膜分離制氮裝置單片機測控系統及其測控方法
2023-10-30 01:28:02 4
專利名稱：膜分離制氮裝置單片機測控系統及其測控方法
技術領域：
本發明涉及一種膜分離制氮裝置單片機測控系統及其測控方法。
背景技術：
氣體鑽井(根據使用循環介質的不同)一般可分為:空氣鑽井、氮氣鑽井、天然氣鑽井、尾氣鑽井等不同種類，其中尤以空氣鑽井以空氣的廉價性、無限性、易得性而具有別的氣體鑽井形式無法比擬的優勢。但對空氣鑽井，由於空氣中含有大量助燃劑氧氣，當使用空氣鑽井至儲層附近時，很容易與儲層附近的易燃氣體混合而被點燃繼而產生燃燒或爆炸。氣體鑽井就是採用以氣體為主要循環流體的欠平衡鑽井技術。20世紀30年代的美國開始研究氣體鑽井技術。但由於當時的技術水平、裝備及認識等原因，沒有得到規模化應用。直至20世紀60年代，隨著空氣鑽井馬達等的問世以及各種設備的不斷完善，氣體鑽井技術又重新受到人們的重視。氮氣鑽井作為氣體鑽井的一種，因其不僅具有氣體鑽井技術的優越性；具有鑽井介質的廉價性、無限性、而且具有遇可燃氣體不發生燃燒或爆炸的安全性及防止腐蝕、延長鑽頭壽命、提高鑽達井深的成功率、大大降低鑽探成本等優勢，而成為近幾年油氣開發研究者們非常關注的課題之一。而制氮設備作為氮氣鑽井中製取鑽井介質——氮氣的關鍵設備也就越來越多的受到人們的重視。近幾年以來，隨著制膜工藝的不斷發展，膜分離制氮成為製取氮氣的一種新型科學制氮方法。膜分離法制氮的研究和發展推動了膜分離制氮設備的發展，給氮氣鑽井注入了新的活力，大大加快了氮氣鑽井的推廣應用。隨著空氣鑽井技術的日益成熟，作為其配套使用或者說必要輔助手段的氮氣鑽井技術的提高也越來越受到人們的重視。與空氣鑽井比較，氮氣鑽井技術的關鍵即氮氣生產設備。氮氣生產設備的各項性能指標的提高可使氮氣鑽井技術得以更廣泛使用，從而有效地解決儲層或某些特殊工況情況下可能產生的井下燃燒和爆炸以及鑽井施工中的惡性井漏，壓差卡鑽、鑽井速度慢等技術性難題，能在鑽進油氣層井段時，做到「零汙染」，對於及時保護和發現低壓、低飽和、低滲透率油層(油氣藏)，對提高油井單井產量和採收率具有顯著效果，並可提高鑽速5-10倍。因此，通過對當前現有裝置進行分析研究，找出其存在的不足和缺點，從而對其進行改進，以達到使其結構布局合理、降低成本、使用維護方便、能耗低、壓力損失小等技術指標，就顯得尤為重要和迫切。這樣不僅降低了設備製造成本，降低能量消耗，推動膜制氮裝置的更廣泛應用，而且為我國氮氣鑽井的普及，油氣開採工藝更先進、更科學、取得更高的經濟效益和社會效益提供了生產先進生產設備的基礎。氮氣鑽井是欠平衡鑽井技術的一種，它的循環流體是乾燥氮氣。氮氣鑽井首次使用是在二十世紀中後期。我國的氮氣鑽井技術研究始於上個世紀八十年代，雖然取得一些成果，但因制氮設備未能解決，使研究出的成果難以轉化為生產力，沒有得到及時應用。上個世紀九十年代，隨著制氮工藝的發展和制氮設備的研製成功，氮氣鑽井技術的研究與應用又一次被廣泛重視起來。首先是遼河油田試用成功，逐步推廣到勝利、江漢等油田，但當時還未用在欠平衡鑽井上。直到2000年12月，勝利油田鑽井四公司一先進鑽井隊用國產鑽機鑽探的雲南武定縣雲參科研一井，首次採用氮氣鑽井技術鑽進，獲得一次成功，開了先河。此後，氮氣鑽井技術在吐哈、新疆、四川、遼河、江漢等油田分別獲得成功。2004年至2005年，吐哈油田欠平衡鑽井技術得到迅速發展，先後在窿14井、中石化鄂爾多斯D12-1井、紅臺2-15井、紅臺2-17井、紅臺2-4井等8 口井採用欠平衡鑽井技術，其中有5 口井在儲層段進行全過程欠平衡純氮氣鑽井。其中紅臺2-15井是國內首次進行全過程欠平衡純氮氣鑽井，取得顯著效果，獲得的高產油氣流是常規鑽井的10-15倍。證實了這項新技術在油田勘探開發中有良好的經濟效益和廣闊的推廣應用前景。儘管當前我國的一些油氣田已經採用了氮氣鑽井對油氣井進行開採，並取得一些成績，但與國外相比，目前我國氮氣鑽井的差距仍然較大，這不僅反映在技術裝備的配套和研製水平上，還反映在工藝方法和基礎理論研究上，而且在多工藝綜合技術上尚未起步。當前階段，隨著製造氮氣的技術在國內外的不斷發展，尤其膜制氮技術，以其獨特的優勢脫穎而出，成為氮氣鑽井中氮氣製造的主要技術方法，並推動了氮氣製造設備的不斷發展。我國的很多油田現用制氮設備均來自這些公司。我國當前也有一些公司可生產膜分離制氮設備，但油氣鑽井用膜分離制氮設備當前國內還沒有廠家生產。但無論外國設備還是國產設備當前階段都有局限於滿足使用要求的設計思路，這樣內部結構的科學性、設備的效率、耗能控制、使用維護的方便性、某些部件的合理性等問題都有待改善和提高，尤其在線檢測還是該類產品的一個空白。膜分離制氮裝置原機中的過濾器對濾芯是否需要更換，採用的是壓差估計法-即每個過濾器後面安裝一個壓差表，當過濾器前後壓差達到一定數值時，就斷定該過濾器的濾芯已經達不到所要求的精度，其濾芯已需要進行更換。這種方法缺乏嚴謹的科學性，只是從理論角度，大致估計濾芯的工作狀況。這樣在確保壓縮空氣高潔淨度的設計思路下，勢必造成濾芯更換過於頻繁，濾芯過濾資源讓費，增大生產成本。另外，該裝置設計使用的後冷卻器沒有溫度控制部分，無論壓縮空氣溫度高低後冷卻器總是處於降溫狀態，實際使用時將增大生產成本並造成極大的能源讓費。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種膜分離制氮裝置單片機測控系統，該膜分離制氮裝置單片機測控系統實現了對後冷卻器中氣體溫度的檢測，並根據氣體溫度的高低控制後冷卻器的啟動和關閉；實現了對過濾器中氣體潔淨度的檢測，並將測得數據與設計要求進行比較，如超出設計要求則發出報警，以提示需更換過濾器濾芯。本發明的另一目的在於提供一種基於上述膜分離制氮裝置單片機測控系統的測控方法，本發明的目的通過下述技術方案實現:膜分離制氮裝置單片機測控系統，主要由依次相連的傳感器組、濾波器、A/D轉換器、單片機、D/A轉換器、執行機構構成，所述傳感器組與執行機構均與被控對象相連。所述傳感器組包括溫度傳感器、溼度傳感器、灰塵傳感器、油氣傳感器。
所述傳感器組和濾波器之間還設置有隔離放大器。所述濾波器和A/D轉換器之間還設置有採樣保持器。所述採樣保持器與A/D轉換器之間通過多路開關相連。所述D/A轉換器與執行機構之間通過多路開關相連。所述執行機構包括冷卻器繼電器和三個報警器繼電器。基於上述膜分離制氮裝置單片機測控系統的測控方法，其特徵在於，包括以下步驟:(a)首先，通過與被控對象相連的傳感器組實時採集被控數據；(b)被採集到的被控參數通過濾波器進行過濾後，進入A/D轉換器；(c)通過A/D轉換器對被控參數進行模數轉換後，進入單片機；(d)單片機對被控參數進行處理，實施控制算法並決定進一步的控制過程；(e)控制參數進入D/A轉換器進行數模轉換後，進入執行機構；(f)執行機構根據決策，適時地對控制機構發出控制信號實現實時控制。所述步驟(a)中，被控數據包括膜分離制氮系統的溫度、溼度、灰塵密度、油氣比例。所述步驟(b)中，被控參數首先通過隔離放大器進行信號放大以後，再進入濾波器進行過濾，然後經採樣保持器和多路開關，進入A/D轉換器。綜上所述，本發明的有益效果是:實現了對後冷卻器中氣體溫度的檢測，並根據氣體溫度的高低控制後冷卻器的啟動和關閉；實現了對過濾器中氣體潔淨度的檢測，並將測得數據與設計要求進行比較，如超出設計要求則發出報警，以提示需更換過濾器濾芯。
圖1為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不僅限於此。實施例:如圖1所示，本發明涉及的膜分離制氮裝置單片機測控系統，主要由依次相連的傳感器組、濾波器、A/D轉換器、單片機、D/A轉換器、執行機構構成，所述傳感器組與執行機構均與被控對象相連。所述傳感器組包括溫度傳感器、溼度傳感器、灰塵傳感器、油氣傳感器。所述傳感器組和濾波器之間還設置有隔離放大器。所述濾波器和A/D轉換器之間還設置有採樣保持器。所述採樣保持器與A/D轉換器之間通過多路開關相連。所述D/A轉換器與執行機構之間通過多路開關相連。所述執行機構包括冷卻器繼電器和三個報警器繼電器。單片機:單片機目前市場上單片機的型號和種類相當繁多，4位機、8位機、16位機、32位機各有其相應的應用範圍和具體情況，8位機和16位機仍是當前單片機應用領域應用最為廣泛的兩種機型；在膜分離制氮裝置中，我們根據能滿足當前使用，又能有一定的待擴展性的原則，認為可以選用AT89S51型單片機。A/D轉換器:在單片機測控系統中，被採用的實時信號有許多是連續變化的物理量。由於單片機只能處理數字量，所以就需要將連續變化的物理量轉換成數字量，即A/D轉換。A/D轉換器的功能就是實現A/D轉換，並且其性能對測控系統的性能也有較大的影響。D/A轉換器:實際應用中，計算機處理的結果往往與需要轉換成模擬量，以便實現對被控對象的控制，將數字量轉換成模擬量的過程稱為數字-模擬轉換(D/A轉換)，使用的轉換器件稱為D/A轉換器。本系統可以選用DAC0832或著DAC1210型D/A轉換器，它們不僅具有數據鎖存器，而且還提供地址解碼電路等特點。隔離放大器:對於使用傳感器的測量儀器，其地電位發生變化不僅僅是公共阻抗造成的，它與儀表和信號源之間的地電位差以及電磁感應產生的共模噪聲有很大關係。為防止共模噪聲串入系統，我們可以採用專用的隔離放大器。與此同時，隔離放大器的線性和穩定好，共模抑制比高，應用電路簡單，放大增益可變，非常適用工業自動化檢測。濾波器:在實際使用中，對信號作分析和處理時，常會遇到無用信號疊加於有用信號的問題，這就需要從接收到的信號中，根據有用信號和噪聲的不同特性，消除或減弱幹擾噪聲，提取有用信號，實現這個濾波功能的系統就稱為濾波器。基於上述膜分離制氮裝置單片機測控系統的測控方法，其特徵在於，包括以下步驟:(a)首先，通過與被控對象相連的傳感器組實時採集被控數據；(b)被採集到的被控參數通過濾波器進行過濾後，進入A/D轉換器；(c)通過A/D轉換器對被控參數進行模數轉換後，進入單片機；(d)單片機對被控參數進行處理，實施控制算法並決定進一步的控制過程；(e)控制參數進入D/A轉換器進行數模轉換後，進入執行機構；(f)執行機構根據決策，適時地對控制機構發出控制信號實現實時控制。所述步驟(a)中，被控數據包括膜分離制氮系統的溫度、溼度、灰塵密度、油氣比例。所述步驟(b)中，被控參數首先通過隔離放大器進行信號放大以後，再進入濾波器進行過濾，然後經採樣保持器和多路開關，進入A/D轉換器。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明做任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質，對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.膜分離制氮裝置單片機測控系統，其特徵在於，主要由依次相連的傳感器組、濾波器、A/D轉換器、單片機、D/A轉換器、執行機構構成，所述傳感器組與執行機構均與被控對象相連。
2.根據權利要求1所述的膜分離制氮裝置單片機測控系統，其特徵在於，所述傳感器組包括溫度傳感器、溼度傳感器、灰塵傳感器、油氣傳感器。
3.根據權利要求1或2所述的膜分離制氮裝置單片機測控系統，其特徵在於，所述傳感器組和濾波器之間還設置有隔離放大器。
4.根據權利要求1或2所述的膜分離制氮裝置單片機測控系統，其特徵在於，所述濾波器和A/D轉換器之間還設置有採樣保持器。
5.根據權利要求4所述的膜分離制氮裝置單片機測控系統，其特徵在於，所述採樣保持器與A/D轉換器之間通過多路開關相連。
6.根據權利要求1或2所述的膜分離制氮裝置單片機測控系統，其特徵在於，所述D/A轉換器與執行機構之間通過多路開關相連。
7.根據權利要求6所述的膜分離制氮裝置單片機測控系統，其特徵在於，所述執行機構包括冷卻器繼電器和三個報警器繼電器。
8.基於上述膜分離制氮裝置單片機測控系統的測控方法，其特徵在於，包括以下步驟: (a)首先，通過與被控對象相連的傳感器組實時採集被控數據； (b)被採集到的被控參數通過濾波器進行過濾後，進入A/D轉換器； (c)通過A/D轉換器對被控參數進行模數轉換後，進入單片機； (d)單片機對被控參數進行處理，實施控制算法並決定進一步的控制過程； (e)控制參數進入D/A轉換器進行數模轉換後，進入執行機構； (f)執行機構根據決策，適時地對控制機構發出控制信號實現實時控制。
9.根據權利要求8所述的測控方法，其特徵在於，所述步驟(a)中，被控數據包括膜分離制氮系統的溫度、溼度、灰塵密度、油氣比例。
10.根據權利要求8所述的測控方法，其特徵在於，所述步驟(b)中，被控參數首先通過隔離放大器進行信號放大以後，再進入濾波器進行過濾，然後經採樣保持器和多路開關，進入A/D轉換器。
全文摘要
本發明公開了一種膜分離制氮裝置單片機測控系統。該膜分離制氮裝置單片機測控系統主要由依次相連的傳感器組、濾波器、A/D轉換器、單片機、D/A轉換器、執行機構構成，所述傳感器組與執行機構均與被控對象相連。本發明還公開了一種基於上述膜分離制氮裝置單片機測控系統的測控方法。本發明實現了對後冷卻器中氣體溫度的檢測，並根據氣體溫度的高低控制後冷卻器的啟動和關閉；實現了對過濾器中氣體潔淨度的檢測，並將測得數據與設計要求進行比較，如超出設計要求則發出報警，以提示需更換過濾器濾芯。
文檔編號G05B19/042GK103105800SQ201110375269
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月14日 優先權日2011年11月14日
發明者李星月 申請人:李星月