油气储运自动化技术培训教程

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1、1,西南石油大学 石油工程学院 梁光川 2007年4月,新疆油田集输培训班储运自动化技术,油气储运自动化技术,2,第一章 工业自动化基本概念,新疆油田集输培训班储运自动化技术,3,利用各种仪表和设备代替人的一些复杂性、重复性的劳动，按照人们所预定的要求，自动的进行生产和操作，这种管理生产的办法，称为工业生产自动化。 同其它工业生产一样，在石油和天然气开采和储运工艺过程中，也可以广泛地采用自动化技术。比如，在采输工艺管线和各类站库上装有各种自动化仪表，对原油及天然气的压力、温度、流量、液位等参数进行自动检测和调节。也可采用一“三遥”装置，对远距离泵站的单井的油气压力和温度进行遥测，对井口电动球阀

2、进行遥控，对其阀位状态进行遥讯。 自动化系统是由自动检测系统、自动信号联锁保护系统、自动操作系统、自动调节系统组成。自动调节系统在石油、天然气开采和储运中应用最多，也是最主要的系统。,第一章 工业自动化基本概念,4,1.1 自动调节系统概述 自动调节系统的组成,第一章 工业自动化基本概念,人工调节系统,5,自动调节系统的组成,第一章 工业自动化基本概念,6,第一章 工业自动化基本概念,自动调节系统方框图 在研究自动调节系统时，为了更清楚地表示出一个自动调节系统各个组成部分之间相互影响和信号联系，便于系统分析研究，一般利用方框图来表示调节系统。,7,第一章 工业自动化基本概念,方框图的意义 1）

3、调节对象：被控制的设备和机器 2）被调参数：按照工艺要求，那些需要调节或者稳定在某一值上的参数。包括：液位、流量、温度、压力等。 3）干扰：影响被调参数的各种外界因素。 4）调节阀输出q：q既是调节阀的输出，也是自动化装置的输出。q又称为调节参数，是调节阀调节的流量参数。调节参数能改变被调参数，使被调参数稳定在工艺要求的给定值上。,8,第一章 工业自动化基本概念,5）调节器输出p：称为调节信号。它是根据偏差信号e的大小，发出的一个去控制调节阀开启度的信号。 6）变送器输出z：称为测量信号，它是变送器测量被调参数并转换成为与被调参数成正比的信号。 7）给定信号x：其大小是根据工艺要求的给定值大小

4、预定的，可以由调节器给出，也可以由其它仪表加给调节器。 8）偏差信号e：在自动调节系统中，一般规定:e=z-x。e为正时为正偏差，为负时为负偏差。,9,第一章 工业自动化基本概念,对自动调节系统的几点说明 开环与闭环 通过自动调节系统方框图，我们从系统信号的传递路线上来看，从调节对象开始，经过一连串的自动化装置又回到调节对象，形成一个闭合环路，我们把这样的系统叫做闭环系统。反之，若信号从一个环节到另一个环节，不构成闭合环路的系统，就叫做开环系统。从前图中，可以看出，变送器是实现闭环系统的主要环节，它随时了解被调参数的变化情况，将测量值送给调节器，使调节器一有偏差就发出调节信号，使调节阀动作，纠

5、正偏差。因此闭环系统比开环系统更具有优越性，在工业生产中得到广泛的应用。,10,第一章 工业自动化基本概念,正反馈与负反馈 闭环系统中，把输出的信号通过变送器又引回到输入端来的做法称为反馈。反馈信号与给定信号相减为负反馈，反之为正反馈。在自动调节系统中都采用负反馈，因为当被调参数y受到干扰的影响而升高时，反馈信号z将高于给定信号x，经过比较偏差信号e将为正值，此时调节器将发出信号使调节阀动作，被调参数y减少，从而使被调参数回到给定值，这样就达到了调节目的。 调节器的正作用与反作用 对实际的调节器来说，当测量信号x增加时，偏差信号e亦增加，调节器输出p也增加，这就是正作用调节器。反之，当测量信号

6、z增加，调节器输出p反而减少，这就是反作用调节器,11,第一章 工业自动化基本概念,调节仪表分类 一个自动调节系统由一组调节仪表（又称为自动化装置）和调节对象组成。调节仪表种类繁多，按仪表能源不同，可分为气动调节仪表和电动调节仪表两类。 气动单元组合仪表II型（QDZ）：以0.14MPa的压缩空气为能源，仪表之间的信号为0.020.1MPa的压力信号 电动单元组合仪表 DDZ ：交流220V，仪表信号为010mA直流电流信号。 DDZ ：直流24V，仪表信号为420mA直流电流信号。,12,第一章 工业自动化基本概念,自动调节系统的工作原理 通过前图中液位调节系统为例，分析简单调节系统的工作原

7、理。 假设工艺要求将罐内液位稳定在6m，罐内介质为水。我们采用DDZ一组合仪表反作用电动调节器和电动差压变送器去测液位。如果取变送器量程为0l0mH2O，则不难求出x6mA。 设液位开始稳定在6m,此时qiq0，调节阀不动作。当干扰产生，即qi增加，h上升，大于6m，经变送器测量，其输出z必然增加，大于6mA，偏差e增加，经反作用调节器后输出p减小，使正作用调节阀开度增大，流量q0增加，使h下降到6m，并维持h不变，达到调节目的。,13,第一章 工业自动化基本概念,1.2 自动调节系统的过渡过程 系统的静态与动态 在自动化领域内，把被调参数不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把被调参数随时

8、间变化的不平衡状态称为系统的动态。当一个自动调节系统的输入（给定和干扰）和输出恒定不变时，整个系统处于一种相对的平衡状态，系统的调节器、变送器、调节阀等环节都不改变原先的状态，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态就是静态。假若一个系统原来处于相对平衡状态即静态，由于干扰的作用而破坏了这种平衡时，被调参数就会跟着变化，从而使调节器等自动化装置也就会改变调节参数以克服干扰作用的影响，并力图使系统恢复平衡。从干扰发生开始，经过调节，直到系统重新平衡为止，在这段时间内，整个系统的各个环节和参数都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。 一个自动调节系统在正常工作时，总是处于动态过程中。显然，研究的重

9、点应是系统的动态。,14,第一章 工业自动化基本概念,自动调节系统的过渡过程 自动调节系统在动态过程中，被调参数是不断变化的，它随时间变化的过程称为自动调节系统的过渡过程。过渡过程是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程；是调节作用不断克服干扰作用影响的过程。,分析系统常用的阶跃干扰 干扰有各种情况，而且有大有小，有的干扰来得很快，有的干扰则比较缓慢。在分析和设计调节系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中最常用的是阶跃干扰。,15,第一章 工业自动化基本概念,各种过渡过程的形式 自动调节系统在阶跃干扰作用下的调节过程有如图几种形式。,被调参数在给定值的某一侧做缓慢变化，没

10、有来回波动，最后维持在某一数值上,被调参数在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。,被调参数在给定值附近来回波动，但波动幅度逐步减少，最后稳定到某值。,被调参数来回波动，且波动幅度逐渐增大，离给定值越来越远。,16,第一章 工业自动化基本概念,调节系统的品质指标 调节系统的过渡过程是衡量调节系统品质的依据。一个调节系统受了阶跃干扰以后，被调参数偏离给定值，调节器有一个偏差值输入，这时自动调节系统开始进行调节以使偏差消除，但是被调参数恢复原值不是一瞬间就可以完成的，是要经过一个调节过程才能逐渐接近给定值的。这个调节过程好坏通常可由四个指标来衡量。 最大偏差 a 衰减比 调节时间 余差,17,第

11、一章 工业自动化基本概念,1.3 调节对象的特性 自动调节系统由自动化装置和调节对象组成。前面已经指出，系统的调节质量与组成系统的每一个环节的特性都有关系，特别是调节对象的特性对调节质量的影响最大。各种对象千差万别，有的对象很稳定，操作很容易，有的对象则不然，只要稍不小心就会超越正常工艺条件，甚至造成事故。 调节对象是调节系统一个重要环节。调节作用和干扰作用是对象的输入量，被调参数是对象的输出量。由对象的输入量至输出量的信号联系称为通道。调节作用至被调参数的信号联系称为调节通道；干扰作用至被调参数的信号联系称为干扰通道。,所谓调节对象特性是对象受到干扰作用或调节作用后，被调参数是如何变化的，变

12、化快慢及最终变化的数值等。在石油开采、处理及储运过程中，常见的对象是各类罐、换热器、分离器、加热炉、泵和压气机等，这些调节对象特性很复杂。,18,第一章 工业自动化基本概念,描述对象的特性参数 放大系数K 对象的输出变化量与输入变化量之比。放大系数越大，输入量的变化对输出量的影响越大。 滞后时间 （包括：纯滞后、过渡滞后） 时间常数T 对象特性的数学描述 对象特性可以用微分方程加以描述。,举例,19,第一章 工业自动化基本概念,描述对象的特性参数,20,第一章 工业自动化基本概念,描述对象的特性参数,21,第一章 工业自动化基本概念,用微分方程描述对象的特性,22,第一章 工业自动化基本概念,

13、对象特性的测取 应用数学描述方法求取对象的特性。虽然它具有较大的普遍性，然而在石油储运中，许多对象的特性很复杂，往往很难用数学的方法直接求出来，即使求得，也往往忽略了很多次要因素，做了许多近似的假定，这样求得的对象特性，要直接用来做为合理组成自动调节系统的依据往往令人不放心。因此，在实际工作中，我们常常用实验的方法来研究对象的特性，它可以比较可靠地得到对象的特性，也可以对数学方法得到的对象特性加以验证和修改。 所谓对象特性实验测取法就是在我们所要研究的对象上，加上一个人为的干扰作用（输入量）然后，测取表征对象特性的物理量（输出量）随时间变化的规律，得出一系列实验数据（或曲线）。这些数据或曲线就

14、可以用来表示对象的特性。 对象特性的实验测取方法很多，这些方法往往是以所加干扰的形式不同来区别的。,23,第一章 工业自动化基本概念,这种方法比较简单，如果输入量为流量，只要将阀门的开度做突然的变化，便可以认为施加了阶跃干扰。输出参数的变化过程可以利用原来的仪表记录，不需要增加仪器设备，测试工作量也不大。总的来说，反应曲线法是一种比较简易的动态特性测试方法。这种方法的缺点主要是因为对象一般较为复杂，干扰因素很多，容易受到外来因素的影响，因而测试精度受到限制。为了提高精度，就必须加大所施加的输入作用幅值，可是这样做就意味着对正常生产的影响增加，工艺上往往不允许。一般所加干扰作用的大小取额定值51

15、0%。,反应曲线法 对象的反应曲线，就是对象在阶跃干扰下，输出量y随时间t变化的规律。假定在时间t0之前，对象处于稳定工况，输入、输出量都保持在某一稳定的初始值上，在t0时突然加一个扰动量x0，然后保持不变，这就是阶跃干扰。在阶跃干扰作用下，对象输出量y随时间t的变化规律画成曲线，便是对象的反应曲线。,24,第一章 工业自动化基本概念,矩形脉冲法 当对象处于稳定工况下，在时间to突然加一阶跃干扰，幅值为x0，到t1时突然除去阶跃干扰，这时测得的输出量随时间的变称曲线称为对象的矩形脉冲响应特性，而这种干扰称为矩形脉冲干扰。用矩形脉冲干扰测取对象特性时由于加在对象上的干扰经过一段时间后被除去，因此

16、干扰的幅度可以取得比较大，以提高测试精度。对象的输出量又不致于长时间偏离给定值，对正常生产影响小，所以是一种常用的方法。但测试时往往由于阀门的变差而使输入信号不能恢复至原来的数值，而影响测试精度，而且数据处理要比阶跃反应曲线法复杂一些。,25,第一章 工业自动化基本概念,1.4 基本调节规律 调节器总是按照人们事先规定好的某种调节规律动作，这些规律都是长期生产实践的总结；调节器可以具有不同的工作原理和各种各样的结构形式，但是它们的动作规律却不外乎有几种类型。工业上常见的调节器的基本调节规律有： 比例调节规律 积分调节规律 微分调节规律,26,第一章 工业自动化基本概念,27,第一章 工业自动化基本概念,28,第一章 工业自动化基本概念,29,第一章 工业自动化基本概念,30,第二章 自动化检测仪表,新疆油田集输培训班储运自动化技术,31,检测仪表是生产自动化系统的最基础、最重要的组