Nghiên cứu nâng cấp hệ thống điều khiển tự động trạm thử nghiệm bơm chìm xí nghiệp liên doanh dầu khí vietsovpetro

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT -***** PHẠM TRÍ CƯỜNG NGHIÊN CỨU NÂNG CẤP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRẠM THỬ NGHIỆM BƠM CHÌM XÍ NGHIỆP LIÊN DOANH DẦU KHÍ VIETSOVPETRO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60.52.60 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS THÁI DUY THỨC HÀ NỘI, NĂM 2006 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình Hà nội, ngày 15 tháng năm 2006 Phạm Trí Cường LỜI CẢM ƠN Qua luận văn tốt nghiệp em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn tới thầy giáo, PGS.TS Thái Duy Thức Người tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp dành thời gian đọc, sửa chữa nội dung luận văn Trân trọng cảm ơn tất thầy giáo, cô giáo tận tình dạy bảo suốt trình học tập trường Trong q trình tìm tịi, nghiên cứu, cố gắng nhiều khoá luận tốt nghiệp khó tránh khỏi thiếu sót giới hạn thời gian Vì thế, em mong nhận đóng góp, bảo thầy giáo, cô giáo độc giả quan tâm MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU 11 Chương – NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ 15 THUẬT CỦA TRẠM BƠM THỬ NGHIỆM 1.1 Sự cần thiết phải có trạm thử nghiệm 15 1.2 Sơ đồ nguyên lý trạm thử nghiệm 16 1.3 Cấu trúc hệ thống thử nghiệm bơm ngầm 16 1.4 Sơ đồ nguyên lý thủy lực 17 1.5 Cấu tạo, thông số kỹ thuật nguyên tắc thuỷ lực hệ thống 17 1.6 Các tính hệ thống đo lường điều khiển 20 1.7 Nguyên tắc vận hành hệ thống 22 Chương 2-NGUYÊN LÝ VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG ĐIỀU 33 KHIỂN TRONG HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM BƠM CHÌM 2.1 Tính hệ thống đo lường điều khiển 33 2.2 Các thiết bị điều khiển cảm biến sơ đồ 34 Chương 3-CÁC LOẠI BƠM THƯỜNG DÙNG TRONG NGÀNH 60 DẦU KHÍ VÀ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH THÍ NGHIỆM BƠM CHÌM 3.1 Những đặc điểm máy bơm điện ngầm ly tâm trục đứng 60 3.2 Thông số kỹ thuật số loại động bơm dùng nghành dầu khí 62 3.3 Phương pháp xây dựng đường đặc tính bơm chìm 67 Chương 4-THIẾT LẬP CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ 70 THỐNG THỬ NGHIỆM BƠM 4.1 Mô hệ thống điều khiển van điều chỉnh lưu lượng FCV 70 4.2 Chương trình giám sát, thu thập liệu điều khiển (SCADA) 82 4.3 Thiết lập chương trình điều khiển PLC S7-300 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC 107 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Well1 Well2 FCV01 FCV02 PT01 PT02 PT03 PT04 TK01 TK02 TK03 TK04 LT01 LT02 LT03 VBT01 VBT02 VBT03 TT01 FT01 FT02 FT03 OCV01 OCV02 OCV03 OCV04 VG-01A VG-01B VG-01C VG-02A VG-02B VG-03A VG-03B VG-04A VG-04B VG-05 I1 I2 I3 Itb Volt GIẢI THÍCH Giếng dùng để thử cho loại bơm có đường kính nhỏ Giếng dùng để thử cho loại bơm có đường kính lớn Van tuyến tính dùng để điều khiển lưu lượng Well1 Van tuyến tính dùng để điều khiển lưu lượng Well2 Dùng để đo áp suất ngõ vào cho hai giếng Đo áp suất ngõ Well1 Đo áp suất ngõ Well2 Đo chênh áp hai đầu lọc Bồn dùng chứa nước hồi lưu trình thử Bồn dùng chứa nước phụ trợ Bồn dùng chứa nước bù cho TK02 Bồn dùng chứa nước phụ trợ Thiết bị đo mức nước dự trữ cho bồn TK02 Thiết bị đo mức nước dự trữ cho Well1 Thiết bị đo mức nước dự trữ cho Well2 Thiết bị đo độ rung cuối thân bơm thử nghiệm Thiết bị đo độ rung thân bơm thử nghiệm Thiết bị đo độ rung thân bơm thử nghiệm Thiết bị đo nhiệt cho thân bơm thử nghiệm Thiết bị đo lưu lượng nhánh Thiết bị đo lưu lượng nhánh Thiết bị đo lưu lượng nhánh Van tự động dùng khí nén để điều khiển nhánh Van tự động dùng khí nén để điều khiển nhánh Van tự động dùng khí nén để điều khiển nhánh Van tự động mở q trình thử bơm hồn tất Van chặn hai bồn TK01 TK02 Van chặn hai bồn TK01 TK02 Van chặn hai bồn TK01 TK02 Van chặn hai bồn TK02 Well1 Van chặn hai bồn TK02 Well1 Van chặn hai bồn TK04 Well2 Van chặn hai bồn TK04 Well2 Van chặn hai bồn TK02 TK04 Van chặn hai bồn TK02 TK04 Van chặn hai bồn Well1 Well2 Dòng điện đo pha Dòng điện đo pha Dòng điện đo pha Dòng trung bình pha Điện áp lưới điện GHI CHÚ Có bơm bù Nhánh 1:6” Nhánh 2:3” Nhánh 3:6” F cosϕ Power K11, K12 EF1 OV SP PFR QF1 AS VS SOFT START TR01, TR02, TR03 CT1A,B,C RL SW1 EOCR CT1,2 A Tần số lưới điện Hệ số công suất Công suất tiêu thụ động Hai Contactor dùng để đảo chiều động Thiết bị phát dòng rò Thiết bị bảo vệ tải Thiết bị báo pha CB cho tồn hệ thống Thiết bị dùng để đo dòng pha dòng dây Thiết bị dùng để đo áp pha áp dây Bộ khởi động mềm Bộ chuyển đổi cho Indicator Bộ biến dòng 400/5A Relay dùng để chọn chế độ điều khiển Auto/Hand Công tắc dùng để chức bảo vệ cấp động Thiết bị bảo vệ dòng điện tử Bộ biến dòng nằm thiết bị EOCR Thiết bị dùng để đo dòng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Một số động Rôto lồng sóc chun dùng cho bơm chìm Bảng 3.2 Kích thước trọng lượng động Bảng 3.3 Một số loại động sử dụng nghành dầu khí Bảng 4.1 Các tín hiệu vào số Bảng 4.2 Các tín hiệu số Bảng 4.3 Các tín hiệu vào tương tự Bảng 4.4 Các tín hiệu tương tự DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử bơm ngầm Hình 1.2 Hệ thống điều khiển PC-PLC trạm thử nghiệm bơm ngầm Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý thủy lực hệ thống thử nghiệm bơm chìm (sau cải tạo) Hình.1.4 Sơ đồ điện điều khiển hệ thống Hình 1.5 Sơ đồ bàn điều khiển tay Hình 1.6 Bàn điều khiển tay máy tính điều khiển tự động Hình 2.1 Bộ van điều khiển FISHER Hình 2.2 Cấu tạo van điều khiển Hình 2.3 Cấu tạo truyền động Hình 2.4 Bộ điều khiển van Hình 2.5 Nguyên lý làm việc van điều khiển Hình 2.6 Các dạng đường đặc tính van Hình 2.7 Các loại Piston tương ứng với đường đặc tính Hình 2.8 Sơ đồ điều khiển van FCV-01 Hình 2.9 Giới hạn tải cảm biến Hình 2.10 Cảm biến nhiệt độ 444RL Hình 2.11 Sơ đồ đấu dây cảm biến nhiệt độ Hình 2.12 Sơ đồ điều khiển cảm biến nhiệt độ TT-01 Hình 2.13 Cảm biến đo mức 3051-L Hình 2.14 Giới hạn tải cảm biến Hình 2.15 Cấu tạo chung cảm biến ROSEMOUNT 3051 Hình 2.16 Sơ đồ điều khiển cảm biến đo mức LT-01 Hình 2.17 Cảm biến áp suất 3051-T Hình 2.18 Giới hạn tải cảm biến Hình 2.19 Sơ đồ điều khiển thiết bị đo áp suất đầu vào PT-01 Hình 2.20 Sơ đồ điều khiển thiết bị đo áp suất đầu PT-03 Hình 2.21 Cảm biến chênh áp 3051-CA Hình 2.22 Giới hạn tải cảm biến chênh áp Hình 2.23 Sơ đồ điều khiển cảm biến chênh áp DPT-03 Hình 2.24 Cảm biến lưu lượng 8800C Hình 2.25 Giới hạn tải cảm biến 8800C Hình 2.26 Nguyên lý cấu tạo cảm biến 8800C Hình 2.27 Sơ đồ điều khiển cảm biến lưu lượng FT-01 Hình 2.28 Cảm biến đo độ rung Hình 2.29 Sơ đồ điều khiển cảm biến lưu lương VBT-01, VBT-02, VBT-03 Hình 2.30 Cảm biến đo điện M560 Powersig Hình 2.31 Sơ đồ điều khiển thiết bị đo điện Hình 3.1 Đường đặc tính bơm chìm Hình 4.1 Đường cong thực nghiệm van FISHER Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc Matlab Hình 4.4 Khối Constant Hình 4.5 Khối Look-up table1 Hình 4.6 Khối Look-up table2 Hình 4.7 Khối Look-up table3 Hình 4.8 Khối PID Controller Hình 4.9 Khối hàm truyền van FCV Hình 4.10 Khâu giữ chậm Hình 4.11 Khối cộng Hình 4.12 Khối tính tốn tối ưu Signal Constraint Hình 4.13 Kết mơ Hình 4.14 Kết tính tốn Kd, Ki, Kp Hình 4.15 Đáp ứng lưu lượng đầu với lưu lượng đầu vào 667m3/h Hình 4.16 Đáp ứng lưu lượng đầu với lưu lượng đầu vào 0, 10, 25, 50, 100m3/h Hình 4.17 Đáp ứng lưu lượng đầu với lưu lượng đầu vào 200, 300, 400, 500, 667m3/h Hình 4.18 Đáp ứng lưu lượng đầu với mức lưu lượng đặt khác 128 ) A( A DB52.DBX 28.1 A( L DB54.DBW 18 L 300 I ) ) O A M 5.1 A( L DB52.DBW L ==I ) A( 130 A DB52.DBX 28.1 A( L DB54.DBW 18 L 600 >I ) O A DB52.DBX 28.2 A( L DB52.DBW 26 L 600 >I ) ) ) O A( L DB52.DBW L ==I ) A M 5.3 Q 25.2 ) = Network10 So sánh lưu lượng để điều khiển van FCV A Q 24.0 = L 51.0 A L 51.0 A( L DB52.DBW 131 L ==I ) = L 51.1 A L 51.1 A T 21 A( L DB54.DBD L DB52.DBD D ) R M 5.2 A L 51.0 A( L DB52.DBW L ==I ) = L 51.1 132 A L 51.1 A T 21 A( L DB54.DBD L DB54.DBD 20 D ) R M 5.3 A L 51.0 BLD 102 L S5T#30S SD T Network11 21 Nếu quay ngược sau phút đảo chiều quay O DB52.DBX 28.1 O DB52.DBX 28.2 = L 51.0 A L 51.0 A( L DB52.DBW 133 L ==I ) A M 0.1 = L 51.1 A L 51.1 BLD 102 L S5T#2M SD T A L 51.1 A T S Q 24.0 R Q 24.1 S DB54.DBX 24.0 R M 0.1 A L 51.0 A( L DB52.DBW L ==I ) A M 0.2 = L 51.1 A L 51.1 BLD 102 L S5T#2M SD T A L 51.1 A T S Q 24.6 134 R Q 24.1 R Q 24.3 S DB54.DBX 24.0 R M Network12 0.2 Điều khiển mở van hoàn toàn chế độ tự động A DB52.DBX 28.1 A Q 24.0 = L 51.0 A L 51.0 AN M 5.0 A( L DB52.DBW L ==I ) JNB _014 L 32767 T PQW 304 _014: NOP A L 51.0 AN M 5.1 A( L DB52.DBW L ==I ) JNB _015 L 32767 T PQW 306 _015: NOP 0 135 Network13 Điều kiện khởi động xong A Q 24.0 = L 50.0 A L 50.0 A( L DB52.DBW L ==I ) A( L DB54.DBD L DB54.DBD 20 >=D ) = L 50.1 A L 50.1 A DB52.DBX 28.1 S M 0.3 A L 50.1 BLD 102 S M 5.0 A L 50.0 A( L DB52.DBW L ==I ) A( L DB54.DBD L DB54.DBD 20 136 >=D ) = L 50.1 A L 50.1 A DB52.DBX 28.1 S M 0.4 A L 50.1 BLD 102 S M Network14 A 5.1 Điều khiển chạy lưu lượng trung bình Q5 DB52.DBX 28.1 A( O M 0.3 O M 0.4 = L 51.0 A L 51.0 JNB _016 L DB52.DBW 14 ) ITD T _016: LD NOP A L 51.0 JNB _017 L LD DTR T DB41.DBD _017: NOP Network15 A Chạy Q5 sau phút chuyển đóng hồn toàn FCV tương ứng DB52.DBX 28.1 137 A( O O ) = A A( L L ==I ) = A BLD L SD A A S R A A( L L ==I ) = A BLD L SD A A S R Network16 A A A( L L ==I ) JNB M M 0.3 0.4 L L 51.0 51.0 DB52.DBW L 51.1 L 51.1 102 S5T#3M T L 51.1 T M 0.5 M 0.3 L 51.0 DB52.DBW L 51.1 L 51.1 102 S5T#3M T L 51.1 T M 0.6 M 0.4 Điều khiển đóng hồn tồn van FCV01 DB52.DBX 28.1 M 0.5 DB52.DBW _018 138 L T SET SAVE CLR _018:A = A BLD L SD A A R S Network17 A A A( L L ==I ) JNB L T SET SAVE CLR _019: A = A BLD L SD A A R S Network18 A( A A( O PQW 304 BR L 51.0 L 51.0 102 S5T#2S T L 51.0 T M 0.5 M 0.7 Điều khiển đóng hồn tồn van FCV02 M 0.6 DB52.DBX 28.1 DB52.DBW _019 PQW 306 BR L 51.0 L 51.0 102 S5T#2S T L 51.0 T M 0.6 M 1.0 Đọc giá trị lưu lượng Q2 giếng vào PID DB52.DBX 28.1 M 0.7 139 O ) A( O( L L ==I ) O( L L ==I ) ) JNB L ITD T SET SAVE CLR _01a: ) JNB L DTR T _01b: NOP Network19 A( O O ) A = A A( L L ==I ) = A BLD M 1.0 DB52.DBW DB52.DBW _01a DB52.DBW LD A 12 BR _01b LD 12 DB41.DBD Chạy ổn định Q2 15 giây chuyển sang Q3 M M 0.7 1.0 DB52.DBX 28.1 L 51.0 L 51.0 DB52.DBW L 51.1 L 51.1 102 140 L SD A A R S A A( L L ==I ) = A BLD L SD A A R S Network20 A( A A( O O ) A( O( L L ==I ) O( L L ==I ) ) JNB L ITD T S5T#15S T L 51.1 T M 0.7 M 1.1 L 51.0 DB52.DBW L 51.1 L 51.1 102 S5T#15S T L 51.1 T M 1.0 M 1.2 Đọc giá trị lưu lượng Q3 giếng vào PID DB52.DBX 28.1 M M 1.1 1.2 DB52.DBW DB52.DBW _01c DB52.DBW 10 LD 14 141 SET SAVE CLR _01c: A ) JNB L DTR T _01d: NOP Network21 A( O O ) A = A A( L L ==I ) = A BLD L SD A A R S A A( L L ==I ) = A BLD L SD A BR _01d LD 14 DB41.DBD Chạy ổn định Q3 15 giây chuyển sang Q4 M M 1.1 1.2 DB52.DBX 28.1 L 51.0 L 51.0 DB52.DBW L 51.1 L 51.1 102 S5T#15S T L 51.1 T M 1.1 M 1.3 L 51.0 DB52.DBW L 51.1 L 51.1 102 S5T#15S T 10 L 51.1 142 A R S T 10 M 1.2 M 1.4