油田自动化与数字远传培训班

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①.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。②.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。③.自动保护系统：参数在超超限报警，并采取停机等保护措施。④.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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自动化仪表可分为模拟式和数字式两类。模拟式仪表：信号形式为连续变化的模拟量（4~20mA、1~5V等）；数字式仪表：信号形式为数字编码信号（HART、MORDbus、FF等）。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。目前模拟仪表，采用国际标准信号制式：24V.DC集中供电电源，传输信号为4-20mADC；控制室信号为1-5V.DC。现场变送器可以采用两线制传输，有利于安全防爆。4-20mA.DC24V.DC电源变送器250Ω1~5V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V4~20mA1~5V4~20mA4~20mA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24VDC24VDC24VDC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）24VDC1~5V4~20mA检测端安全栅4~20mA4~20mA操作端安全栅24VDC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。Vad↑Vbd↓VabR1R2R3R4abcd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=R4Ia=Ib=0.5mA,I2=3mA输出I0=I1+I2=4mA•P0时，R1↓R3↑R2↑R4↓Vad↓Vbd↑,Uab≠0放大→I2I2=3~19mA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：0.5kPa~210MPa。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ΔC转换为4-20mA.输出检测部分：ΔP电容膜盒膜片位移电容ΔC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P1P2C1C2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δC1↓C2↑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ΔP成线性关系；经转换放大标准信号4-20mA输出。01dAC0dAC2PdKdCCCC220011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、ICMIi=i2-i1∝ΔPIcm=i2+i1∝2C0放大转换4-20mAIcm与基准源比较Ii–If+I0零点量程调整放大反馈控制振荡器维持Icm11ωeCi22ωeCi)Cωe(CiiI1212cm)Cωe(CiiI1212iΔPKIICCCCIcmcm1212i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：压差、温度检测信号A/D转换微处理器传感器修正+线性化+温度补偿+零点量程设置+自诊断处理D/A转换+数字通信4～20mA+HART输出。(2).组态：用“手操器”远程设定变送器参数。（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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：Δp=PB-PA=HρgH=Δp/ρg静压差Δp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H＝0时，ΔP≠0需进行零点迁移HPBPA液体ρΔP气体油田自动化与监控仪表-王克华如果被测介质易凝、易结晶或有腐蚀性，为避免导压管阻塞与腐蚀，可采用法兰式差压变送器。2、应用油田自动化与监控仪表-王克华四、雷达式物位计1、基本原理C—微波传播速度（光速）回波测距法：雷达波（微波）的往返时间Δt正比于天线到液面的距离dCtd22tCLdLHt极其微小，直接测量t非常困难——用连续调频法（FMCW）天线发射线性调频波液面反射波（延迟t的线性调频波）天线。发射/反射信号在同一时刻上的频率差△fd正比于△t正比于d。差频信号经过数据处理，可计算出得液位值h。油田自动化与监控仪表-王克华3．特点及应用非接触测量、无活动部件，可靠性高，寿命长，安装方便。适用于高粘度、易结晶、强腐蚀及易爆易燃介质。油田自动化与监控仪表-王克华五、磁致伸缩液位计1、磁致伸缩传感器的组成信号检测线圈外套一不导磁的不锈钢保护管磁致伸缩管：软磁材料制成的Φ0.7mm薄壁细管内穿一条用于产生脉冲磁场的铜导线磁性浮子油田自动化与监控仪表-王克华脉冲电流铜导线沿波导管产生下移磁场遇浮子磁场磁力作用波导管扭转变形波以速度v沿波导管上、下传播在检测线圈上产生感应电压脉冲。2、工作原理Lh测量电流发射脉冲与返回脉冲之间的时间Δt确定磁浮子的位置。t油田自动化与监控仪表-王克华①.可同时测量液面和界面，能测量含泡沫、强腐蚀性和易挥发性的液体。②.精度高（0.01％F.S）。误差不超过1mm，重复性高达0.025mm。③.简单可靠，无需维护,仪表无需重新校准即可投入使用。④.测量受波导管、保护管限制，最大测量可达30m。⑤.适应性强。工作温度-40～150℃，工作压力小于2MPa。3、特点油田自动化与监控仪表-王克华构成：内电极棒外套绝缘层，与金属罐体组成同轴电容。当罐内液位高度为h，传感器电容：三、射频导纳物位计1、基本原理射频导纳物位计是在电容式物位测量原理基础上发展起来的新型物位测量技术。传感器电容变化量C正比于液位高度为h。在电脱水器中，上部是原油、下部是水，电容：Hh挂料因而可以测量油水界面高度h。但测量粘性导电液体时，液位变化会有残余粘液粘附在传感电极的绝缘层上（挂料），形成虚假液位。油田自动化与监控仪表-王克华射频—是频率15~40KHz的高频交流电导纳—是电阻、电容、电感阻抗的倒数。液位计中只有电容、电阻成分。阻抗：2、射频导纳测量原理挂料层很薄，挂料电阻Rg很大，液面下液体电阻可忽略不计，R=Rg。挂料层较长时，挂料层的容抗与其电阻数值相等：ggRCω=1测量挂料电阻Rg即可确定挂料电容Cg，由此可计算有效电容Cw=Cx-Cg。消除挂料电容的影响。油田自动化与监控仪表-王克华油田自动化与监控仪表-王克华一、腰轮流量计：两个转子像“链节”，表面无齿，靠同轴齿轮驱动，同步反向转动。1、组成：测量主体+显示表头第六节流量检测仪表腰轮转动时，腰轮-隔板-壳体间保持动接触状态，封闭“月牙”型液柱。油田自动化与监控仪表-王克华结论：V=4NV。qv=4nV。力矩状态A腰轮力矩A腰轮转向B腰轮转向B腰轮力矩aMA≠0顺转逆转MB=0bMA≠0MB≠0cMA=0M