集油站安全监控系统硬件设计二(采用智能仪表方案)

作者:数字石油
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发布时间:2014-07-22 16:38:53
来源:数字石油

 

1.1  课题研究的目的和意义
1.1.1  课题研究的目的
    联合站是油田生产中地面工程最关键的一环,是集油气分离、原油脱水、原油计量、稳定外输、油田注水、污水处理、消防及热力系统等为一体的综合生产过程。原油计量是油田开发生产中的一个重要环节。随着国内大部分油田开发进入到后期产能递减,产液量增加,原有综合含水率上升,油井计量站规模增大。同时,联合站外来进液量波动增大,给原油准确计量和稳定外输带来很大的影响。目前我国大多数油田联合站的自动化水平还很低,还停留在人工手动状态,对物位、液量、压力和温度等过程参数都需要靠人工检测,人为误差大,严重影响生产效率及产品质量。针对联合站的实际情况以满足联合站原油外输计量生产要求,开发这一套原油外输计量监控系统,它能对生产现场实现原油计量高精度的远程集中化科学管理和实时的线控制:实现流程操作权自动化,保证生产的顺利进行。
    随着科学技术的不断进步,特别是工业控制技术的飞速发展,我们已经开始步入一个崭新的自动化控制新时代。计算机自动监控系统已经广泛的应用于离散过程、连续过程等各种工业自动化领域以及电力、化工、食品、水处理等各个行业。现在国内外都将计算机监控系统对油田联合站的各个生产工艺过程进行实时监控、与数据采集等,计算机监控系统的发展为集油站的自动化监测注入了新的活力。因为集油站是油气集输过程中的一个重要环节,它直接关系到外输原油的质量,其工艺特点是系统关联紧密、操作规程严格、系统运行状况复杂多变且系统过程中流程多变。所以采用计算机监控系统对其工艺过程进行实时监控可以有效的提高生产率、减少事故发生率、降低工人的劳动强度,本文主要针对集油站的工艺流程介绍了其计算机控制系统硬件设计(智能仪表方面)。
1.1.2  课题研究的意义
    随着科学技术的不断进步,特别是工业控制技术的飞速发展,我们已经开始步入一个崭新的自动化控制新时代。计算机自动监控系统已经广泛的应用于离散过程、连续过程等各种工业自动化领域以及电力、化工、食品、水处理等各个行业。现在国内外都将计算机监控系统对油田联合站的各个生产工艺过程进行实时监控、与数据采集等,计算机监控系统的发展为集油站的自动化监测注入了新的活力。因为集油站是油气集输过程中的一个重要环节,它直接关系到外输原油的质量,其工艺特点是系统关联紧密、操作规程严格、系统运行状况复杂多变且系统过程中流程多变。所以采用计算机监控系统对其工艺过程进行实时监控可以有效的提高生产率、减少事故发生率、降低工人的劳动强度。自动化经过 50 年的发展,通过技术引进,消化吸收和不断创新,自动化水平取得了长足进步。现场从手工操作发展到自动控制,从低级的单回路控制 发展到高级复杂系统控制,直到管控一体化。此外,在自动化装备、技术、功能、规模等方面都有了很大提高;测量和控制装置不断更新升级,正在运行的数千套 DCS、 PLC(可编程控制器)和 IPC(工业个人计算机)系统已成为大中型石油和化工企业及小 型骨干化工企业的主要控制手段。常规仪表性能大大提高。已成为石油和化工企业 生产过程的主要检测手段,电子仪表、数字仪表、智能变送器与执行器的使用量逐渐 增加。现场总线控制系统的试用取得进展,近年来已成为石油和化工自动化领域发 展的热点之一。对于石化行业来说,底层控制的自动化是实现信息化的基础。油田、油井,计量站大部分都分布在偏远地区,对其工艺过程的工作状况,运行参数的监控与控制,一直是油田的一项重要且困难的工作。油田的生产,开采过程中有大量的数据需要工作人员及时的采集和记录,以供管理部门及时的作出决策,管理生产。如果这些数据都要人工采集,记录的话,必然给工作人员带来巨大的工作量,而且效率低,误差大,而且影响了数据的实时性。随着自动化的发展,对油田生产的各个环节的监测,检测正朝着监控自动化的方向发展。目前油田已经采用自动监控系统,对其各个生产环节进行实时参数与故障监 控,检测,实施智能化监控与管理。 
    计算机监控技术时一门综合性的技术。他是计算机及技术(包括软件技术,接口技术,通信技术,网络技术,显示技术)、自动控制技术、自动检测技术和传感技术的综合应用。任何一个计算机监控系统的设计与开发基本上由六阶段组成的。既:可行性研究、初步设计、详细设计、系统设施、系统测试和系统运行。当然,这六个阶段并不是完全按照直线顺序进行的。在任何一个阶段出现了问题都可以返回到前面的阶段进行修改。
    所谓计算机监控就是利用传感器装置将被监控对象中的物理参量(如温度、压力、流量、液位、速度)转换为电量,并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来,从而时操作人员能够直观而迅速的了解被监控对象的变化过程。通过应用计算机监控技术,可以稳定和优化生产工艺,提高产品质量,降低能源和原材料的消耗,降低生产成本。还可以降低劳动这的强度,并且提高管理水平,从而带来极大的社会效益。正因为如此计算机监控技术以在各个领域都有所发展。
    计算机监控系统可以由以下几个部分组成:计算机、输入输出装置,监测、变送机构。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

图1—1 计算机控制系统组成原理图
 
1.3  计算机控制系统的主要特点与原则
1.3.1  主要特点
(1)实时性。对工业生产过程进行实时在线检测与控制,按优先级进行采集和输出调节,保证被控系统的正常运行。
(2)可靠性。具有在较为恶劣的工业现场长期工作的能力,并具有良好的故障诊断和维护性。
(3)较强的输入/输出能力。可与工业现场的检测仪表和控制装置相连接,完成各种测量控制任务。
(4)应用软件丰富。目前大多数计算机监控系统以WINDOWS做工作平台,系统软件、应用软件丰富,可提供良好的人机界面,特别是组态软件更为用户提供了方便。
1.3.2  设计原则
可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。
1.4  集油站
1.4.1  集油站简介
水下采集系统由水下采油井口装置、井内测试设备、井口监控系统、浮式或平台集油站、油气处理装置等组成。集油站能遥控操作,接受井口流出的油气,进行处理,测试各井油气生产参数,必要时向井内注入化学药剂以保证正常生产。
    集油站将开采的原油集中进行管线运输,进行油罐存储,完成对来油、输油及有关储油量得计算、存盘管理。在此过程中,对含水的原油要进行脱水工艺处理,这样形成了原油集输的若干个工艺处理过程。集油站是油田原油集输生产过程中最重要的生产工艺过程。它是集发油、卸又等多个工艺系统为一体的综合性生产过程,主要包括输油脱水,污水浅处理、污水深处理、注水、锅炉和配电等生产岗位或工艺环节。
1.4.2  集油站的发展
随着我国自动化水平的提高,油田生产实施自动化监控已经迫在眉睫。集油站是油田集输的重要组成部分,它直接关系到油田生产的正常运行,对整个油从开采到投产使用的整个流程的经济效益有极大的影响。
随着油田开发进入高含水后期, 工艺过程更加复杂,采用人工监控和常规仪表监控已很难满足生产要求。上世纪九十年代,计算机控制开始应用于联合站生产过程,并取得了一定的应用效果。但由于在方案选型、设计和管理维护等方面存在一些问题,总的来讲,应用效果不够理想。目前,集油站生产工艺过程的控制主要有人工监测控制、常规仪表自动监测控制、计算机监测控制等三种方法。
人工监测控制是由岗位操作人员根据检测仪表反映的工艺参数变化情况,凭经验对生产过程进行人工控制,其工作效率和安全系数都很低,已不能满足较高的工业过程控制的要求。
常规仪表控制采用各种检测和控制仪表实现对现场各种工艺参数的采集处理、显示、报警和调节控制,保证生产过程的高效、安全和平稳运行。这种控制方式已在集油站中得到了广泛的应用。
计算机监测控制是从上世纪七十年代迅速发展起来的一种功能强大的现代工业过程控制方法。它采用计算机技术与自动化仪表相结合,对工业生产过程中的各种工艺参数进行处理、运算、显示和控制。相对于常规仪表控制,它可以提供更为复杂的控制算法,通过对各种相关参数进行综合分析,实现协调管理和优化控制。
综上所述,在集油站中,如何合理选择、设计安全可靠和便于维护的计算机监控系统,保证油田生产的平稳运行和优化控制,实现节能降耗和安全生产,提高生产管理水平,是目前自动化技术在油田生产应用中面临的重要课题。
 
2  系统总方案设计
2.1  集油站工艺流程图
 
11   油田集油站工艺流程图
 
    某集油站工艺流程如上图。从各个油井或计量站来得油水混合物先进入三个四相分离器,进行油,水,气,沙四相分离,分离出来的水经掺水泵送到个计量站掺水或对地下注水;分离出来的原油进入脱水器再次脱水,经稠油泵送到200立方米的大罐储存;分离出来的一部分油水混合物经过外输泵在进行热交换加热后往其他集油站外输。
2.2  监控的目标和要求
    (1)监控三个四相分离器上油室,水室的的液位,温度,压力及报警。
    (2)监测三个掺水泵,三个外输泵,三个稠油泵各自前后的压力,控制各个泵的启停,  显示其运行状况,三个电磁阀启停及其状态显示及报警。
    (3)监测两个换热器各自前后的混合液的温度及报警。
    (4)监测脱水器,事故罐的温度及液位及报警。
    (5)遍布整个站区二十四个气体浓度监测及报警。
    (6)监测读取全站四个流量计数据。(数字量)
2.3  初步分析
液位、温度、压力、气体浓度监测以及各个泵运行状态显示。其中:
液位、温度、压力、气体浓度等信号经过相应的变送器后都会转换为与现场最大、最小值对应的4-20mA电流信号都是模拟量输入信号。
各个泵运行状态情况很明显是对应数字量输入信号。
    控制两个四相分离器上油室、水室的液位恒定和各个泵的起、停。其中:控制分离器上油室、水室的液位恒定可以采用PID仪表来控制。控制原理是:油室、水室的当前液位信号接入PID控制表,与表内的人工给定值比较,通过PID运算,输出4-20mA的控制信号到变频器,变频器对50Hz交流电进行变频,输出对应于4-20mA的0-50Hz交流弄点对泵上的驱动电机进行变频调速,通过调节泵的转速(流量)来控制油室。水室、的液位恒定。
控制各个泵的起停比较简单,很明显是对应数字量输出信号。
2.4  集油站的监控目标及要求 
    本课程设计研究目的是针对集油站发油、装油、卸油等工艺过程的分析,进行监控系统的硬件设计,同时对系统的适应性进行研究,建立一套具有实际应用能力的监控系统。本次设计应达到以下目标和要求: 
    1)能及时地,正确地对运行设备的运行参数和运行状况做出全监测,预防和消除事故隐患。 
    2)对设备和运行状况进行必要的指导,提高设备运行的安全性、可靠性和有效性,把运行设备发生事故的概率降低到最低水平,将事故造成的损失减低到最低程度。 
    3)通过对运行设备进行监测、隐患分析和性能评估等,为设备的结构修改、设计优化和安全运行提供数据和信息。 
    总的来说,进行集油站安全监控的目的就是确保设备的安全运行,预防和消除事故隐患,避免事故发生。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3  系统控制仪表的选型
由前面分析可知,监控系统可以采用一台工控机,下面链接PID控制表和研华ADAM4000或者ADAM5000系列模块来构成。
1)两台四相分离器油室,水室的液位恒定控制总共有4路PID控制,可选择4路单路PID表,也可选择SWP-ND105-010-23-N PID自整定控制仪,可对温度、压力、液位、速度等测量信号进行数字量显示控制(高亮度LED数码显示)及相对模拟量显示(光柱显示),使测量值的显示更为清晰直观,并可选择双光柱显示。可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。
2)由于所有气体浓度监测和液位、温度、压力信号比较重要,必须要在现场控制柜显示,所以要选择用控制柜上的显示仪。这些显示仪可以选择单路显示仪,也可以选择昌晖公司的SWPLCD—M型SWP-RMD808多通道巡检控制仪,该仪表可以轮流显示十六路模拟数据。
3)剩余6路DI信号和12路DO信号,可以选择研华模块来完成。由于数字量输出去控制泵的启停,所以输出模块最好选用继电器输出型,可以省去后接的驱动继电器。所以我们选用一个ADAM—4052模块和两快ADAM-4068模块。
4)如果仪表接口选择RS—232C接口型,则每个串口只能接一块仪表,所以上面仪表和模块都选用了RS—485接口型,这样子某一仪表就可以接同一个串口上。一般工控机都是有两个串口,我们可以把所有昌晖公司的仪表接在一个串口,把所有研华公司的ADAM4000系列的模块接在一个串口,计算机通过模块以及仪表内地址区分不同设备。但是计算机是RS—232C接口,而仪表是RS—485接口,所以还如要两个ADAM—4520模块。
5)系统还需要选用工控机、打印机、UPS等其他设备。
6)系统还需要操作系统软件和组态编程软件。
3.1  仪表的选型和参数
3.1.1  PID自整定控制仪其相关参数
 
 
 
 


 

    
 
                        31  SWP-ND105-010-23-N
    1)主要特点: 
    1)、PID参数自整定                                  
    2)、可分别带有一路PID控制输出及一路变送输出,可使用各种测量控制场合。
    3)、手/自动无扰动切换,手自状态下可修改参数。
    4)、具有各种调节输出方式(PWM输出、可控规触发输出、固态继电器输出及电压/电流输出)。
    2)变送输出方式:
选型代码
0
2
3
4
5
8
输出方式
无输出
420mA
010mA
15V
05V
 
    3)报警输出方式:
选型代码
N
H
L
G
A
D
输出方式
无报警(可省略)
上限报警
下限报警
偏差内报警
偏差外报警
 
    4)控制输出方式:
选型代码
0
1
2
3
4
5
6
7
8
输出方式
无输出
继电器
420mA
010mA
15V
05V
SCR输出
SSR输出
 
    5)特殊技术参数:
控制输出方式
PWM输出,可控硅触发输出,固态继电器输出,电压/电流输出
设定/显示精度
+0.5% FS+1位数max。设定值与显示值匹配,无相对误差
比例范围
0.0%-100.0%(单位:0.1%)
积分(复位)时间
0-9,999s(单位:1s)
微分(比率)时间
0-9,999s(单位:1s)
控制周期
1-250s(单位:1s)
采样周期
0.5s
    (6)输入类型:
代码
输入类型
   
代码
输入类型
   
代码
输入类型
   
01
B
4001800
09
Pt100.1
-99.9199.9
17
30350Ω
-199999999 d
02
S
1600 
10
Cu50
-50.0150.0
18
   
   
03
K
1300 
11
Cu100
-50.0150.0
19
420 mA开方
-199999999 d
04
E
1000 
12
420 mA
-199999999 d
20
010mA开方
-199999999 d
05
T
-200400
13
010 mA
-199999999 d
21
1 5 V开方
-199999999 d
06
J
1200 
14
15 V
-199999999 d
22
05 V开方
-199999999 d
07
Wre
2300 
15
05 V
-199999999 d
23
可切换输入
详见下表 
08
Pt100
-200650
16
020 mA
-199999999 d
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.1.2  SWP-RMD—808多通道巡检控制仪
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

32   SWPRMD808
    1)仪表特点:
    1)、用户依照仪表LCD显示屏中文菜单提示,通过面板按键可完成输入信号类型与分度号的自由切换,实现万能输入。
    2)、可选择同一报警输出,分别报警输出或者分别变送输出。
3)、可带串行通信输出,可与各种输入/输出的设备双向通信,组成分级控制系统。
2)控制作用:
选型代码
 06
07
08
09
14
控制作用
八路巡检测量显示
八路巡检统一控制/报警输出
八路巡检分别控制/报警输出
十六路巡检测量显示
十六路巡检统一控制/报警输出
    3)输出方式:
选型代码
0
1
2
3
4
5
输出方式
无输出
继电器
420mA
010mA
15V
05V
    4)报警方式:
选型代码
N
H
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