油田联合站多参数光纤传感测控系统的应用

油田联合站多参数光纤传感测控系统的应用

多参数自动检测系统油田的联合站是油田原油输送的咽喉要道。一般来说，它必须承担原油脱水、原油稳定、污水处理、高压供水、井污泥、原油储存等任务。为了对生产进行计量和安全监控,需要对油罐和各类压力容器内的液位、压力、流量、温度等多种参数进行监测。油库中大型油罐液面高度、压力、流量等参数的测量一直是一个十分棘手的问题。其主要原因是一些测量方法如“电码盘测量”、“压电传感测量”等均需将电引入油库区,虽然可以采取一些防爆措施,但为了防止意外起见仍很少采用,很多单位仍使用人工测量的原始方式。由于光纤传感器无电源,能避免产生火花,能在易燃易爆环境下工作,而且不怕液压、耐腐蚀,适合在有毒环境和有毒液体中进行测量,具有信息容量大,容易与光纤遥测网结合,可以实现远距离测控等一系列优点,具有很好的应用前景。近年来,出现了许多使用光传感技术来测量液面高度等参数的安全方法,笔者介绍一种集液位、罐压、流量等多参数测量于一体的测控系统。河南油田的魏岗联合站处理原油350t/d,处理污水5000m3/d,注水2000m3/d。还担负着东部油田外输原油4000t/d生产任务,全站共有各类储罐18座,压力容器14台,机泵53台。该站检测手段落后,工人劳动强度大,工作效率低,原油储罐参数采取人工上罐尺检。由于检测手段落后不能有效消除因计量操作环节复杂引发的一系列事故隐患,以致发生冬季因空气湿度大,输油罐潮湿空气结冰堵塞大罐呼吸阀,连续输油造成负压瘪罐事故,近4a就发生过2起5000m3原油罐瘪罐事故。原油稳定和脱水装置采用传统的气动控制仪表,气信号在传输过程中存在堵、漏、冻现象,灵敏性和稳定性差使系统运行过程中各类事故频发,仅2000年联合站原油稳定塔和脱水器共发生冲塔、天然气管线串油事故19起,严重影响了联合站的正常运行。多参数光纤传感器系统1.光纤负压阅读器二次仪表的工作原理油田联合站多参数光纤传感测控系统传感器全部采用自行开发的光纤传感器。GY系列光纤液位计利用力平衡原理实现液位的检测,系统由测量单元、光纤传感器、光电变送器、二次仪表、电源、计算机及光缆组成。由被测介质液面变化引起测量浮球上下移动,测量钢丝绳带动光纤传感器内光码盘转动,经二次仪表处理后,显示出储罐内液位值,同时输出信号给计算机,实现罐区内液位自动检测。该传感器已在国内数10家石化企业获得了广泛应用。光纤液位变送单元结构如图1所示。当浮球随着液位的变化而上升或下降时,带动传感器的主轴旋转,传感器内有二组齿轮,将浮球的运动经过齿轮变速后,传送到光学编码器。通过光学编码器,将旋转的角运动转变为光脉冲信号,经光缆传输到远端操作室内的光电转换器,转变成为电信号输入二次仪表。光学编码器由光码盘、轴及光纤探头组成,其结构如图2所示。传感器光学系统由1根光缆(内含4根光纤)、2组固化的聚焦式光纤探头、4个光纤连接器及光码盘组成。输入光纤和输出光纤的端面分别固定在两个聚焦透镜的焦点上,聚焦透镜之间就形成了平行光。光码盘是一个齿轮状的薄圆盘,当光码盘因被测液位的变化而转动时,对两个光纤探头内的红外光分别进行调制。调制后的两组光脉冲信号返回各自的光纤,沿光缆传输回控制室的智能二次仪表。液位变化方向的判断,通过两路光纤中光脉冲信号的状态确定,从而判断液位的上升或下降。通过液位变送单元内的阻尼系统和传感信号的计算机处理算法,滤除液面波动等干扰信号,实现液位的准确测量。系统静态测量液位分辨率1mm,测量精度±2mm,误差小于0.1%Fs。数据处理系统可保留一周内的测量数据。其工作原理如图3所示,光纤流量发讯器由转速传感器和光电转换器组成。转速传感器通过专用联轴器与被测流量计转轴联接,由光学编码器将被测轴的转动转变成光脉冲信号,经光缆传送到操作室内的光电转换器,再进入其他二次仪表。流量发讯器输出脉冲数(脉冲/转)为100;输出波形为方波;输出高电平VH≥4V,低电平VL≤0.7V;转速范围为2～500r/min。如图4所示,光纤负压报警器的测量元件由灵敏度极高的精密金属膜盒、运动方向转换机构、挡光板等组成。当大罐压力发生变化时,通过通气孔使金属膜盒产生形变,并带动方向转换机构作旋转运动,挡光板也随之旋转,在一定负压下,挡光板将行至某一确定位置,产生报警信号。光纤负压报警器压力报警范围在—300～+300Pa可调;报警准确度2.5级;继电器输出接点容量为1A。2.输系统监测数据分析油田联合站多参数光纤传感一体化监控系统由外输控制站、内输控制站(三相分离和稳定控制站)、总控站、原油罐区安全监控系统、事故预案管理等几部分组成,其中外输控制系统、内输控制系统与总控部分以及原油罐区安全监控系统既有相对的独立性又有密切的联系,构成一个有机整体。系统构成见图5。原油三相分离器的检测信号主要为油、水液位和压力信号,原油稳定塔液位、压力等信息;原油外输系统检测数据主要是原油罐压力、进出油压力、原油液位和流量、掺水液位等信号,实现生产计量和安全监控。系统采用多级、分布式测控系统结构,传感和控制信号由最下层的PLC控制器处理和传输,中间级为小区控制计算机三相分离IPC和原油外输IPC。整个系统由主控计算机控制,内容包括主要生产参数、站内工艺流程图、局部工艺流程图、控制趋势状态图、历史趋势图显示;报警状态画面图;生产报表自动、手动打印,并可通过Internet进行数据共享。当系统检测到异常时,将在现场、小区和主控室同时给出报警信号。小区计算机与PLC之间通过RS232接口进行通讯,与主控计算机之间通过RS422接口通讯。控制系统运用当今较为先进的“整体解决方案”技术。为了进一步提高系统全面性、可靠性、稳定性和安全性,在软件设计上运用国际上流行的MVC技术,即将表示层、控制层及数据层相分离,3层相辅相成,在使用上很直观地体现出了现场级、监控级、工程师及操作员级、企业管理级多级工作方式。整个系统是一个采用分布式控制技术和现代网络技术组成的先进生产过程控制系统和安全监控系统,实现联合站生产、安全实时监控与管理,并将联合站实时的生产和安全信息联入油田开发网和安全信息网,为油田经营管理层的决策工作提供及时、全面、准确的信息资源。管理控制达到一体化、智能化(1)首次将光纤传感与控制技术大规模运用于油气处理和集输工艺中,利用光纤传感技术所独有的高精度、非电非接触式检测等特点,实现了油田联合站多点多参数全天候自动检测与监控,使站内管理控制达到一体化、智能化。多参数光纤传感测控系统液位控制精度达到±5cm,压力控制精度±2kPa,大罐液位检测精度±2mm,温度检测精度±2℃。(2)开发研制的3种新型光纤传感器,即GY系列光纤液位计、GLF光纤流量发讯器和YGO光纤负压报警器,属国