Технологии нефтегазового производства

Лекция 1 (установочная)

Развитие современного производства идет по пути создания высокоэффективных промышленных установок, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов (ТП), и систем управления ими. При этом постепенно был осуществлен переход от ручного управления ТП к автоматизированному и далее – к полностью автоматическому. Все это привело к выделению в науке об управлении самостоятельного раздела, перед которым ставятся задачи разработки методов и систем автоматизации ТП. К 1974 г. эти системы получили название «Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП)», и появились первые ГОСТ, регламентирующие терминологию, основные положения, а в дальнейшем – весь процесс создания, введения в эксплуатацию и собственно эксплуатацию таких систем.

Технологический процесс – это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда.

Технологический процесс – это совокупность физико-химических или физико-механических превращений веществ, изменение значений параметров тел и материальных сред, целенаправленно проводимых на технологическом оборудовании или в аппарате (системе взаимосвязанных аппаратов, агрегате, машине и т. д.).

Технологии нефтегазового производства

1. Нефтеразведка. Цель нефтеразведки – выявление, геолого-экономическая оценка и подготовка к разработке промышленных залежей нефти и газа. Нефтеразведка производится с помощью геологических, геофизических, геохимических и буровых работ, выполняемых в рациональном сочетании и последовательности.

2. Нефтедобыча. Почти вся добываемая в мире нефти извлекается посредством буровых скважин, закрепленных стальными трубами высокого давления. Для подъёма нефти и сопутствующих ей газа и воды на поверхность скважина имеет герметичную систему подъёмных труб, механизмов и запорной арматуры, рассчитанную на работу с давлениями, соизмеримыми с пластовыми.

3. Разработка нефтяного месторождения. Под разработкой нефтяного месторождения понимается осуществление процесса перемещения жидкостей (нефти, воды) и газа в пластах к эксплуатационным скважинам.

4. Эксплуатация нефтяных скважин. Извлечение нефти из скважин производится либо за счёт естественного фонтанирования под действием пластовой энергии, либо путём использования одного из нескольких механизированных способов подъёма жидкости.

Автоматизация технологических процессов является решающим фактором в повышении производительности труда и улучшении качества выпускаемой продукции.

Технологические процессы современных промышленных объектов требуют контроля большого числа параметров и сложны в управлении. За годы развития переработки нефти и нефтехимической промышленности наблюдается усложнение процессов, что требует более четкого управления ими. В первой половине XX века, появились приборы регистрации и контроля параметров, так называемые контрольно-измерительные приборы – КИП. Зарождение, становление и развитие приборов измерения и контроля процесса от автоматического регулирования до АСУ и управление на макро- и микроуровне является неотъемлемой частью процессов нефтегазового производства, нефтепереработки и нефтехимии.

Дальнейшее совершенствование приборов регистрации, контроля и управления параметрами привело к автоматизации и телемеханизации нефтепереработки и нефтехимии. Последнее привело к компьютеризации и управлению процессами, то есть к автоматизированным системам управления (АСУ).

И, естественно, что прогресс, в приборостроении и аппаратостроении в АСУ является интересной задачей, решение которой необходимо для определения дальнейших перспектив развития на основе преодоления глобальных проблем управления в нефтегазовой сфере.

 

Основные современные проблемы оперативного управления производством и автоматизации в нефтегазовом производстве:

1. Учет добычи, движения и использования углеводородного сырья, нефти, газа, нефтепродуктов, для решения которой важно обеспечить возможность мониторинга учетных операций, в том числе с лицензионных участков, а также обеспечивать проведение внутренних и внешних аудитов по учету нефти, что в свою очередь требует разработки соответствующих измерительных средств, а также программно-информационной системы.

2. Управление территориальными активами, организация технического обслуживания и ремонта оборудования, обеспечение безопасности производства и персонала. Для решения данной проблемы требуется разработка программно-информационных средств, обеспечивающих учет, планирование технического обслуживания и ремонтов, контроль состояния производственных активов и выполненных работ; контроль заключения и выполнения договоров с подрядчиками на выполнение работ; контроль за нахождением персонала на производственных объектах; возможность обучения персонала по месту на тренажерах; наличие на рабочих местах актуальной документации на использование оборудования, на технологию выполнения процедур и операций.

3. Высокий уровень энергопотребления производства и необходимость мероприятий по энергосбережению и энергоэффективности. Для решения указанной проблемы требуются программно-информационные средства обеспечивающие учет, планирование технического обслуживания и ремонтов, контроль состояния энергопотребления по элементам технологического процесса; выявление объектов энергопотребления со сверхнормативным уровнем потребления электроэнергии; контроль за выполнением мероприятий по энергосбережению.

4. Разнообразие средств АСУ ТП, моделирующих и информационных систем. Данная проблема требует разработки программно-информационных средств, обеспечивающих формирование массива исходной информации для стратегического (планы развития и размещения производства), среднесрочного (годовые и месячные планы) и оперативного (суточные и сменные планы) планов управления; удовлетворения требований к составу и структуре документов в соответствии с внутренним регламентом предприятия, требованиями стандартизации акционеров; унификации доступа и разграничения полномочий при работе с документами.

5. Минимизация затрат на эксплуатацию системы при максимальном уровне информационного сервиса, предоставляемого лицам, принимающим решения. Для решения проблемы требуются: разработка методологии выполнения работ по развитию MES-уровня, автоматизации неавтоматизированных ранее производственных объектов и программно-информационных средств обеспечивающих: поддержание в актуальном состоянии баз данных и работоспособном состоянии программных средств системы; контроль функционирования программных средств системы (по обмену информацией с системами АСУТП, ERP и др.); фиксация действий персонала, включенного в работу системы.

6. Увеличение средств и труда на добычу каждой тонны нефти, обусловленное тем, что месторождения дешевой нефти в Западной Сибири, открытые в конце 1950-х годов, постепенно истощаются. В нефтеносном регионе остались в основном запасы со сложной добычей, требующие новых технологических решений и дополнительных капитальных вложений. Для решения данной проблемы необходимо повысить эффективность капитальных вложений и облегчить управление извлечением нефти; повысить эффективность капитальных вложений и облегчить управление извлечением нефти из недр за счет подхода, получившего название «умные месторождения», «интеллектуальные месторождения», «интеллектуальные нефтепромыслы», «интеллектуальные скважины»; оптимизировать работы всех промысловых объектов: скважин, коллекторов, трубопроводов и других наземных объектов.

Одним из основных направлений деятельности человека является совершенствование процессов производства с целью облегчения тяжёлого физического труда и повышение эффективности процесса в целом – это направление может реализоваться через автоматизацию производственных процессов.

Итак, целью АПП является:

- повышение производительности;

- повышение качества;

- улучшение условий труда.

Цель рождает вопросы, что и как автоматизировать, целесообразность и необходимость автоматизации и др. задач.

Технологический процесс состоит из трёх основных частей:

- рабочего цикла – основной технологический процесс;

- холостых ходов – вспомогательных операций;

- транспортно-накопительных операций.

Из всего выше сказанного видно, что АПП имеет комплексный подход и, не решив одну задачу, можем не достигнуть необходимого эффекта.

Автоматизация – направление развития производства, характеризуемое освобождением человека не только от мускульных усилий, для выполнения тех или иных движений, но и от оперативного управления механизмами, выполняющими эти движения.

Автоматизация может быть частичной и полной.

Частичная автоматизация – автоматизация части операции по управлению производственным процессом при условии, что остальная часть всех операций выполняется автоматически (управление и контроль человеком). Примером может служить – автоматическая линия (АЛ), состоящая из нескольких станков-автоматов и имеющих автоматическую межоперационную транспортную систему. Управление линией осуществляется одним процессом.

Полная автоматизация – характеризуется автоматическим выполнением всех функций для осуществления производственного процесса без непосредственного вмешательства человека в работу оборудования. В обязанности человека входят настройка машины или группы машин, включение и контроль. Пример: автоматический участок или цех.

Анализируя тенденцию и историю развития автоматизации производственных процессов, можно отметить четыре основных этапа, на которых решались различные по своей сложности задачи.

1. Автоматизация рабочего цикла, создание машин автоматов и полуавтоматов.

2. Автоматизация систем машин, создание АЛ, комплексов и модулей.

3. Комплексы автоматизации производственных процессов с созданием автоматических цехов и заводов.

4. Создание гибкого автоматизированного производства с автоматизацией серийного и мелкосерийного производства, инженерного и управленческого труда.

На первом этапе - модернизировалось универсальное оборудование, создавались станки с ЧПУ, многоинструментальные и многопозиционные автоматы.

АЛ называется автоматическая система машин расположенных в технологической последовательности, объединённых средствами транспортировки, управления, автоматически выполняющих комплекс операций, кроме контроля и наладки.

Создание АЛ потребовало решения более сложных задач. Так одна из них – создание автоматической системы межстаночной транспортировки обрабатываемых деталей, с учётом неодинакового ритма работы станков (время на операции разное); а также несовпадение по времени их простоев из-за возникающих неполадок.

На втором этапе автоматизации решается и задача создания средств автоматизированного контроля, в том числе активного контроля.

Автоматическим цехом или заводом называется цех или завод, в котором основные производственные процессы осуществляются на АЛ. Здесь решаются задачи автоматизации межлинейной и межцеховой транспортировки складирования, уборки и переработки стружки, диспетчерского контроля и управления производством.

Система управления цеха также выполняет новые более сложные задачи.

Важнейшей особенностью комплексной автоматизации производственных процессов как нового этапа технического прогресса является широкое применение вычислительной техники, которая позволяет решать не только задачу управления производством, но и гибкого управления технологическими процессами.

Гибкие автоматизированные системы как четвёртый этап автоматизации представляют собой наивысшую четвёртую ступень развития автоматизации технологических процессов. Предназначены для автоматизации технологических процессов со сменным объектом производства, в том числе для единичного и мелкосерийного производства.

Гибкое производство – сложное понятие, включающее в себя целый комплекс компонентов.

Гибкость процесса – способность производить заданное множество типов деталей, в том числе из различных деталей, разными способами.

Гибкость по продукту – способность быстрого и экономичного переключения на производство нового продукта.

Маршрутная гибкость – способность продолжать обработку заданного множества типов деталей при отказах отдельных технологических элементов ГАП.

Гибкость по объёму – способность ГАП экономически выгодно работать при различных объёмах производства.

Гибкость по расширению – возможность расширения ГАП за счёт введения новых технологических элементов.

Гибкость работы – возможность изменения порядка операции для каждого из типов в детали.

Гибкость по продукции – всё разнообразие изделий, которое способно производить ГАП.

Определяющими являются машинная и маршрутная гибкость.

Использование ГАП даёт непосредственный экономический эффект за счёт высвобождения персонала и увеличения сменности работы и управляющего оборудования.

Обычно в первую смену производится загрузка заготовок, материалов, инструмента, технических заданий, СУ и т.д., это выполняется с участием людей. Вторую и третью смену ГАП работает самостоятельно под наблюдением диспетчера.

Объект управления – обобщающий термин кибернетики и теории автоматического управления, обозначающий устройство или динамический процесс, управление поведением которого является целью создания системы автоматического управления.

Автоматизированной системой управления (АСУ) называется человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и переработку информации, необходимой для оптимизации управления в различных сферах человеческой деятельности в соответствии с принятым критерием.

АСУ технологического процесса (АСУТП) – это автоматизированная система управления для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием качества управления.

При организации современного технологического процесса выделяются три подсистемы преобразования: вещества, энергии, информации. Среди перечисленных подсистем невозможно выделить главную и второстепенные. Они в своем функционировании равноправны, так как образуют автоматизированный технологический комплекс (АТК), представляющий собой совокупность совместно функционирующих АСУ ТП и технологического объекта управления.

При рассмотрении вопросов совершенствования технологических процессов обращает на себя внимание роль человека в сфере материального производства. Создание новых технологических процессов, разработка новых производительных механизмов, появление новых управляемых источников энергии приводит к тому, что роль человека практически сводится к переработке информации и выдаче управляющих воздействий. Этот процесс складывается из следующих этапов: а) накопления и хранения априорной информации (процесс обучения и знакомства с конкретным технологическим объектом); б) приема исходной информации, содержащей конкретное оперативное задание по управлению объектом, получаемое непосредственно перед работой; в) сбора текущей информации о соответствии хода технологического процесса установленному заданию и перегрузках оборудования; г) преобразования трех видов информации (априорной, исходной и текущей) в целях принятия решения на управление объектом; д) воздействия на органы управления объектом эффекторами (рукой, ногой, голосом и т.п.) для реализации принятых решений.

С развитием материального производства низкая информационная производительность человека-оператора становится тормозом технического прогресса. Человек не успевает воспринимать через органы чувств возросшее количество показаний индикационных приборов, необходимых для принятия соответствующего правильного решения. Он не в состоянии запомнить все правила управления технологическим оборудованием и рекомендации по ведению процесса. В ряде случаев, даже приняв правильное решение, оператор не успевает передать команду управляемому объекту. Попытка решить задачу путем увеличения числа операторов выдвигает проблему согласованности их действий.

Речь, естественно, идет не об ограниченности интеллектуальных и творческих возможностей человека, а о том, что нерационально и неэффективно использовать человека для переработки большого объема информации при ее шаблонной повторяемости в каждом цикле технологической операции и что управление человеком-оператором быстропротекающими процессами невозможно.

Таким образом, только механизация переработки информации с помощью АСУ ТП снимает это препятствие на пути технического прогресса в области материального производства.

Основное назначение АСУ ТП состоит в автоматической оптимизации технологического процесса. В таких системах обеспечивается реализация совершенных законов управления и как следствие – наиболее эффективное ведение технологического процесса и высокое качество продукции, т.е. выпускается максимально возможное количество готовой продукции при обеспечении необходимого ее качества и допустимой загрузки технологического оборудования. При этом в идеальном случае затраты должны быть минимальными. Это означает, что технологический комплекс и саму технологию необходимо спроектировать таким образом, чтобы оборудование имело наименьшие габаритные размеры и массу. Конструкция оборудования должна гарантировать минимум потерь в узлах трения, а технология – максимальное использование исходного продукта и энергии. Наконец, ведение технологического процесса должно обеспечить выпуск готовой продукции с наименьшим полем допусков и минимум брака.

Единственный критерий, способный объединить перечисленные показатели,– экономический. Если стоимостные эквиваленты не установлены, повышение эффективности достигается путем оптимизации одного или двух наиболее существенных параметров. При двух параметрах приходится отыскивать компромиссное решение. Еще более сложны поиски компромисса между минимумами расхода трех основных компонентов: материала, энергии и информации.

В целевой классификации АСУ ТП по типовым задачам управления, определяющей их назначение, можно выделить следующие группы:

- АСУ ТП, обеспечивающие стабилизацию (поддержание) заданного рационального или оптимального технологического режима, т.е. таких технологических параметров, на которые действующие возмущения оказывают существенное влияние. Например, к ним можно отнести системы стабилизации скорости резания при торцовой обработке деталей больших диаметров на металлорежущих станках, системы стабилизации скорости шлифования при уменьшении диаметра шлифовального круга и др.;

- АСУ ТП, отрабатывающие с установленной точностью заданное или непрерывно задаваемое рациональное (оптимальное) изменение технологического процесса. Такие системы программного или следящего управления применяются в роботах-манипуляторах, станках с ЧПУ, лифтовых подъемниках и пр.;

- АСУ ТП, самостоятельно (автоматически) выбирающие наилучший по какому-либо признаку технологический режим и обеспечивающие его поддержание либо автоматически выбирающие наилучшую траекторию перемещения рабочего органа и обеспечивающие ее отработку с установленной точностью. К таким системам оптимального управления относятся АСУ ТП агрегатов оптимального раскроя материала, системы дистанционной перестройки, рассчитывающие и реализующие оптимальную программу обжатий металла в отдельных клетях стана непрерывной прокатки, и т.д.

Характерной особенностью современных АСУ ТП является высокая производительность переработки информации при практически неограниченном объеме памяти. Эта особенность базируется на применяемых в системах быстродействующих средствах вычислительной техники: программируемых контроллерах, микропроцессорах, управляющих вычислительных машинах (УВМ). Высокая информационная производительность УВМ обеспечивает реализацию указанного назначения АСУ ТП.

Для выполнения заданных операций управления человек должен получить ряд сведений, которые принято называть внешней информацией. Эта неизменная информация хранится в памяти оператора и включает основные характеристики технологического процесса и порядок выполнения операций управления в нормальных и аварийных режимах. Очевидно, отбор этой информации должен быть весьма тщательным, так как перегрузка памяти большим количеством цифр и ситуационных событий неизбежно приводит к частичной потере некоторых данных и нарушению порядка операций управления. За изменением технологических характеристик, представляющих собой совокупность управляющих параметров и возмущающих воздействий, человек следит с помощью органов-рецепторов, из которых наибольшую нагрузку несет зрение. Человеку приходится наблюдать за показаниями комплекса приборов, некоторые предельные параметры могут фиксироваться с помощью звуковых сигналов. Восприятие текущей информации также может нарушаться, что вынуждает ограничивать количество индикаторов. Сопоставление исходной и текущей информации и принятие решения осуществляются центральной нервной системой. После выработки управляющей информации в результате принятия решения в периферийную нервную систему поступают сигналы. Их следствием является реализация команд управления с помощью эффекторов – рук, ног, голоса.

Всё это сильно нагружает нервную систему человека и зачастую возникают ошибки в управлении и прочие негативные ситуации. Для их избегания современные технологические комплексы использую SCADA-системы.

SCADA (от англ. Supervisory Control And Data Acquisition) – диспетчерское управление и сбор данных) – программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью АСУ ТП, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т. д. SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, использует драйверы ввода-вывода или семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами (серверы). Программный код может быть как написан на одном из языков программирования, так и сгенерирован в среде проектирования.

Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным программным обеспечением (ПО) для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogic.

Термин «SCADA» имеет двоякое толкование. Наиболее широко распространено понимание SCADA как приложения, то есть программного комплекса, обеспечивающего выполнение указанных функций, а также инструментальных средств для разработки этого программного обеспечения. Однако часто под SCADA-системой подразумевают программно-аппаратный комплекс. Значение термина SCADA претерпело изменения вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 80‑е годы под SCADA-системами чаще понимали программно-аппаратные комплексы сбора данных в реальном времени. С 90-х годов термин SCADA больше используется для обозначения только программной части человеко-машинного интерфейса АСУ ТП.

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: