Главная » 2014 » Июль » 21 » Скачать Информационно-измерительная система для контроля дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти. Баталов, Вячеслав бесплатно
02:29
Скачать Информационно-измерительная система для контроля дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти. Баталов, Вячеслав бесплатно
Информационно-измерительная система для контроля дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти
Диссертация
Автор: Баталов, Вячеслав Сергеевич
Название: Информационно-измерительная система для контроля дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти
Справка: Баталов, Вячеслав Сергеевич. Информационно-измерительная система для контроля дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти : диссертация кандидата технических наук : 05.11.16 / Баталов Вячеслав Сергеевич; [Место защиты: Астрахан. гос. ун-т] - Уфа, 2008 - Количество страниц: 184 с. ил. Уфа, 2008 184 c. :
Объем: 184 стр.
Информация: Уфа, 2008
Содержание:
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
11 Общие вопросы создания ИИС на нефтепромысле
12 Определение области измеряемых физических величин ИИС в системе дренирования нефтяных смесей
13 Анализ ИП в составе ИИС в процессах дренирования
14 Формулировка задач диссертации
15 Выводы
2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И
КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ ДАТЧИКОВ В ИИУС
21 Общие положения разработки унифицированного модуля ИИУС
22 Разработка обобщенных структурных схем ИИУС
23 Способы преобразования сопротивлений датчиков в ИИУС
231 Разработка схемы инвариантного ПИП с РСД
232 Разработка многоканального ИП на основе ИСД и аналитической модели для описания его КП
233 Условия достижения инвариантности КП с ИСД по отношению к влияющим факторам
234 Инвариантные структуры ИП на основе ЕСД
24 Разработка термостойких структур многоканальных и многофункциональных ИП
241 Разработка термостойких многоканальных ИП с РСД
242 Разработка многофункциональных датчиков с ИСД и ЕСД
25 Создание цифровой структуры МТИС
26 Выводы
3 АНАЛИЗ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИИУС С РЕЗИСТИВНЫМИ,
И1-ЩУКТИВНБ1МИ И ЕМКОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ
31 Исследование погрешностей преобразования ИИУС
311 Исследование погрешностей преобразования датчиков с РСД
312 Анализ погрешностей преобразования датчиков с ИСД
313 Анализ погрешностей преобразования датчиков с ЕСД и МФИП
32 Оценка динамических погрешностей ИИУС
3 21 Исследование динамических погрешностей ИИУС при переходных процессах в JIC
322 Анализ помехоустойчивости ИИУС при установившихся процессах в J1C
33 Оценка быстродействия и информативности ИИУС
34 Анализ точностных характеристик каналов сигнализации ИИУС
35 Выводы
4 ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ УНИФИЦИРОВАННЫХ МОДУЛЕЙ ИИУС ПРИ
АЕ^[ОМА1№АЦИИГШЩССАД)ЕНИГОВА™яНЕФ1ЯНЬ1Х11ГОДУ1С1да
41 Общие вопросы
42 Автоматизация корпоративных систем на основе модульных структур ИИУС
421 Характеристика топологии промышленной корпоративной системы
422 Выполнение программно-аппаратных средств интеграционного сервера
43 Особенности разработки унифицированного модуля
44 Разработка и эксперимешалы ые исследования резервируемых каналов сигнализации ИИУС
45 Выводы
Введение:
Развитие топливно-энергетического комплекса вызывается возросшей потребностью в нефтегазовой продукции и является основой формирования бюджета страны. Для поддержания устойчивого уровня нефтедобычи необходимо освоение новых глубокозалегающих и труднодоступных пластов нефтегазовых месторождений в Западной Сибири, на севере европейской части России, Поволжье, Башкирии и континентальном шельфе. При этом результативным показателем эффективности нефтедобычи является получение соответствующего количества товарной нефти [2, 76, 79,91].
Получение точных значений добываемых дебитов нефти достигается в результате ее очистки на нефтепромыслах при помощи установок подготовки нефти (УПН) в стационарных условиях. Эффективность функционирования УПН зависит от оперативности процессов исследования физико-химических свойств многофазных нефтяных продукций в его отстойном аппарате с помощью информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) [47, 55, 91 - 94].
В процессе комплексного функционирования УПН составные модули ИИУС выполняют управление исполнительными устройствами задвижек для дренирования различных жидких неразмешивающихся газообразных и твердых фаз, а также преобразование сопротивлений датчиков в измерительных преобразователях (ИП). При этом количество датчиков дренируемых параметров определяется по модели объекта исследования, адекватной реальным процессам движения сложных расслаиваемых потоков нефтяных смесей в отстойном аппарате УПН [9, 12,25,31].
При этом перспектива разработки и исследования резистивных, индуктивных и емкостных датчиков в составе многоканальных телеизмерительных систем (МТИС) обусловлены возможностью выполнения ими своих функций в условиях повышенной информативности и надежности функционирования при работе с агрессивной нефтяной продукцией.
В настоящее время указанные ИП не удовлетворяют современным требованиям ИИУС по целому ряду факторов. Низкая точность учета нефти обусловлена низкой точностью и чувствительностью управления каналов обратной связи ИИУС, т.е. несовершенством системной модели процесса дренирования многофазной нефтяной продукции. Низкая надежность существующих ИП обусловлена отсутствием синхронизации первичных и промежуточных процессов преобразований в условиях большого количества влияющих факторов внешней среды, а также помех, наводимых в двухпроводной линии связи (JIC).
Создание ИП с двухпроводной J1C неразрывно связано с разработкой и исследованием соответствующих каналов преобразований (КП) с резистивными (РСД), индуктивными (ИСД) и емкостными (ЕСД) сопротивлениями датчиков.
В связи с этим задача создания и теоретического исследования ИИУС с каналами измерения, управления и сигнализации в основе многоканальных структур с двухпроводной J1C, реализующие разные способы преобразования и комплексирования датчиков на резервируемых объектах системы дренирования, является актуальной задачей.
Актуальность научных задач и практическая ценность подтверждается тем, что их решение осуществлялось в соответствии с целевыми комплексными программами: 1). Планами НИР Уфимского государственного авиационного технического университета и Уфимской государственной академии экономики и сервиса по теме «Создание датчиков для измерения физических величин» (Гос. регистрация № 01960004245. Инв. №02990001979. - Москва: ВНТИЦ, 1999). 2). Проектом «UM JEP - 26108 — 2005 Network for universities and enterprises cooperation (NEUC)» по программе Европейского союза «ТЕМПУС-ТАСИС» (2006 г.). 3). Проектом «UM JEP - 27083 - 2006 Network of centers for training of innovative project management (NCTIMP)» по программе Европейского союза «ТЕМПУС-ТАСИС» (2007 г.).
Целью диссертационной работы является создание и исследование информационно-измерительной системы с улучшенными характеристиками измерительных преобразователей (повышенными значениями надежности и информативности) для автоматизации контроля параметров дренирования многофазных сред на установках подготовки нефти.
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 JTC 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.
Диссертационная работа состоит из 4 глав, заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе проведен аналитический обзор существующих видов ИИУС, используемых на технологических объектах нефтеизвлечения, сбора, подготовки и транспортировки нефти. Показано, что в обобщенной схеме классификации ИИС можно использовать измерительные системы (ИС), как подсистем низшей иерархии в реализации систем технической диагностики (СТД) и автоматического контроля (САК), а также МТИС.
Установлено, что основные классы ИС (многоканальные, многоточечные, мультиплицированные и многомерные) можно использовать при создании различных типов однофункциональных и многофункциональных датчиков. В перспективе разработки аналоговых и цифровых МТИС показана необходимость использования разных методов разделения каналов ( с пространственным, временным, а также с уплотнением-разуплотнением каналов).
Для определения комплекса измеряемых величин рассмотрена специфика выполнения технологических процессов сбора и подготовки нефти на оборудовании УПН. Исследования гидравлической схемы обвязки УПН в процессе сбора нефти указывает на то, что она может использоваться только для стабилизации входных скважинных потоков нефтяных смесей.
Анализ существующих технологий дренирования нефтяных смесей в существующих системах ее подготовки указывает на группу выявленных недостатков из-за ограниченности в применении одноконтурной системы дренирования. Показано, что современным требованиям удовлетворяют новые структуры многоконтурных СДМС с учетом условий многофазности и многокомпонентное™ дренируемых нефтяных сред. Исходя из полученной математической модели и разработки СДМС выявлен полный перечень измеряемых физических величин для последующего определения используемых типов датчиков.
При этом процесс дренирования составных фаз нефтяных сред должен выполняться при совмещении режимов измерения, управления и сигнализации технического состояния ИИУС и оборудования УПН. Проведенный анализ существующих классов ИП температуры и давления на нефтепромыслах и других отраслях промышленностей на перспективу использования РСД в первичных измерительных цепях. При анализе существующих измерителей состава нефтяных сред выявлены перспективные типы датчиков на основе ИСД и ЕСД
Показано, что однозначные условия физической реализуемости КП в исследуемых ИИУС могут быть найдены исходя из положений основного принципа теории инвариантности - принципа многоканальности в измерительной технике. Исходя из поставленных требований к анализу существующих средств измерений было показано, что не удовлетворяют условиям измерений дренируемых параметров.
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 для умеренных температурных условий эксплуатации при их комплексировании РСД, ИСД и ЕСД с преобразовательными цепями. В случае исследований высокотемпературных нефтяных сред необходима реализация ИИУС с непосредственным подключением РСД, ИСД и ЕСД к выводам двухпроводной JTC.
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 ИИУС принцип организации КП может быть реализован только за счет адресации РСД и образцового резистора в составе КП0. Для последней группы двухканальных ИИУС приведены основные математические соотношения при выводе уравнения преобразования. Применение такого принципа преобразований дает возможность организации многоканальной структуры МТИС в соответствии выявленным условиям измерений.
В конце главы рассматриваются методы анализа измерительных сигналов с установившимися и переходными процессами.
Исходя из актуальности разработки и исследования малопроводных ИИУС с резистивными, индуктивными и емкостными сопротивлениями датчиков, а также анализа выполненных исследований в данной области, определяется цель и ставятся задачи диссертации.
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 сопротивлений датчиков.
Показано, что аналоговые сигналы различных датчиков Д 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.
Установлена реализуемость многоканальных и многофункциональных способов обработки сигналов датчиков, включаемые в структуры унифицированных модулей ИИУС. На основе принципа многоканальности и метода образцовых мер была разработана обобщенная структурная схема многоканальных ИИС. Первая из них построена с возможностью замены протяженной J1C на цепи с сосредоточенными параметрами для адекватного описания процесса многофункционального преобразования сопротивлений датчиков в КП0 образцовой меры и КП; измерительной информации. Ассиметричная схема включения таких КП позволила учесть влияющие факторы в результате выполнения инвариантных алгоритмов вычислительных процедур.
Неограниченное комплексирование многофункциональных датчиков в передающей части ИИУС реализовано второй обобщенной схемой, в которой цикловые синхросигналы с выхода источника единичных возмущений через JIC поступают в комплексный прибор и управляют промежуточным аналого-цифровым преобразованием источника информационных возмущений от многофункциональных датчиков. Выходные сигналы с этих канальных источников поступают по интерфейсной шине в приемную часть МТИС для выполнения над ними инвариантных алгоритмов вычислительных процедур. Условия физической реализуемости этих МТИС найдены при дополнительном введении КП0 образцовой меры на передающей части.
При исследованиях пространственно - распределенных параметров объектов рассмотрены структуры МТИС с пространственным разделением каналов на основе активных преобразовательных элементов. Показано, что инвариантность КП с РСД достигается при введении канала преобразования образцовой меры КП0 с идентичными преобразовательными элементами.
Для контроля примесей в различных нижних слоях многофазных сред в УПИ разработана многоканальная структура датчика с вибрационно-частотным чувствительным элементом датчика (ЧЭД) для измерений вязкости среды, а также с емкостным сопротивлением датчика для измерений влажности нефтяных сред. Условия физической реализуемости таких датчиков найдены при дополнительном введении КП0.
На основании первой обобщенной структурной схемы ИИУС была разработана для исследований высокотемпературных объектов МТИС с непосредственным подключением группы РПСД и образцового сопротивления. В качестве коммутатора передающей части используется, группа герконовых реле, устанавливаемых напротив вращающегося вала с постоянным магнитом вертушечного расходомера. Для приведенной схемы условие инвариантности МТИС выполнены за счет адресного комплексирования и преобразования сопротивлений датчиков в передающей части и адресного восстановления информации в приемной части, а также временной привязки различных процессов преобразований. В результате найден алгоритм инвариантного преобразования на основе системы i независимых уравнений преобразований РСД.
Найдены направления реализации многофункционального индуктивно-емкостного вибрационного ИП для измерений объемных концентраций водонефтяных (и обратных) эмульсий. Конструктивно датчик представляет собой мембрану в виде пластины, которая через упругие пружины соединены к корпусу. При этом корпус является вторым электродом датчика и относительно его крепится электромагнитная система на изоляторах (условно не указанных). Электромагнитная система датчика представляет собой обмотку возбуждения, которая посредством изоляторов крепится на кронштейне. Ходовая втулка размещена внутри обмотки возбуждения, а кронштейн устанавливается с помощью крепежных втулок к корпусу датчика. Упругие пружины размещены между подвижным и нулевым электродами.
В соответствии второй обобщенной схеме разработана структура цифровых МТИС в составе измерительных и управляющих микроконтроллеров. Для этих МТИС уменьшены противоречия между быстродействием, информативностью, надежностью и снижением габаритных размеров датчиков за счет совершенствования их структур.
Показано, что совершенствование физических принципов разрабатываемых ИИУС и способов измерений комплексов технологических параметров дает возможность получить наиболее рациональные структуры МТИС с использованием образцовых КП с выходными стандарт-сигналами.
В третьей главе рассмотрены детерминированные характеристики погрешности результата в КП с РСД. При этом преобразования медленно изменяющихся сигналов в код проанализированы с помощью интегральных оценок погрешностей. Показано, что максимальное значение погрешности преобразований в 0,1 % можно с достоверной точностью обеспечить результаты измерений.
Исследованы вероятностные характеристики погрешности результата в КП с ИСД и ЕСД при последующем определении максимальных величин среднеквадратических отклонений, полученных в результате эксперимента. Показано, что наиболее вероятные значения измеряемых величин определяются на основе распределения Стьюдента.
Установлено, что результаты устойчивых измерений объемных концентраций эмульсий на основе МФД могут быть получены с учетом номинальных градуировочных характеристик каналов преобразования вязкости (КПи) и влажности (Knw(Dj)) с различными i характеристиками дисперсионности состава.
В результате исследований помехоустойчивости ИП установлено многократное обеспечение допустимых значений сигнал/помеха. Проанализированы динамические погрешности ИП для переходных и установившихся процессов в J1C. Показано, что для переходных и процессов в JIC величина погрешности в 0,03 % полностью устраняется. Для установившихся процессов в J1C суммарная погрешность обусловлена задержкой переключения КП и запаздыванием преобразуемых сигналов в приемной части ИИУС. В результате анализа установлено, что эта погрешность устраняется при временной задержке в начале каждого цикла преобразования.
В конце главы произведена информационная оценка быстродействия и информативности ИИУС по характеристическим участкам исследуемых гидродинамических процессов в УПН. В результате определения производной второго порядка исследуемых кривых установлено, что цикловая частота опроса и восстановления сигналов датчиков не должна быть менее 9,8 Гц, а информативность каждого цифрового КП — не менее 8 двоичных единиц на символ.
В четвертой главе рассмотрена реализация модульной структуры ИИУС в составе промышленной корпоративной информационной системе (ПКИС) нефтепромысла в задачах контроля многосвязных СДМС, выработанных в системном подходе проектирования. Основой реализации такой системы является перенос апробированных Интранет и Web-технологий. Отличительной особенностью ее является обработка датчиковых данных ИИУС в реальном времени и интеграция их с данными пользовательского уровня. ИИУС выполнены на основе измерительно-управляющих модулей (ИУМ^ и модулей технической диагностики (МТД) при обеспечении условий стандартизации и унификации применяемых разработок. Показаны особенности применения стандартизованных промышленных сетей. Показано, что данные технического уровня с интеграционного сервера подлежат обработке в технологиях локальных сетей, а также смежных корпоративных или глобальных электронных сетях.
В конце главы рассмотрены принципы построения унифицированных модулей, а также реализуемости МТД;. Показано, что МТД с резервируемыми КП позволяет выполнять функции ранней диагностики технологического оборудования УПН и аппаратурных трактов ИИУС.
В заключении изложены основные выводы, а также перспективы дальнейшего развития малопроводных ИП с резистивными, индуктивными и емкостными сопротивлениями датчиков в составе ИИУС для исследований параметров СДМС. В приложениях приведены дополнительные материалы диссертационной работы, а также материалы, подтверждающие внедрение разработанных устройств.
