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自控正文
目录
第1章电脱水控制系统工程实例2
1.1电脱水控制系统的背景及说明2
1.2联合站工艺系统概述2
1.3CAD流程图4
第2章标准节流装置设计及计算程序设计5
2.1标准节流装置设计5
2.2电脱水器的选取5
2.3油田联合站外输天然气节流装置的口径d20计算6
第3章调节阀选型及计算8
第4章课程设计心得10
参考文献11
附录12
第1章电脱水控制系统工程实例
1.1电脱水控制系统的背景及说明
联合站,即集中处理站,是油田地面集输系统中重要组成部分。
就油田的生产全局来说,油气集输是继油藏勘探、油田开发、采油工程之后的很重要的生产阶段。
如果说油藏勘探是寻找原油,油田开发和采油工程是提供原料,那么油气集输则是把分散的原料集中处理,使之成为油田产品的过程。
联合站一般建在集输系统压力允许的范围内,为了不影响开发井网以及油田中后期加密井网的布置与调整,应尽量建在油田构造的边部。
联合站将来自井口的原油、伴生天然气和其他产品进行集中、运输和必要的处理、初加工,将合格的原油送往长距离输油管线首站外输,或者送往矿场油库经其他运输方式送到炼油厂或转运码头,合格的天然气则集中到输气管线首站。
联合站一般包括如下的生产功能:
油气水分离、原油脱水、原油稳定、天然气脱水、轻油回收、原油储存及向矿场油库输送、污水处理、净化污水回注地层、接收计量输来的油气混合物、变配电、供热及消防等。
联合站设计是油气集输工艺设计的重要组成部分,对它的要求是使其最大限度的满足油田开发和油气开采的要求,做到集输先进、经济合理、生产安全可靠,保证为国家生产符合数量和质量的油田产品。
本课题是针对各大油田对实验室使用的自动化程度较高的小型原油电脱水系统的实际需求而展开的。
通过阅读大量文献,结合以往科研实践,设计了一套基于单片机控制的原油电脱水系统,进行了如下工作:
首先,本文对各种原油电脱水方法进行了概述,重点介绍了国内外原油电脱水方法的发展状况。
在此基础上,对原油及其乳化液的物理性质进行了阐述,并针对原油乳化液的性质,重点论述了原油电脱水的脱水机理。
其次本文利用电力电子技术、现代控制技术、单片机技术对原油电脱水系统硬件进行了设计与开发。
此系统能够进行高压交流与高压直流原油脱水,具有自动调压、自动恒温、过流保护、过压保护等功能。
而后,本文对原油电脱水系统的虚拟面板惊醒了设计。
该平台能够将原油脱水过程中电极间油水混合液的电参数变化情况以曲线的形式显示在计算机上,并能够进行实验数据的保存、分析,为研究原油电脱水提供便利。
最后,本文利用开发出得系统进行了高压直流、高压交流原油电脱水实验,并对各次实验电极间油水混合液的电参数变化情况进行了分析、比较。
1.2联合站工艺系统概述
1.油气水混合物的收集
一个区域中若干油井的井口产物经过计量后,输送到联合站进行集中处理。
在收集的过程中对于高粘度、高凝点原油要采取一定措施,使它能够在允许的压力下安全的输送到联合站而不至于凝固在管线内。
通常采用的方法有:
加热保温法;化学降粘、降凝法;物理降粘、降凝法。
2.油气水的初步分离
在实际生产工程中,从油井出来的不单是原油,常常含有气、水、砂、盐、泥浆等。
为了便于输送、储存、计量和使用,必须对它们进行初步分离。
油井产物中常含有水特别在油井生产的中后期,含水量逐渐增多,利用离心重力等机械方法分离成气液两相。
有些井出砂量很高,同时还应该除去固体混合物。
油气水的初步分离主要在三相分离器中进行,在开式流程中,也在沉降罐中进行。
油和机械杂质、盐的分离一般与油水分离同时进行。
当含盐、含砂量高时,有的要用热水冲洗和降粘后再沉降分离,连同水、机械杂质和盐一起脱除。
3.原油脱水
对轻质、中质含水原油,宜采用热沉降、化学沉降法脱水;对中质、重质的高含水原油,先采用热化学沉降法脱水,再用电脱水,对乳化度高的高粘度、高含水原油,应先破乳再沉降脱水。
4.原油稳定
原油中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷(正构)在通常情况下是气体,这些轻烃从原油中挥发出来时会带走大量戊烷、己烷等成分,造成原油的大量损失,为了降低油气集输过程中的原油蒸发损耗,一个有效的方法就是将原油中挥发性强的轻烃比较完全的脱除出来,使原油在常温下的蒸汽压降低,这就是原油稳定。
原油稳定所采用的方法可以分为闪蒸法和分馏法两大类。
闪蒸法又分为常压闪蒸、负压闪蒸和正压闪蒸。
5.轻烃回收
从原油中脱除的轻烃,经过回收加工是石油化工的重要原料,也是工业与民用的洁净燃料。
随着石油化学工业的飞速发展和世界性能源短缺,天然气回收液烃技术得以迅速发展,轻烃回收给国家创造了更多的财富。
轻烃回收工艺基本可以分为三种:
吸附法、油吸收法和冷凝分离法。
我国油田气轻烃回收都采用冷凝分离法,按冷冻深度不同,冷凝分离可以分为浅冷(-15℃~-25℃)和深冷(-60℃~-100℃)两种。
6.天然气
随油井中原油一起采出的伴生气,直接输送到气体处理厂。
7.含油污水的净化
原油经过沉降、脱水后放出来的水,还含有一定量的原油、泥砂等物质,必须经过净化才能回注或外排。
从污水中回收污油,既节约能源又保护环境,经过处理后的污水一般回注地层,保持油层压力,提高油藏采收率。
含油污水处理的常用方法是:
重力沉降除油法、混凝沉降法、气体浮选法、斜板除油法和过滤除油法。
8.辅助生产系统
辅助生产系统包括给排水系统、供热系统、变配电系统、通讯系统、采暖及通风系统、道路系统等。
这些系统都是联合站的必要组成部分,是联合站正常工作的保证。
程设计中的几点说明:
(1)各作业区,装置的布置应与平面布置相符,应标明各工艺管线尺寸、安装高度、介质的流向、管线线型及管件应符合的规定,尺寸不按比例。
(2)凡是由于偶然事件(着火停电)或操作失去可能使压力升高而造成事故之处(如分离器、加热炉、油罐、轻油罐等常压容器及往复泵、齿轮泵出口),都装备有安全阀或呼吸阀。
(3)凡是不允许液体倒流之处(如离心泵的出口、有压进罐管线、药剂线进电脱水器入口等)都装上了止回阀。
(4)为防止爆炸、火灾等恶性事故蔓延,流程设计必须要有切断油气源的措施(如压力越站、紧急放空、自动关闭油罐进出口阀门)。
1.3CAD流程图
图1-1电脱水系统CAD流程图
第2章标准节流装置设计及计算程序设计
2.1标准节流装置设计
标准节流装置的设计计算是自控工程技术人员的基本功,此项训练十分重要。
标准节流装置的计算命题,根据GB/T2624-93有五种命题。
自控工程设计中主要涉及第二命题。
(1)辅助计算
①根据原始数据的最大流量确定计算最大流量;
②根据工作状态和被测量流体的成分,求物性参数;
工作状态下的粘度μ1、密度ρ1。
对于气体还要求出对比压力Pr,对比温度Tr,以及工作状态下的压缩系数Z和等熵指数K。
③求工作状态下的管道内径;
④根据最大流量,求出相应的雷诺数ReD;
⑤根据管道材质及内表面情况,确定管道内壁的绝对平均粗糙度K。
⑥确定差压上限。
新标准中视为已知条件,由工艺人员或仪表人员自行确定。
(2)迭代计算方法
迭代计算的实质是利用具有快速收敛的弦截法,来实现近似计算。
计算出X、δ,直到∣δn∣值小于某个规定值
(即
)时,说明计算已达到规定的精确度,迭代计算完毕。
(3)验算
质量流量的不确定度的计算公式。
2.2电脱水器的选取
操作温度:
52℃;
操作压力:
0.3
;
查《油田油气集输设计技术手册》,选取
3600×14000的电脱水器,其中空容积是155.7m3/台,且知道一般原油在电脱水器中的停留时间是40分钟。
一级分离后,进入电脱水器的原油含水率为20%,计算单台电脱水器的含水原油的体积流量。
单台电脱水器的含水原油体积流量:
式中:
—单台电脱水器处理的含水原油体积流量,
;
—电脱水器的空罐容积,
;
—选定的含水原油在电脱水器内的停留时间,
。
m3/(h·台)
则,经电脱水器处理的含水原油的体积流量为:
m3/h
(台)
∴取N=4台
实际的体积流量为:
=185.685m3/h
实际的停留时间:
>40min
当一台检修时,即N=3
单台体积流量为:
247.58m3/h
且120%V=1.2×233.55=280.26m3/h>V=247.58m3/h
即选用了4台
3000×11000的电脱水器满足要求。
2.3油田联合站外输天然气节流装置的口径d20计算
已知条件:
工作介质:
天然气取压方式:
法兰取压
操作温度:
30℃工况密度:
ρ=1.9678kg/Nm3
标况密度:
ρ=0.97kg/Nm3工作压力:
P1=215600Pa
操作状态下粘度:
η=0.0112cP最大压差:
δp=9800Pa
管道内径:
D20=363mm体积流量:
Qmax=8300Nm3/h
等熵指数:
k=1.315相对湿度:
φ=100%
孔板材质线膨胀系数:
λd=0.000012mm/mm℃
管道材质线膨胀系数:
λD=0.000011mm/mm℃
孔板孔径d20的设计计算
1.求工况下管道直径:
D=D20[1+λd(t-20)]=0.363[1+0.000012(30-20)]=0.36304356(m)
2.求雷诺数
Red=4δpρ/πDη=4*8300/3600*1.9678/(3.14*0.36304356*0.0112)=1421.38085
3.求A2
A2=ηRed/D20√(2△pρ)=0.0112Red/0.360*√38568.88=0.225
4.设C∞=0.6060
ε=1
5.据Xn=A2/C(n-1)ε(n-1)
βn=[Xn2/(1+Xn2)]0.25
Cn=0.5959+0.312βN2.1-0.18
当n=4时,求得E4=3.46*10-10<5*10-10
∴β=β4=0.5983
C=C4=0.60498
6.求d
d=Dβ=0.36304356*0.5983=0.217208961948(m)
=21.7208961948(mm)
7.求d20
d20=d/[1+λd(t-20)]
=0.217208961948/[1+0.000012(30-20)]
=0.2171829(m)
=21.71829(mm)
最后得到d20=21.71829(mm)。
标准节流装置的首选检测件当然是标准节流装置,为了选择最合适的标准节流装置,选型时应从以下几方面考虑:
1)管径、直径比和雷诺数范围的限制条件;
2)测量精确度;
3)允许的压力损失;
4)要求的最短直管段长度;
5)对被测介质侵蚀、磨损和脏污的敏感性;
6)结构的复杂程度和价格;
7)安装的方便性;
8)使用的长期稳定性。
孔板可应用于比喷嘴和文丘里喷嘴更大的管径范围。
第3章调节阀选型及计算
调节阀是自动化仪表和自动调节系统的重要组成部分之一,在调节系统中称为终端控制元件。
它直接与介质接触,使用条件差,尤其在高压、高压差、高温、深冷、强腐蚀、高粘度、易结晶、闪蒸、气蚀等各种恶劣条件下工作时,调节阀在自动调节系统中的重要性就更为突出。
随着工业生产的迅速发展,调节阀的品种、规格日益繁多,为此,对调节阀的选用技术要求也越来越高,选用不当,必然会降低调节质量。
另外,在工程计算中,调节阀口径计算是个关键问题。
它不仅关系到调节系统的调节质量,还关系到生产的经济性;适用的可靠性和稳定性等问题。
调节阀口径计算的主要内容有流量系数
值计算及口径选定等。
符号
是国际制单位的流量系数。
它定义为:
温度5℃至40℃的水,在105Pa压降下,流过调节阀的每小时立方米数。
阀型的选择是一项重要而复杂的工作。
为了计算流量系数、预估噪声等,需要初步选择阀体结构型式。
若计算结果不符合要求,还应重选阀型,并重新计算,直至满足要求。
选择阀型的依据是根据介质性质、工艺参数、使用要求等条件;若所给条件可以选用两种以上阀型,则可以依据经济性、订货周期等条件进行选择。
调节阀口径计算的主要内容有流量系数计算及口径选定等。
流量系数计算公式的建立与发展已有半个多世纪的历史,其中气体与液体的单相流计算公式比较成熟,双相流公式还有待进一步完善。
精度较高的计算公式,还需要有正确的原始数据,才能得到满意的结果。
调节阀口径计算所需数据及条件:
(1)介质名称为污水、性质及主要物化参数(
等)。
(2)工艺参数(
等)
(3)配管情况(型式、阀前后管径、系统阻力计算、预估S值等)
(4)调节对象类型、特点,如主调参数及主要干扰因素等
(5)调节性能要求,如泄漏量、稳定性等要求。
已知条件:
工作介质:
污水工作温度:
阀前绝压:
==
阀后绝压:
==
操作密度:
最大流量:
管道直径:
介质临界压力
;
阀入口温度下介质饱和蒸气压力
;
求调节阀的口径:
利用调节阀的流量系数Cv,可以简化调节阀口径计算的问题,调节阀流量系数Cv定义:
阀处于全开状态,阀端压差为1磅/英寸‘0.07kgf/Cm’的条件下,60F15.6℃的清水,每分钟通过阀的美加仑数。
决定调节阀口径根据已知的流体条件,先计算出所要求的Cv,再从Cv表上,选取合适的调节阀口径。
1.求调节阀流量系数Cv
Cv=1.17*Q*[G/(P1-P2)]1/2
式中:
Q----最大流量m3/h
G----比重
P1----进口压力Kgf/cm2
P2----出口压力Kgf/cm2
得:
Cv=1.17*19.8*[1*10-3/(0.343-0.314)1/2]=51.802
2.求调节阀口径d
d=√(4Cv/3600πv)*1000
v=4Wnax/πD2ρ=10.7735m/s
∴d=73.0926mm
因调解阀为联合站电脱水器油水界面控制,需有调解、切断、克服△P、防堵的特点,故选用蝶形调解阀。
该阀结构简单、重量轻、体积小、成本低,流通能力大,适用于低压差、大流量的场合。
普通蝶阀泄漏量较大,但采用台阶式密封和聚四氟乙烯阀座或橡胶阀座面可提高阀的密封性能。
目前国外高性能蝶阀均采用双向密封,其密封性能很强。
力矩小,配备执行机构小,填料和密封装置耐用。
适用于公称压力比较低的场合。
微处理器采用以89C51单片机为核心的嵌入式系统,扩展MAX-IM813看门狗电路使系统具有较强的抗干扰能力,采用MAXIM2404和DS1302对重要的系统参数进行掉电保护和提供系统的实时时钟,扩展MAXIM485实现控制器与上位机的远程通信,同时扩展A/D转换器、SA8382单相PWM产生器和显示电路构成系统控制器的控制电路。
单片机在完成对SA8382的初始化,输出脉宽控制、频率幅值控制外,同时完成模糊控制算法及数据处理,模拟量和数字量的检查,保护功能的逻辑判断,与上位机通信等功能。
单片机与SA8382使用同一晶振,同步性能定,漂移小。
第4章课程设计心得
一周的自控课程设计对我受益匪浅,让我系统性地认识和全面地掌握了C语言编程和调试技术,让我将平常学的编程及应用方法学以致用,使我的编程能力有了很大的提高和进步,让我对自动控制应用有了深入细致的了解。
前两天,我寻找有关的资料并进行设计的总体规划,理清课程设计思路。
但是将这些具体的方案落实到每一个设计环节和步骤中,难免会出现意想不到的错误,这就需要我在进行设计的过程中利用所掌握的知识认真排查错误原因,多方面的思考问题的关键不断地改正自己的设计不足之处和错误。
后几天,对硬件电路的工作原理和可编程知识的掌握是进行下一步的软件设计的关键,进入了软件方案和具体的编程和调试运行阶段,在这个阶段中,对系统的要求分析和如何采用模块化设计思想是设计方案主要解决的问题。
通过不断地设计尝试和反复地设计调试初步解决了问题。
但是也存在了设计上的不足之处。
需要用到模拟量的输入/输出模块,给课题制作带来了很大的困难,但是我们还是通过查阅资料,按时完成了课题。
一周的编程及应用的课程设计,发现自己在这方面的学习还需要不断的加深,通过这段时间的学习认识,对联合站电脱水控制系统有了一个整体的认识,熟悉各种器件和软件应用。
参考文献
[1]翁维勤.调节阀口径计算指南[M].兰州:
自控设计技术中心站,1991.
[2]王骥程,祝和云.化工过程控制工程[M].北京:
化学工业出版社,2003.
[3]董德发,张天春.自控工程设计基础[M].大庆:
大庆石油学院,1999.
附录
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{doubleD20=0.08,zp=700000,qm=8.3,t=143,s=926.012,u=0.000199,h=0.000011;
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