聯(lián)合站動(dòng)態(tài)油量盤庫(kù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

北京建筑大學(xué)

聯(lián)合站動(dòng)態(tài)油量盤庫(kù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

許東暉北京建筑大學(xué)

在油田聯(lián)合站中以做垂直運(yùn)動(dòng)的傳感器實(shí)施沉降罐參數(shù)移動(dòng)檢測(cè)，該傳感器由發(fā)射體、短波發(fā)生器和接收體三部分組成。一旦含水率發(fā)生較大變化時(shí)，則需要增加測(cè)量點(diǎn)的個(gè)數(shù)，確保傳感器可以檢測(cè)到液面位置。參照原油含水率的非線性布局特點(diǎn)，用不等間隔距離的定積分、改變積分限的計(jì)算方法，組成關(guān)于沉降罐原油儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)計(jì)量的相關(guān)模型，以解決在聯(lián)合站動(dòng)態(tài)油量盤庫(kù)中實(shí)施動(dòng)態(tài)化計(jì)算的各種難題。

油田；計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；聯(lián)合站；液面；油量盤庫(kù)

國(guó)外油田自動(dòng)化監(jiān)控工作已有幾十年的發(fā)展歷史，并且在國(guó)外油田中早已應(yīng)用監(jiān)控采集系統(tǒng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)輸送方式。而我國(guó)的油氣采集、集輸技術(shù)比較落后，各種不同數(shù)據(jù)的采集需要依靠人工力量來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)控制的不斷發(fā)展，以及現(xiàn)代化油田遠(yuǎn)程監(jiān)控體系在我國(guó)石油行業(yè)中的推廣應(yīng)用，借助采集設(shè)備采集、分析各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，可充分了解設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

1 聯(lián)合站監(jiān)控體系

目前在油田應(yīng)用較廣泛的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主要有三種形式：可編程邏輯控制器系統(tǒng)（PLC）、PC總線工控機(jī)體系以及集散控制體系（DCS）。聯(lián)合站監(jiān)控體系選用PLC系統(tǒng)，整個(gè)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的采集數(shù)據(jù)、控制過(guò)程進(jìn)度均通過(guò)PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示，操作人機(jī)界面，管理整個(gè)工藝、控制過(guò)程，打印出各種不同形式的報(bào)表等[1]。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展速度越來(lái)越快，同時(shí)Ethernet技術(shù)及總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促使現(xiàn)階段的生產(chǎn)監(jiān)控體系向遠(yuǎn)程監(jiān)控、分布式的方向發(fā)展，具體發(fā)展方向?yàn)榻y(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線控制體系、分布式控制體系、網(wǎng)絡(luò)化控制體系及開放式綜合集成體系等[2]。

2 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一種綜合性較強(qiáng)的技術(shù)，它實(shí)際是現(xiàn)代電腦技術(shù)、檢測(cè)、傳感技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的綜合性運(yùn)用[3]。計(jì)算機(jī)控制是指借助傳感器裝置將要控制對(duì)象涉及的各種物理參數(shù)轉(zhuǎn)化成電量，并將表示具體物理參數(shù)的各種不同電量輸入電腦系統(tǒng)中，以更好地識(shí)別各種數(shù)字信號(hào)。借助電腦的顯示屏將圖形、曲線等用數(shù)據(jù)形式表示，使操作者可以直觀地觀察到被監(jiān)控對(duì)象的變化過(guò)程。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單而言分成硬件與軟件兩部分，詳細(xì)分則可分成輸入、輸出裝置，檢測(cè)輸送機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)則

控制系統(tǒng)根據(jù)操作便捷、功能全、較高的自動(dòng)化程度及檢測(cè)準(zhǔn)確、開放性好、有后續(xù)開發(fā)空間進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)控制體系的設(shè)計(jì)吸收了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外各項(xiàng)控制技術(shù)的特點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行安全平穩(wěn)，適宜長(zhǎng)時(shí)間在惡劣環(huán)境條件下工作[4]；同時(shí)，一個(gè)優(yōu)良的計(jì)算機(jī)控制體系應(yīng)具有一定的通用性，可以靈活地?cái)U(kuò)充升級(jí)，攜掛不同種類的傳感器，檢測(cè)多種不同的參數(shù)。

3 聯(lián)合站動(dòng)態(tài)油量盤庫(kù)控制

3.1 儲(chǔ)罐原油含水率的檢測(cè)

在油田聯(lián)合站中以做垂直運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)施沉降罐參數(shù)移動(dòng)檢測(cè)，該傳感器由發(fā)射體、短波發(fā)生器和接收體三部分組成[5]。其中原油介質(zhì)為發(fā)射體、接收體，如果原油的含水率出現(xiàn)變化，相應(yīng)地短波吸收能量也會(huì)隨之改變，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或者二次儀表、儀器顯現(xiàn)出油罐參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中的智能檢測(cè)部分，各種系統(tǒng)化管理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，并對(duì)油罐群的不同參數(shù)進(jìn)行管理。具體在采樣過(guò)程中，油水界面從上直至罐底可能出現(xiàn)自動(dòng)停止情況，借助傳感器進(jìn)行自動(dòng)返回上升。如果一直升至油水乳化帶，需要將含水率為95%當(dāng)作分界線，隔離油水之間的界面。以此為基礎(chǔ)，傳感器保持同等間隔距離檢測(cè)油罐中處于不同高度的油層含水率、溫度數(shù)值。一旦含水率發(fā)生較大變化時(shí)，則需要增加測(cè)量點(diǎn)的個(gè)數(shù)，確保傳感器可以檢測(cè)到液面位置。

3.2 沉降罐原油儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)計(jì)量

如果聯(lián)合站進(jìn)行脫水時(shí)，沉降罐的油液數(shù)量將出現(xiàn)動(dòng)態(tài)性變化，相關(guān)影響因素主要包括：原油含水率隨著油層溫度的改變而改變，罐中油水界面的改變，原油的密度層發(fā)生了顯著性變化，并且輸入油液總量的含水率發(fā)生一定變化，嚴(yán)重影響到水界面的深度，而溫度則會(huì)影響密度變化。原油密度與溫度是一種直線關(guān)系，用公式表示為

其中t表示任意溫度；λ表示原油密度、溫度系數(shù)；ρt表示當(dāng)溫度為t時(shí)原油密度；ρ20表示原油樣品標(biāo)準(zhǔn)密度。在公式中直線方程斜率指的是原油密度溫度系數(shù)，在絕對(duì)密度確定的條件下，油罐儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)計(jì)量公式是

式中D為油罐直徑長(zhǎng)度；Gd為油罐儲(chǔ)油量；k為修正系數(shù)；ha為油水界面高度；hb為油罐液面高度；Cw為原油含水質(zhì)量百分率。

在采集各種不同儲(chǔ)罐參數(shù)的過(guò)程中，采集點(diǎn)數(shù)明顯不同，其應(yīng)該是間隔不等的采樣流程，將區(qū)間（ha，hb）分為n份，通過(guò)各個(gè)分點(diǎn)做一條和y軸平行的直線，記作yk=f（hk）。

曲線下方處于hi-1和hi范圍內(nèi)的一條曲邊當(dāng)作原曲線的一段弧。如果細(xì)分各個(gè)區(qū)間，將小弧看作近似一條直線，則四邊形可用一個(gè)類似梯形取代，其面積用公式表示則為

其中

進(jìn)一步得出儲(chǔ)罐油量動(dòng)態(tài)計(jì)算公式

在具體應(yīng)用過(guò)程中，ha、hb均隨著時(shí)間的改變而改變，故積分限是可以改變的，這個(gè)公式實(shí)際上是和發(fā)生變化的積分限近似原來(lái)儲(chǔ)油量的計(jì)算方式，在確保提升計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，定積分近似計(jì)算用拋物線方法。

3.3 凈油罐參數(shù)測(cè)控體系

凈油罐參數(shù)測(cè)控體系中的超聲波液位變送器可以檢測(cè)到罐內(nèi)部原油的具體液面位置，然后用相關(guān)儀器檢測(cè)油水分離位置的界面。當(dāng)油水界面值大于相關(guān)設(shè)定數(shù)值以后，可以調(diào)節(jié)電腦內(nèi)部的輸出信號(hào)促使調(diào)節(jié)閥在底部排除的水流至脫水器內(nèi)部。立式金屬圓柱形油罐儲(chǔ)量計(jì)算公式定義為

式中Gv為油罐內(nèi)儲(chǔ)油數(shù)量；H為油罐的儲(chǔ)油高度。

3.4 外輸油量計(jì)算

在計(jì)算外輸原油過(guò)程中，用油水分析儀檢測(cè)出輸出原油的含水情況，如果檢測(cè)結(jié)果顯示含水率超過(guò)原油時(shí)證明不合格，需由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出的信號(hào)進(jìn)一步調(diào)節(jié)三通電磁閥，同時(shí)把外部輸出總管的原油輸送至凈油罐內(nèi)部。并用流量計(jì)、含水率檢測(cè)儀器、密度計(jì)來(lái)檢測(cè)在線油量，具體計(jì)算公式如下

式中Gm為原油在空氣中的純粹質(zhì)量；Mf為流量系數(shù)；Vt為流量計(jì)累計(jì)流量數(shù)值；Ct為原油體積溫度修正系數(shù)；Cp為原油體積壓力修正系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

油田聯(lián)合站監(jiān)控最關(guān)鍵之處在于及時(shí)監(jiān)控工藝流程中的各項(xiàng)參數(shù)。具體在原油分離過(guò)程中液位、鍋爐溫度、壓力及相關(guān)重要參數(shù)，均和聯(lián)合站安全、穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)。本文簡(jiǎn)要介紹了目前國(guó)內(nèi)外聯(lián)合站監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展情況，闡述了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的具體內(nèi)涵，再參照原油含水率的非線性布局特點(diǎn)，用不等間隔距離的定積分、改變積分限的計(jì)算方法，組成關(guān)于沉降罐原油儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)計(jì)量的相關(guān)模型，以解決油田聯(lián)合站動(dòng)態(tài)油量盤庫(kù)中實(shí)施動(dòng)態(tài)化計(jì)算的各種難題，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)盤庫(kù)體系、動(dòng)態(tài)計(jì)算油田聯(lián)合站原油儲(chǔ)量奠定了基礎(chǔ)。

[1]鄭巍，趙冀．基于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的油田聯(lián)合站自動(dòng)化盤庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電腦知識(shí)與技術(shù)，2008，2（12）：92-93.

[2]陳雪梅，李鑫，李一平，等．油田聯(lián)合站自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用[J]．石油鉆采工藝，2009，31（S2）：128-130.

[3]翟會(huì)波．中一聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化[J]．油氣田地面工程，2011，30（6）：68-69.

[4]張乃祿，劉峰，郝佳，等．聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析[J]．油氣田地面工程，2008，27（12）：50-51.

[5]文宏．SCADA系統(tǒng)在輸油管道站庫(kù)管理中的應(yīng)用[J]．中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011，5（12）：196-198.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.038