ВВЕДЕНИЕ

Расчеты надежности – это расчеты, которые предназначены для определения количественных показателей надежности. Они проводятся на различных этапах разработки, создания и эксплуатации объектов.

На этапе проектирования расчет надежности производится с целью прогнозирования (предсказания) ожидаемой надежности проектируемой системы. Такое прогнозирование необходимо для обоснования предполагаемого проекта, а также для решения организационно-технических вопросов:

• выбора оптимального варианта структуры;

• способа резервирования;

• глубины и методов контроля;

• количества запасных элементов;

• периодичности профилактики.

Целью данного курсового проекта является апробация метода проектного расчёта надёжности системы автоматизации нефтяного сепаратора.

Актуальностью данной работы является то, что в современном мире тяжело представить себе производственный процесс без мониторинга и постоянного контроля. На этапе испытаний и эксплуатации расчеты надежности проводятся для оценки количественных показателей надежности. Такие расчеты носят, как правило, характер констатации. Результаты расчетов в этом случае показывают, какой надежностью обладали объекты, прошедшие испытания или используемые в некоторых условиях эксплуатации. На основании этих расчетов разрабатываются меры по повышению надежности, определяются слабые места объекта, даются оценки его надежности и влияния на нее отдельных факторов.

Выбранная тема курсового проекта обусловлена тем, что основными энергетическими ресурсами являются нефтепродукты, а их переработка является очень важной задачей. Качество товарной нефти зависит от используемой технологии сепарации и технических средств автоматизации, поэтому особое внимание следует уделить выбору и монтажу технических средств автоматизации.

Многочисленные цели расчетов привели к большому их разнообразию. На рисунке 1 изображены основные виды расчетов.

Расчет функциональной надежности - определение показателей надежности выполнения заданных функций (например, вероятность того, что система сепарации нефти будет работать заданное время, в заданных режимах эксплуатации с сохранением всех необходимых параметров по показателям сепарации). Поскольку такие показатели зависят от ряда действующих факторов, то, как правило, расчет функциональной надежности более сложен, чем элементный расчет [1].

Рисунок 1 – Классификация расчетов надежности

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Сепарация является первым этапом переработки нефти после ее добычи из скважины. Еще до того, как подготовить добытое сырье к перегонке, его необходимо очистить от "лишних" частиц газа и воды и механических примесей. И только потом можно запустить процесс подготовки к первичной переработке нефтепродуктов.

Использование сепарационного оборудования перед транспортом нефти способствует защите внутренней поверхности магистральных трубопроводов, а именно, препятствует образованию отложений на стенках, уменьшает образование пены, снижает гидравлическое сопротивление и пульсацию. Все это, в свою очередь, положительно влияет на стабильную работу установок предварительной подготовки нефти.

Технология и техника сепарации нефти основывается на многоступенчатом методе, при котором выделение газа происходит следующим образом: на первой ступени выделяются легкие углеводороды (метан и этан), на следующих - более тяжелые фракции. Каждая ступень характеризуется понижением давлением с 0,6 МПа до атмосферного в концевых сепараторах. Количество дегазированной нефти напрямую зависит от количества ступеней: чем их больше, тем увеличивается объем очищенной нефти [2].

Эффективность эксплуатации сепараторов в каждом конкретном случае, конечно, зависит от многих факторов, например, от фракционного состава исходного сырья, конструкции и задач самого оборудования и т.д. Но выделяют основные показатели, на значения которых следует ориентироваться при выборе нефтегазового сепаратора - это объем капельной взвеси в потоке выделенного газа и объем газа в дегазированной нефти: чем меньше содержится воды в газе и газа в нефти, тем лучше справляется сепаратор со своей задачей. Кроме того, на качественную оценку работы также влияет размер капельной жидкости: чем меньше диаметр, тем больше ее осаждается в корпусе и на стенках, тем чище выделяемый газ.

На некоторых производствах для повышения эффективности сепарации нефти ее нагревают, в результате чего уже на первой ступени уносится большое количество пузырьков газа [3].

Рисунок 2 – Горизонтальный нефтегазовый сепаратор

Разделение нефти и газа происходит под действием гравитационных, инерционных и центробежных сил. В гравитационных сепараторах более легкие фракции, а именно, газ, поднимаются наверх, а более тяжелые (нефть с растворенными частицами воды) опускаются вниз. В инерционных сепараторах за счет разной плотности жидкости и газа, первая осаждается на стенках и днище корпуса, а газовые частицы выводятся из емкости. Центробежные сепараторы сходны с инерционными тем, что движение газожидкостного потока осуществляется благодаря вихревому эффекту по спирали, за счет чего жидкость, имея большую плотность по сравнению с газом, продолжает движение по инерции, в то время как газовые частицы отделяются и отводятся из емкости [4].

Вне зависимости от типа в сепараторах выделяются три секции (четыре, если предусмотрен сброс воды), в каждой из которой происходит процесс сепарации при постепенном понижении давления и повышении температуры. Оптимальный температурный режим для сепарации составляет от -10°С до +10°С. Сначала сырая нефть попадает в основную сепарационную секцию, где осуществляется интенсивная сепарация основного (свободного) объема газа под действием гравитационной и центробежной силы.

В секции для осаждения отделяются растворенные пузырьки газа, которые не отделились от нефтяной эмульсии в первом отсеке. В остальных двух секциях осуществляются сбор и вывод нефти и улавливание взвешенной влаги в газе (секция сбора нефти и каплеуловитель, соответственно).

Конструктивно сепаратор представляет собой цилиндрический корпус, который внутри разделен перегородками на отсеки. Устанавливаются вертикально или горизонтально на опоры. Вертикальные сепараторы обычно применяются при малых объемах поступающей рабочей среды. Удобны для очистки корпуса от отложений парафинов и других примесей с днища, а также отличаются минимально необходимым местом для эксплуатации [5].

Горизонтальное размещение характерно при большом потоке жидкости. Принцип работы горизонтальных нефтегазовых сепараторов обеспечивает более высокую степень сепарации, для чего дополнительно могут устанавливаться гидроциклонные устройства.

В днищах корпуса размещаются патрубки и штуцеры для входа газонефтяного потока. Также располагается технологическое оборудование, которое обеспечивает безопасную работу сепаратора и выполняет регулирующую и контрольно-измерительные функции. Вывод очищенной нефти и газа, а также воды в трехфазных сепараторах, происходит через штуцеры в разных отсеках [6].

2 РАСЧЁТ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЁЖНОСТИ СИСТЕМЫ

Рассмотренные ранее методы расчёта надёжности объединены общим подходом в оценке надёжности на основании информации о надёжности элементов системы. Полученное значение показателя надёжности характеризует вероятность безотказной работы или состояния, среднюю наработку на отказ и т.п. Иной подход к задачам расчёта надёжности заключается в оценке возможности выполнения заданных функций. Рассмотрим пример методики расчёта надёжности для системы автоматизации нефтяного сепаратора.

Автоматизация объекта

Не существует отрасли промышленности, в которой не было бы потребности применения АСУТП. Одними из главных преимуществ АСУТП являются снижение, вплоть до полного исключения, влияния так называемого человеческого фактора на управляемый процесс, сокращение персонала, минимизация расходов сырья, улучшение качества исходного продукта, и в конечном итоге существенное повышение эффективности производства. Основные функции, выполняемые подобными системами, включают в себя контроль и управление, обмен данными, обработку, накопление и хранение информации, формирование сигналов тревог, построение графиков и отчетов. Структура автоматизированной системы управления можно разделить на три основные уровня. В первый низший уровень, входят датчики, исполнительные механизмы, первичные и вторичные преобразователи. В средний входят программируемые контроллеры (ПЛК), в верхний ЭВМ. В данной работе рассмотрены первые два уровня. В сепараторе осуществляется дистанционный контроль:

• давления с помощью датчика давления;

• температуры с помощью датчика температуры;

• уровня с помощью датчика уровня;

• предусмотрена сигнализация максимального и минимального давления и уровня.

Регулирование и автоматическое поддержание уровня осуществляется при помощи дискового регулирующего затвора с электроприводом, установленного на линии выхода нефти из сепаратора. Выходной сигнал с датчика (4-20мА) поступает на контроллер[7].

Для автоматизации работы сепаратора выбирается оборудование, удовлетворяющее следующим требованиям: способность работать в неблагоприятных условиях; надежность; диапазон измерения; погрешность измерения; наличие определенных видов защиты; несложный монтаж; наличие унифицированного выходного сигнала. При выборе датчиков, для измерения избыточного давления, уровня и температуры в сепараторе, учитываются диапазон измерений, основная приведенная погрешность, работа во взрывоопасной среде, удобство монтажа и обслуживания, цены.

Таблица 1 - Технические характеристики датчиков для измерения давления

Характеристика	Метран 100ДИ	Rosemount CDS-3151	Сапфир-22ДИ
Минимальный	0-0,04	0,25	0,15
Максимальный	100	40	60
Основная погрешность измерений, %	0,1	0,1	0,15
Взрывозащищённое исполнение	Еx, Bh	Exd, Exia	Exsd
Выходной сигнал, мА	0-5, 0-20, 4-20	4-20	4-20, 0-5, 0-20

По характеристикам датчики давления серии Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование в унифицированный токовый и / или цифровой на базе HART-протокола выходной сигнал дистанционной передачи следующих измеряемых величин. Датчик Метран-100 является относительно недорогим.

Таблица 2 - Технические характеристики датчиков для измерения уровня

Характеристика	ДУУ2М	Rosemount 5400	NivoPRESS D
Длина чувствительного элемента, м	1,5-4 (жесткий ЧЭ)	До 6 (Радарный уровнемер)	0 - 30 (Радарный уровнемер)
Температура контролируемой среды, °С	-45 ч +120	-40 ч +150	-25 ч +125
Давление контролируемой среды, МПа	До 2	До 1	До 1
Температура внешней среды, °С	-45 ч +75	-40 ч +70	-40 ч +50
Абсолютная основная погрешность по уровню, %	± 1	± 1	± 0,2

Для измерения уровня в сепарационной установке, использован уровнемер поплавковый ДУУ4М, удовлетворяющий в основном всем требования. Уровнемер состоит из датчика ДУУ2М, обеспечивающего измерение текущих значений контролируемых параметров и блока БТВИ3, обеспечивающего питание подключенного к нему датчика и формирование выходных информационных сигналов. Датчик уровня поплавковый ДУУ2М является относительно не дорогим.

Таблица 3 - Технические характеристики датчиков для измерения температуры

Характеристика	Метран-276	ТКП-100 М1
Пределы измерения, °С	-50...+180/0...+500	-25…+35;-25…+75;0…+50;0…+100; 0…+120; +100…+200; +200…+300
Погрешность, %	± 0,5;1	1; 1,5
Форма представления информации выходной сигнал, мА	0..5; 4..20	0..5; 4..20
Взрывозащищенное исполнение	Exd, Exia	Ex

Для измерения температуры в сепараторе использован датчик Метран-276, удовлетворяющий всем требованиям, а также является относительно не дорогим. Для переключения цепей управления исполнительными устройствами в АСУ ТП применен блок ручного управления БРУ-33, который имеет: входов: 1; выходов: аналоговых - 1, дискретных - 6. Выполняемые функции: ручное переключение режимов управления исполнительным устройством с автоматического на ручной и обратно; индикация положения регулирующего органа стрелочным индикатором; кнопочное управление интегрирующим исполнительным устройством; преобразование выходного сигнала индуктивного или реостатного датчика исполнительного механизма в унифицированный сигнал; световая индикация выходного сигнала регулирующего устройства с импульсным выходным сигналом.

Таблица 4 - Технические характеристики блока ручного управления БРУ-33

Характеристика	Значения
Питание блока, В	220
Потребляемая мощность, Вт	Не более 4
Масса, кг	0,7
Габариты, мм	80x40x197
Выходной сигнал, мА	0..5, 4..20

2.1 Функциональная схема

Упрощенная технологическая схема процесса сепарирования приведена на рисунке.

Рисунок 3 – функциональная схема системы автоматизации нефтяного сепаратора

Схема включает в себя: Е1 - сепаратор нефтегазовый со сбросом воды, FE - датчик расхода по газу, LC - прямоходный исполнительный механизм типа МЭПК регулирующего клапана КМР, LS - сигнализатор верхнего аварийного уровня, LT - уровнемер (уровень нефти и уровень раздела фаз в 1 отсеке и уровень во 2 отсеке), PC - регулятор давления прямого действия, PT - датчик давления. Нефтегазовая смесь из сборного коллектора через патрубок поступает в НГС. Отделившийся от жидкости газ через регулятор давления прямого действия и расходомер под собственным давлением следует в газопровод и далее транспортируется на ГПЗ.

Отделившаяся в первом отсеке НГС нефть перетекает во второй отсек, а вода из первого отсека отправляется на блочную кустовую насосную станцию (БКНС). Откачка воды регулируется положение уровня раздела сред. Откачка нефти из второго отсека регулируется уровнем взлива в этом отсеке [8].

Традиционным решением задачи управления процессом сепарации является оснащение НГС набором датчиков, равных количеству контролируемых параметров. Для установки таких датчиков требуется не меньше четырех люков для уровнемеров и сигнализатора предельного уровня и фланцевое соединение для датчика давления [9].

2.2 Расчёт показателей надежности

Для рассматриваемой системы можно наметить следующие этапы расчёта функциональной надёжности:

1. Расчет вероятностей выполнения заданных функций при условии, что КТС, участвующий в выполнении этих функций, находится в работоспособном состоянии.

2. Расчёт надёжности ПО, т.е. определение вероятности того, что отказы ПО не приведут к невыполнению заданной функции.

3. Расчёт надёжности выполнения заданной функции оперативным персоналом.

Необходимо рассчитать настройки регулятора, системы автоматического регулирования давления газа в сепараторе. Задано допустимое перерегулирование - 20%.

Регулятор работает в дискретном режиме, а передаточная функция объекта регулирования непрерывна, поэтому необходимо рассчитать Z-передаточную функцию объекта. Для этого в систему вводится экстраполятор (фиксатор) нулевого порядка с передаточной функцией

Фиксатор нулевого порядка сохраняет измеренную в начале каждого периода квантования амплитуду на весь период квантования. В результате структурная схема САР примет вид, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структурная схема дискретной САР

Исходные данные:

• постоянная времени объекта Т_об=4с;

• постоянная времени запаздывания τ_об=1с;

• начальное значение выходного сигнала Y_ном=0,74 МПа;

• установившееся значение выходного сигнала Y_уст=0,787МПа;

• начальное положение регулирующего органа H₀=60%;

• конечное положение регулирующего органа H_мах=64%.

Для того чтобы выбрать тип регулятора, определяем отношение τоб/Тоб:

(1)

Отношение 0,2<t_об/T_об<0,7, следовательно, для регулирования будем использовать ПИ-регулятор.

Передаточная функция разомкнутой системы:

(2)

КЧХ строится на том же графике, что и запретная область. При этом задается и подбирается такой, чтобы КЧХ касался запретной области, но не пересекал ее границы. Оптимальными являются те значения, для которых отношение Кр/Ти является наибольшим. Интервал варьирования будет от 2 до 6, так как наибольшее значение Кр/Ти приходится на =3.2. Шаг выберем 0.4.

t_доп =3,4*Т_об = 3,2*4 = 12,8 (с) – допустимое время регулирования

Таблица 5 - Значения настроек ПИ-регулятора

Ти	2	2,4	2,8	3,2	3,6	4	4,4	4,8	5,2	5,6	6
Кр	0,383	0,538	0,702	0,829	0,912	0,968	1,01	1,043	1,07	1,0925	1,113
Кр/Ти	0,1915	0,22417	0,25071	0,25906	0,25333	0,242	0,2295	0,2173	0,20577	0,19509	0,1855

Оптимальные настройки, таким образом, равны
K_р = 0,829, Т_и = 3,2. Прямые показатели качества: перерегулирование σ_факт =12.3% < σ_доп =20%; время регулирования t_p=9 секунд < t_доп,=12,8 секунд. Так как полученные показатели качества управления меньше допустимых, настройки ПИ-регулятора можно считать оптимальными.

2.3 Расчёт надежности системы

Рассмотрим схему, состоящую из 5-ти элементов, которая ранее была рассмотрена на рисунке 4. Представим эту схему в виде рисунка 5.

Рисунок 5 – Исходная схема системы

Для проведения расчета надежности необходимо произвести некоторые преобразования системы для упрощения её вида и дальнейшего составления уравнения.

1) В исходной схеме элементы 2, 3 и 4 соединены последовательно. Заменяем их элементом А для упрощения.

P_A= P₂P₃P₄ (3)

Получается схема следующего вида (рисунок 6).

Рисунок 6 – Упрощенная исходная схема

2) Теперь рассмотрим данную схему (рисунок 6) и преобразим для ещё более простого вида. Элементы А и 5 образуют параллельное соединение, поэтому данную схему можно преобразовать.

P_B= (1-P_AP₅) (4)

Преобразованный вид представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 – Конечная преображенная схема

В преобразованной схеме (рисунок 7) элементы 1 и В образуют последовательное соединение, тогда вероятность безотказной работы всей системы определяется по формуле:

P = P₁ (1-P₅P_A) = P₁ (1-P₂P₃P₄P₅) (5)

Вероятность безотказной работы мостиковой схемы, состоящей из пяти неодинаковых и независимых элементов, можно определить по формуле (6):

Р=2Р1Р2Р3Р4Р5-Р2Р3Р4Р5-Р1Р3Р4Р5-Р1Р2Р4Р5-Р1Р2Р3Р5- -Р1Р2Р3Р4+Р1Р3Р5+Р2Р3Р4+Р1Р4+Р2Р5.

(6)

В случае идентичных элементов эта формула принимает вид (7):

Р = 2Р5-5Р4+2Р3+2Р2

(7)

Интенсивность отказов системы при экспоненциальном законе распределения времени до отказа легко определить из выражения (7):

λс = λ1 + λ2 + λ3 + ... + λn

(8)

Подставляя формулу (6) в формулу (7), получаем выражение (8), что в случае использования элементов с постоянной интенсивностью отказов (экспоненциальном законе распределения отказов):

Р(t) = 2ехр (-5 λ t)-5ехр (-4 λ t) +2ехр (-3 λ t) +2ехр (-2 λ t)

(9)

Среднее время безотказной работы системы Т0 находим, путем интегрирования уравнения (9) в интервале [0, ∞]:

(10)

1. Для вычисления безотказной работы элементов системы примем, что вероятность безотказной работы каждой из элементов данной схемы равно 0,9.

Решение, будет следующее:

Все элементы схемы идентичны, тогда воспользуемся формулой (6) и подставим данные. Получим:

Р = 2*0,9⁵ – 5*0,9⁴+2*0,9³ + 2*0,9²=0,978

Получили общую вероятность безотказной работы системы за все время работы, которая равна 0,978.

2. Допустим необходимо определить вероятность безотказной работы и среднюю наработку на отказ системы, состоящей из пяти независимых и одинаковых элементов, соединенных по мостиковой схеме (рисунке 5). Будем считать, что λ =0,0005ч^-1, t=100ч и все элементы начинают работать в момент времени t=0.

При помощи формулы (9) получаем:

Р₍₁₀₀₎ = 2е^-0,25-5е^-0,2+2е^-0,15+2е^-0,1 = 0,988.

Подставляя полученное значение вероятности безотказной работы в формулу (10), находим среднюю наработку на отказ

Т₀ = 49/(60*0,0005) = 1633,4 ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Построение моделей технологических объектов является весьма важной задачей, так как позволяет предсказать особенности функционирования агрегатов, что способствует достижению требуемых характеристик. Моделирование подразумевает построение такого описания объекта, которое с заданной точностью будет совпадать с функционированием реального объекта.

В работе дана общая характеристика объекта. В последующем идет выбор оборудования, которое наиболее подходит данному объекту, необходимое для создания системы автоматизированного управления. Для автоматизации работы сепаратора выбирается оборудование нижнего уровня системы автоматизации, удовлетворяющее следующим требованиям: способность работать в неблагоприятных условиях; надежность; диапазон измерения; погрешность измерения; наличие определенных видов защиты; несложный монтаж; наличие унифицированного выходного сигнала.

Произведен расчет системы автоматического регулирования давления в сепараторе. Регулирование производится с помощью ПИ-закона регулирования. Произведена оценка качества регулирования (σ = 12.3%, tр. = 9 с). Так как показатели качества не превышают допустимых значений (ε <20%, tр <12,8 c), настройки регулятора Кр опт = 0.829, Ти опт =3.2 - являются оптимальными.

Проведён расчет надёжности системы, состоящей из 5 элементов, и путём выполнения расчетов и построения схем определена средняя наработка на отказ Т₀ = 1633,4 ч.

Необходимость использования моделей и моделирования, прежде всего математических, определяется возможностью с их помощью решения сложных задач исследования, прогнозирования и оптимизации технологических процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Надёжность технических систем. Справочник под редакцией И.А. Ушакова. – 606 с.

2. Хафизов А.Р./Пестрецов Н.В./Чеботарев В.В. и др. Сбор и подготовка нефти и газа. Технология и оборудование - Москва// 2012 г.

3. Коршак, А.А. Основы нефтегазового дела /А.А. Коршак, А.М. 2012 г.

4. Байков, Н.М. Установка комплексной подготови нефти, /Н.М. Байков. - М.: "Недра", 2013 г.

5. Семихина Д. В/ Ушаков О.С. Режим подготовки нефти// Нефтегазовое дело. - Сугрут: Изд - во 2013. 176с.

6. Бобрицкий Н.В./Юфин В.А. Основы нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 2014 . 200 с

7. Барбасова Т.А., Казаринова Л.С., Шнайдер Д.А. Автоматизированная информационная система поддержки принятия решений по контролю и планированию потребления энергетических ресурсов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». – 2012. -№23. – с. 118-122

8. Ротач В.Я. Теория автоматического управления энергетическими процессами, М, Энергоатомиздат, 2004.

9. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие по содержанию и оформлению проектов. Емельянов А.И., Капник О.В.М.: Энергоатомиздат, 2006.

Код для цитирования: Скопировать