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油田自动化与监控仪表 - 王克华 主讲 王克华 油田自动化与监控仪表 - 王克华 第一节 油田自动化概述 一、油气田自动化的含义 油气田自动化具有很宽泛的内容。从勘探开发的物探、钻井、录井、 测井、采油数据采集形成的地质综合研究系统，到采油、集输、储运、供 配电、油建等生产运行数据的采集、监控形成的生产运行管理系统，乃至 生产下游的石化生产、油气销售、服务供应等经营管理系统都属于油田自 动化的范畴。 第二章 油田自动化与测控仪表 油田自动化与监控仪表 - 王克华 但是狭义的油田自动化，一般是指油气开采的油、气、水井状态及参 数监测，油气集输、管道输送、石油化工生产过程的自动检测与控制。 目前，生产过程的自动化已成为油田开发、油气储运、石油化工、燃 气输配等生产过程中必不可少的一个重要组成部分，为数字油田源数据层 提供基础数据。 油田生产过程的自动化实 现了运行参数的自动采集、显 示、调节和异常报警，使生产 设备在最佳状态下自动地运行 。能够正确地监控设备运行， 确保安全生产，提高生产效率 、改善劳动条件，具有良好的 经济和社会效益。 油田自动化与监控仪表 - 王克华 二、油气田自动化的主要内容 1、油、气、注水井生产状态监控与参数检测 包括油气井油、套管压力、温度、流量检测、抽油井功图测量、电机 电流电压监测与启停控制；注水井干压、回压检测与注水流量调控；边远 井、海山采油平台综合参数监控、井场视频监控、可燃气体检测、防盗报 警等。 油田自动化与监控仪表 - 王克华 2、油气集输处理生产测控 包括计量转油站、集输联合站、轻烃处理站、注水站工艺参数的自动 检测与控制。 如油气水气分离器、脱水器、加热炉的监测控制、外输泵、 破乳药剂加药泵流量控制、分队产量计量、油罐监测与自动盘库、污水处 理系统、原油稳定与轻烃处理系统、长输管线实时控制与泄漏报警等。 油田自动化与监控仪表 - 王克华 .自动检测系统：自动测量、变送生产工艺参数，并进行指示或记录。 .自动控制系统：自动调节工艺参数克服干扰因素的影响，保持恒定。 .自动保护系统：参数在超超限报警，并采取停机等保护措施。 .自动操纵系统：实现状态切换的自动操作。 （如设备起停、切换、周期操作、程序控制）。 干扰因素 对象 自动检测系统 自动控制系统 自动信号 连锁保护系统 自动操纵 自动启停系统 被调参数 测量信号 一、自动控制系统的组成 第二节 自动控制系统的组成及特性 1、自动化系统的类型 油田自动化与监控仪表 - 王克华 变送器：测量水位，并转换为测量信号。 控制器：比较测量值、给定值间的偏差， 按控制规律输出控制信号。 执执行器：根据控制信号，改变阀门开度、 以改变水位。 2、自动控制系统组成（例） 自动控制过程： “检测偏差”“纠正偏差” 控制器 执行器 被控对象 显示仪表 变送器 油田自动化与监控仪表 - 王克华 二、自动控制系统方框图 操纵变量 q 调节阀 干扰f 被控变量 y 对象 - 测量值 z 变送器 操纵值 p 控制器 给定值 x 偏差 e 1、方框图 方框图中各参数的意义： 被控对象：被控制的生产过程或设备。 被控变量 y ：表征对象特性，被控制的参数。 干扰 f ：影响被调参数的外界因素。 测量值 z ：变送器的输出，表示被调参数的大小。 给定值 x ：代表被调参数最佳值所对应的信号值。 偏差 e ：给定信号与测量信号值之差。e=x-z 操纵值 p ：控制器输出，控制控制阀启闭开度。 操纵变量 q ：被调节阀改变的流量参数。可改变被调变量。 油田自动化与监控仪表 - 王克华 就地安装嵌管安装盘面集中安装集中盘后安装 (3).仪表 气动调节阀电动调节阀带阀门定位器带电气转换器 (4).调节阀 电信号 气信号 电磁或声波 传压毛细管 (2).连接线 热电偶 热电阻 节流元件 取压点 (1).检测元件 1)、图形符号 2、控制流程图及符号 进料Q T1 载热 t 出料 T t0 TC TT 调节调节器 变变送器 执执行器 对对象 TC 101 取压压点 连连接线线 仪仪表 第一位表示 变量，后位 字母表示仪 表功能 仪表位号 油田自动化与监控仪表 - 王克华 首位字母表示被测测、控变变量，后几位字母表示仪仪表功能。 字 母 首位字母后继字母 字 母 首位字母后继字母 测控变量功能测控变量功能 A分析报警P压力 C电导率控制（调节）Q数量或件数q-积分、累积 D密度d - 差R放射性记录或打印 E电压检测元件S速度或频率开关、连锁 F流量f - 比T温度传送 I电流指示V粘度阀、挡板、风页 K时间或时间程序自动-手动操作器W力套管 L物位Y继动器或计算器 M水份或湿度Z位置驱动执行机构 2)、字母代号 例：TCRA-102 温度调节、记录、报警控制系统 TE-203温度检测元件（热电阻）； LT-103液位变送器； PdI-211差压指示；FQR-累积流量记录；PV-101压力调节阀 油田自动化与监控仪表 - 王克华 .余差C：被调参数稳定值与给定值间的残余偏差。 .最大偏差A: 表示被调参数偏离给定值的程度。 . 衰减比n：表示被调参数恢复、衰减程度。 nB/B 4-10为宜 .调节时间Ts: 从干扰发生到被调参数进入稳态值5所用的时间。 三、控制系统的品质指标 油田自动化与监控仪表 - 王克华 油气集输系统站库自动化主要由自动检测系统、自动控制系统组成。自 动调节仪表是指变送器、控制器、执行器等自动化装置。 显示 仪表 油气生产过程 控制器或 计算机控制系统 压力流量液位温度 执行器 检测仪表及 变送器 四、自动化仪表作用及类型 自动调节仪表主要有模拟调节器、数字调节器两种。 油田自动化与监控仪表 - 王克华 n自动化仪表可分为模拟式和数字式两类。 n模拟式仪表：信号形式为连续变化的模拟量（420mA、15V等）； n数字式仪表：信号形式为数字编码信号（HART、MORDbus、FF等）。 n在实际应用中，采用模拟式信号的变送器、执行器等仪表占多数。 n目前模拟仪表，采用国际标准信号制式： n24V.DC集中供电电源，传输信号为4-20mA DC；控制室信号为1-5V.DC。 n现场变送器可以采用两线制传输，有利于安全防爆。 4-20mA.DC 24V.DC 电源 变送器 250 15V 安全栅 显示控制仪表 油田自动化与监控仪表 - 王克华 安全火花型防爆系统 V 420 mA 15 V 420 mA 420 mA 操作端安全栅 I 显示仪表 危险场所（现场）非危险场所（控制室） 检测端安全栅 24V DC 24V DC 24V DC 控 制 器 油田自动化与监控仪表 - 王克华 危险场所（现场） 非危险场所（控制室） 24V DC 15 V 420 mA 检测端安全栅 420 mA 420 mA 操作端安全栅 24V DC 模拟式仪表一般是通过安全栅与控制器或工控计算机的输入/输出卡 （AI/AO）连接，24V电源可由电流信号输入卡或配电安全栅提供。构成 安全火花防爆系统。特别适用于石油工业站场控制系统。 油田自动化与监控仪表 - 王克华 核心器件“硅杯” 承压膜片为单晶硅片。 在硅膜片背面扩散制出 4 个压敏电阻。 2、原理 单晶硅膜片受压变形时，其上各处应力不同 。 1、结构 R2、R3受拉应力，电阻 增加； R1、R4受压应力，电阻 减小。 R1、R2、R3、R4组成电 桥， 输出电压Vab正比于压力 。 由表头的放大转换电路转 换为 4-20mA标准信号输出。 VadVbd Vab R1 R2 R3 R4 ab c d 一、扩散硅压力变送器 第四节 压力检测仪表 油田自动化与监控仪表 - 王克华 3、放大转换电路 由测量桥路、恒流源、输出放大、V -I 转换电路等组成 测量桥路放大器 V-I 转换电路 电源-指示 P=0时，R1=R2=R3=R4 Ia=Ib=0.5mA, I2=3mA 输出 I0=I1+I2=4mA P0时，R1R3R2R4 Vad Vbd , Uab0 放大I2 I2=319mA 输出 I0=I1+I2=4-20mA 油田自动化与监控仪表 - 王克华 特点： 硅膜片变形微小，弹性特性良好，灵敏度高，频率响应好 ； 结构简单，可以小型化、集成化； 精度高：0.2土0.02，测量范围宽：0. 5kPa210MPa。 接线 油田自动化与监控仪表 - 王克华 类型 油田自动化与监控仪表 - 王克华 电容式差压变送器，由测量、转换部分组成。 转换部分：测量电容C转换为4-20mA.输出 检测部分：P 电容膜盒膜片位移电容C 测量范围宽广：0.01kPa至70MPa。 精度高（可达 0.25），灵敏度高； 结构坚实，稳定可靠，耐震动、耐冲击，抗过载； 二、电容式差压变送器 油田自动化与监控仪表 - 王克华 结构 油田自动化与监控仪表 - 王克华 引线 玻璃体 镀金电极 测量膜片 隔离膜片 基座 P1P2 C1C2 感压元件：电容膜盒。 1、检测部分 P1-P20 时隔离膜片硅油传压中心膜片向右侧凸起 C1C2 两玻璃体内侧凹球面镀膜作固定电极；中间膜片作可动电极，组成两个电容C1、 C2。初始状态， P1-P2=0时，两电容对称： C2=C1 =C0 C2+C1 =2C0 ，C2-C1与 P成线性关系；经转换放大标准信号4-20mA输出。 油田自动化与监控仪表 - 王克华 2、转换部分 C1、C2由振荡器供电 转换为电流i1、i2 相敏整流 Ii、ICM Ii=i2-i1 P Icm=i2+i1 2C0 放大转换 4-20mA Icm与基准 源比较较 Ii If+I0 零点量程调整 放大 反馈控 制振荡荡 器 维 持 Icm 油田自动化与监控仪表 - 王克华 接线 油田自动化与监控仪表 - 王克华 安装 油田自动化与监控仪表 - 王克华 三、智能型压力/差压变送器 1、典型结构 传感器 ROM存储CPU主程序; PROM存储传感器补偿特性、用户设定; EEPROM存储备份参数。 A/D模-数转换； CPU控制及数据处理； D/A数-模转换。 内部总线 数字信号 调制-解调 智能变送器：利用微处理器、数字通信技术，使变送器具备分析、计算和通 信能力。功能增加，性能提高，使用方便灵活。 油田自动化与监控仪表 - 王克华 2、特点 (1).硬件：传感器件先进、集成度高，可靠性高、体积小。 （扩散硅式、浮动电容膜盒器、硅微电容式、硅谐振梁式）。 (2).技术性能：微处理器实现非线性校正、温度补偿，性能较高。 (3).远程组态：可对仪表零点、量程、显示方式远方设定。 (4).通讯：实现仪表间数字通讯。 3、3051C差压变送器 (1).工作原理： 压压差、温度检测检测 信号A/D转换转换 微处处 理器传感器修正+线线性化+温度补偿补偿 +零点量程设设置+自 诊诊断处处理 D/A转换+数字通信 420mA+HART输输出 。 (2).组态组态 ：用“手操器”远远程设设定变变送器参数。 （测量范围、零点和量程调整、线性或平方根输出、阻尼 时间、工程单位选择、指定工位号等）。 油田自动化与监控仪表 - 王克华 3051C差压变送器组成 油田自动化与监控仪表 - 王克华 结构：连通管、磁性浮子、磁性翻板(球) 特点：结构牢固、工作可靠、显示直观；精度 较低，可测高温、高压、不透明液体。 原理： 磁性浮子随液位升降吸引磁板 翻转 液面以下 红面向外翻； 液面以上 白面向外翻 红(液)-白(气)分界处表示液位。 一、磁翻转液位计 注意：磁性浮子的极性有所不同，上下也有方 向性，更换浮子时不要装反。 第五节 液位检测仪表 油田自动化与监控仪表 - 王克华 二、静压式液位计 1、测量原理 静压原理： p = PB - PA= Hg H = p /g 静压差p 与液位H成线性关系： 问题：由于仪表安装位置、引压管内液柱影响，使H0 时，P0 需进行零点迁移 H PB PA 液体 P 气体 油田自动化与监控仪表 - 王克华 H Pa Pb 2、零点迁移问题 问题：由于安装位置及隔离液影响使 得H0时，P 0，零点错误输出 I4mA。 迁移：通过调节差压变送器的零点、 量程，使H0时，输出零位信号 I=4mA 。 1). P| H0 = 0，无迁移。 2). P| H0 0，正迁移: 3). P| H0 99.5% Fe 45% Ni 0.1%CoFeMn 5.269-40600760 精度低、测温范围小、 灵敏、线性好、价 格低 铜-康铜T100% Cu 45% Ni QFP工作点由 DABC Q P 1 P 2 压缩 机 电 机 1）.固定极限流量法 规定压缩机吸入流量最小值 QpQB。 控制系统给定值Sv=Qp，当 QQp (2). 防喘振控制方案 喘振产生的原因：是压缩机排气流量Q小于极限流量QB。 控制系统的任务：使QQB 特点：简单可靠，无法用于调速压缩机。 压缩机 电机 q1 q 正 FC 气开 油田自动化与监控仪表 - 王克华 2）.可变极限流量法 调速压缩机极限流量QB随转速变化 。 设置安全操作线（如图虚线），工 时时保证工作点在安全线右侧QQp。即 ： P2/P1 Q 0 QB QP 3 2 1 n3 工作点 AB n2 n1 油田自动化与监控仪表 - 王克华 5、换热器控制 进料Q T1 载热 t 出料 T t0 TC 气关正 T控制器(正) Mv 气关阀q T 当载热流体压力不稳时，另设稳压系统。 （1）、控制载热体的流量 进料Q T1 载热 t 出料 T t0 （2）、串级控制载热体的流量 TC 气关 正 FC正 采用蒸汽流量作副变量的串级控制系统 T TC主控(正) Mv1 = Sv2(正) FC副控Mv 气关阀q T 蒸汽压力P q FC副控(正) Mv 气关阀 q 油田自动化与监控仪表 - 王克华 三通阀 出 料 T 进料q1 t0 正 Q t q2 q （4）、控制被加热流体旁路流量 当被加热流体允许控制时，可控制其流量 ； 否则控制旁路流量。 出 料 T 进料Q T1 t0 q1 t q2 q1 q 气关 正 TC （3）、控制载热体的旁路流量 载热体是其他工艺流体、不能节流控制。 TC T控制器(正) Mv 气开阀 q2qT 即可保证载热流体的总流量q1=q2+q不变， 又能保证通过换热器的流量q得到调节。 阀选“气开三通阀” T(正)控制器Mv 冷流体q2混 合T 特点：载热流体一直处于最大流量，换热 器有较大裕量 油田自动化与监控仪表 - 王克华 进料Q T1 蒸汽 t 凝液 q 出料T (5)、控制换热面积蒸汽有冷凝时 蒸汽在换热器中冷凝时，积聚的凝液减小了 蒸汽换热面积，使传热量减少。控制温度T降低。 气关 正 TC 调节参数：凝液流量q T控制器 (正) Mv 气关阀q h T 滞后大、反应慢，需有较大裕量，凝液调节 阀小 可采用温度凝液液位串级控制；或温度 蒸汽流量串级控制系统。 油田自动化与监控仪表 - 王克华 7、加热炉控制 (1)、简单控制系统 q Q T1 Q T T T0 反 气开 TC 反 FC (2)、串级控制系统 1). 采用燃油流量作副变量的串级控制系统。 q Q T1 Q T T T0 T控制器 (反) Mv气开阀q T 当燃油压力不稳时，另设稳压系统。 T TC主控(反) M1v=S2v FC副控(反) M2v 气开阀q T 燃油q FC副控