CN101787872B - 一种油田掺水管网多参数节能控制方法 - Google Patents

Abstract

一种油田掺水管网多参数节能控制方法。主要解决现有原油掺水输送方法已经难以满足现场生产要求的问题。其特征在于：由PLC控制系统采集现场安装于管网上的仪表所传来的数据，代入物性方程后求得掺水点之前油水混合物的比热容C_混和来水管道中的热水的比热容C_水，随后将获取的已知参数代入能量平衡方程组求得所需的掺水管段中热水的流量q₂，由PLC控制系统按照所求得的热水流量q₂输出控制信号，控制电动调节阀调整到相应开度。该方法实施后，能够在保证原油正常输送的前提下，实现多参数、高效率和高精度的控制，具有热利用效率高、节省能源、调整动作及时迅速等特点。

Description

一种油田掺水管网多参数节能控制方法

技术领域

[0001]本发明涉及一种对油田掺水管网进行节能控制的方法，具体的说是涉及一种利用PLC自动控制系统对油田掺水管网进行多参数流量调节与控制的方法。

背景技术

[0002]在冬季，为防止管路冻堵，保证油田掺水管网中的阀组间能够向下一级站点安全输送原油，需要提高管路中输送的油水混合物的温度。目前广泛采用的方式是利用焊接在输油管侧壁上的一个和高温水管路连接的阀门在阀组间内进行人工掺水，掺水时按照需要，人工手动调整阀门的开通量。但是经过一段时间的应用，发现在这种方式下存在着如下问题：由于油井产出液量波动较大，因此就造成了掺水量时多时少，多时造成能量浪费，少时则造成管线冻堵。此外，这样的调整方式不但反应慢，而且给操作人员造成了巨大负担。并且出于对生产安全性的考虑，操作人员一般都将阀门的开度始终保持在最大而不轻易调整，这样就使原油输送时的掺水量始终偏大，到达联合站的原油温度过高。总之，这种原油掺水输送方式在油田原油输送现场反映出工作效率低、能耗高、管理困难以及维护难度大等缺陷，由此产生了不可避免的经济损失和安全隐患，这样的原油掺水输送技术已经难以满足现场生产的要求。

发明内容

[0003]为了解决现有原油掺水输送方法已经难以满足现场生产要求的问题，本发明提供了一种油田掺水管网多参数节能控制方法，该方法实施后，能够在保证原油正常输送的前提下，实现多参数、高效率和高精度的控制，具有热利用效率高、节省能源、调整动作及时迅速等特点。

本发明的技术方案是：该种油田掺水管网多参数节能控制方法，采用由可编程序控制器构成的控制系统进行控制，此控制系统简称PLC控制系统，该方法由如下步骤组成：

①

在油田掺水管网中安装相应的能够输出数字信号的计量仪表，以获取下列瞬态变量，即掺水点之前油水混合物的压力P₁、温度T₁、流量q₁和含水率h₁，来水管道中热水的压力P₂、温度T₂，以及当地环境温度T₀，上述计量仪表所获得的瞬态变量均输出至所述PLC控制系统；

②

在所述油田掺水管网中的掺水点和来水管道之间安装一个电动调节阀控制流量，所述电动调节阀由PLC控制系统输出控制信号以控制阀门开度；

③

由PLC控制系统将获得的掺水点之前油水混合物的温度T₁、含水率h₁以及来水管道中热水的温度T₂代入事先编制好的物性参数方程中，算出掺水点之前油水混合物的比热容C_混和来水管道中的热水的比热容C_水；

④

由PLC控制系统将获得的若干数据代入事先编制好的能量平衡方程组中，即可解出所需的掺水管段中热水的流量q₂；

其中所述若干数据分别为掺水点到联合站的输油管道的长度L、内径d、传热系数K和环境温度T₀；要求原油到达联合站时的温度T_L；以及掺水点之前油水混合物的流量q₁以及温度T₁；来水管道中热水的温度T₂；掺水点之前油水混合物的比热容C_混；来水管道中的热水的比热容C_水；

其中所述能量平衡方程组由方程(5)和方程(6)构成：

(5)；

$\mathrm{\πdLK}[\frac{T_L+T}{2}-T_0]=T\left\{\right[(50.8111+2.12933\×{10}^{-1}T-0.630974\×{10}^{-2}{T}^2+0.0648311$

$\×{10}^{-5}{T}^3)\×{10}^3/18](q_1{h}_1+q_2)+\frac{{10}^3}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{15}}}[1.687+3.39\×{10}^{-3}(T-273)]q_1(1-h_1)\}-$

$T_L\left\{\right[(50.8111+2.12938\×{10}^{-1}{T}_L-0.630974\×{10}^{-3}{T}_L^2+0.0648311\×{10}^{-5}{T}_L^3)\×{10}^3/18]$

$(q_1{h}_1+q_2)+\frac{{10}^3}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{15}}}[1.687+3.39\×{10}^{-3}(T_L-273)]q_1(1-h_1)\}$

(6)；

上述方程组中所提及的ρ₁₅为15℃时原油的相对密度；

⑤

由PLC控制系统按照所求得的所需掺水管段中热水的流量q₂输出控制信号，控制信号经过控制路线传送到电动调节阀，阀门在信号控制下调整到相应开度。

本发明具有如下有益效果：本方法将PLC控制系统与能量平衡方程相结合，采集多个参数实现对油田掺水管网的节能状态实时调节，能够准确控制回油到达联合站时的温度，使之总保持在凝固温度或之上少许，可自由设定。当回油流量、压力、温度变化和外界环境因素波动的情况下可以自动控制调节掺水流量，以满足设定的回油到达联合站的温度。本发明专利能够实现多参数、高效率和高精度的控制，具有热利用效率高、节省能源、调整动作及时迅速等特点。此外，在本方法中应用到的控制系统中各部件可以集中组装在一起，具有安装方便、占用空间小、运行维护方便等特点，非常便于管理，实用性较强。此外，本发明中所述的方法可以通过修改管道结构参数和物性方程适应于很多利用掺混一种流体的方式输送另一种流体的场合，尤其适用于现今油气集输领域掺水作业的各种情况，具有优良的应用价值和广阔的应用前景。

附图说明：

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明所应用的PLC控制系统组成示意图。

图中7-电动调节阀。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明中所述种油田掺水管网多参数节能控制方法，其原理如图1所示，该方法采用由可编程序控制器构成的控制系统进行控制，此控制系统简称PLC控制系统，该方法由如下步骤组成：

①

在油田掺水管网中如图1所示，安装相应的能够输出数字信号的计量仪表，以获取下列瞬态变量，即掺水点之前油水混合物的压力P₁、温度T₁、流量q₁和含水率h₁，来水管道中热水的压力P₂、温度T₂，以及当地环境温度T₀，上述计量仪表所获得的瞬态变量均输出至所述PLC控制系统。本发明在实际完成时可选用SWJ-BS型智能温度传感器、YSZ-100BH型智能压力传感器、JHR6型智能含水分析仪以及LDE型智能流量传感器和RVVP型屏蔽电缆传输线路。

②

在所述油田掺水管网中的掺水点和来水管道之间安装一个电动调节阀7控制流量，所述电动调节阀7由PLC控制系统输出控制信号以控制阀门开度。实际完成时电动调节阀7可以选用ZDLP电子式电动直通双座调节阀，而PLC控制系统的组成结构图可以选用如图2所示的结构，由西门子S7系列的CPU224XP、模拟量模块EM235以及HMI人机界面TD400C构成。

③

由PLC控制系统将获得的掺水点之前油水混合物的温度T₁、含水率h₁以及来水管道中热水的温度T₂代入事先编制好的物性参数方程中，算出掺水点之前油水混合物的比热容C_混和来水管道中的热水的比热容C_水。所涉及的物性参数方程以及具体计算过程如下：

其中，计算油水混合物中水的比热容C’_水：

$C_{\mathrm{pm}}=50.8111+2.12938\×{10}^{-1}{T}_1-0.630974\×{10}^{-3}{T}_1^2+0.0648311\×{10}^{-5}{T}_1^3---\left(1\right)$

式(1)中，C_pm——水的摩尔比热容，单位为J/(mol·K)；T₁——水的热力学温度，单位为K。

C’_水＝C_pm×10³/18

C’_水——油水混合物中水的比热容，单位为J/(Kg·K)

计算油水混合物中原油的比热容C_油：

式(2)中，C_油——原油的比热容，单位为J/(Kg·K)；ρ₁₅——15℃时原油的相对密度；

t——油温，其值为T₁-273，单位为℃。

计算油水混合物的比热容C_混：

C_混＝C’_水h₁+C_油(1-h₁)                        (3)

式(3)中，h₁即为含水率。

计算热水的比热容C_水：

${C_{\mathrm{pm}}}^{,}=50.8111+2.12938\×{10}^{-1}{T}_2-0.630974\×{10}^{-3}{T}_2^2+0.0648311\×{10}^{-5}{T}_2^3---\left(4\right)$

式(4)中各项含义与式(1)相似，T₂为来水管道中热水的温度，单位为K。

C_水＝C’_pm×10³/18。

在本步骤中，公式(1)和公式(4)出自金克新等著《化工热力学》，由天津科学技术出版社。公式(2)出自李才著《含蜡原油的热容一温度关系》一文。公式(3)出自沈维道、蒋智敏以及童钧耕等著《工程热力学》一书。

④

由PLC控制系统将获得的若干数据代入事先编制好的能量平衡方程组中，即可解出所需的掺水管段中热水的流量q₂；

其中所述若干数据分别为掺水点到联合站的输油管道的长度L、内径d、传热系数K和环境温度T₀；要求原油到达联合站时的温度T_L；以及掺水点之前油水混合物的流量q₁以及温度T₁；来水管道中热水的温度T₂；掺水点之前油水混合物的比热容C_混；来水管道中的热水的比热容C_水；

其中所述能量平衡方程组由方程(5)和方程(6)构成：

(5)；

$\mathrm{\πdLK}[\frac{T_L+T}{2}-T_0]=T\left\{\right[(50.8111+2.12933\×{10}^{-1}T-0.630974\×{10}^{-2}{T}^2+0.0648311$

$\×{10}^{-5}{T}^3)\×{10}^3/18](q_1{h}_1+q_2)+\frac{{10}^3}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{15}}}[1.687+3.39\×{10}^{-3}(T-273)]q_1(1-h_1)\}-$

$T_L\left\{\right[(50.8111+2.12938\×{10}^{-1}{T}_L-0.630974\×{10}^{-3}{T}_L^2+0.0648311\×{10}^{-5}{T}_L^3)\×{10}^3/18]$

$(q_1{h}_1+q_2)+\frac{{10}^3}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{15}}}[1.687+3.39\×{10}^{-3}(T_L-273)]q_1(1-h_1)\}$

(6)；

上述方程组中所提及的ρ₁₅为15℃时原油的相对密度，而T为掺水点后回油的温度。因为在式(5)与式(6)组成的方程组中，只含有q₂和T两个未知数，故可以解出q₂。实际上，整个原油输送过程包括两个过程，第一个是原油掺水过程，由方程(5)来描述；第二个是原油掺水后输送到联合站的散热过程，由方程(6)来描述；所以整个过程需要两个方程组成的方程组来限制，才能解出准确的结果。

在本步骤中，所依据的是工程热力学中稳态下开口系统的能量平衡方程，即流入系统总能量＝流出系统总能量。参见沈维道、蒋智敏以及童钧耕等编著的《工程热力学》一书，高等教育出版社，2002年版。而方程(5)，取掺水点为开口系统，流入系统的总能量包括两部分：来油管道端油水混合物带入的热量T₁C_混q₁和掺水管段中热水带入的热量T₂C_水q₂。流出系统的总能量为混合后温度变为T的流体带出的热量，即为方程(5)中等号右边的部分。方程(6)，取掺水点之后到联合站之前的回油管道为开口系统，流入系统的总能量为混合后温度变为T的流体带入的热量，即为方程(6)中等号右边第一项，以中间那个减号为界，也即是方程(5)中等号右边的部分。流出系统的总能量包括两部分：到达联合站的流体带出的热量和系统向周围环境的散热。这两部分能量值分别为公式(6)中等号右边第二项，以中间那个减号为界，和公式(6)中等号左边的部分。将到达联合站的流体带出的热量进行移项，就得到了公式(6)。公式(6)文献中没有现成的公式，是发明人根据沈维道等著的《工程热力学》一书中提到的系统能量平衡方程式，结合杨世铭、陶文铨著的《传热学》一书，以换热方程式列出的。

⑤

由PLC控制系统按照所求得的所需掺水管段中热水的流量q₂输出控制信号，控制信号经过控制路线传送到电动调节阀，阀门在信号控制下调整到相应开度。

实际应用本方法时，所述PLC控制系统的组成可以如图2所示，

阀门的开度与PLC传来的控制信号的强弱是按比例对应的，控制信号4-20mA对应阀门开度0％-100％。在具体选好阀门后，可以根据现场试验测定热水最小流量和最大流量分别对应的阀门开度。例如，最小流量3m³/小时，对应阀门开度20％，最大流量10m³/小时，对应阀门开度90％。这样可以通过STEP-7编制一个用户程序，使3m³/小时-10m³/小时之间的某一个流量对应20％-90％之间的某一个开度。系统会自动进行差分运算使0％对应EM235的输出信号4mA，100％对应EM235的输出信号20mA，并使0％-100％之间的某一开度对应4mA-20mA之间的某一输出信号。当公式算出所需热水流量q₂之后，即代入编写的差分算法用户程序中，得出对应的阀门开度X，EM235即输出一个介于4mA和20mA之间的控制信号Y，控制信号Y通过数字传输线路传到ZDLP电子式电动直通双座调节阀，使其完成开关动作。

本方法采用PLC自动控制系统，由所述PLC自动控制系统控制电动调节阀门，安装在管网中的各个智能含水分析仪、智能流量传感器、智能压力传感器以及智能温度传感器输出的数字信号，经过数字传输线路到达控制系统，由控制系统分析计算并输出控制信号，控制信号经过控制路线传送到电动调节阀门，阀门在信号控制下调整开度，从而达到自动、高效控制和调节掺水流量，节约能源的目的。该多参数节能控制方法能够准确控制回油到达联合站时的温度，使之总保持在凝固温度或之上少许，可自由设定，当来油流量、压力、温度变化和外界环境因素波动的情况下可以自动控制调节掺水流量，以满足设定的回油到达联合站的温度。具有热利用效率高、节省能源、调整动作及时迅速、运行维护简便、安装方便、占用空间小、实用性强等特点。

Claims (1)

1.一种油田掺水管网多参数节能控制方法，该方法采用由可编程序控制器构成的控制系统进行控制，此控制系统简称PLC控制系统，该方法由如下步骤组成：

在油田掺水管网中安装相应的能够输出数字信号的计量仪表，以获取下列瞬态变量，即掺水点之前油水混合物的压力P₁、温度T₁、流量q₁和含水率h₁，以及来水管道中热水的压力P₂、温度T₂，以及当地环境温度T₀；上述计量仪表所获得的瞬态变量均输出至所述PLC控制系统；

在所述油田掺水管网中的掺水点和来水管道之间安装一个电动调节阀（7）控制流量，所述电动调节阀（7）由PLC控制系统输出控制信号以控制阀门开度；

由PLC控制系统将获得的掺水点之前油水混合物的温度T₁、含水率h₁以及来水管道中热水的温度T₂代入事先编制好的物性参数方程中，算出掺水点之前油水混合物的比热容C_混和来水管道中的热水的比热容C_水； 

由PLC控制系统将获得的若干数据代入事先编制好的能量平衡方程组中，即可解出所需的掺水管段中热水的流量q₂；

其中所述若干数据分别为掺水点到联合站的输油管道的长度L、内径d、传热系数K和环境温度T₀ ；要求原油到达联合站时的温度T_L；掺水点后回油的温度T；以及掺水点之前油水混合物的流量q₁以及温度T₁；来水管道中热水的温度T₂；掺水点之前油水混合物的比热容C_混；来水管道中的热水的比热容C_水；

其中所述能量平衡方程组由方程（5）和方程（6）构成：

                                                       （5）；

                                                       （6）；

    上述方程组中所提及的ρ₁₅为15℃时原油的相对密度；

由PLC控制系统按照所求得的所需掺水管段中热水的流量q₂输出控制信号，控制信号经过控制路线传送到电动调节阀（7），阀门在信号控制下调整到相应开度。

Images