一種油田摻水管網多參數節能控制方法
2023-05-23 00:44:06 1
專利名稱：一種油田摻水管網多參數節能控制方法
技術領域：
本發明涉及一種對油田摻水管網進行節能控制的方法，具體的說是涉及一種利用 PLC自動控制系統對油田摻水管網進行多參數流量調節與控制的方法。
背景技術：
在冬季，為防止管路凍堵，保證油田摻水管網中的閥組間能夠向下一級站點安全 輸送原油，需要提高管路中輸送的油水混合物的溫度。目前廣泛採用的方式是利用焊接 在輸油管側壁上的一個和高溫水管路連接的閥門在閥組間內進行人工摻水，摻水時按照需 要，人工手動調整閥門的開通量。但是經過一段時間的應用，發現在這種方式下存在著如下 問題由於油井產出液量波動較大，因此就造成了摻水量時多時少，多時造成能量浪費，少 時則造成管線凍堵。此外，這樣的調整方式不但反應慢，而且給操作人員造成了巨大負擔。 並且出於對生產安全性的考慮，操作人員一般都將閥門的開度始終保持在最大而不輕易調 整，這樣就使原油輸送時的摻水量始終偏大，到達聯合站的原油溫度過高。總之，這種原油 摻水輸送方式在油田原油輸送現場反映出工作效率低、能耗高、管理困難以及維護難度大 等缺陷，由此產生了不可避免的經濟損失和安全隱患，這樣的原油摻水輸送技術已經難以 滿足現場生產的要求。
發明內容
為了解決現有原油摻水輸送方法已經難以滿足現場生產要求的問題，本發明提供 了一種油田摻水管網多參數節能控制方法，該方法實施後，能夠在保證原油正常輸送的前 提下，實現多參數、高效率和高精度的控制，具有熱利用效率高、節省能源、調整動作及時迅 速等特點。 本發明的技術方案是該種油田摻水管網多參數節能控制方法，採用由可編程序 控制器構成的控制系統進行控制，此控制系統簡稱PLC控制系統，該方法由如下步驟組成
①在油田摻水管網中安裝相應的能夠輸出數位訊號的計量儀表，以獲取下列瞬態 變量，即摻水點之前油水混合物的壓力Pp溫度1\、流量qi和含水率h"來水管道中熱水的 壓力P^溫度T2，以及當地土壤溫度T。，上述計量儀表所獲得的瞬態變量均輸出至所述PLC 控制系統； ②在所述油田摻水管網中的摻水點和來水管道之間安裝一個電動調節閥控制流 量，所述電動調節閥由PLC控制系統輸出控制信號以控制閥門開度； ③由PLC控制系統將獲得的摻水點之前油水混合物的溫度1\、含水率^以及來水 管道中熱水的溫度T2代入事先編制好的物性參數方程中，算出摻水點之前油水混合物的比 熱容C混和來水管道中的熱水的比熱容C水； 由PLC控制系統將獲得的若干數據代入事先編制好的能量平衡方程組中，即可 解出所需的摻水管段中熱水的流量q2 ; 其中所述若干數據分別為摻水點到聯合站的輸油管道的長度L、內徑d、傳熱係數
3K和環境溫度T。；要求原油到達聯合站時的溫度1Y ;以及摻水點之前油水混合物的流量A
以及溫度1\ ;來水管道中熱水的溫度T2 ;摻水點之前油水混合物的比熱容Cs ;來水管道中 的熱水的比熱容C水； 其中所述能量平衡方程組由方程(5)和方程(6)構成
t!c混化+T2C水q2^H [ (50.8111+2.12938xl04T —0.630974xl-3T2 +0.0648311
x10—5t3)x103/18] (qA+q2)+^L[1.687+3.39x10—3(t—273) ]q^l-h;)
(5);
.TL+T ;rdLK["^" —Tn ] 二T( [ (50.8111+2.12938 x IO"T — 0.630974x 1(T3T2 + 0.0648311 x10—5T3)xl0Vl8](qA+q2)+"^[1.687+3.39x10—3(T—273) ]^(1—1^) }- TL {[ (50.8111+2.12938 x 10"TL — 0.630974x 1(T3TL2 + 0.06483 U x 10—5TL3) x 103 /18]
(q,h, +q2)+4=[1.687 + 3.39xl0-3(TL-273) ]q(1- )
Va5 (6);上述方程組中所提及的P 15為15t:時原油的相對密度； ⑤由PLC控制系統按照所求得的所需摻水管段中熱水的流量化輸出控制信號，控
制信號經過控制路線傳送到電動調節閥，閥門在信號控制下調整到相應開度。 本發明具有如下有益效果本方法將PLC控制系統與能量平衡方程相結合，採集
多個參數實現對油田摻水管網的節能狀態實時調節，能夠準確控制回油到達聯合站時的溫
度，使之總保持在凝固溫度或之上少許，可自由設定。當回油流量、壓力、溫度變化和外界環
境因素波動的情況下可以自動控制調節摻水流量，以滿足設定的回油到達聯合站的溫度。
本發明專利能夠實現多參數、高效率和高精度的控制，具有熱利用效率高、節省能源、調整
動作及時迅速等特點。此外，在本方法中應用到的控制系統中各部件可以集中組裝在一起，
具有安裝方便、佔用空間小、運行維護方便等特點，非常便於管理，實用性較強。此外，本發
明中所述的方法可以通過修改管道結構參數和物性方程適應於很多利用摻混一種流體的
方式輸送另一種流體的場合，尤其適用於現今油氣集輸領域摻水作業的各種情況，具有優
良的應用價值和廣闊的應用前景。
圖1是本發明的原理示意圖。 圖2是本發明所應用的PLC控制系統組成示意圖。
圖中7-電動調節閥。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明 本發明中所述種油田摻水管網多參數節能控制方法，其原理如圖1所示，該方法 採用由可編程序控制器構成的控制系統進行控制，此控制系統簡稱PLC控制系統，該方法 由如下步驟組成 ①在油田摻水管網中如圖1所示，安裝相應的能夠輸出數位訊號的計量儀表，以 獲取下列瞬態變量，即摻水點之前油水混合物的壓力Pp溫度1\、流量qi和含水率^，來水 管道中熱水的壓力P^溫度T2，以及當地土壤溫度T。，上述計量儀表所獲得的瞬態變量均輸 出至所述PLC控制系統。本發明在實際完成時可選用SWJ-BS型智能溫度傳感器、YSZ-100BH 型智能壓力傳感器、JHR6型智能含水分析儀以及LDE型智能流量傳感器和RVVP型屏蔽電 纜傳輸線路。 ②在所述油田摻水管網中的摻水點和來水管道之間安裝一個電動調節閥7控制 流量，所述電動調節閥7由PLC控制系統輸出控制信號以控制閥門開度。實際完成時電動 調節閥7可以選用ZDLP電子式電動直通雙座調節閥，而PLC控制系統的組成結構圖可以選 用如圖2所示的結構，由西門子S7系列的CPU224XP、模擬量模塊EM235以及HMI人機界面 TD400C構成。 ③由PLC控制系統將獲得的摻水點之前油水混合物的溫度^、含水率^以及來水管 道中熱水的溫度T2代入事先編制好的物性參數方程中，算出摻水點之前油水混合物的比熱 容C,g和來水管道中的熱水的比熱容C^所涉及的物性參數方程以及具體計算過程如下
其中，計算油水混合物中水的比熱容C' * :Cpm = 50.8111+2. 12938X10—、-0. 630974X 10—31\2+0. 0648311X 10—51\3(1)
式(1)中，Cpm——水的摩爾比熱容，單位為J/(mol K) ;1\——水的熱力學溫度， 單位為K。 C，水=CpmX103/18 C' *——油水混合物中水的比熱容，單位為J/ (Kg K) 計算油水混合物中原油的比熱容C油
<:油=42=( 1.687+3.39 xlO—H) (2) 如 式(2)中，C油——原油的比熱容，單位為J/(Kg K) ; P 15——15t:時原油的相對
密度；t——油溫，其值為T「273，單位為t:。 計算油水混合物的比熱容C.混 C混二 C，水h一C油(1—h》 (3) 式(3)中，^即為含水率。
計算熱水的比熱容C水Cpm， = 50.8111+2. 12938X10—、-0. 630974X 10—3T22+0. 0648311 X 10—5T23 (4)
式(4)中各項含義與式(1)相同。
C水二 C， pmX103/18。 在本步驟中，公式(1)和公式(4)出自金克新等著《化工熱力學》，由天津科學技術
5出版社。公式(2)出自李才著《含蠟原油的熱容一溫度關係》一文。公式(3)出自沈維道、 蔣智敏以及童鈞耕等著《工程熱力學》 一書。
由PLC控制系統將獲得的若干數據代入事先編制好的能量平衡方程組中，即可 解出所需的摻水管段中熱水的流量q2 ; 其中所述若干數據分別為摻水點到聯合站的輸油管道的長度L、內徑d、傳熱係數 K和環境溫度T。；要求原油到達聯合站時的溫度1Y ;以及摻水點之前油水混合物的流量A 以及溫度1\ ;來水管道中熱水的溫度T2 ;摻水點之前油水混合物的比熱容Cs ;來水管道中 的熱水的比熱容C水； 其中所述能量平衡方程組由方程(5)和方程(6)構成
T1C^q1+T2C;Kq2=T{[(50.8111+2.12938xl0-1T —0.630974x10， 2 + 0.0648311 xl0-5T3)xl3/18](qA+q2)+;[1.687+3.39x10—3(T-273) ]q(1—h!) } ^A5 (5);;rdLK[i^ —Tn] 二T( [ (50.8111+2.12938 x 10—^ -0.630974x 10.3T2 + 0.0648311
2 0x10—5T3)xl03/18](q,h,+q2)+^2^[1.687+3.39x10—3(T—273) ]q,(l-h;) }—
TL{[ (50.8111+2,12938x10"Tl - 0.630974 x10.3Tl2 +0.0648311x10—5Tl3)x103 /18]
(q,h, +q2)+^￡=[1.687+3.39xl(T3(TL-273) ]q,1-V 扣15
(6); 上述方程組中所提及的P 15為15t:時原油的相對密度，而T為摻水點後回油的溫 度。因為在式(5)與式(6)組成的方程組中，只含有化和T兩個未知數，故可以解出q2。實 際上，整個原油輸送過程包括兩個過程，第一個是原油摻水過程，由方程(5)來描述；第二 個是原油摻水後輸送到聯合站的散熱過程，由方程(6)來描述；所以整個過程需要兩個方 程組成的方程組來限制，才能解出準確的結果。 在本步驟中，所依據的是工程熱力學中穩態下開口系統的能量平衡方程，即流入 系統總能量=流出系統總能量。參見沈維道、蔣智敏以及童鈞耕等編著的《工程熱力學》一 書，高等教育出版社，2002年版。而方程(5)，取摻水點為開口系統，流入系統的總能量包括 兩部分來油管道端油水混合物帶入的熱量LC,gC^和摻水管段中熱水帶入的熱量T2C*q2。 流出系統的總能量為混合後溫度變為T的流體帶出的熱量，即為方程(5)中等號右邊的部 分。方程(6)，取摻水點之後到聯合站之前的回油管道為開口系統，流入系統的總能量為混 合後溫度變為T的流體帶入的熱量，即為方程(6)中等號右邊第一項，以中間那個減號為 界，也即是方程(5)中等號右邊的部分。流出系統的總能量包括兩部分到達聯合站的流 體帶出的熱量和系統向周圍環境的散熱。這兩部分能量值分別為公式(6)中等號右邊第二 項，以中間那個減號為界，和公式(6)中等號左邊的部分。將到達聯合站的流體帶出的熱量
6進行移項，就得到了公式(6)。公式(6)文獻中沒有現成的公式，是發明人根據沈維道等著 的《工程熱力學》 一書中提到的系統能量平衡方程式，結合楊世銘、陶文銓著的《傳熱學》一 書，以換熱方程式列出的。 ⑤由PLC控制系統按照所求得的所需摻水管段中熱水的流量q2輸出控制信號，控 制信號經過控制路線傳送到電動調節閥，閥門在信號控制下調整到相應開度。
實際應用本方法時，所述PLC控制系統的組成可以如圖2所示，
閥門的開度與PLC傳來的控制信號的強弱是按比例對應的，控制信號4-20mA對應 閥門開度0% -100%。在具體選好閥門後，可以根據現場試驗測定熱水最小流量和最大流 量分別對應的閥門開度。例如，最小流量3m3/小時，對應閥門開度20%，最大流量10mV小 時，對應閥門開度90% 。這樣可以通過STEP-7編制一個用戶程序，使3m3/小時_10m3/小 時之間的某一個流量對應20% _90%之間的某一個開度。系統會自動進行差分運算使0% 對應EM235的輸出信號4mA，100X對應EM235的輸出信號20mA，並使0X _100%之間的某 一開度對應4mA-20mA之間的某一輸出信號。當公式算出所需熱水流量q2之後，即代入編 寫的差分算法用戶程序中，得出對應的閥門開度X， EM235即輸出 一個介於4mA和20mA之間 的控制信號Y，控制信號Y通過數字傳輸線路傳到ZDLP電子式電動直通雙座調節閥，使其完 成開關動作。 本方法採用PLC自動控制系統，由所述PLC自動控制系統控制電動調節閥門，安裝 在管網中的各個智能含水分析儀、智能流量傳感器、智能壓力傳感器以及智能溫度傳感器 輸出的數位訊號，經過數字傳輸線路到達控制系統，由控制系統分析計算並輸出控制信號， 控制信號經過控制路線傳送到電動調節閥門，閥門在信號控制下調整開度，從而達到自動、 高效控制和調節摻水流量，節約能源的目的。該多參數節能控制方法能夠準確控制回油到 達聯合站時的溫度，使之總保持在凝固溫度或之上少許，可自由設定，當來油流量、壓力、溫 度變化和外界環境因素波動的情況下可以自動控制調節摻水流量，以滿足設定的回油到達 聯合站的溫度。具有熱利用效率高、節省能源、調整動作及時迅速、運行維護簡便、安裝方 便、佔用空間小、實用性強等特點。
權利要求
一種油田摻水管網多參數節能控制方法，該方法採用由可編程序控制器構成的控制系統進行控制，此控制系統簡稱PLC控制系統，該方法由如下步驟組成①在油田摻水管網中安裝相應的能夠輸出數位訊號的計量儀表，以獲取下列瞬態變量，即摻水點之前油水混合物的壓力P1、溫度T1、流量q1和含水率h1，以及來水管道中熱水的壓力P2、溫度T2，以及當地土壤溫度T0；上述計量儀表所獲得的瞬態變量均輸出至所述PLC控制系統；②在所述油田摻水管網中的摻水點和來水管道之間安裝一個電動調節閥(7)控制流量，所述電動調節閥(7)由PLC控制系統輸出控制信號以控制閥門開度；③由PLC控制系統將獲得的摻水點之前油水混合物的溫度T1、含水率h1以及來水管道中熱水的溫度T2代入事先編制好的物性參數方程中，算出摻水點之前油水混合物的比熱容C混和來水管道中的熱水的比熱容C水；④由PLC控制系統將獲得的若干數據代入事先編制好的能量平衡方程組中，即可解出所需的摻水管段中熱水的流量q2；其中所述若干數據分別為摻水點到聯合站的輸油管道的長度L、內徑d、傳熱係數K和環境溫度T0；要求原油到達聯合站時的溫度TL；摻水點後回油的溫度T；以及摻水點之前油水混合物的流量q1以及溫度T1；來水管道中熱水的溫度T2；摻水點之前油水混合物的比熱容C混；來水管道中的熱水的比熱容C水；其中所述能量平衡方程組由方程(5)和方程(6)構成 10 -5 T 3) 10 3/18] ( q 1 h 1+ q 2) + 10 3 15 [1.687+3.39 10 -3 ( T - 273 )] q 1 ( 1 - h1 ) }--- ( 5 ); dLK[ T L+T 2- T 0]=T{[ ( 50.8111 + 2.12938 10 - 1 T - 0.630974 10 - 3 T2 + 0.0648311 10 -5 T 3) 10 3/18] ( q1 h1 + q2 )+ 103 15 [1.687+3.39 10 -3 ( T - 273 )] q 1 ( 1 - h1 )}- T L{[ ( 50.8111 + 2.12938 10 - 1 TL - 0.630974 10 - 3 T L2 + 0.0648311 10 - 5 T L3 ) 10 3/18] ( q 1 h 1+ q 2) + 10 3 15 [1.687+3.39 10 -3 ( TL - 273 )] q1 (1- h 1) }--- ( 6 ); 上述方程組中所提及的ρ15為15℃時原油的相對密度；⑤由PLC控制系統按照所求得的所需摻水管段中熱水的流量q2輸出控制信號，控制信號經過控制路線傳送到電動調節閥(7)，閥門在信號控制下調整到相應開度。FSA00000025056500011.tif
全文摘要
一種油田摻水管網多參數節能控制方法。主要解決現有原油摻水輸送方法已經難以滿足現場生產要求的問題。其特徵在於由PLC控制系統採集現場安裝於管網上的儀表所傳來的數據，代入物性方程後求得摻水點之前油水混合物的比熱容C混和來水管道中的熱水的比熱容C水，隨後將獲取的已知參數代入能量平衡方程組求得所需的摻水管段中熱水的流量q2，由PLC控制系統按照所求得的熱水流量q2輸出控制信號，控制電動調節閥調整到相應開度。該方法實施後，能夠在保證原油正常輸送的前提下，實現多參數、高效率和高精度的控制，具有熱利用效率高、節省能源、調整動作及時迅速等特點。
文檔編號G05B19/05GK101787872SQ20101011750
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月4日 優先權日2010年3月4日
發明者呂妍, 吳國忠, 李棟, 齊晗兵 申請人:大慶石油學院