孙亿嵬开题报告联合站原油监控系统设计

1、联合站原油脱水监控系统设计 本科毕业设计（论文）开题报告题目：联合站原油脱水监控系统设计 的统的学生姓名孙亿嵬学号1107020104教学院系电气信息学院专业年级自动化2011级指导教师青小渠职称副教授单位西南石油大学11目录1 毕业论文题目研究的目的、意义2 1.1 研究目的与意义21.2 国内外研究现状32 设计内容及设计方案3 2.1设计任务32.2工艺流程42.3总体设计方案6 2.3.1联合站监控系统的组成-62.3.2原油脱水站场监控系统硬件构成方案72.3.3监控系统的软件设计8 2.3.4联合站原油脱水监控系统主要参数的控制策略-93系统配置与选型114 预期结果115 关键与

2、难点116设计进程安排127参考文献121 前言1.1 研究目的与意义我国投入开采的油田多数已进入高含水的中后期开发阶段，一些老油田平均综合含水接近80%，采出液中含水量极大。原油含水不仅增加了储存、输送、炼制过程中设备的负荷，而且增加了升温时的燃料消耗，甚至因为水中含盐等而引起设备和管道的结垢或腐蚀。所以在原油进入集输系统前必须对原油中的含水、含盐以及杂质进行净化处理，使之成为合格的商品原油。国内油气集输、油气采集等技术较国外处于落后阶段，大多数数据采集仍然依靠人工完成。目前，油田远程监控系统已经应用于石油行业，实时采集设备工作状态信息，实现对现场数据的采集分析以及设备监控，从而以达到采油的

3、自动化和可视化并及时了解设备的运行情况来提高安全水平与经济效益的目的。我国迫切需要对联合站进行自动化改造，实行集散控制系统的监控与管理。从而可以自动采集并监测生产过程的各个参数，并进行优化处理，实现节能降耗，对建成环保、节能、运行效率高、自动化管理水平高的智能化、数字化的联合站有着重要意义，它同时也是数字化油田建设的重要组成部分。1.2 国内外研究现状美国海湾石油公司于1954年10月，建成世界上第一套自动监控输送系统（Ledge Automatic Control Transmission System,简称LACT）装置，解决了原油的自动收集、处理、计量和输送问题。到1967年底，美国陆地

4、石油公司已有75%的原油采用LACT装置。在LACT应用的同时，一些原油处理站出现了以闭环控制为特点的就地自动化控制系统。自20世纪60年代末期以后，计算机及PLC（Programmable Logic Controller）技术已开始应用于油田联合站内的部分生产系统中，如Arco油气公司的Iatan East Howard油田将PLC用于注水控制，并很快发展到报警、泵控、橇装试井装置等其它领域。但此时，联合站集输系统还是处于简单常规仪表控制时期。随着集输工艺上计量站的形成和联合站的产生，集散控制系统（Distribute Control System,简称DCS）开始应用于联合站集输系统中代

5、替常规仪表。进入20世纪90年代，DCS的功能越来越强，工作也越来越可靠。如HONEYWELL公司的TDC3000系统、FISHER-ROSEMOUNT公司的PROVOX系统等数十个厂商的DCS都在油气处理站有所应用。国外油田DCS的应用已经开始采用一些先进控制策略。如HONEYWELL公司的非线性液位控制，可以更好地适应进液的波动。美国通控公司的无模型控制器可以适合大滞后、时变的温度控制。HONEYWELL公司的气举优化软件和各种多变量控制、适应性控制、模糊控制、神经网络控制也在油气集输处理站的DCS上运行，实现了部分生产过优化运行。随着通信技术的发展，SCADA（Supervisory C

6、ontrol and Data Acquisition）即监控与数据采集系统越来越多地油田生产控制与管理中。国外有些油田SCADA系统实现了注气、注水的优化控制运行。SCADA能够把远程独立的单个油田作业变成一个具有许多紧密相关功能的综合加工过程，SCADA已具有为相互联系的处理作业的最优化提供定时获得操作信息的能力。国内油田联合站的自动化建设起步较晚，初期发展较为缓慢。在1972年世界能源危机以前，对原油集输系统的运行控制用大冗余处理各种干扰因素，控制方案简单。但在愈来愈重视降低投资和节能的今天，在现有的冗余条件下，原来使用的控制规律过于简单已不能保证控制效果。在我国，原油集输控制系统最先采

7、用的是DDZ-II型仪表，取得了一定的经济效益但这些由常规仪表组成的控制系统具有一些局限性。上世纪九十年代，计算机控制开始应用于联合站生产过程，尤其是西部塔里木、吐哈、准格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迅速的发展。1992年5月，鄯善油田就使308口油水井、19座计量站全部实现了由单井、单个装置，单站自动化向全油田，全线自动化的转变。随着油田开采的深入，油田已经进入到高含水及日产量不稳定的阶段，因此对油田的自动化水平要求也越来越高，系统的控制策略已不适合当前中转站来液量大且波动大的实际情况，监控软件中的先进控制方法以及软硬件交互的开放性应用也不够。随着DCS向计算

8、机网络控制发展，集输系统生产过程不仅局限于联合站范围内的操作和控制，还向过程控制系统和信息管理系统紧密结合方向发展，即控制和管理一体化。因此，联合站采用DCS是最佳选择，目前绝大数联合站采用的计算机监控系统是DCS。2 设计内容及设计方案2.1 设计任务本项目是联合站原油脱水工艺流程自动化监控系统方案设计。设计采用DCS系统为联合站原油集输提供自动化监控与历史数据记录。设计内容：1、工艺流程控制方案及模型；2、系统构成方案；3、系统配置选型；4、仪表量程等参数的计算及仪表的选型；5、阀门流通能力的计算、公称直径的选择及阀的选型；6、监控系统组态软件的编程。2.2工艺流程联合站集输系统是实现油水

9、分离的重要环节，原油的油水分离过程有自然沉降脱水、化学脱水、机械过滤脱水、电脱水等多种方法。目前我国各油田普遍采用的是沉降脱水、电脱水、电化学联合脱水等方法，采用的脱水流程主要有两种，即两段式脱水流程和三段式脱水流程。（1）方案一：两段式集输系统具体的流程为：具体的流程为：来自中转站的高含水原油进入联合站后，首先进入游离水脱除器，在破乳剂的化学作用和重力沉降作用下，经合理控制，分离出大部分游离水，高含水原油变成含水在20%30%左右的中含水原油。游离水脱除器的运行控制非常重要，要求在容器中部安装油水界面检测仪表，适时检测油水界面的变化，并通过控制容器下端放水出口的调节阀开度调整油水界面，使油水

10、界面保持在一定范围内，以保证油出口含水和水出口含油不超标。另外，多台游离水脱除器的出油汇到一条汇管上，要求在汇管上安装压力检测仪表，适时检测汇管压力的变化，并通过控制安装在汇管上的调节阀开度调整汇管压力稳定在0.20.35MPa，同时还要实现当压力超高时，快速泄压连锁保护功能。游离水脱除器的放水汇到一条汇管上，靠自压进入污水沉降罐。游离水出口原油进入脱水加热炉，加热升温至4550，加热后的含水原油在输送管道中与一定数量的破乳剂混合，进入复合电脱水器进行油水分离。原油在电脱水器内在电场力和化学破乳剂的共同作用下，进行油水的最终分离，经过合理控制电场强度、加药量和脱水器的油水界面，使电脱水后的原油

11、含水达到0.5%以下，从而得到满足要求的净化原油。电脱水器的控制原理和游离水脱除器相同。脱出的污水进入污水沉降罐，进行污水处理。脱水后的净化原油进入净化油缓冲罐，再经过外输泵外输。联合站两段式集输系统主要包括两个子系统：自然沉降脱水系统（一段脱水系统）、电脱水系统（二段脱水系统）。（2）方案二：三段式集输系统三段式集输系统与两段式集输系统工艺原理相似，主要的区别在于中转站的来油首先进入游离水脱除器，进行沉降脱水，脱水至含水70%左右，然后进入压力沉降罐，进行压力沉降脱水，脱水至30%左右，再进入电脱水器进行电脱水，经电脱水后，成为净化原油。所以三段式集输系统包括三个子系统：自然沉降脱水系统、压

12、力沉降脱水系统、电脱水系统。这种集输系统虽流程复杂、设备较多、能耗较高，但是脱水效果较好。油田只有极少的一部分联合站采用此种集输系统进行原油脱水。通过两种工艺流程比较，由于目前油田绝大多数联合站都采用两段式脱水集输系统，该系统简单、节省设备、能耗低、脱水效果较好。因此本设计选用第一个工艺流程。联合站原油脱水工艺流程如图3.1所示。图3.1联合站原油脱水工艺流程简化如图3.2：来自中转站的高含原油水原油游离水脱除器破乳剂脱水加热炉破乳剂复合电脱水器净化油缓冲罐外输含水率达到0.5%以下的原油污水沉降罐图3.2联合站原油脱水工艺流程由图3.2可知，联合站原油脱水自动化监控涉及含水率、压力、液位等参

13、数。2.3总体设计方案2.3.1联合站监控系统的组成（1）方案一： DCS系统集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统具有优越的控制性能，良好的可维护性、极高的可靠性、灵活的构成方式和简易的操作方法，被认为是目前最先进的过程控制系统。它适用于测控点数多、测控精度高、测控速度快的工业现场，其特点是分散控制和集中监视，具有组网通讯能力、测控功能强、运行可靠、易于扩展、组态方便、操作维护简便，但系统价格昂贵。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由

14、上位管理计算机监控，实现最优化控制。利用DCS可以完全实现对联合站脱水系统的数据采集和监控，历史数据保存，使系统处于优化运行。（2）方案二： SCADA系统SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition,简称SCADA）系统，即分布式数据采集和监控系统，属中小规模的测控系统。它主要用于数据采集，它的特点是控制点分散，通信结构复杂。这种结构体现了集中管理、分散控制的现代大系统控制原则，特别适用于油气长输管道这种分散性大系统的运行管理和控制。由于联合站装置比较集中，适于采用DCS进行控制和管理，也更便于实现油田一体化，提高了工作的安全可靠性。而SCAD

15、A系统适用于油气长输管道这种分散性大系统的运行管理和控制。所以本设计采用DCS控制系统，而本设计项目的监控对象只是联合站工艺流程的原油脱水部分，因此，本设计项目内容仅仅针对该工艺流程，构建一个站场控制系统，属于整个联合站DCS监控系统的一个组成部分。2.3.2原油脱水站场监控系统硬件构成方案基于PC和PLC实现联合站原油脱水站场监控系统方案设计：总体设计结构图如图3.3：工作站控制器控制器压力传感器液位传感器现场仪表.图3.3总体设计结构图联合站DCS系统由中央控制室操作员站、现场控制站和现场仪表组成。用PC机及PLC组成集散控制系统时，PLC相当于现场控制站，PC机相当于操作站和工程师站，它

16、们之间通过工业以太网连接，数据与参数可以在它们之间相互传送。控制站和现场仪表之间通过现场总线和420mA模拟信号进行数据传输。在安装有PLC系统软件的PC机上可以编辑梯形图，控制应用软件下载到PLC后，PLC独立完成现场数据采集、逻辑控制、模拟控制等，在安装有实时监控软件的上位机上可以方便对生产过程进行监控。由于我们没有实际的现场设备和执行机构，因此我们只能进行实验室模拟设计，构建模拟站场监控系统。（1）方案一：系统可以采用学校现有的罗克韦尔ControlLogix系统，通过传感器采集各部分的压力、含水率、温度、液位等物理量，传感器测量的模拟电信号经过外围电路的初步处理之后传给远程模拟IO端口

17、，经模数转换后（远程模拟IO模块具有A/D转换）的数字信息通过ControlNet（控制网）传递给Logix5000处理器，经过数据处理按照编写的程序发出相应的执行信息，最后输出420mAbiaozhunmA标准模拟信号（或数字信号ON/OFF）去驱动各种阀门等执行机构，调节各种工艺参数，实现生产过程的自动控制。采用罗克韦尔现场总线搭建三层网络架构并应用力控组态软件进行监控画面的组态。（2）方案二：系统也可以采用学校现有的贝加莱PCC2005控制器，Automation Studio作为编程软件。要构建集散控制系统，需要完成I/O地址的分配，为控制策略编写梯形图，对液位、压力、温度等参数采用S

18、umilation仿真器进行模拟。联合站DCS系统由中央控制室操作员站、现场PCC控制站和现场仪表组成。中央控制室操作员站和现场PCC控制站之间通过工业以太网联接，数据和参数可以在PCC与中央控制室管理站之间相互传送；PCC控制站和现场仪表之间通过现场总线和420mA模拟信号进行数据传输。构建的DCS硬件结构图如图3.4所示。PC(中央控制室操作员站)现场PCC控制站（工业以太网联接PC与PCC）现场仪表（测量温度、压力、液位等）图3.4 DCS硬件结构图以上两种方案均可以实现控制系统，将在之后具体实践中再做选择。2.3.3监控系统的软件设计监控系统的软件可选择以下方案：（1）方案一：RSVi

19、ew32，它一种易用的、可集成的、基于组件的、用于监视和控制生产过程的人机界面软件。它基于微软最成熟的Windows平台而设计，而且是第一个把ActiveX控制嵌入画面的人机界面软件。由于它与罗克韦尔软件的其他产品无缝连接，因此为RSView32监视和运行控制系统提供了极大的灵活性。（2）方案二：力控组态软件，它具有方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；它具有全新的高性能实时、历史数据库；强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；灵活的报表生成器以及全面升级的I/O调度。（3）方案三：组态王软件

20、，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序

21、和灵活的组态方式、数据链接功能。综上，我决定在上位机组态软件上拟选定力控组态软件。2.3.4联合站原油脱水监控系统主要参数的控制策略（1）方案一：单回路PID控制PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于算法简单，鲁棒性和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。本系统的控制流程分为三个部分：

22、自然沉降脱水系统（一段脱水系统）、加热炉温度控制系统、电脱水系统（二段脱水系统）。（1）原油脱水工艺液位、界面、压力控制系统都属于闭环负反馈控制系统（如图3.5）。工作过程：当上述参数受到干扰变量（罐压或进液流量、出水流量、出混合液流量）变化的扰动后，被控参数发生变化，控制部分根据偏差e(t)，产生控制作用u(t)信号给调节阀，调节控制变量Fi(t)克服干扰变量Ff（t）的影响，使系统输出C（t）（液位高度）回复到设定值。在工艺过程控制中，由于扰动经常发生，控制作用也就不断的进行下去。控制部分调节阀被控对象测量变送器R（t）e(t)u(t)Fi(t)Ff(t)C(t)Z(t)图3.5液面控制系

23、统方框图（2）加热炉温度控制系统框图如图3.6：TC调节阀加热炉TT截止阀21图3.6温度控制系统框图TC代表温度控制器，TT代表温度变送器，1代表来自游离水脱除器的含水原油的温度，2代表加热炉出口的原油温度。（2）方案二：预测控制与常规PID控制相结合这个方案对原油脱水这一干扰作用频繁、参数间相互关联的多变量系统具有较好控制效果。预测控制自问世以来，在工业生产过程中得到了广泛的应用，产生了多种适应生产过程特点的算法。状态反馈预测控制具有抗干扰能力强、可适用于不稳定对象、鲁棒性好、理想控制具有一定的解耦作用等特点，应用于炼厂催化裂化反应深度控制，取得了较好的控制效果。本设计先拟选择单回路PID

24、控制。3系统配置与选型检测仪表一般均由传感器、变送器、显示部分三大功能部件及传输通道组成，用来检测生产过程中各个有关的参数。检测仪表是生产自动化系统最基础、最重要的组成部分之一，其可靠性和精度直接影响系统工作的可靠性和性能。熟悉检测仪表和执行机构、调节阀的工作原理对正确地选择、合理地使用和维护仪表，以及正确地设计自动化系统有重要意义。在本设计中，需要选择温度、压力、流量和液位检测仪表、合适的阀门以及控制器，可以根据石油化工自动控制设计手册以及联合站原油脱水工艺，对仪表量程进行计算，对阀门流通能力进行计算、选择公称直径及阀门的选型。由于这些硬件的选择需要经过仔细的分析和严格地计算，因此这部分会在毕业设计后期阶段进行。4 预期结果基本要求：1、设计应符合工程技术的要求及规范对DCS系统和控制过程中的装置仪表计；2、设计日处理原油1万吨；3、具有安全报警装置：压力、温度、流量的安全报警装置；提交成果：1、提交开题报告一份2、完成总体方案图（含部分结构图）及所选仪表阀门详细清单。3、完成调试后的控制软件一套。4