計量間智能摻輸調節(jié)技術

賈 菲, 王 剛, 齊建偉

(1.中國石油吉林油田分公司 長春采油廠， 吉林 長春 130000；2.中國石油吉林油田分公司 新民采油廠， 吉林 松原 138000)

0 引 言

吉林油田長春采油廠的原油集輸多采用摻水伴熱流程[1]，該流程既要求計量間回油溫度必須高于聯(lián)合站回油溫度，確保原油不會在管道中凝固，又要求各計量間合理控制熱水摻入量，做到節(jié)約能量、減少能耗。目前，這項摻輸調節(jié)工作由計量間的石油工人完全依靠手工操作來完成，石油工人需要頻繁地進入現(xiàn)場，查看儀表，根據(jù)工況調節(jié)摻輸管道的閥門。這種操作不但工作量較大、效率低，而且摻輸參數(shù)的控制完全依靠經(jīng)驗，不精確，摻輸水量不均和回油溫度波動大的情況時有發(fā)生，摻輸系統(tǒng)的工作故障率偏高，直接影響生產(chǎn)效率。

計量間智能摻輸調節(jié)系統(tǒng)以現(xiàn)代感測與自動化控制技術為基礎，通過在原有集輸系統(tǒng)中增加調節(jié)閥和電控執(zhí)行機構，并輔以各環(huán)路溫度和壓力數(shù)據(jù)的采集與處理，以PLC為控制核心，智能控制各個環(huán)路的閥門開合動作，實現(xiàn)精準的摻輸調節(jié)。

1 閥體與執(zhí)行機構設計

目前，計量間摻輸閥門一般采用常規(guī)法蘭連接截止閥，該類型閥門存在開關不靈活、維修保養(yǎng)工作量大等缺點[2-3]。計量間智能摻輸調節(jié)系統(tǒng)設計了新的調節(jié)閥，根據(jù)環(huán)狀集油流程特點，使用油氣水三相混輸管路的方式來處理管路的參數(shù)計算。

(1)

式中:Q----流經(jīng)閥的流量，m3/h;

ΔP----閥前、后的壓差，Pa;

Kv----閥門的流通能力。

閥門全開時的流通能力最大為Kvs，全關時為0，其它開度位置的流通能力用Kv表示，與閥門的開度相對應。已知經(jīng)過閥門的流量和閥門的Kvs值，根據(jù)式(1)可算出閥門的壓降，為閥門選型提供依據(jù)。

閥門流量特性如圖1所示。

(a) 熱交換量與相對流量關系曲線(b) 相對流量與閥門開度關系曲線(c) 熱交換量與閥門開度關系曲線

圖1 閥門流量特性

在DN40單管環(huán)狀摻水集油混輸管路中，運行溫差小，其相對流量與相對熱交換量關系呈上拋型曲線(見圖1(a))[4-5]。閥門流量特性所反映的是相對流量與閥門開度之間的關系，為了實現(xiàn)開度控制與熱交換量成線性關系，結合壓力差與調節(jié)特性設計了雙通閥，結構如圖2所示。

1.閥桿; 2.密封; 3.閥體; 4.閥芯; 5.閥口;

其理想流量特性見圖1(b)。

計量間智能摻輸調節(jié)技術在實驗室和某計量間開展了應用,確定的調節(jié)閥為籠形閥芯、等百分比調節(jié)模式，直行程動作。型號為DN40 PN25的閥門參數(shù)見表1。

表1 閥門參數(shù)

閥體的電控執(zhí)行機構采用了液壓傳動的西門子SKD60驅動器，接收來自PLC的4～20 mA控制信號，并以0～10 V的狀態(tài)信號作為反饋；驅動器具有極限位置力敏開關，對電機起過載保護作用，能夠有效地防止燒壞驅動器；有信號燈對驅動器的狀態(tài)進行顯示，如出現(xiàn)異常，可通過信號燈顯示的狀態(tài)判斷出來。電動執(zhí)行器外形尺寸滿足生產(chǎn)現(xiàn)場安裝需求，輸出力矩滿足摻輸調節(jié)要求，具體參數(shù)見表2。

表2 執(zhí)行機構參數(shù)

2 檢測單元設計

環(huán)狀摻水集油混輸管路中根據(jù)生產(chǎn)工況要求，依據(jù)管道壓力和回油溫度調節(jié)摻輸水量。在計量間內測得的單環(huán)回油溫度是摻輸控制的重要參數(shù)，該參數(shù)可以反映摻輸環(huán)的運行基本狀態(tài)，是控制的直接目標。但就摻輸回油溫度來講，存在滯后問題，即受管線容積、摻輸排量、管線長短等因素影響，當在計量間內調整水量后，溫度需要調整后的“水頭”在管線中循環(huán)一周后才能看到調整后的溫度變化情況。因此計量間摻輸系統(tǒng)可以被認為是一個具有較大時間延遲的滯后系統(tǒng)。摻輸壓力是另一個重要參數(shù)，需要與井口回壓建立壓差關系，保證能摻進去水，且控制好水量，確保合理的摻輸量。計量間智能摻輸調節(jié)系統(tǒng)在壓力參數(shù)檢測中，采用基于擴散硅工藝的壓力變送器，其具有靈敏度高、精度高、可靠性高、溫度性能好、抗電擊穿性能好、 耐腐蝕性好的特點。

系統(tǒng)設計參數(shù)為：

壓力范圍：0～6 MPa；

溫漂：±0.03%FS/℃;

輸出：4～20 mA；

傳輸方式：兩線制；

額定電壓：24 V；

閥門最大安全工作壓力：9 MPa。

溫度參數(shù)檢測采用溫度變送器，設計參數(shù)為：

測溫范圍：0～100 ℃；

準確度：±0.3 ℃；

輸出：4～20 mA；

傳輸方式：兩線制；

額定工作電壓：24 V。

計量間智能摻輸調節(jié)技術設計的控制裝置被規(guī)范布置安裝于控制柜內,電氣參數(shù)見表3。

表3 電氣參數(shù)

3 控制中心設計

計量間智能摻輸調節(jié)系統(tǒng)在摻輸管線上安裝了壓力變送器、溫度變送器、閥體和電動執(zhí)行器后，以臺達DVP12SE11R型號PLC為控制核心，通過DVP06AD-S模擬量輸入模塊和DVP16SP11R數(shù)字量輸入輸出模塊實現(xiàn)對摻輸環(huán)路中管線壓力和回油溫度的實時測量，并驅動執(zhí)行器行程動作。人機交互系統(tǒng)以昆侖通態(tài)TPC7062Ti型號分辨率800×480觸控屏為載體[6-9]，提供良好的人機交互界面，HMI主界面如圖3所示。

系統(tǒng)可完成摻輸環(huán)路的溫度上限、下限設定，實現(xiàn)手動/自動調控閥門動作，具有權限分級功能、歷史數(shù)據(jù)記錄和查詢功能、具有超限報警功能等[10-12]。中控系統(tǒng)布置于1 800 mm*700 mm*600 mm機柜內，柜內布線安裝了繼電器MY2NJ DC24V、變壓器和DRP024V120W1A電源保護裝置等，控制柜安裝布置如圖4所示。

圖3 人機交互界面

圖4 電氣柜安裝圖

4 分析驗證

計量間摻輸調節(jié)過程是伴隨石油開采一同進行的，生產(chǎn)狀況隨時變化，不可重復，因此，智能摻輸調節(jié)系統(tǒng)投入使用后.無法對比同時刻該環(huán)路的人工調節(jié)與智能調節(jié)效果。一組數(shù)據(jù)來自某條環(huán)路的歷史記錄，另一組來自該環(huán)路智能摻輸調節(jié)的運行記錄。48 h內的數(shù)據(jù)對比如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)對比圖

從圖中可以看出，人工調節(jié)具有一定的周期性，即工人總是每隔4 h左右調節(jié)一次，管線溫度變化較為劇烈，調節(jié)也不夠及時，并且多處相同數(shù)值也體現(xiàn)出人工記錄的精度比較低。智能調節(jié)曲線維持在設定的38 ℃左右，變化平緩，曲線中的下凹處是由于原油間歇性出液所造成的溫度突變，智能調節(jié)系統(tǒng)及時快速地做出了反應，隨后維持在設定值附近。

5 結 語

計量間智能摻輸調節(jié)系統(tǒng)在現(xiàn)場運行至今，狀態(tài)平穩(wěn)，性能可靠，可實現(xiàn)油田常態(tài)摻水集輸和采油間出現(xiàn)特殊情況下自動維持回油溫度在設定范圍之內，既減輕了工人的勞動強度,又降低了能耗，有效提高了生產(chǎn)效率。