基于紫金橋組態(tài)軟件的聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、摘 要聯(lián)合站是油田油氣集輸過程中的重要生產環(huán)節(jié)，其主要作用是接收各轉油站來油，對油氣水進行分離、凈化、加熱，將處理合格后的原油、凈化污水、凈化天然氣向下一級油庫輸送。聯(lián)合站的監(jiān)控系統(tǒng)研究具有重大的現(xiàn)實意義和應用前景。本論文介紹了輸油聯(lián)合站的工藝流程，包括輸油流程，沉降流程和脫水流程。對輸油聯(lián)合站各工藝流程進行工業(yè)組態(tài),設計了儲油罐液位和溫度監(jiān)控系統(tǒng)。經過仿真實驗，證明該系統(tǒng)完全達到設計要求，可對聯(lián)合站生產過程中的重要參數(shù)液位和溫度進行實時監(jiān)控，使油罐處于安全狀態(tài)。對PID控制過程進行了組態(tài)和仿真，再現(xiàn)了聯(lián)合站儲罐液位的自動調節(jié)過程。關鍵詞：聯(lián)合站；組態(tài)；PID控制 AbstractUnion

2、station is an important production process of oil and gas gathering and transportation, and its main role is to receive all oil from transfer stations, then separate, purify and heat the oil, gas, and water, transfer the qualified oil that has been processed to the depot of next order. The research

3、of union station has great significance and application prospects.The production process of union station, including oil transportation process, sedimentation process and dehydration process are introduced in this thesis. The industrial configuration to each industrial process and monitoring system

4、of the tank liquid level and temperature are designed all by myself. After the simulation, it is proved that the system could monitor the important parameter of liquid level and temperature at the real time to make sure the productions safety as the desired target. By doing the configuration and sim

5、ulation of the PID control process, the process of the automatic control could be reproduced.Key words: union station; configuration; PID control目 錄第1章 概述11.1 研究背景意義11.2 國內外發(fā)展概況21.3 論文研究內容31.4 論文的安排4第2章 輸油聯(lián)合站工藝組態(tài)52.1 組態(tài)的意義與方法52.2 輸油聯(lián)合站基本工藝62.3 輸油聯(lián)合站沉降工藝92.4 輸油聯(lián)合站脫水工藝11本章小結12第3章 聯(lián)合站相關參數(shù)監(jiān)控133.1聯(lián)合站液位參數(shù)

6、及監(jiān)控方法133.2 溫度參數(shù)以及監(jiān)控方法173.3 數(shù)據監(jiān)控組態(tài)18本章小結19第4章 油罐液位的PID控制204.1立罐油量檢測系統(tǒng)設計方案204.2 PID控制原理214.3 PID控制流程224.4 PID控制組態(tài)24本章小結27結論28參考文獻29致謝30東北石油大學本科生畢業(yè)設計第1章 概述1.1 研究背景意義聯(lián)合站是油田油氣集輸過程中的重要生產環(huán)節(jié)，是集油氣分離、原油脫水、原油計量、穩(wěn)定外輸、油田注水、污水處理、消防即熱力系統(tǒng)等為一體的綜合生產過程。功能是：將分散在油田各處的油井產物加以收集；分離成原油、伴生天然氣和采出水；進行必要的凈化、加工處理、使之成為油田商品、以及這些商品

7、的儲存和外輸。同時油氣集輸系統(tǒng)還為油藏工程提供油藏動態(tài)的基礎信息，如：各油井汽水產量、汽油比、氣液比、井油壓和回壓、井流溫度等參數(shù)及隨生產延續(xù)各種參數(shù)的變化情況等，使油藏工作者能加深對油藏的認識，適時調整油田開發(fā)設計和各油井的生產制度。因而油氣集輸系統(tǒng)不但將油井生產的原料集中、加工成油田產品，而且還為不斷加深對油藏的認識、適時調整油藏開發(fā)設計方案、正確經濟地開發(fā)油藏提供科學依據。聯(lián)合站設計是油氣集輸工藝設計的重要組成部分，對它的要求是使其最大限度的滿足油田開發(fā)和油氣開采的要求，做到技術先進、經濟合理，生產安全可靠，保證為國家生產符合數(shù)量和質量的油田產品。所以聯(lián)合站工藝流程的每一步都關系到是否能

8、有效的利用石油資源、提高能源的開發(fā)率和利用率，使聯(lián)合站能夠安全高效的運行。聯(lián)合站的研究具有重大的現(xiàn)實意義和應用前景。油田中轉站儲運系統(tǒng)的油品移動量為加工量的五倍，油庫的收付油業(yè)務量也很大?？梢姽迏^(qū)油品的進出、收付是非常頻繁的，由此引發(fā)的事故也較多，特別是油罐的油品溢出事故更為屢見不鮮。油品的溢出不僅造成經濟損失，污染環(huán)境，而且還可能引發(fā)失火、爆炸等惡性事故，因此油田中轉站液位是極為重要的工藝參數(shù)。聯(lián)合站計算機控制系統(tǒng)，大都采用的是單回路給定點的PID控制算法。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，按偏差的比例積分和微分進行控制的調節(jié)器稱為PID控制器，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術成熟，應用最廣泛的一種

9、調節(jié)器1。聯(lián)合站原油計量監(jiān)控系統(tǒng)的應用具有重要意義，計量結果直接影響油田的效益和信譽，這套監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)具有以下重要意義： (1)  將人工計量改為自動連續(xù)計量，人工取樣化驗改為自動連續(xù)檢測，能夠提供更及時、準確的信息。 (2)  實現(xiàn)計量站無人值守，減員增效，徹底改變計量站生產作業(yè)制度，改善了勞動條件。 (3)  在現(xiàn)場生產自動化的基礎上，實現(xiàn)中控室信息處理自動化，提高了聯(lián)合站生產過程自動化生產管理水平。 (4)  為保證油氣田生產安全、平穩(wěn)、優(yōu)化運行提供了有力手段。外輸過

10、程，必須在安全生產的前提下安排優(yōu)化運行，以求得最好的經濟效益。1.2 國內外發(fā)展概況在我國，原油計量控制系統(tǒng)最先采用的是DDZ-II型儀表，取得了一定的經濟效益。但這些常規(guī)儀表組成的控制系統(tǒng)在處理復雜控制系統(tǒng)、集中監(jiān)控和控制精度等方面具有局限性。隨著計算機在石油工業(yè)過程控制中的廣泛應用，尤其是西部塔里木、吐哈、準噶爾三大盆地的開發(fā)和建設，油田生產過程中的自動控制和管理得到了明顯、迅速的發(fā)展。 在油田生產過程中，要求外輸計量系統(tǒng)有高準確度和高可靠性。原油產量的計量是油田開發(fā)中最基礎的工作，原油計量是油田集輸工藝中必要的計量環(huán)節(jié)，也是考核原油生產任務完成的依據。為此，1990年起，國內應

11、用了高新技術與油田集輸工藝相配套的油汽密閉在線計量工藝技術，解決了油田多年來未能解決原油產量不清、集輸系統(tǒng)無法密閉運行的問題。原油動態(tài)計量技術，主要應用了密閉集輸工藝與雙容積自動計量分離器、渦輪氣體流量計、立式金屬計量罐、系列原油腰輪流量計、FSH-K型原油含水率監(jiān)測儀和微機自動采集處理相結合，成功地解決了油、氣、水分級計量技術問題。通過幾年的實踐，儀器、儀表性能穩(wěn)定，結構合理，計量準確，將計量誤差控制在0.5%以下，弄清了原油外輸?shù)漠a量，從而有效地指導了各階段的生產組織工作，原油損耗由2%下降到0.5%，提高了經濟效益。 目前，按照原油天然氣穩(wěn)定輕烴交接計量站計量器具配備規(guī)范，原油

12、外輸計量必須采用容積式流量計作為體積計量器具。在國內眾多的容積式流量計中，腰輪流量計，屬刮板流量計和雙轉子流量計因其生產和應用技術比較成熟，在石油、石化企業(yè)得到了廣泛的應用。 國內油田聯(lián)合站原油計量多用容積式計量，計量出體積流量后，再結合原油化驗所得的原油密度計算出流量，貿易結算以質量流量進行交易，油田計量交接油量計算執(zhí)行標準原油動態(tài)計量油量計算。 大慶石油管理局總外輸計量站于1992年投用了一套由工業(yè)控制計算機和計量儀表組成的成套原油儀表計量系統(tǒng)，取得了良好的社會經濟效益。大慶原油總外輸計量站承擔著大慶油田85%的原油外輸計量任務，屬國家一級計量單位。大慶石油管理局為了提

13、高原油外輸?shù)挠嬃烤?，應新時期的管理需求，原油總外輸計量站成套計量儀表進行更新?lián)Q代，采用上海自動化儀表公司自動化儀表九廠開發(fā)的總線型微機控制裝置，提高了計量水平。 我國參與投資的蘇丹1/2/4油田原油外輸兩級計算機計量及自動標定系統(tǒng)，采用法國FURHMAN公司生產的整裝計量模塊，不僅準確度高、可靠性好，而且可在線對流量計進行標定，并根據壓力、溫度和流量等參數(shù)實時進行流量補償計算，給生產和管理帶來極大方便。國外早在上世紀五十年代，美國海灣公司就建成了第一套自動化監(jiān)控輸送系統(tǒng)（LACT），解決了原油的自動收集、處理、計量、輸送問題。國外有些油田SCADA系統(tǒng)還實現(xiàn)了注氣、注水的優(yōu)化控制運

14、行。隨著DCS系統(tǒng)采用一些先進的控制策略，使部分生產過程的控制得到了進一步優(yōu)化。HONEYWELL公司的非線性液位控制可以適合進液的波動。美國通用公司的無模型控制器可以適合大滯后、時變溫度控制等將檢測與控制技術集一體，為油田集輸控制提供了一體化解決方案。 目前國外已將自動化技術提升到對原油的生產、儲運、銷售等環(huán)節(jié)進行全面監(jiān)控的現(xiàn)代化管理水平的高度。比如英國石油公司建立的自動化監(jiān)控系統(tǒng)可以根據地質情況自動的控制油井的產量，確保底層原油達到最大采收率。美國油田甚至將銷售過程中溫度影響體積的銷售差額，也考慮設置到自動化管理系統(tǒng)中2。在上世紀70年代末到80年代初，蘇聯(lián)已有大量油井計量自動裝

15、置在全國推廣，具有代表性的，應用比較普遍的是“衛(wèi)星A0”、“衛(wèi)星B0”型油井計量裝置。科氏力質量流量計在原油計量中得到了適量的應用，其中大部分應用是與原油兩相分離器配套使用，這一方法使原油計量工藝簡化，雖然與分離器配套仍沒有脫離傳統(tǒng)的計量模式，但也有一些公司將分離器小型化或簡化，使這一系統(tǒng)向多相流量計過渡。 關于原油計量的測量不確定度問題一直是人們關注的問題。根據收集的資料分析，前蘇聯(lián)大多采用兩相計量分離系統(tǒng)，根據配備的儀表，原油計量不確定度可望在5%10%范圍內；美國大多采用三相油井計量系統(tǒng)，原油計量不確定度可望達到5%；另外，根據英國貿易與工業(yè)部石油天然氣局石油計量標準指南指出：

16、油井產量計量的目標不確定度要求為5%，而用于儲量管理的油井測試分離器的測試，期望的不確定度是5%10%。1.3 論文研究內容本次設計主要完成輸油聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)的設計。油田自控技術主要應用于原油集輸處理、天然氣處理、水處理、注水、聚合物配制、聚合物注入等生產工藝系統(tǒng)，主要檢測和控制參數(shù)有液位、流量等，目前控制方案主要采用由常規(guī)儀表或工控機系統(tǒng)為調節(jié)單元實現(xiàn)的單回路調節(jié)系統(tǒng)。因此本文研究內容主要包括聯(lián)合站立式金屬罐參數(shù)監(jiān)控。根據立式金屬罐的系統(tǒng)構成和工藝流程，確定立式金屬罐裝置的測量點、控制點及符合工藝性要求的各種參數(shù)，進行控制方案的選擇及論證，提出對液位、流量等參數(shù)的測量方案，進行計算機系統(tǒng)、各

17、類板塊、傳感器及元器件選型。通過對立罐油量檢測監(jiān)控系統(tǒng)的設計，熟悉并掌握自動控制領域工程設計的基本過程及要求，運用所學相關專業(yè)課程的知識，如自動控制原理、過程控制工程、測控儀表及裝置、控制方案選擇及論證、傳感器原理及應用、儀表選型、計算機控制技術等，完成自動控制系統(tǒng)的初步設計。在實際的生產過程中，井產物包括原油、氣、水、砂、鹽、泥漿等，為了便于處理，必須先對它們進行初步分離?？衫秒x心力、重力等機械方法，將井產物分離成氣、液兩相；并且在出砂的井中，還要除掉固體混合物。因此輸油聯(lián)合站需要進行水處理。輸油聯(lián)合站的水處理包括沉降流程，脫水流程。因此本次設計還包括輸油流程組態(tài)，沉降流程組態(tài)以及脫水流程

18、組態(tài)。14 論文的安排本文通過對輸油聯(lián)合站的工業(yè)生產工藝進行組態(tài)，描述輸油聯(lián)合站的生產工藝過程，以及設計對聯(lián)合站的自動控制。論文內容安排如下：第二章將介紹聯(lián)合站的工藝流程以及組態(tài)，第三章介紹聯(lián)合站監(jiān)控基本參數(shù)及監(jiān)控方法，第四章內容為聯(lián)合站工藝參數(shù)自動控制的組態(tài)。第2章 輸油聯(lián)合站工藝組態(tài)2.1 組態(tài)的意義與方法“組態(tài)(Configure)”的含義是“配置”、“設定”、“設置”等意思，是指用戶通過類似“搭積木”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計算機程序，也就是所謂的“組態(tài)”。它有時候也稱為“二次開發(fā)”，組態(tài)軟件就稱為“二次開發(fā)平臺”。“監(jiān)控（Supervisory Contro

19、l）”，即“監(jiān)視和控制”，是指通過計算機信號對自動化設備或過程進行監(jiān)視、控制和管理。簡單地說，組態(tài)軟件能夠實現(xiàn)對自動化過程和裝備的監(jiān)視和控制。它能從自動化過程和裝備中采集各種信息，并將信息以圖形化等更易于理解的方式進行顯示，將重要的信息以各種手段傳送到相關人員，對信息執(zhí)行必要分析處理和存儲，發(fā)出控制指令等等。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的。一種組態(tài)軟件只能適合某種領域的應用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計算機控制中。如DCS(集散控制系統(tǒng))組態(tài)，PLC（可編程控制器）梯形圖組態(tài)。人機界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。其實在其他行業(yè)也有組態(tài)的概念，人們只是不這么叫而已。如AutoCAD，PhotoShop，辦公(

20、PowerPoint)都存在相似的操作，即用軟件提供的工具來形成自己的作品，并以數(shù)據文件保存作品，而不是執(zhí)行程序。組態(tài)形成的數(shù)據只有其制造工具或其他專用工具才能識別。但是不同之處在于，工業(yè)控制中形成的組態(tài)結果是用在實時監(jiān)控的。組態(tài)工具的解釋引擎，要根據這些組態(tài)結果實時運行。從表面上看，組態(tài)工具的運行程序就是執(zhí)行自己特定的任務4。紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件（RealInfo）是紫金橋軟件技術有限公司在長期的工程實踐中逐步開發(fā)的一套主要應用于工業(yè)生產監(jiān)視和控制的計算機監(jiān)控軟件。紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件是數(shù)據采集與過程控制的專用軟件，它是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供

21、快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用的軟件工具。紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件在實際應用中，以其可靠性、方便性和強大的功能得到用戶的高度評價，已經廣泛應用于石化、煉油、汽車、化工、冶金、制藥、建材、輕工、造紙、采礦、環(huán)保、電力、交通、智能樓宇、倉儲、物流、水利等多個行業(yè)和領域的過程控制、管理監(jiān)測、現(xiàn)場監(jiān)視、遠程監(jiān)視、故障診斷、企業(yè)管理、資源計劃等系統(tǒng)。紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件（RealInfo）支持各種工控設備和常見的通信協(xié)議，并且提供分布式數(shù)據管理和網絡功能。對應于原有的HMI（人機接口軟件，Human Machine Interface）的概念，組態(tài)軟件應該是一個使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具或

22、開發(fā)環(huán)境。把用戶從開發(fā)時間長，效率低，穩(wěn)定性差等困境中解脫出來。用戶可以利用紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件構建一套最適合自己的應用控制系統(tǒng)。它提供了許多的功能組件，使得用戶可以使用搭積木的方式來構建自己的系統(tǒng)。和傳統(tǒng)方式相比，紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件降低了構建控制系統(tǒng)的門檻，極大的提高了工作效率。應用本軟件的集成的驅動，可以直接對硬件進行監(jiān)視和控制，方便又簡潔。有效的節(jié)省了人力、物力以及財力等資源。實時數(shù)據庫、實時控制、SCADA、通訊及聯(lián)網、開放數(shù)據接口、對I/O設備的廣泛支持成為它的主要內容。在科技飛速發(fā)展的今天，為滿足不斷膨脹的用戶需求，紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件正在快速更新之中。2.2 輸油聯(lián)合站基本工藝聯(lián)合站

23、站內包括原油處理系統(tǒng)，轉油系統(tǒng)，原油穩(wěn)定系統(tǒng)，污水處理系統(tǒng)，注水系統(tǒng)，天然氣處理系統(tǒng)等。它是油氣集中處理聯(lián)合作業(yè)站的簡稱。聯(lián)合站的生產過程主要包括油氣集中處理(原油脫水、天然氣凈化、原油穩(wěn)定、輕烴回收等)、油田注水、污水處理、供變電和輔助生產設施等部分。聯(lián)合站（庫）是油田原油集輸和處理的中樞。聯(lián)合站（庫）設有輸油，脫水，污水處理，注水，化驗，變電，鍋爐等生產裝置，主要作用是通過對原油的處理，達到三脫(原油脫水，脫鹽，脫硫；天然氣脫水，脫油；污水脫油)三回收（回收污油，污水，輕烴），出四種合格產品（天然氣，凈化油，凈化污水，輕烴）以及進行商品原油的外輸。輸油聯(lián)合站布局如圖2-1所示。圖2-1 輸

24、油聯(lián)合站平面示意圖 聯(lián)合站（庫）主要崗位及任務介紹：1.脫水崗（沉降崗）：脫水（沉降）崗主要任務是將高含水原油，通過熱化學脫水（即游離水預處理），沉降脫水和電脫水處理，并將脫水后的凈化油轉輸?shù)捷斢蛵?，把含油污水轉輸?shù)轿鬯幚韻彙?.輸油崗：輸油崗將脫水崗的凈化油輸送到緩沖罐（或大罐），再經輸油泵加壓，經流量計計量外輸后外輸?shù)接蛶旎蜷L輸管道。3.污水崗：污水崗把一段，二段，電脫水器和站內的其他污水收集起來進行處理，達到回注水質量標準后，送往注水站進行回注。4注水崗：注水崗把本站經凈化處理和外來質量合格的水，根據地址的需要經注水泵加壓輸送到配水間，通過注水井注入到油層。5.集氣崗：集氣崗主要任務是

25、將中轉站來氣，經增壓機加壓，經流量計（微機顯示）計量后輸送到供輸油站或氣處理廠。6.變電崗：變電崗把35Kv,110Kv,220Kv高壓電，經變壓器及其他設備降壓，向聯(lián)合站（庫）各用電設備配電。7.儀表崗：儀表崗對本站各崗位使用的一，二次儀表，流量計進行投產運行時的調試和正常生產時的維護保養(yǎng)，調試，標定。8.化驗崗：化驗崗一般設三個崗（1）原油化驗崗：負責本站進站原油含水，外輸原油含水以及原油脫水過程中的質量監(jiān)護化驗和原油密度的測定。（2）污水化驗崗：負責本站進站原油含水，外輸原油含水以及原油脫水過程中的質量監(jiān)護化驗和原油密度的測定。（3）鍋爐化驗崗：負責鍋爐用水水質的化驗。9.鍋爐崗，維修崗

26、等崗位。聯(lián)合站輸油系統(tǒng)流程：中轉站來油->進站閥組->游離水脫除器->一段加熱爐->沉降罐->含水油緩沖罐->脫水泵->二段加熱爐->脫水器->凈化油緩沖罐->外輸泵->計量->外輸。輸油工藝流程如圖2-2。圖2-2 實際輸油流程圖本次設計是基于紫金橋組態(tài)軟件的輸油監(jiān)控系統(tǒng)的設計，因此，首先要進行輸油工藝流程的組態(tài)，在組態(tài)軟件中畫出工藝流程。由于聯(lián)合站內儲罐繁多，因此逐一繪制是幾乎不可能的，因此先對已有的工藝流程圖進行簡化。使用紫金橋軟件可以建立工程，在工程創(chuàng)建畫面，運用軟件自帶的簡單精靈和原件庫繪制出聯(lián)合站輸油管線的輸油

27、流程圖如圖2-3所示。通過紫金橋組態(tài)軟件對輸油流程進行動態(tài)仿真如圖2-4。圖2-3 繪制出的流程圖 圖2-4 輸油工藝流程組態(tài)2.3 輸油聯(lián)合站沉降工藝沉降工藝主要利用了含水油中各種成分密度不同，在沉降罐中對含水油進行初步物理分離。聯(lián)合站水處理系統(tǒng)流程：游離水脫除器-污水站-注水站沉降罐-污水緩沖罐-污水泵-污水站脫水器-污水站。在聯(lián)合站自控工藝流程中，中轉站來油先經過游離水脫除器進行初步沉降處理，每個游離水脫除器有一個進油管口，一個出油管口，一個污水排放管口。其中進油管口位于游離水脫除器的一側，出油管口位于游離水脫除器的上方，污水排放管口位于游離水脫除器的最下方。污水管口排放的污水送入300

28、0立污水沉降罐，然后由污水沉降罐送去污水站處理。每個游離水脫除器出油管口輸出的油匯入出油匯管，送到兩個加熱爐中，經加熱爐加熱后送去脫水崗。在脫水崗，來油送入復合電脫水器中，經復合電脫水處理，即可得到凈化油，同樣，凈化油從復合電脫水器上方出油管口送出，輸入到凈化油緩沖罐供人們使用。沉降工藝流程圖如圖2-5所示。圖2-5 沉降工藝流程經過工藝分析簡化，利用紫金橋組態(tài)軟件繪制出聯(lián)合站脫水工藝流程的組態(tài)圖如圖2-6。圖2-6 沉降脫水工藝流程利用紫金橋組態(tài)軟件進行動態(tài)組態(tài)仿真，脫水工藝流程流程動態(tài)仿真效果如圖2-7所示。圖2-7 沉降工藝流程組態(tài)2.4 輸油聯(lián)合站脫水工藝沉降罐輸送過來的原油首先要送到

29、加熱爐，經過加熱以利于原油的輸送，然后再送到脫水器進一步脫水。在脫水崗，加熱爐來油平均送到三個復合電脫水器中，同樣，來油從一側進入復合電脫水器。在復合電脫水器中，有6000V的高壓直流電場，在電場作用下油往正極去，水往負極去。經復合電脫水作用，由復合電脫水器下部排出的污水送往污水沉降罐，再送去污水站處理。凈化油從復合電脫水器上部出油管口匯入出油匯管，如果復合電脫水器均無故障，出油合格的話（含水在0.5%以下），在脫水崗，加熱爐來油平均送到三個復合電脫水器中，同樣，來油從一側進入復合電脫水器。電脫水是通過直流或交流電所形成的電場強度（兩者的混合）使原油進一步脫水，使其達到含水在0.5%以下的合格

30、凈化油的電器設備。原油從進油管進入預降室，沉降泥沙及部分游離水，在預降室左右兩側進入進油槽，然后以進油槽上的布油孔進入油水界面下部的水相空間，進行水洗脫除殘余游離水。利用水的浮力使水洗后的油流方向垂直于電極面，并且自下而上地經過油水界面的上部電場空間，在高壓電場的作用下水顆粒發(fā)生碰撞，聚結合并，水靠油水密度差分離沉降到脫水器底部，流入集水室，經排水放出。脫后凈化油匯于脫水器頂部集油管，經出油管排出。在復合電脫水器中，有6000V的高壓直流電場，在電場作用下油往正極去，水往負極去。經復合電脫水作用，由復合電脫水器下部排出的污水送往污水沉降罐，再送去污水站處理。凈化油從復合電脫水器上部出油管口匯入

31、出油匯管，如果復合電脫水器均無故障，出油合格的話（含水在0.5%以下），則關閉通往凈化油事故罐的調節(jié)閥，出油送入凈化油緩沖罐，如果某個復合電脫水器出現(xiàn)故障，出油不合格的話，則關閉通往凈化油緩沖罐的調節(jié)閥，打開通往凈化油事故罐的調節(jié)閥，出油全部打入凈化油事故罐進行其它處理。凈化油緩沖罐中的油即可供人們使用，在凈化油緩沖罐的上部有兩個出口，一個用于向外輸油，另一個用于向外輸送天然氣。下面給出了脫水段工藝流程簡圖如圖2-8所示。圖2-8 脫水工藝流程圖圖2-9 脫水工藝流程組態(tài)本章小結本章主要介紹了組態(tài)的意義、方法和輸油聯(lián)合站的工藝流程。沉降和脫水是聯(lián)合站生產中的主要工藝，重點介紹了這兩個工藝流程，

32、并且對生產流程做了組態(tài)和仿真。第3章 聯(lián)合站相關參數(shù)監(jiān)控3.1聯(lián)合站液位參數(shù)及監(jiān)控方法輸站庫主要設施有沉降罐、凈化罐、除油罐，是最基本的原油處理、污水處理設施。而沉降罐是其中最具代表性、廣泛性、普遍性的一個原油初步處理的功能設施，了解其相關知識，便于我們正確操作維護，指導生產實踐工作，確保生產平穩(wěn)運行。含水原油由進口管線，經配液管中心匯管和輻射狀配液管流入沉降罐底部的水層內，在水層內進行水洗。破乳劑作為一種表面活性劑，主要作用是降低油水界面的表面張力，由于油水密度的差異，使部分含水油在上升的過程中，較小粒徑的水滴向下運動，油向上運行，實現(xiàn)了油水分離。在原油上升到沉降罐集油槽的過程中，其含水率逐

33、漸減小。經沉降分離后的原油進入集油槽后，經原油溢流管流出沉降罐；分離后的污水經上部水箱，由脫水立管排出。而在沉降過程中，沉降罐的液位是一個很重要的參數(shù)。沉降罐的液位需要進行實時數(shù)據監(jiān)控，否則如果沉降罐內的液位過高，發(fā)生外溢會導致嚴重污染甚至發(fā)生火災爆炸等事故。因此，必須實時監(jiān)控沉降罐內液體液位的情況。要想監(jiān)控液位就必須要有合適的儀表5。3.1.1 浮子鋼帶式油罐液位計浮子鋼帶式液位計的原理如圖3.5所示。整個系統(tǒng)采用了力平衡原理，但對浮子本身而言仍為恒浮力原理。浮子吊在鋼帶的一端，敢?guī)Ω∽邮┮岳Γs3.5N左右），鋼帶可以自由伸縮，當浮子在測量范圍內變化時，鋼帶對浮子的拉力基本不變。為防止

34、浮子受被測液體流動影響而偏離垂直位置，使測量精度受到影響，可增加一個導向機構。導向機構是由懸掛的兩根鋼絲所組成，靠下端的重錘進行定位，浮子沿導向鋼絲隨液位變化上下移動。如果罐內液體表面流速不大，可以省略導向系統(tǒng)。浮子鋼帶式液位計的測量范圍一般為0-20m，測量精度可以達到0.03%。若采用遠傳信號方式，不僅可以提供遠傳標準信號，還可以現(xiàn)場提供液位的液晶數(shù)字顯示。這種液位計國外由30年代開始使用，至今仍有較高的市場占有率。其優(yōu)點是觀測比較直觀、價格便宜；缺點是傳動部件多，易發(fā)生故障，維護量大，對安裝要求比較高，需生產廠家現(xiàn)場指導安裝。1浮子；2鋼帶；3滑輪；4釘輪；5指針；6計數(shù)器；7收帶輪；8

35、軸；9恒力彈簧輪；10導向鋼絲圖3-1 浮子鋼帶液位計對于投資有限的項目，中、小型罐仍可考慮選用該液位計，但高度16m 以上的油罐不宜采用，因為罐越高，對安裝平行度、垂直度以及盤簧的質量要求越高；外浮頂罐也不宜采用，因為易受風的影響。使指針不停擺動，指示不穩(wěn)定并容易破壞衡力盤簧。3.1.2磁致伸縮式液位計  磁致伸縮液位傳感器是采用磁致伸縮原理開發(fā)出的新一代高精度液位測量產品。傳感器采用非接觸測量方式，不會因為磨損而降低傳感器的使用壽命。測量精度高，其誤差僅為全量程的0.01%，最大誤差不超過1.27mm。在罐頂或罐側安裝，其整體化的安裝方式方便、簡單，現(xiàn)場調校容易，在石油

36、、化工、制藥、食品、飲料等各種液罐的液位計量和控制中得到迅速推廣應用。磁致伸縮式液位計還可同時測量出油水界面高度和油品密度，其密度測量精度為0.05%。磁致伸縮液位傳感器結構如圖3-2示它是由防爆接線盒、變送器頭、法蘭盤、蛇皮軟管、油面浮子、密度浮子、水浮子和重錘組成。圖3-2 磁致伸縮液位傳感器結構 磁致伸縮式液位計具有精度高、安裝方便等特點，且具有多種信號輸出方式，可方便與計算機監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)結構成罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)。但目前價格較高，尤其是在量程增加時，價格增加較多6。3.1.3雷達式液位計工作原理：雷達液位計的工作原理類似超聲波式的測量方法。以光速c傳播的超高頻電磁波，經天線向被探測容器液面發(fā)射，

37、當電磁波碰到液面后反射回來，雷達液位計是通過測量發(fā)射波導反射波之間的延時來確定天線與反射面之間的高度（空高h），= 。由于光速c不受介質環(huán)境的影響，傳播速度穩(wěn)定，測得延遲時間則可獲得高度h。但經天線發(fā)射的電磁波的傳播速度c太快，延遲時間及其微小，直接測量非常困難。實際應用時，雷達系統(tǒng)不斷地發(fā)射線性調頻（頻率與時間成線性關系）信號，得到的反射信號是經過時間延遲的線性調頻信號。發(fā)射信號頻率與反射信號在同一時刻上的頻率，因時間延遲而不同。它們之間的差頻率f，正比于延遲時間，即正比于空高h。差頻信號經過數(shù)據處理，可獲得空高值h。罐高值與空高值之差即為液位高度值。圖3-3 雷達液位計 

38、0;雷達液位計是通過計算電磁波到達液體表面并反射回接收天線的時間來進行液位測量的。與超聲波液位計相比，電磁波的傳播速度受氣體的性質及狀態(tài)的影響較小。  雷達液位計采用了非接觸測量的方式，沒有活動部件，可靠性高，平均無故障時間長，安裝方便。適用于高粘度、易結晶、強腐蝕及易燃易爆介質，特別適用于大型立罐和球罐等液位的測量。  雷達液位計按天線形狀分為喇叭口型和導波型兩類。喇叭口型天線主要用于液面波動小、介質泡沫少、介電常數(shù)高的液位測量；導波型天線是在喇叭口型的基礎上增加了一根導波管，可使電磁波沿導波管傳播，減少障礙物及液位波動或泡沫對電磁波的散射影響，用于波

39、動較大、介電常數(shù)低的非導電介質（如烴類液體）的液位測量。 雷達液位計的特點(1)雷達液位計采用一體化設計，無可動部件，不存在機械磨損，使用壽命長。(2)雷達液位計測量時發(fā)出的電磁波能夠穿過真空，不需要傳輸媒介，具有不受大氣、蒸氣、槽內揮發(fā)霧影響的特點，能用于揮發(fā)的介質如粗苯的液位測量。(3)雷達液位計幾乎能用于所有液體的液位測量。電磁波在液位表面反射時，信號會衰減，當信號衰減過小時，會導致雷達液位計無法測到足夠的電磁波信號。導電介質能很好地反射電磁波，對VEGAPULS雷達液位計，甚至微導電的物質也能夠反射足夠的電磁波。介電常數(shù)大于1.5的非導電介質(空氣的介電常數(shù)為1.0)也能夠保證足夠的反

40、射波，介電常數(shù)越大，反射信號越強。在實際應用中，幾乎所有的介質都能反射足夠的反射波。(4)采用非接觸式測量，不受槽內液體的密度、濃度等物理特性的影響。(5)測量范圍大，最大的測量范圍可達035m，可用于高溫、高壓的液位測量。(6)天線等關鍵部件采用高質量的材料，抗腐蝕能力強，能適應腐蝕性很強的環(huán)境7。由于雷達液位計由于測量精確，結構簡單，使用壽命長，可靠性高等優(yōu)點,適合在儲罐內部安放，因此本次的聯(lián)合站也為監(jiān)控設計采用雷達式液位計，進行對儲罐內的液位進行實時數(shù)據采集。3.2 溫度參數(shù)以及監(jiān)控方法溫度同樣是上產過程中的重要參數(shù)，在脫水流程中需要進行加熱爐加熱，如果溫度控制不當則可能造成達不到脫水的

41、效果或者燃油變質甚至引發(fā)火災和爆炸。溫度傳感器熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。溫度傳感器熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造溫度傳感器熱電阻9。典型的溫度傳感器包括（1）精通型溫度傳感器從溫度傳感器熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過溫度傳感器熱電阻阻值的變化來測量的，因此，溫度傳感器熱電阻體的引出線等各種導線電阻

42、的變化會給溫度測量帶來影響。    （2）鎧裝溫度傳感器 鎧裝溫度傳感器熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體。與普通型溫度傳感器熱電阻相比，它有下列優(yōu)點：體積小，內部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后??；機械性能好、耐振，抗沖擊；能彎曲，便于安裝使用壽命長。    （3）端面溫度傳感器 端面溫度傳感器熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向溫度傳感器熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。

43、    （4）隔爆型溫度傳感器隔爆型溫度傳感器熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內，生產現(xiàn)場不會引起爆炸。隔爆型溫度傳感器熱電阻可用于BlaB3c級區(qū)內具有爆炸危險場所的溫度測量。由于脫水流程中要將含水油送進加熱爐，因此加熱爐也屬于易燃易爆場所。為了安全起見，對加熱爐內的溫度監(jiān)控選擇隔爆型溫度傳感器以免發(fā)生爆炸。3.3 數(shù)據監(jiān)控組態(tài)由于聯(lián)合站的沉降罐，脫水罐等工業(yè)設施數(shù)量很多，如果分別進行獨立監(jiān)控不僅費時費力而且容易顧此失彼。因此在輸油聯(lián)合站中多設立大型監(jiān)控室以便進行統(tǒng)一集成化監(jiān)控，使操作

44、者可以同時監(jiān)控多組實時數(shù)據。在沉降過程和脫水過程中，儲罐液位和加熱爐溫度都是要被進行實時監(jiān)控的重要參數(shù)。利用紫金橋組態(tài)軟件分別對沉降站和脫水站的監(jiān)控室內部儀表數(shù)據進行實時組態(tài)仿真，并顯示數(shù)據如圖3-4和圖3-5所示。圖3-5 沉降流程監(jiān)控室數(shù)據監(jiān)控圖3-5 脫水流程數(shù)據監(jiān)控本章小結對生產過程數(shù)據的監(jiān)控不僅大大節(jié)約了人力物力，還提升了生產效率，并且提高了上產過程的安全性和可靠性。本章主要介紹了輸油聯(lián)合站的主要參數(shù)及其監(jiān)控和測量方法,以及對系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控情況的組態(tài)仿真。第4章 油罐液位的PID控制4.1立罐油量檢測系統(tǒng)設計方案4.1.1 油量測量原理通過測得油品液柱高度產生的靜壓力可以實現(xiàn)油位高度的

45、測量。由于本文所涉及立式金屬罐圈板焊接方式為對接，故罐內油品橫截面積（s）相同。于是我們設想，若測出油品的靜壓力、液位高度便可得到油品質量。具體理論推導如下。G = m·g =P·s 等式兩邊同時乘以液位高度h，有m·g·h =P·s·h 由于體積V = s·h ,故有m·g·h =P·V 整理得，m =P.V/g.h 式中，中G表示油品所受重力，單位為N；P表示油品靜壓力單位為Pa；m表示油品的質量，單位為g；s表示罐內油品橫截面積，單位為m2；h表示油品液位，單位為m；g表示重力加速度，單位

46、為m/s2。其中，罐內油品體積V可由測得液位并查容積表得出。由上述理論可知，對油罐油量進行檢測只需測出罐內油品的靜壓力和液位即可。這樣就擺脫了傳統(tǒng)油量測量對油品密度測量的依賴性10。4.1.2 靜壓力測量點根據上文介紹可知，選用雷達液位計測量罐內油品液位。而靜壓力則可使用投入式液位變送器測得。關于靜壓力測量點的確定，亦即投入式壓力變送器的投入位置的確定作如下討論。油罐體積一般較大，圈板內徑很大，致使罐內油品橫截面較大。所以壓力測量點只選取一個是不夠的。油品橫截面為一個圓形，如圖4-1所示，在圓心處以及按下圖方式在從圓心到邊的半徑的中心點處共選取5個點作為測量點。將投入式壓力變送器按如圖位置安裝

47、。把測得的靜壓力數(shù)據傳入計算機，由計算機求出其算術平均值，做為罐內油品質量的測量值。圖4-1 靜壓力測量點4.2 PID控制原理當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節(jié)控制系統(tǒng)的響應。在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參

48、數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的11。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積

49、分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠

50、的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性12。目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋涍^輸出接口

51、、執(zhí)行機構，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調節(jié)器，其中PID控制器參數(shù)的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等

52、等?？删幊炭刂破鳎≒LC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器（PLC）可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn) PID控制功能的控制器，如Rockwel的Logix產品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網絡來實現(xiàn)其遠程控制功能13。4.3 PID控制流程油罐原油的液位是被控量。液位值由液位傳感器檢測得來，液位檢測值轉換為相應的電信號后作為反饋量，與己設定的液位信號作比較?？刂破鞑捎肊V2000 變頻器實現(xiàn)，執(zhí)行器采用電機或閥門實現(xiàn)。當輸入油量波動引起罐內液位高度變化時，通過液位傳感器，將檢測的液位值與給定值比較，變頻器根

53、據其差值進行反饋調節(jié)，改變電機轉速，調節(jié)排出量的多少，從而引起儲油罐液位高度的變化，實現(xiàn)油罐液位動態(tài)平衡14?？刂圃頌?液位傳感器與液位計作用于同一系統(tǒng)中。當儲油罐中液位發(fā)生變化時，液位計中浮子隨液位同步移動，其磁力同時使液位傳感器中的干簧管同步變化，并將其轉換為電阻信號，從而實現(xiàn)通過監(jiān)測阻值的大小而測知液位高低。將所測定的液位與給定值相比較，如有偏差，則通過變頻器，使電機旋轉，帶動減速器的輸出軸朝著減少這一偏差信號的方向轉動，直到這種偏差信號小于電位比較電路死區(qū)范圍為止。此時輸出軸就穩(wěn)定在當兩輸入信號偏差為零的位置上，從而實現(xiàn)液位的控制。圖4-2是液位控制系統(tǒng)的原理框圖： 輸油管液位傳感器

54、器控制閥+設定值 實際液位 液位控制器圖4-2 液位負反饋控制系統(tǒng)原理方框圖 油罐作為存儲油品的設備，其工藝流程相對比較簡單。就油量檢測監(jiān)控來說，其主要工藝流程為：油品通過進油管進入油罐；罐內儀器檢測油品液位等參數(shù)；油品通過出油管流出油罐。就液位而言，其簡單的單回路PID控制系統(tǒng)原理圖如圖4-3。圖4-3 單回路PID控制系統(tǒng)原理圖4.4 PID控制組態(tài)在一些系統(tǒng)中，需要進行PID控制，如一些板卡采集系統(tǒng)，甚至在一些DCS和PLC的系統(tǒng)中有時要擴充系統(tǒng)的PID控制回路，而由于系統(tǒng)硬件和回路的限制需要在計算機上增加PID控制回路。在紫金橋系統(tǒng)中，實時數(shù)據庫提供了PID控制點可以滿足PID控制的需

55、要。進入到實時數(shù)據庫組態(tài)，新建點時選擇PID控制點，如圖4-4。圖4-4 建立PID控制點在PID參數(shù)進行整定時如果能夠有理論的方法確定PID參數(shù)當然是最理想的方法，但是在實際的應用中，更多的是通過湊試法來確定PID的參數(shù)。增大比例系數(shù)P一般將加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調，并產生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時間I有利于減小超調，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時間變長。增大微分時間D有利于加快系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)超調量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。在湊試時，可參考以上參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢，對參數(shù)調整實行先比例、后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經小到允許范圍內，并且對響應曲線已經滿意，則只需要比例調節(jié)器即可 。如果在比例調節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時先將積分時間設定到一個比較大的值，然后將已經調節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小(