействием.  
Системы программного регулирования í это системы, 
в которых задающее воздействие изменяется по заданной программе. 
Следящие системы – это системы обеспечивающие 
изменение регулируемого параметра по закону, который заранее неизвестен (например, манипуляторы) 
По величине ошибки 
управления H  
Системы статические и астатические.  
Статические системы по окончанию процесса регулирования имеют ошибку, равную некоторой постоянной величине, называемую статической ошибкой H . 
Астатические системы по окончании процесса регулирования не имеют ошибку управления (
0
 
H
) 
Одноконтурные и многоконтурные системы 
По числу замкнутых 
контуров регулирования 
САУ 
 
10