基于紫金桥组态软件的联合站监控系统设计.docx

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基于紫金桥组态软件的联合站监控系统设计

摘要

联合站是油田油气集输过程中的重要生产环节，其主要作用是接收各转油站来油，对油气水进行分离、净化、加热，将处理合格后的原油、净化污水、净化天然气向下一级油库输送。

联合站的监控系统研究具有重大的现实意义和应用前景。

本论文介绍了输油联合站的工艺流程，包括输油流程，沉降流程和脱水流程。

对输油联合站各工艺流程进行工业组态,设计了储油罐液位和温度监控系统。

经过仿真实验，证明该系统完全达到设计要求，可对联合站生产过程中的重要参数液位和温度进行实时监控，使油罐处于安全状态。

对PID控制过程进行了组态和仿真，再现了联合站储罐液位的自动调节过程。

关键词：

联合站；组态；PID控制

Abstract

Unionstationisanimportantproductionprocessofoilandgasgatheringandtransportation,anditsmainroleistoreceivealloilfromtransferstations,thenseparate,purifyandheattheoil,gas,andwater,transferthequalifiedoilthathasbeenprocessedtothedepotofnextorder.Theresearchofunionstationhasgreatsignificanceandapplicationprospects.

Theproductionprocessofunionstation,includingoiltransportationprocess,sedimentationprocessanddehydrationprocessareintroducedinthisthesis.Theindustrialconfigurationtoeachindustrialprocessandmonitoringsystemofthetankliquidlevelandtemperaturearedesignedallbymyself.Afterthesimulation,itisprovedthatthesystemcouldmonitortheimportantparameterofliquidlevelandtemperatureattherealtimetomakesuretheproduction’ssafetyasthedesiredtarget.BydoingtheconfigurationandsimulationofthePIDcontrolprocess,theprocessoftheautomaticcontrolcouldbereproduced.

Keywords:

unionstation;configuration;PIDcontrol

第1章概述

1.1研究背景意义

联合站是油田油气集输过程中的重要生产环节，是集油气分离、原油脱水、原油计量、稳定外输、油田注水、污水处理、消防即热力系统等为一体的综合生产过程。

功能是：

将分散在油田各处的油井产物加以收集；分离成原油、伴生天然气和采出水；进行必要的净化、加工处理、使之成为油田商品、以及这些商品的储存和外输。

同时油气集输系统还为油藏工程提供油藏动态的基础信息，如：

各油井汽水产量、汽油比、气液比、井油压和回压、井流温度等参数及随生产延续各种参数的变化情况等，使油藏工作者能加深对油藏的认识，适时调整油田开发设计和各油井的生产制度。

因而油气集输系统不但将油井生产的原料集中、加工成油田产品，而且还为不断加深对油藏的认识、适时调整油藏开发设计方案、正确经济地开发油藏提供科学依据。

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，做到技术先进、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。

所以联合站工艺流程的每一步都关系到是否能有效的利用石油资源、提高能源的开发率和利用率，使联合站能够安全高效的运行。

联合站的研究具有重大的现实意义和应用前景。

油田中转站储运系统的油品移动量为加工量的五倍，油库的收付油业务量也很大。

可见罐区油品的进出、收付是非常频繁的，由此引发的事故也较多，特别是油罐的油品溢出事故更为屡见不鲜。

油品的溢出不仅造成经济损失，污染环境，而且还可能引发失火、爆炸等恶性事故，因此油田中转站液位是极为重要的工艺参数。

联合站计算机控制系统，大都采用的是单回路给定点的PID控制算法。

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，按偏差的比例积分和微分进行控制的调节器称为PID控制器，它是连续系统中技术成熟，应用最广泛的一种调节器[1]。

联合站原油计量监控系统的应用具有重要意义，计量结果直接影响油田的效益和信誉，这套监控系统的研发具有以下重要意义：

（1）  将人工计量改为自动连续计量，人工取样化验改为自动连续检测，能够提供更及时、准确的信息。

（2）  实现计量站无人值守，减员增效，彻底改变计量站生产作业制度，改善了劳动条件。

（3）  在现场生产自动化的基础上，实现中控室信息处理自动化，提高了联合站生产过程自动化生产管理水平。

（4）  为保证油气田生产安全、平稳、优化运行提供了有力手段。

外输过程，必须在安全生产的前提下安排优化运行，以求得最好的经济效益。

1.2国内外发展概况

在我国，原油计量控制系统最先采用的是DDZ-II型仪表，取得了一定的经济效益。

但这些常规仪表组成的控制系统在处理复杂控制系统、集中监控和控制精度等方面具有局限性。

随着计算机在石油工业过程控制中的广泛应用，尤其是西部塔里木、吐哈、准噶尔三大盆地的开发和建设，油田生产过程中的自动控制和管理得到了明显、迅速的发展。

在油田生产过程中，要求外输计量系统有高准确度和高可靠性。

原油产量的计量是油田开发中最基础的工作，原油计量是油田集输工艺中必要的计量环节，也是考核原油生产任务完成的依据。

为此，1990年起，国内应用了高新技术与油田集输工艺相配套的油汽密闭在线计量工艺技术，解决了油田多年来未能解决原油产量不清、集输系统无法密闭运行的问题。

原油动态计量技术，主要应用了密闭集输工艺与双容积自动计量分离器、涡轮气体流量计、立式金属计量罐、系列原油腰轮流量计、FSH-K型原油含水率监测仪和微机自动采集处理相结合，成功地解决了油、气、水分级计量技术问题。

通过几年的实践，仪器、仪表性能稳定，结构合理，计量准确，将计量误差控制在0.5%以下，弄清了原油外输的产量，从而有效地指导了各阶段的生产组织工作，原油损耗由2%下降到0.5%，提高了经济效益。

目前，按照原油天然气稳定轻烃交接计量站计量器具配备规范，原油外输计量必须采用容积式流量计作为体积计量器具。

在国内众多的容积式流量计中，腰轮流量计，属刮板流量计和双转子流量计因其生产和应用技术比较成熟，在石油、石化企业得到了广泛的应用。

国内油田联合站原油计量多用容积式计量，计量出体积流量后，再结合原油化验所得的原油密度计算出流量，贸易结算以质量流量进行交易，油田计量交接油量计算执行标准《原油动态计量油量计算》。

大庆石油管理局总外输计量站于1992年投用了一套由工业控制计算机和计量仪表组成的成套原油仪表计量系统，取得了良好的社会经济效益。

大庆原油总外输计量站承担着大庆油田85%的原油外输计量任务，属国家一级计量单位。

大庆石油管理局为了提高原油外输的计量精度，应新时期的管理需求，原油总外输计量站成套计量仪表进行更新换代，采用上海自动化仪表公司自动化仪表九厂开发的总线型微机控制装置，提高了计量水平。

我国参与投资的苏丹1/2/4油田原油外输两级计算机计量及自动标定系统，采用法国FURHMAN公司生产的整装计量模块，不仅准确度高、可靠性好，而且可在线对流量计进行标定，并根据压力、温度和流量等参数实时进行流量补偿计算，给生产和管理带来极大方便。

国外早在上世纪五十年代，美国海湾公司就建成了第一套自动化监控输送系统（LACT），解决了原油的自动收集、处理、计量、输送问题。

国外有些油田SCADA系统还实现了注气、注水的优化控制运行。

随着DCS系统采用一些先进的控制策略，使部分生产过程的控制得到了进一步优化。

HONEYWELL公司的非线性液位控制可以适合进液的波动。

美国通用公司的无模型控制器可以适合大滞后、时变温度控制等将检测与控制技术集一体，为油田集输控制提供了一体化解决方案。

目前国外已将自动化技术提升到对原油的生产、储运、销售等环节进行全面监控的现代化管理水平的高度。

比如英国石油公司建立的自动化监控系统可以根据地质情况自动的控制油井的产量，确保底层原油达到最大采收率。

美国油田甚至将销售过程中温度影响体积的销售差额，也考虑设置到自动化管理系统中[2]。

在上世纪70年代末到80年代初，苏联已有大量油井计量自动装置在全国推广，具有代表性的，应用比较普遍的是“卫星A0”、“卫星B0”型油井计量装置。

科氏力质量流量计在原油计量中得到了适量的应用，其中大部分应用是与原油两相分离器配套使用，这一方法使原油计量工艺简化，虽然与分离器配套仍没有脱离传统的计量模式，但也有一些公司将分离器小型化或简化，使这一系统向多相流量计过渡。

关于原油计量的测量不确定度问题一直是人们关注的问题。

根据收集的资料分析，前苏联大多采用两相计量分离系统，根据配备的仪表，原油计量不确定度可望在5%～10%范围内；美国大多采用三相油井计量系统，原油计量不确定度可望达到5%；另外，根据英国贸易与工业部石油天然气局《石油计量标准指南》指出：

油井产量计量的目标不确定度要求为5%，而用于储量管理的油井测试分离器的测试，期望的不确定度是5%～10%。

1.3论文研究内容

本次设计主要完成输油联合站监控系统的设计。

油田自控技术主要应用于原油集输处理、天然气处理、水处理、注水、聚合物配制、聚合物注入等生产工艺系统，主要检测和控制参数有液位、流量等，目前控制方案主要采用由常规仪表或工控机系统为调节单元实现的单回路调节系统。

因此本文研究内容主要包括联合站立式金属罐参数监控。

根据立式金属罐的系统构成和工艺流程，确定立式金属罐装置的测量点、控制点及符合工艺性要求的各种参数，进行控制方案的选择及论证，提出对液位、流量等参数的测量方案，进行计算机系统、各类板块、传感器及元器件选型。

通过对立罐油量检测监控系统的设计，熟悉并掌握自动控制领域工程设计的基本过程及要求，运用所学相关专业课程的知识，如自动控制原理、过程控制工程、测控仪表及装置、控制方案选择及论证、传感器原理及应用、仪表选型、计算机控制技术等，完成自动控制系统的初步设计。

在实际的生产过程中，井产物包括原油、气、水、砂、盐、泥浆等，为了便于处理，必须先对它们进行初步分离。

可利用离心力、重力等机械方法，将井产物分离成气、液两相；并且在出砂的井中，还要除掉固体混合物。

因此输油联合站需要进行水处理。

输油联合站的水处理包括沉降流程，脱水流程。

因此本次设计还包括输油流程组态，沉降流程组态以及脱水流程组态。

1．4论文的安排

本文通过对输油联合站的工业生产工艺进行组态，描述输油联合站的生产工艺过程，以及设计对联合站的自动控制。

论文内容安排如下：

第二章将介绍联合站的工艺流程以及组态，第三章介绍联合站监控基本参数及监控方法，第四章内容为联合站工艺参数自动控制的组态。

第2章输油联合站工艺组态

2.1组态的意义与方法

“组态（Configure）”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。

它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。

“监控（SupervisoryControl）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。

简单地说，组态软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制。

它能从自动化过程和装备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种手段传送到相关人员，对信息执行必要分析处理和存储，发出控制指令等等。

组态软件是有专业性的。

一种组态软件只能适合某种领域的应用。

组态的概念最早出现在工业计算机控制中。

如DCS（集散控制系统）组态，PLC（可编程控制器）梯形图组态。

人机界面生成软件就叫工控组态软件。

其实在其他行业也有组态的概念，人们只是不这么叫而已。

如AutoCAD，PhotoShop，办公（PowerPoint）都存在相似的操作，即用软件提供的工具来形成自己的作品，并以数据文件保存作品，而不是执行程序。

组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。

但是不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。

组态工具的解释引擎，要根据这些组态结果实时运行。

从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务[4]。

紫金桥监控组态软件（RealInfo）是紫金桥软件技术有限公司在长期的工程实践中逐步开发的一套主要应用于工业生产监视和控制的计算机监控软件。

紫金桥监控组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，它是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用的软件工具。

紫金桥监控组态软件在实际应用中，以其可靠性、方便性和强大的功能得到用户的高度评价，已经广泛应用于石化、炼油、汽车、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力、交通、智能楼宇、仓储、物流、水利等多个行业和领域的过程控制、管理监测、现场监视、远程监视、故障诊断、企业管理、资源计划等系统。

紫金桥监控组态软件（RealInfo）支持各种工控设备和常见的通信协议，并且提供分布式数据管理和网络功能。

对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。

把用户从开发时间长，效率低，稳定性差等困境中解脱出来。

用户可以利用紫金桥监控组态软件构建一套最适合自己的应用控制系统。

它提供了许多的功能组件，使得用户可以使用搭积木的方式来构建自己的系统。

和传统方式相比，紫金桥监控组态软件降低了构建控制系统的门槛，极大的提高了工作效率。

应用本软件的集成的驱动，可以直接对硬件进行监视和控制，方便又简洁。

有效的节省了人力、物力以及财力等资源。

实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持成为它的主要内容。

在科技飞速发展的今天，为满足不断膨胀的用户需求，紫金桥监控组态软件正在快速更新之中。

2.2输油联合站基本工艺

联合站站内包括原油处理系统，转油系统，原油稳定系统，污水处理系统，注水系统，天然气处理系统等。

它是油气集中处理联合作业站的简称。

联合站的生产过程主要包括油气集中处理（原油脱水、天然气净化、原油稳定、轻烃回收等）、油田注水、污水处理、供变电和辅助生产设施等部分。

联合站（库）是油田原油集输和处理的中枢。

联合站（库）设有输油，脱水，污水处理，注水，化验，变电，锅炉等生产装置，主要作用是通过对原油的处理，达到三脱（原油脱水，脱盐，脱硫；天然气脱水，脱油；污水脱油）三回收（回收污油，污水，轻烃），出四种合格产品（天然气，净化油，净化污水，轻烃）以及进行商品原油的外输。

输油联合站布局如图2-1所示。

图2-1输油联合站平面示意图

联合站（库）主要岗位及任务介绍：

1.脱水岗（沉降岗）：

脱水（沉降）岗主要任务是将高含水原油，通过热化学脱水（即游离水预处理），沉降脱水和电脱水处理，并将脱水后的净化油转输到输油岗，把含油污水转输到污水处理岗。

2.输油岗：

输油岗将脱水岗的净化油输送到缓冲罐（或大罐），再经输油泵加压，经流量计计量外输后外输到油库或长输管道。

3.污水岗：

污水岗把一段，二段，电脱水器和站内的其他污水收集起来进行处理，达到回注水质量标准后，送往注水站进行回注。

4．注水岗：

注水岗把本站经净化处理和外来质量合格的水，根据地址的需要经注水泵加压输送到配水间，通过注水井注入到油层。

5.集气岗：

集气岗主要任务是将中转站来气，经增压机加压，经流量计（微机显示）计量后输送到供输油站或气处理厂。

6.变电岗：

变电岗把35Kv,110Kv,220Kv高压电，经变压器及其他设备降压，向联合站（库）各用电设备配电。

7.仪表岗：

仪表岗对本站各岗位使用的一，二次仪表，流量计进行投产运行时的调试和正常生产时的维护保养，调试，标定。

8.化验岗：

化验岗一般设三个岗

（1）原油化验岗：

负责本站进站原油含水，外输原油含水以及原油脱水过程中的质量监护化验和原油密度的测定。

（2）污水化验岗：

负责本站进站原油含水，外输原油含水以及原油脱水过程中的质量监护化验和原油密度的测定。

（3）锅炉化验岗：

负责锅炉用水水质的化验。

9.锅炉岗，维修岗等岗位。

联合站输油系统流程：

中转站来油->进站阀组->游离水脱除器->一段加热炉->沉降罐->含水油缓冲罐->脱水泵->二段加热炉->脱水器->净化油缓冲罐->外输泵->计量->外输。

输油工艺流程如图2-2。

图2-2实际输油流程图

本次设计是基于紫金桥组态软件的输油监控系统的设计，因此，首先要进行输油工艺流程的组态，在组态软件中画出工艺流程。

由于联合站内储罐繁多，因此逐一绘制是几乎不可能的，因此先对已有的工艺流程图进行简化。

使用紫金桥软件可以建立工程，在工程创建画面，运用软件自带的简单精灵和原件库绘制出联合站输油管线的输油流程图如图2-3所示。

通过紫金桥组态软件对输油流程进行动态仿真如图2-4。

图2-3绘制出的流程图

图2-4输油工艺流程组态

2.3输油联合站沉降工艺

沉降工艺主要利用了含水油中各种成分密度不同，在沉降罐中对含水油进行初步物理分离。

联合站水处理系统流程：

游离水脱除器-污水站-注水站—沉降罐-污水缓冲罐-污水泵-污水站—脱水器-污水站。

在联合站自控工艺流程中，中转站来油先经过游离水脱除器进行初步沉降处理，每个游离水脱除器有一个进油管口，一个出油管口，一个污水排放管口。

其中进油管口位于游离水脱除器的一侧，出油管口位于游离水脱除器的上方，污水排放管口位于游离水脱除器的最下方。

污水管口排放的污水送入3000立污水沉降罐，然后由污水沉降罐送去污水站处理。

每个游离水脱除器出油管口输出的油汇入出油汇管，送到两个加热炉中，经加热炉加热后送去脱水岗。

在脱水岗，来油送入复合电脱水器中，经复合电脱水处理，即可得到净化油，同样，净化油从复合电脱水器上方出油管口送出，输入到净化油缓冲罐供人们使用。

沉降工艺流程图如图2-5所示。

图2-5沉降工艺流程

经过工艺分析简化，利用紫金桥组态软件绘制出联合站脱水工艺流程的组态图如图2-6。

图2-6沉降脱水工艺流程

利用紫金桥组态软件进行动态组态仿真，脱水工艺流程流程动态仿真效果如图2-7所示。

图2-7沉降工艺流程组态

2.4输油联合站脱水工艺

沉降罐输送过来的原油首先要送到加热炉，经过加热以利于原油的输送，然后再送到脱水器进一步脱水。

在脱水岗，加热炉来油平均送到三个复合电脱水器中，同样，来油从一侧进入复合电脱水器。

在复合电脱水器中，有6000V的高压直流电场，在电场作用下油往正极去，水往负极去。

经复合电脱水作用，由复合电脱水器下部排出的污水送往污水沉降罐，再送去污水站处理。

净化油从复合电脱水器上部出油管口汇入出油汇管，如果复合电脱水器均无故障，出油合格的话（含水在0.5%以下），在脱水岗，加热炉来油平均送到三个复合电脱水器中，同样，来油从一侧进入复合电脱水器。

电脱水是通过直流或交流电所形成的电场强度（两者的混合）使原油进一步脱水，使其达到含水在0.5%以下的合格净化油的电器设备。

原油从进油管进入预降室，沉降泥沙及部分游离水，在预降室左右两侧进入进油槽，然后以进油槽上的布油孔进入油水界面下部的水相空间，进行水洗脱除残余游离水。

利用水的浮力使水洗后的油流方向垂直于电极面，并且自下而上地经过油水界面的上部电场空间，在高压电场的作用下水颗粒发生碰撞，聚结合并，水靠油水密度差分离沉降到脱水器底部，流入集水室，经排水放出。

脱后净化油汇于脱水器顶部集油管，经出油管排出。

在复合电脱水器中，有6000V的高压直流电场，在电场作用下油往正极去，水往负极去。

经复合电脱水作用，由复合电脱水器下部排出的污水送往污水沉降罐，再送去污水站处理。

净化油从复合电脱水器上部出油管口汇入出油汇管，如果复合电脱水器均无故障，出油合格的话（含水在0.5%以下），则关闭通往净化油事故罐的调节阀，出油送入净化油缓冲罐，如果某个复合电脱水器出现故障，出油不合格的话，则关闭通往净化油缓冲罐的调节阀，打开通往净化油事故罐的调节阀，出油全部打入净化油事故罐进行其它处理。

净化油缓冲罐中的油即可供人们使用，在净化油缓冲罐的上部有两个出口，一个用于向外输油，另一个用于向外输送天然气。

下面给出了脱水段工艺流程简图如图2-8所示。

图2-8脱水工艺流程图

图2-9脱水工艺流程组态

本章小结

本章主要介绍了组态的意义、方法和输油联合站的工艺流程。

沉降和脱水是联合站生产中的主要工艺，重点介绍了这两个工艺流程，并且对生产流程做了组态和仿真。

第3章联合站相关参数监控

3.1联合站液位参数及监控方法

输站库主要设施有沉降罐、净化罐、除油罐，是最基本的原油处理、污水处理设施。

而沉降罐是其中最具代表性、广泛性、普遍性的一个原油初步处理的功能设施，了解其相关知识，便于我们正确操作维护，指导生产实践工作，确保生产平稳运行。

含水原油由进口管线，经配液管中心汇管和辐射状配液管流入沉降罐底部的水层内，在水层内进行水洗。

破乳剂作为一种表面活性剂，主要作用是降低油水界面的表面张力，由于油水密度的差异，使部分含水油在上升的过程中，较小粒径的水滴向下运动，油向上运行，实现了油水分离。

在原油上升到沉降罐集油槽的过程中，其含水率逐渐减小。

经沉降分离后的原油进入集油槽后，经原油溢流管流出沉降罐；分离后的污水经上部水箱，由脱水立管排出。

而在沉降过程中，沉降罐的液位是一个很重要的参数。

沉降罐的液位需要进行实时数据监控，否则如果沉降罐内的液位过高，发生外溢会导致严重污染甚至发生火灾爆炸等事故。

因此，必须实时监控沉降罐内液体液位的情况。

要想监控液位就必须要有合适的仪表[5]。

3.1.1浮子钢带式油罐液位计

浮子钢带式液位计的原理如图3.5所示。

整个系统采用了力平衡原理，但对浮子本身而言仍为恒浮力原理。

浮子吊在钢带的一端，敢带对浮子施以拉力（约3.5N左右），钢带可以自由伸缩，当浮子在测量范围内变化时，钢带对浮子的拉力基本不变。

为防止浮子受被测液体流动影响而偏离垂直位置，使测量精度受到影响，可增加一个导向机构。

导向机构是由悬挂的两根钢丝所组成，靠下端的重锤进行定位，浮子沿导向钢丝随液位变化上下移动。

如果罐内液体表面流速不大，可以省略导向系统。

浮子钢带式液位计的测量范围一般为0-20m，测量精度可以达到0.03%。

若采用远传信号方式，不仅可以提供远传标准信号，还可以现场提供液位的液晶数字显示。

这种液位计国外由30年代开始使用，至今仍有较高的市场占有率。

其优点是观测比较直观、价格便宜；缺点是传动部件多，易发生故障，维护量大，对安装要求比较高，需生产厂家现场指导安装。

1——浮子；2——钢带；3——滑轮；4—