CN109098676A - 一种钻屑处理机的温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温含油钻屑处理装置的温度控制系统及其控制方法，属于油气田环境保护领域。它解决目前以热解析法处理含油钻屑时，钻屑处理温度控制困难的问题。本发明主要包含钻屑处理机、传感器、信号调理模块、控制器、功率调节器、智能切换开关、变频调速模块、卸料阀、进料泵、电阻丝等。本发明将装置测控区分为工作(内腔)温度区和安全(壳体)温度区，内腔温度为主要控制变量，壳体温度为辅助控制变量。升温时，通过升温回路调节加热装置功率以提高钻屑处理温度；降温时，通过调节进出料速度降低钻屑处理温度。避免壳体温度过高，导致密封元件失效。通过主、辅温控，保证内腔工作温度稳定，确保钻屑处理机安全、高效、智能运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温含油钻屑处理机的温度控制系统及其控制方法，属于油气田环境保护领域。
背景技术
随着油基钻井液在石油与天然气工业的广泛应用，钻井过程中产生了大量的的含油钻屑，因该类钻屑含有大量基础油、化学添加剂等有害物质，不经处理排放将严重影响人体健康并污染环境。国内目前主要的钻屑处理技术为焚烧、填埋、回注地层或海洋，这些处理方法都无法解决含油钻屑带来的环境和健康危害，而热处理法则可以高效的将含油钻屑中的基础油分离出来，使钻屑达到安全的排放标准。
以热处理法处理含油钻屑具有基础油回收率高、钻屑处理时间短、处理原理简单稳定等优势。目前国内外依据热处理原理的主要装置为回转摩擦加热、电炉加热等钻屑处理装置，这些装置处理钻屑时存在受热不均匀，加热温度不便控制等问题，温度过高将使含油钻屑中的基础油在处理过程中产生脱氢、炭化等化学反应，温度过低将无法有效分离含油钻屑中的基础油。因此，发明一种含油钻屑热处理装置的温度控制系统，以优化用热处理法处理钻屑时的可行性和有效性，也有助于相关热处理含油钻屑装置的规模化推广，对保护环境、节约资源及油气田企业的可持续发展都有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上所述缺点及现有技术的不足，提供一种高效、智能的控制方法，使钻屑快速达到油气分离的温度，且设备能够在受到干扰后自动完成升降温工作，调节钻屑处理温度，解决目前含油钻屑的处理时仅能根据经验调控钻屑温度的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案这样实现的：
本发明由钻屑处理机、壳体温度传感器、电阻丝、内腔温度传感模块、信号调理模块、功率调节器、控制器1、智能切换开关、控制器2、变频调速模块、霍尔传感器、卸料阀、进料泵组成。
钻屑处理机用于将含油钻屑分离为油气和干固钻屑，主要包括带动叶片转动的轴、腔体支座、端密封结构、搅拌钻屑的叶片、油气出口、挡尘板、钻屑出料口、钻屑进料口。
内腔温度传感模块分布于钻屑处理机的出气口和出料口，用于检测装置的内腔温度，主要包含温度传感器、滤渣板、密封结构等部件。
信号调理模块用于将检测温度值进行数模信号转换，主要包含A/D转换器。
控制器1主要根据测量温度与设定温度进行数据运算处理，主要包含PLC。
功率调节器主要根据控制器1的计算结果执行相应命令，并自备数模转换功能
控制器2主要根据控制器1的计算值与卸料阀、进料泵转速进行数据运算处理，主要包含PLC。
钻屑处理机的内腔温度调节通过两条回路完成控制。钻屑处理机、壳体温度传感器、内腔温度传感模块、信号调理模块、控制器1、智能切换开关、功率调节器、电阻丝连接成升温控制回路；钻屑处理机、壳体温度传感器、内腔温度传感模块、信号调理模块、控制器1、智能切换开关、控制器2、变频调速模块、霍尔传感器、卸料阀、进料泵连接成降温控制回路。
钻屑处理时，钻屑处理机中的叶片带动钻屑转动，摩擦产生一定热量，壳体温度传感器和内腔温度传感模块与信号调理模块连接，信号调理模块将测得的温度转换为模拟信号，并由控制器1计算和判断智能切换开关接通升温回路或降温回路；升温回路连接下，壳体温度传感器和内腔温度传感模块将获取的温度信号经信号调理模块变换为电流信号后，在控制器1与设定温度进行计算，信号通过智能切换开关，传输到功率调节器，并在功率调节器将信号变换以调节电阻丝的功率；降温控制回路连接如下，壳体温度传感器和内腔温度传感模块将获取的温度信号经信号调理模块变换为电流信号后，在控制器1与设定温度进行计算，信号通过智能切换开关，计算结果作为目标转速传输到控制器2，与霍尔传感器采集的进料泵和卸料阀的电机转速进行计算，计算结果的信号传送到变频调速模块，在变频调速模块实现信号转换，并通过调整电机转速以调整进出料阀的输送量。
上述钻屑处理机整体由支撑架支撑，将钻屑通过进料口输入，由转轴带动叶片转动，叶片带动钻屑转动，钻屑摩擦磨损产生热量，结合装置腔体缠绕的电阻丝加热，钻屑中的油水快速达到合适温度发生汽化，气体穿过挡尘板通过排气口排出，排气口设有内腔温度传感模块；处理后的干固体钻屑通过排料口由卸料器排出，排固口也设有内腔温度传感模块，钻屑处理机有端密封装置使其完全密封。
上述的控制方法是将钻屑处理机的测温区分为内腔温度I区、壳体温度II区两个区域，将温度控制方式主要分为升温控制和降温控制，通过测试I区的温度信号并进行信号转换，由控制器1判断智能切换开关接通升温控制回路或降温控制回路；升温控制回路接通时，设定温度和I区温度、II区温度通过控制器1运算处理后，其输出信号在功率调节器完成数模转换，并调节加热电阻的输出功率，以加热钻屑处理机内腔温度；降温控制回路接通时，设定温度和I区温度、II区温度通过控制器1运算处理后，其输出值表示为目标转速的模拟信号，其值与进出料阀电机转速的模拟信号通过控制器2运算处理后，输出值经修正后转化为数字信号后，由变频调速模块对进料泵和出料阀的电机转速进行调整，以调节钻屑进出料量大小，调节同时保证进料量等于出料量。
上述的控制方法是将测温区分为I区温度、II区温度两个区域，其中I区为设定温度的测温区，即装钻屑处理机正常工作时需要的内部温度，II区为钻屑处理机壁面加热安全温度的测温区，即该区温度不能超过端面密封装置的安全极限温度。I区有两个测温点D、E，分布在钻屑出料口和油气出口，出料口开一个与排料方向反向的接口，由滤渣板隔离钻屑粉尘，保证了温度传感器不受堵塞和钻屑粘着，温度传感器由密封件接入测温接口，通过测量气体温度测得内腔温度，II区有三个测温点A、B、C，分布在钻屑处理机筒体的左中右三个位置，温度由接触式传感器测量，均为热电偶或热电阻元件。
上述的控制方法以设定温度I区温度为主控变量，以II区温度、进料泵电机转速、出料阀电机转速的值辅助控制系统温度，温度控制以实现I区设定温度稳定为主要控温目标，通过I区设定温度、II区安全温度、进料泵转速和出料阀转速作为主要调节依据，II区温度作为电阻丝加热控制过程时，密封装置安全的检测值使用。升温阶段，进料泵转速和出料阀转速不变，保证II区温度在安全温度范围内调控电阻丝加热，以达到钻屑处理机快速升温的目的；当I区温度达到设定温度下限后，伴热电阻丝发热功率调整为恒定值，进出料量保持不变，以维持温度稳定；当I区温度受外界影响高于设定温度时，伴热电阻丝停止加热，进料泵转速、出料阀转速改变，增大常温钻屑进料量，增大高温排出量，以达到降低装置内部温度的目的。
上述的控制方法以设定温度，I区温度、II区温度进行比较，判断接通回路和加热方式。设定温度为一个区间值，如希望的工作温度300℃，误差上限为350℃，误差下限为250℃，则设定温度区为250℃至350℃，安全温度为400℃。当TI>350℃且无论TII为多少时，接通降温控制回路，其余时刻接通升温控制回路；当TII<400℃时，升温控制回路控制逐渐增大加热带的功率；当TII>400℃或TI>250℃时，升温控制回路控制加热带调低当前功率的20％并保持功率加热。
上述的控制方法中控制器1、控制器2分别接受根据不同的信号，针对不同的的控制对象来实施温度调节。控制智能转关开关时，控制器1接受的信号是经过信号调理模块处理的I区温度的模拟信号，依此与设定温度上限进行计算，输出的信号用于控制智能转换开关接通方式；控制升温回路时，控制器1接受的信号是经过信号调理模块处理的I区温度、II区温度的模拟信号，依此与设定温度、安全温度进行计算，输出信号为功率调节对应的模拟信号，该信号在功率调节器上变换后以调节电阻丝功率；控制降温回路时，控制器1接受的信号是经过信号调理模块处理的I区温度、II区温度的模拟信号，依此与设定温度、安全温度进行计算，输出信号为对应为变频调速模块接受的目标转速的模拟信号，该信号为控制器2的给定目标值。
上述的控制方法中的控制器2主要针对进料泵转速、出料阀转速的计算，来实施进出料量平衡控制，控制器2接收霍尔传感器测量的实际电机转速和控制器1的计算结果，控制器2的输出是保证钻屑进出量平衡的目标电机转速信号，计算结果通过变频调速模块调节进料泵电机转速，调节出料阀的电机转速，以控制钻屑进、出料量的平衡稳定。
上述的控制方法通过以下步骤实现：
以升温为目标的阶段，I区温度低于设定温度误差下限，智能切换开关接通加热回路，进料泵、卸料器电机以设定的初始值转速保持运转，五个测温点分别通过热敏元件转换并传输信号控制器1上，控制器1的计算结果功率调节器连接到电阻丝上，根据计算结果实现对电阻丝加热功率的调节。该阶段，进料泵与卸料器按设定初始值工作，当I区温度未达到设定温度下限，且II区温度不超过安全温度的同时，功率调节器根据控制器1的计算结果自行切换，电阻丝以最大功率使I区达到设定温度。
当I区温度达到设定温度下限但未高于设定温度误差上限，或II区温度超过安全温度时，智能切换开关保持接通升温回路，此时功率调节器根据控制器1的计算结果，并降低加热电阻功率为一固定值，使电阻丝按保温温度工作，此时加热带功率比开机阶段加热功率稍低，以保证稳定的为I钻屑提供能量，且不超过端密封装置的安全温度。
以降温为目标的阶段，I区温度高于设定温度的误差上限，先由控制器1关闭加热电源停止加热，再经控制器1判断智能切换开关，根据温度计算求出目标电频，再通过变频调速模块调节进出料装置电机转速，增大进料量、卸料量，以降低温度为目标，当温度降低后，泵阀电机转速由控制器1置为初始值后再进行开关转换。
上述步骤中实际测量温度取I区两测温点平均值，II区取三测温点平均值，为保证油气有效且不裂解的分离，设定温度区取300±50℃，即设定温度上限为350℃，设定温度下限为150℃，安全温度根据所选端面密封装置的安全温度给定。
与现有技术相比，本发明将系统的温度控制划分为伴热温度控制和进出料温度控制，通过控制加热功率和进出料阀的电机转速实现对钻屑处理机内腔工作温度的控制，能快速准确的达到升温保温降温的目标，同时能够解决钻屑处理机内部温度受钻屑成分比例变化、流动性差异等影响温度稳定，从而影响钻屑油固分离，以及依据经验控制困难的问题。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更全面更好地理解本发明以及易于得知其诸多优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图：
图1为本发明的模块连接框图。
图2为本发明的钻屑处理装置结构图。
图3为本发明的控制原理图。
图4为本发明的内腔温度测试传感器安装图。
图5为本发明的工作流程图。
图中：1-钻屑处理机；2-壳体温度传感器；3-电阻丝；4-内腔温度传感模块；5-信号调理模块；6-功率调节器；7-控制器1；8-智能切换开关；9-控制器2；10-变频调速模块；11-霍尔传感器；12-卸料阀；13-进料泵；101-轴；102-支撑架；103-端密封装置；104-旋转叶片；105-排气通道；106-挡尘板；107-排钻屑口；108-进钻屑口；401-温度传感器；402-测温口密封装置；403-滤渣板。。
具体实施方式
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。结合图纸对控制系统和方法进行详细介绍：
图1、图2、图3、图4、图5分别为控制系统的钻屑处理装置11结构图；模块连接框图；控制原理图；工作流程图；内腔温度测试传感器安装图。
本发明由钻屑处理机1、壳体温度传感器2、电阻丝3、内腔温度传感模块4、信号调理模块5、功率调节器6、控制器1(7)、智能切换开关8、控制器2(9)、变频调速模块10、霍尔传感器11、卸料阀12、进料泵13组成。
各模块间连接方式见图1，钻屑处理时，钻屑处理机1、壳体温度传感器2、内腔温度传感模块4、信号调理模块5、控制器1(7)、智能切换开关8、功率调节器6、电阻丝3连接成升温控制回路；钻屑处理机1、壳体温度传感器2、内腔温度传感模块4、信号调理模块5、控制器1(7)、智能切换开关8、控制器2(9)、变频调速模块10、霍尔传感器11、卸料阀12、进料泵13连接成降温控制回路。
钻屑处理时，钻屑处理机1中的叶片104带动钻屑转动，摩擦产生一定热量，壳体温度传感器2和内腔温度传感模块4与信号调理模块5连接，信号调理模块5将测得的温度转换为模拟信号，并由控制器1(7)计算和判断智能切换开关8接通升温回路或降温回路；升温回路连接下，壳体温度传感器2和内腔温度传感模块4将获取的温度信号经信号调理模块5变换为电流信号后，在控制器1(7)与设定温度进行计算，信号通过智能切换开关8，传输到功率调节器6，并在功率调节器6将信号变换以调节电阻丝3的功率；降温控制回路连接如下，壳体温度传感器2和内腔温度传感模块4将获取的温度信号经信号调理模块5变换为电流信号后，在控制器1(7)与设定温度进行计算，信号通过智能切换开关8，计算结果作为目标转速传输到控制器2(9)，与霍尔传感器11采集的进料泵13和卸料阀12的电机转速进行计算，计算结果的信号传送到变频调速模块10，在变频调速模块10实现信号转换，并通过调整电机转速以调整进出料阀12的输送量。
钻屑处理机1结构见图2，钻屑处理机1整体由支撑架102支撑，将钻屑通过进料口108输入，由转轴101带动叶片104转动，叶片104带动钻屑转动，钻屑摩擦磨损产生热量，结合装置腔体缠绕的电阻丝加热，钻屑中的油水快速达到合适温度发生汽化，气体穿过挡尘板106通过排气口105排出，排气口105设有内腔温度传感模块4；处理后的干固体钻屑通过排料口由卸料器12排出，排固口107也设有内腔温度传感4模块，钻屑处理机1有端密封装置103使其完全密封。
参见图3，本发明的控制方法是将钻屑处理机1的测温区分为内腔温度I区、壳体温度II区两个区域，将温度控制方式主要分为升温控制和降温控制，通过测试I区的温度信号并进行信号转换，由控制器1(7)判断智能切换开关8接通升温控制回路或降温控制回路；升温控制回路接通时，设定温度和I区温度、II区温度通过控制器1(7)运算处理后，其输出信号在功率调节器6完成数模转换，并调节加热电阻3的输出功率，以加热钻屑处理机1内腔温度；降温控制回路接通时，设定温度和I区温度、II区温度通过控制器1(7)运算处理后，其输出值表示为目标转速的模拟信号，其值与进出料阀12电机转速的模拟信号通过控制器2(9)运算处理后，输出值经修正后转化为数字信号后，由变频调速模块10对进料泵13和出料阀12的电机转速进行调整，以调节钻屑进出料量大小，调节同时保证进料量等于出料量。
钻屑处理机1的测温区分为I区温度、II区温度两个区域，其中I区为设定温度的测温区，即装钻屑处理机1正常工作时需要的内部温度，II区为钻屑处理机1壁面加热安全温度的测温区，即该区温度不能超过端面密封装置103的安全极限温度。I区有两个测温点D、E，分布在钻屑出料口107和油气出口105，出料口107开一个与排料方向反向的接口，由滤渣板隔离钻屑粉尘，保证了温度传感器401不受堵塞和钻屑粘着，温度传感器401由密封402件接入测温接口，通过测量气体温度测得内腔温度，II区有三个测温点A、B、C，分布在钻屑处理机1筒体的左中右三个位置，温度由接触式传感器测量，均为热电偶或热电阻元件。
如图4所示，本发明的控制方法以设定温度I区温度为主控变量，以II区温度、进料泵13电机转速、出料阀12电机转速的值辅助控制系统温度，温度控制以实现I区设定温度稳定为主要控温目标，通过I区设定温度、II区安全温度、进料泵13转速和出料阀12转速作为主要调节依据，II区温度作为电阻丝3加热控制过程时，端密封装置103安全的检测值使用。升温阶段，进料泵13转速和出料阀12转速不变，保证II区温度在安全温度范围内调控电阻丝3加热，以达到钻屑处理机1快速升温的目的；当I区温度达到设定温度下限后，伴热电阻丝3发热功率调整为恒定值，进出料量保持不变，以维持温度稳定；当I区温度受外界影响高于设定温度时，伴热电阻丝3停止加热，进料泵13转速、出料阀12转速改变，增大常温钻屑进料量，增大高温排出量，以达到降低装置内部温度的目的。
上述的控制方法以设定温度，I区温度、II区温度进行比较，判断接通回路和加热方式。设定温度为一个区间值，如希望的工作温度300℃，误差上限为350℃，误差下限为250℃，则设定温度区为250℃至350℃，安全温度为400℃。当TI>350℃且无论TII为多少时，接通降温控制回路，其余时刻接通升温控制回路；当TII<400℃时，升温控制回路控制逐渐增大电阻丝3的功率；当TII>400℃或TI>250℃时，升温控制回路控制加热带调低当前功率的20％并保持功率加热。
本发明的控制方法中控制器1(7)、控制器2(9)分别接受根据不同的信号，针对不同的的控制对象来实施温度调节。控制智能转关开关时，控制器1(7)接受的信号是经过信号调理模块5处理的I区温度的模拟信号，依此与设定温度上限进行计算，输出的信号用于控制智能转换开关接通方式；控制升温回路时，控制器1(7)接受的信号是经过信号调理模块5处理的I区温度、II区温度的模拟信号，依此与设定温度、安全温度进行计算，输出信号为功率调节对应的模拟信号，该信号在功率调节器6上变换后以调节电阻丝3功率；控制降温回路时，控制器1(7)接受的信号是经过信号调理模块5处理的I区温度、II区温度的模拟信号，依此与设定温度、安全温度进行计算，输出信号为对应为变频调速模块10接受的目标转速的模拟信号，该信号为控制器2(9)的给定目标值。
本发明的控制方法中的控制器2(9)主要针对进料泵13转速、出料阀12转速的计算，来实施进出料量平衡控制，控制器2(9)接收霍尔传感器11测量的实际电机转速和控制器1(7)的计算结果，控制器2(9)的输出是保证钻屑进出量平衡的目标电机转速信号，计算结果通过变频调速模块10调节进料泵13电机转速，调节出料阀12的电机转速，以控制钻屑进、出料量的平衡稳定。
上述的控制方法通过以下步骤实现：
以升温为目标的阶段，I区温度低于设定温度误差下限，智能切换开关8接通加热回路，进料泵13、卸料器12电机以设定的初始值转速保持运转，五个测温点分别通过热敏元件转换并传输信号控制器1(7)上，控制器1(7)的计算结果功率调节器6连接到伴热电阻丝3上，根据计算结果实现对电阻丝3加热功率的调节。该阶段，进料泵13与卸料器12按设定初始值工作，当I区温度未达到设定温度下限，且II区温度不超过安全温度的同时，功率调节器6根据控制器1(7)的计算结果自行切换，电阻丝3以最大功率使I区达到设定温度。
当I区温度达到设定温度下限但未高于设定温度误差上限，或II区温度超过安全温度时，智能切换开关8保持接通升温回路，此时功率调节器6根据控制器1(7)的计算结果，并降低加热电阻功率为一固定值，使电阻丝3按保温温度工作，此时加热带3功率比开机阶段加热功率稍低，以保证稳定的为I钻屑提供能量，且不超过端密封装置103的安全温度。
以降温为目标的阶段，I区温度高于设定温度的误差上限，先由控制器1(7)关闭加热电源停止加热，再经控制器1(7)判断智能切换开关8，根据温度计算求出目标电频，再通过变频调速模块10调节进出料装置电机转速，增大进料量、卸料量，以降低温度为目标，当温度降低后，泵阀电机转速由控制器1(7)置为初始值后再进行开关8转换。
上述步骤中实际测量温度取I区两测温点平均值，II区取三测温点平均值，为保证油气有效且不裂解的分离，设定温度区取300±50℃，即设定温度上限为350℃，设定温度下限为150℃，安全温度根据所选端面密封装置103的安全温度给定。
与现有技术相比，本发明将系统的温度控制划分为伴热温度控制和进出料温度控制，通过控制加热功率和进出料阀12的电机转速实现对钻屑处理机1内腔工作温度的控制，能快速准确的达到升温保温降温的目标，同时能够解决钻屑处理机1内部温度受钻屑成分比例变化、流动性差异等影响温度稳定，从而影响钻屑油固分离，以及依据经验控制困难的问题。
Claims (6)
1.一种钻屑处理装置的温度调节系统，主要由以下部分组成组成：
钻屑处理机(1)；壳体温度传感器(2)；电阻丝(3)；内腔温度传感模块(4)；信号调理模块(5)；功率调节器(6)；控制器1(7)；智能切换开关(8)；控制器2(9)；变频调速模块(10)；霍尔传感器(11)；卸料阀(12)；进料泵(13)。
所述钻屑处理装置的温度调节系统，其特征在于，钻屑处理机(1)在内腔工作温度调节时，控制器1(7)以壳体温度、内腔温度与设定温区的计算，控制功率调节器(6)，调节电阻丝(3)功率进行升温；同时控制器1(7)根据壳体温度、内腔温度与设定温区的计算结果，作为目标转速经控制器2计算，控制器2(9)以卸料阀(12)和进料泵(13)转速与控制器1的结果进行计算，控制变频调速模块(10)，调节钻屑进出料量进行降温。
2.权利要求1所述的钻屑处理装置的温度控制系统，其特征在于：
内腔温度传感模块(4)为出料口和出气口开有与排料方向相反的测温斜口，测温斜口设有滤渣板(403)隔离钻屑粉尘，可避免测温传感器(401)粘着钻屑或堵塞，测温传感器(401)以密封件(402)接入测温口，可准确测得测量钻屑处理机(1)的内部温度。
3.权利要求1所述的钻屑处理装置的温度控制系统，其特征在于：
控制器1(7)对内腔温度传感模块(4)测得的内腔温度与设定温区计算，计算结果用于智能切换开关(8)决策接通升温回路或降温回路；计算结果用于控制升温时功率调节；还用于控制降温时的控制器2(9)变频调速计算和进料泵(13)与卸料阀(12)的变频调速。
4.权利要求1所述的钻屑处理装置的温度控制系统，其特征在于：
控制器2(9)对控制器1(7)的计算结果与霍尔传感器(11)的测量值计算，用于保证进料泵(13)和卸料阀(12)在单位时间内的钻屑输送量相等，以保证钻屑处理机(1)正常工作并降低钻屑含油量。
5.权利要求1所述的钻屑处理装置的温度控制系统，其特征在于：
变频调速模块(10)通过调节进料泵(13)和卸料阀(12)的转速，改变钻屑的进料和出料速度，用增加低温钻屑和带走高温钻屑降低钻屑处理机(1)的内腔温度。
6.权利要求1所述的钻屑处理装置的温度控制系统，其特征在于：
以控制器1(7)和功率调节器(6)控制升温回路时，结合壳体温度传感器(2)与内腔温度传感模块(4)的双重测温保证钻屑处理机(1)处理钻屑时工况安全稳定。
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