油水界面測量軟件設計學士學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 受液體密度的影響，而分離罐中原油密度受水份、含水率、溫度及壓力的影響會發生變化，導致界面檢測出現誤差 。所以說差壓式界面檢測儀用在原油分離罐中是一種維護量大、精度不高的方法。利用內含填充液 (如硅油 )的引壓管線，能防止引壓管線堵塞，但發蘭取壓面壓力膜片仍會受到高粘度、易結晶液體的粘結和沖擊等因素的不利影響而使其壽命和測量精度降低。美國 Fisher— Rosemount(費希爾一羅絲蒙特 )公司采用一種雙差壓法測量，簡稱 HTG 系統，即利用上、中、下三點的靜壓求出兩個差壓，通過比較消除了密度的影響，但該方法對非勻相液體的測量是無效的。 （ 3） 電容式界面檢測儀 圖 12 容界面檢測儀 對圓柱殼金屬容器 ，在其中心豎直插入一根電極，則電極與容器壁之間就可視為一個柱型電容器。油水界面以上部分的電容器以油為電介質，油水界面以下部分的電容器以水為電介質，兩者并聯構成了整個電容， 此電容進行必要的轉換，就可以得到油水界面的位置。這種方法靈敏度高，動態響應特性好，其中電容測試轉換電路的抗干擾性能是關鍵的。它的缺點是容器內工作溫度、濕度、壓力以及電極腐蝕等會影響測量精度，測量輸出經常漂移，須定期 重新標定，而且價格也 比其他幾種。 （ 4） 雷達／超聲波式界面檢測儀 該方法將超聲波發生器和接收器放入油罐中，利用超聲波在油和水中 傳播速度的不同來測量界面位置。其優點是有效地克服了掛油問題，但由于發送和接收距離限制使其精度下降，并且不能實現儲油罐油量的準確計量。 油水界面測量軟件設計 6 近年以微波為基礎的傳感器已被用于乳化液層的檢測。但此系統很昂貴，此外微波的高能量使得該技術不適合檢測可燃液體。因此國外提出了一種新的以超聲波為基礎，用于多層液面測量（ MLLM）的硬件裝置。超聲波檢測系統包括一對位于充滿硅油的 U 形管上層的超聲換能器，超聲波通過液體傳送到可移動的不銹鋼鏡子，這個鏡子作為超聲波的反射器。該器件測試通過縱向介質面的超聲波的傳播速度，測試的位置不同，介 質組成也不同。相比其他技術，該方案是安全的，且不需要移動任何構件。不過，該設備沒有擴展到工業儲油罐，因為超聲波通過三種不同的介質（如從硅油到金屬 U 型管的目標液體）時將會嚴重的衰減。此外，頻率較高的超聲波信號用于乳化液層的檢測。在高儲油罐中，超聲波傳感器的角度（通常多于 3 度）所引起的誤差可以忽略不計。 多層界面檢測設備包括兩個分別位于縱向位置的超聲波傳感器（分別是發射器和接收器），分別檢測儲油罐內油和水之間乳化液的高 、 低液面。兩種傳感器在同一水平面內上下運動，提供該液面的信息。但是該系統不適合在相對較高的儲油 罐內運動（即高于 3 米的油桶）。原因之一是接收超聲波的傳感器產生相對較弱的回波信號，如果他們的分離距離超過幾米超 聲波很難到達發射器。此外，該系統使用頻率相對較低的超聲波（即低于 80KHZ），從而影響測量精度并阻礙設備檢測。另一個缺點是傳感器和內壁之間的連接松散，較薄的油插入他們之間，使得傳感器的不能移動。因此儲油罐中經常需要頻繁的維護。在此提出了一種可以克服上述弊端的工業樣機超聲設備。該系統不包括任何移動部件，在油桶中以多種方式，在不同高度傳遞超聲波，可以檢測工業油桶乳化液中的液面。 整個系統是模塊化的由一維數組的超聲換能器組成，他們通過不銹鋼屏蔽線以鏈的方式連接到一起，嵌入式發射機是基于計算機（ RISC）處理器執行控制，數據采集，實時模式識別任務。在夏季，這種設計的可以持續在 70 度高溫儲油罐內工作。 石油領域中，這種設備用于過程控制，如界面檢測設備或儲油罐中插入具有特殊管道的乳化液檢測設備。這條管道縱向安置在儲油罐上，并覆蓋整個油桶的高度，包含了幾個洞，讓液體進入其內部。由于液體流動使測量設備移動，因此，這些管道內液體將提供相應的液位，和在儲油罐縱向位置的液體密度。如圖 13 為乳化液層檢測系統地硬件設備，這一設備被插入立罐，在縱向位置上由兩個平行的不銹鋼組成的，并且相互之間分隔 5 厘米。這里包括了 28 個高頻超聲換能器，每個傳感油水界面測量軟件設計 7 器包括感應器和他的相應的電子產品。 圖 13 乳化液層檢測系統硬件 在這個項目中，設計超聲波工業設備，實施，并實時精確的檢測 6 米儲油罐的乳化液層。該設備易于維護和安裝，是模塊化的。該設備的所有物理部件都是不銹鋼的，可以提供更好的抗腐蝕性。該裝置由 28 個傳感器組成，它們分別單獨以多種方式被激活，以避免串擾問題。隨著將來的工作，該設備將得到改善，以提供乳化液的液體組成，檢測油桶中存在的沙沉積物，在不同情況下改善或驗證設備的可靠性。 （ 5） 射頻導納界面儀 射頻導納界面儀以射頻阻抗理論為基礎，通過被測介質呈現的阻抗特性反映油水界面位置，由于其具有測量范圍大、可以克服礦化度和掛油影響等優點而應用廣泛。它是在傳統電容式液位計的基礎上進行了改進 ,增加了探頭根部抗黏附、抗冷凝的功能，但是該方法僅通過電導率一個參數很難完全反映油水乳化液的狀態，這就使射頻導納界面儀無法跟隨乳化帶的變化，在現場應用中其 誤差通常為幾十厘米，最大誤差可達 1 米左右，這很難滿足生產要求。圖 14 為億科儀器儀表有限公司生產的射頻導納連續液位計。 射頻導納物位控制技術是一種從電容式物位控制技術發展起來的，防掛料性能更好，工作更可靠，測量更準確，適用性更廣的物位控制技術， ―射頻導納 ‖中 ―導納 ‖由阻抗成份，容性成份，感性成份綜合而成，而 “ 射頻 ” 即高頻，所以射頻導納技術可以理解為用高頻電流測量導納的方法。高頻 正弦 振蕩器輸出一個穩定的測量信號源，利用電橋原理，以精確測量安裝在待測量容器中的傳感器上的導納，在油水界面測量軟件設計 8 直接作用模式下，儀表的輸出隨物位的 升高而增加。 圖 14 頻導納界面儀 對一個強導電性物料的容器，由于物料是導電的，接地點可以被認為在傳感器絕緣層的表面，對儀表傳感器來說僅表現為一個電容和電阻組成的復阻抗，從而引起兩個問題。 第一個問題是物料本身對傳感器相當于一個電容，它不消耗變送器的能量，（純電容不耗能），但掛料對傳感器等效電路中含有電阻，則掛料的阻抗會消耗能量，從而將振蕩器電壓拉下來，導致橋路輸出改變，產生測量誤差。我們在振蕩器與電橋之間增加了一個驅動器，使消耗的 能量得到補充因而會穩定加在傳感器的振蕩電壓。 第二個問題是對于導電物料，傳感器絕緣層表面的接地點覆蓋了整個物料及掛料區，使有效測量電容擴展到掛料的頂端，這樣便產生掛料誤差，且導電性越強誤差越大。 但任何物料都不是完全導電的。從電學角度來看，掛料層相當于一個電阻，傳感器被掛料覆蓋的部分相當于一條由無數個無窮小的電容和電阻元件組成的傳輸線。根據數學理論，如果掛料足夠長，則掛料的電容和電阻部分的阻抗和容抗數值相等，因此用交流鑒相采樣器可以分別測量電容和電阻 。 這些多參量的測量，是測量的基礎，交流鑒相采樣器是實現的手 段。由于使用了上述技術，使得射頻導納技術在現場應用中展現出非凡的生命力。 射頻防護（內置濾波器）：對于來自 米（ 59″）以外的其它外露傳感器，電纜油水界面測量軟件設計 9 或輸電線路功率為 5W 的射頻干擾，該變送器電路具有防護功能，即使在導電物料中精度不受影響 （ 6） 磁致伸縮式界面檢測儀 磁致伸縮式界面檢測儀的工作原理是磁致伸縮效應，其核心的傳感部件是美國MTS 公司發明的磁致伸縮線。當開始測量時，檢測儀頭部產生一低電流 “ 詢問 脈沖，此電流同時產生沿波導管內的感應線向下運行的電流磁場。在檢測儀管外配有浮子，此浮子沿測量桿隨著油水界面 的波動而上下移動。由于浮子內裝有一組永久磁鐵，所以浮子會同時產生一個磁場。當電流磁場與此浮子磁場相遇時，產生波導扭曲的脈沖，簡稱 “ 回答 ” 脈沖。 “ 詢問 ” 脈沖發出至檢測到 “ 回答 ” 脈沖的時間確認為浮子的位置。其優點是： 首先，沒有強制運動部件，沒有疲勞，是無損傷性檢測，壽命長，穩定性好；其次，其扭轉應力波的特異性好，不存在干擾； 再次，應力波的傳播速度不變，僅取決于磁致伸縮材料，與其它因素無關。其缺點是：采用插入式安裝，屬于接觸測量，而且由于仍然使用了浮子，所以不適用于原油等高粘度、易粘結的物質。 （ 7） 光纖式界 面檢測儀 圖 15 光纖液位計 自 1990 年以來，光纖技術用于界面檢測的專利很多，尤以美國為最。主要利用光纖的傳輸功率隨外界介質折射率的變化而變化這一特性來檢測油水界面。光纖式界面檢測儀耐高壓、耐腐蝕、體積小、重量輕、抗電磁干擾、靈敏高、動態范圍大，并且無電火花，適用于易燃易爆場合。但它也屬于接觸式測量，受介質粘附、溫度變化等因素的影響大。 油水界面測量軟件設計 10 本文的主要設計內容 本文主要分為以下幾個部分： 第一章， 先提出了本設計課題的背景和研究的意義，然后介紹了國內外對于油水分離研究的現狀和油田原油的生產工藝 ，界面測量儀的種類，最后是論文的結構。 第二章， 總體設計方案的提出，以及總體設計的流程圖，油水界面測量系統要實現的功能。 第三章， 對油水測量硬件的介紹，其中包括 A36W 型油水界面測量儀的概述，性能和技術指標，以及分段電容傳感器的工作原理，最后是轉換串口概述。 第四章， 軟件部分的設計，簡單介紹了以下 MCGS 組態軟件，設計過程中對設備窗口，用戶窗口，實時數據庫和循環策略的參數及變量的設置， Modbus 通訊協議的概述以及油水界面分離的算法的研究。 第五章， 通過編制的界面完成油水界面測量實驗的整體過程，以及實驗數據的記錄。 油水界面測量軟件設計 11 第二章 系統 整體方案 設計 總體 設計 方案 選擇 （ 1） 在油水混合物中，由于密度不同，會形成上層為油層，下層為水層，在實際油田生產過程中，必須要確定油水界面的位置。 （ 2） 關于實現油水界面檢測儀與 PC 的通訊，有以下兩種方案： ①通過數據采集卡將數據采集到 PC 中，但是由于界面測量儀輸出的數據本身已經是數字信號，所以不用數據采集卡處理。 ②用 485232 轉換串口直接將界面測量儀輸出的數據采集到 PC 中。 （ 3） 選擇處理數據的軟件，考慮了三種方案： ①阿爾泰數據采集卡軟件，由于上面已經提到本試 驗用不到數據采集卡，所以不采用這種方案。 ②采用 MCGS 軟件實現油水界面的檢測 ,由于 MCGS 軟件在實現動畫方面的功能比較豐富，可以比較直觀的模擬油水界面檢測的整個過程，所以選擇此方案。 （ 4） 通過油水界面分離算法，在 MCGS 軟件中編寫腳本程序，對采集到計算機中的數據進行處理，從而實現油水界面的實時測量，進而完成實驗。 總體方案設計流程 圖 21 數據傳輸過程 A36W 型油水界面測量儀采集到的數字信號通過 UT216 型 485232 轉換串口將油水界面測量軟件設計 12 數據送入計算機中，在組態軟件 MCGS 中虛擬設備 0 內部設置 22 個通道分別連接對應的 22 個電容傳感器所測得得數字量，組態過程中直接利用這 22 個通道中的數字量進行 組態 設計 。 圖 22 總體流程圖 油水界面系統及其實現的功能 將計算機控制技術與油田采油工藝過程相結合，可以提高油田采油過程自動化檢測水平，盡可能多地減輕工人的勞動強度，提高工作效率，同時能夠將油田最關心的一些數據如油田日產油量等數據通過計算機控制自動存儲到 實時 數據庫中， 并能實時顯示，便于油田工作人員操作， 本課題所要實現的主要功能如下： （ 1） 通過油水界面檢測 儀檢測相關油水界面的數據。 （ 2） 將油水界面檢測儀檢測到的數據通過轉換串口輸入計算機中。 （ 3） 在 MCGS 中根據相關的算法編寫腳本程序，將所得數據轉換為液位高度。 （ 4） 用 MCGS 軟件 編 制一個界面，可以顯示油，水，乳化液的高度。 課題的研究方法及問題處理 2.. 課題研究方法 （ 1） 首先確定設計課題，結合本專業知識選擇與專業相關的課題，并根據要求，采用 MCGS 實現油水界面的測量監控。 油水界面測量軟件設計 13 （ 2） 仔細閱讀所查的相關資料，對所要設計的實驗系統做細致全面的認識，包括其基本組成、工作原理、應用領域、國際國 內研究情況等等。首先分析前人的成果，研究其優點及缺點，然后作出關于本課題的設計方向以及設計重點。 （ 3） 總體方案設計。通過調研和查閱資料，擬定總體的研究方案。 （ 4） 在實驗室內分段電容傳感器上進行試驗調試，明確編程的內容。 （ 5） 實驗系統軟件部分的設計與實現。計算相關算法，并利用 MCGS 實現油水界面的檢測 。 研究中出現問題的解決方案 （ 1） 在油水混合物中