CN116908084A - 集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，涉及油气田腐蚀防护技术领域，腐蚀监测仪、具有PID反馈控制的中央服务器以及现场执行机构，腐蚀监测仪包括抗油污干扰的双电极腐蚀监测探头，双电极腐蚀监测探头的测量结果通过无线或有线方式上传到中央服务器，然后由中央服务器根据PID反馈控制算法来计算水处理剂的加注量，并将水处理剂加注量指令发送到现场执行机构。本发明涉及的腐蚀监测与智能加注橇装装置可根据加药点前后的腐蚀速率的差值，实现了水处理药剂的在线评价；能够快速改变计量泵的泵速，实现随腐蚀速率变化的水处理剂自动加药控制。
Description
技术领域
本发明涉及油气田腐蚀防护技术领域，更具体的是涉及集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置技术领域。用于油气田集输系统的设备和管道的腐蚀评价和防护。
背景技术
随着油气田开发不断深入，我国多数油田进入中、高含水期，综合含水不断上升，油田注采系统和集输系统的流体日益复杂，油水井及集输管网腐蚀问题日趋严重，腐蚀问题成为影响管道系统可靠性和使用寿命的关键因素。高腐蚀性油田污水容易引起储罐、注水管线和井下管柱的腐蚀穿孔等诸多问题，给油田高效经济开发带来诸多隐患和不利影响。
目前油田管网的腐蚀结垢主要通过加注水处理剂（如缓蚀剂、阻垢剂、杀菌剂等）来控制，腐蚀速率监测多采用现场挂片通过失重法来测试。水处理剂评价基本都是通过离线的实验室进行评选，导致水处理剂评价结果与其在现场流程中的真实表现有所差异。此外，水处理剂加注通常采用计量泵人工调节实现，由于失重法腐蚀监测方式固有的耗时长（一般一个检测周期需要7天～30天）、反馈慢特点，造成了水处理剂加注浓度不能及时根据管网水质和腐蚀结垢状态变化进行相应的自动调整，出现水处理剂加量不足或过量现象，导致水处理剂的浪费或者腐蚀结垢风险的增高。
基于线性极化(LPR)、交流阻抗(EIS)、电阻探针（ER）等快速腐蚀监测技术，可对集输管网的腐蚀状态实施在线监测，其测量结果比现场失重挂片法具有更好的实时性。但由于油田采出水的组成极为复杂，不仅溶解有大量的盐类和溶解有腐蚀性气体（如H2S、CO2），还含有原油、细菌、机械杂质和油田化学剂等，具有多组成、高矿化度和高腐蚀性特征，采用电化学方法进行在线腐蚀监测时，往往因探头电极被水中原油粘附污染，或者被导电性腐蚀产物覆盖而导致短路，使得测得的腐蚀速率与水体实际腐蚀速率出现重大偏差，从而影响到水处理剂加注的准确性和有效性。现有专利公开了如下技术：
公开号为CN203999516U，专利名称为“炼油工艺中缓蚀剂在线监测自动加注装置”的专利，采用电磁阀与配电箱，来实现炼油工艺中的缓蚀剂自动加药，计量泵由监测装置和PLC控制器控制，但该方案装并没有实现腐蚀监测的自动化和反馈式加药控制，实际加药量仍然依赖于手工调节。
公开号为CN202560193U，专利名称为“一种气田用注剂智能加注装置”的专利，采用时间控制器与井下高压电潜泵通过有线或无线方式连接，控制高压电潜泵在预定时间的启动或停止；用于将水处理剂注入气田井内，但加药量控制缺乏有效的反馈机制。
公开号为CN105927195A，专利名称为“一种天然气井智能加药方法及实现该方法的系统”的专利，是通过测量天然气井油压、套压之间的压差变化量与加药量之间的对应关系，进而计算出相应的加药量，但离不开人工干预，并无法根据反馈量来自动调整水处理剂加注量。
现有技术和上述专利公开的油田管网腐蚀监测方法在油田污水恶劣的水质条件和腐蚀工况下，目前仍旧缺乏稳定准确的实时在线腐蚀监测技术手段，相应的，水处理剂的现场评价也缺乏可靠的试验方法，水处理剂加注的准确性和有效性也很难有所保障。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有油水井及集输管网腐蚀监测存在稳定性较差及准确性难以保证的技术问题，本发明提供集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置。可以在现场条件下实现水处理剂（杀菌剂、缓蚀剂和阻垢剂）的在线评测，并根据加水处理剂前后腐蚀速率差值和变化趋势，利用PID反馈控制原理，对水处理剂的加注进行实时控制，实现了腐蚀在线监测与水处理剂的智能加注。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
本发明提供集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，包括腐蚀监测仪、具有PID反馈控制的中央服务器以及现场执行机构，腐蚀监测仪包括抗油污干扰的双电极腐蚀监测探头，双电极腐蚀监测探头的测量结果通过无线或有线方式上传到中央服务器，然后由中央服务器根据PID反馈控制算法来计算水处理剂的加注量，并将水处理剂加注量指令发送到现场执行机构。
具体来说，本方案时针对页岩气开采中的污水回注系统，采用抗油污干扰的双电极腐蚀监测探头快速测量管道内腐蚀速率，并基于加药口前后腐蚀速率差值和变化趋势，实现水处理剂（缓蚀剂/杀菌剂）效率的现场评价；本方案还利用PID(比例、积分、微分)反馈控制原理，建立一套水处理剂的智能加注方案，对水处理剂的加注进行实时控制，实现了腐蚀在线监测与水处理剂的最优化加注。将管道内的腐蚀速率控制用户许可的范围内，达成水处理剂加注的最高性价比。
现场执行机构包括PLC、变频器和计量泵。
双电极腐蚀监测探头采用对称两电极以及电化学方波极化原理设计，实现了双电极极化电阻的测量。
在一个实施方式中，双电极腐蚀监测探头包括探头支撑体、第一工作电极、第二工作电极、芯电连接器以及连接接头，芯电连接器安装在探头支撑体的顶部，第一工作电极和第二工作电极均套设在探头支撑体的外壁，第一工作电极和第二工作电极之间存在用于防止断路或者短路的间隙，第一工作电极和第二工作电极分别通过各自对应的单芯导线与芯电连接器连接，连接接头套设在芯电连接器的外壁上且与集输管网配合。
在一个实施方式中，第一工作电极和第二工作电极的材质与被监测的管道材质相同，第一工作电极和第二工作电极均为环状电极，二者的宽度均为3 mm~8mm，且二者之间的间距为20 mm~50 mm。
具体来说，双电极腐蚀监测探头的底端为两个环状金属电极，分别为第一工作电极和第二工作电极，两个环状工作电极均采用与被监测管道材质相同的金属材料，两个环状工作电极的形状和尺寸完全一致。两个环状工作电极均套接在探头支撑体上且二者之间的距离为 20 mm~50 mm，二者间距的设置是为了防止二者由于油污或者腐蚀产物(如Fe9S8)覆盖导致断路或者短路。
另外，由于第一工作电极和第二工作电极的宽度较窄(3 mm~8mm)，并套在低粘附力的探头支撑体的外侧壁上，在水流剪切力冲击下，易将电极表面粘附油污带走。
在一个实施方式中，探头支撑体为柱状结构，探头支撑体的材质为聚四氟乙烯。
在一个实施方式中，连接接头为能够安装到带压管道上的NPT锥螺纹头丝扣，NPT锥螺纹头丝扣套设在芯电连接器外侧，且与集输管网连接。
具体来说，双电极腐蚀监测探头与集输管网的管道的连接采用NPT锥螺纹头丝扣连接，NPT锥螺纹头丝扣以不锈钢材质加工，可以安装到带压管道表面。
在一个实施方式中，位于连接接头下方的芯电连接器上安装有防护套，探头支撑体位于防护套内，防护套的材质为聚四氟乙烯，防护套上均布有若干小孔。
具体而言，探头支撑体外侧有一表面布孔的防护套，可进一步防止油田污水中的残余油污对电极的污染。
在一个实施方式中，腐蚀监测仪包括监测仪电路，监测仪电路包括数字部分和模拟部分，数字部分包括单片机、实时时钟、电源模块、数据存储器和通信端口，模拟部分包括A/D模数转换器，D/A数模转换器、模拟加法器、功率放大器以及电流电压转换器；
单片机由电源模块供电，单片机接收用户指令并发送给D/A数模转换器，由D/A数模转换器产生方波序号并加载到模拟加法器和功率放大器上，功率放大器将方波极化电位加载到双电极腐蚀监测探头的第二工作电极；
双电极腐蚀监测探头的第一工作电极在极化状态下的输出电流I，流入电流电压转换器，经过取样电阻Rc转换为电压信号，再由单片机内置的A/D模数转换器对极化电流进行采样，后者所输出电压EI反馈到功率放大器的反相端，构成恒电流输出反馈电路，最后由单片机内置的A/D模数转换器对电流和电压信号进行采集。并将采样值送单片机进行积分，从而计算出两工作电极的串联极化电阻和腐蚀速率。
具体来说，通信端口为RS232/485接口，数据存储器为Flash数据存储器，单片机由高性能8位或32位单片机构成，并由电源模块输出的3.3V稳压电源供电，单片机接收用户指令并发送给D/A数模转换器，由其内置的12 bit D/A数模转换器产生方波序号并加载到模拟加法器和功率放大器，功率放大器将方波极化电位加载到双电极腐蚀监测探头的第二工作电极（WE2），同时极化电位信号也并联到单片机内置的12或16 bit A/D0模数转换器（为A/D模数转换器中的一个），双电极腐蚀监测探头的第一工作电极（WE1）在极化状态下的输出电流I，流入电流电压转换器，经过取样电阻Rc转换为电压信号，再由单片机内置的12或16 bit A/D1模数转换器（为A/D模数转换器的另一个）对极化电流进行采样，后者所输出电压EI反馈到功率放大器的反相端，构成恒电流输出反馈电路，最后由单片机内置的A/D0模数转换器、A/D1模数转换器对电流和电压信号进行采集。
在一个实施方式中，当激励电流从0增加到I时，穿过双电极腐蚀监测探头上的电位波形随着双电层的充电而逐步上升，双工作电极模式下，得到两个工作电极的等效串联电路，其中单个工作电极的极化电阻Rp’实际上是该等效电路低频阻抗值Rp的1/2，由于介质电阻Rs的存在，初始电位上升端的介质电阻分压，随后充电曲线端上升值的极化电阻分压/>，
(1)
，(2)
根据公式(1)计算出腐蚀电流密度，式中，B为Stern-Geary系数，在实验室预先测定，/>为初始电位上升端的介质电阻分压，/>为极化电阻分压，/>为充电曲线端上升值的极化电阻分压，/>为激励电流幅值；
根据公式(2)将腐蚀电流密度(mA/cm2)转换为腐蚀速率Y (mm/a), 式中，M和分别为金属的摩尔质量和密度，z为金属电化学溶解的失电子数，计算出的腐蚀速率Y保存到数据存储器中，也可通过通信端口上传PC机，或者通过无线收发器上传到云服务器，实现远程监控。
在一个实施方式中，PID反馈控制的中央服务器包括PID反馈控制单元、网络计算机、计量泵、控制变频器，PID反馈控制单元输入来自网络计算机，其输出用于控制变频器，控制变频器驱动计量泵通过注入阀向污水管道中加注水处理剂，网络计算机通过无线网络和无线收发器接收来自注入阀前后端的腐蚀监测仪的腐蚀速率，利用加药口前后腐蚀速率的差值评价所注入缓蚀剂的缓蚀效率。
具体来说，本方案还可利用PID反馈原理的增量法来计算水处理剂的加注量，使管道内的腐蚀速率波动控制在限定范围内。用户通过终端发送指令，或者由服务器自适应调整变频器的频率，进而改变水处理剂计量泵的注液频率，实现了水处理剂加注速率的远程调控。
在一个实施方式中，PID反馈控制单元通过PID反馈函数自动调整水处理剂加注量，PID反馈函数如下式(3)、(4)和(5)所示：
比例控制器反馈函数(3)
比例+积分控制器反馈函数(4)
比例+积分+微分控制器反馈函数(5)
式中，u(t)为反馈控制函数，Kp为比例放大系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，e(t)为调节系统的基本偏差，为调节系统的累计偏差，/>为积分时间分量，t为微分时间分量。
本发明的有益效果如下：
1、本发明设计合理，基于方波电化学极化技术显著提高了腐蚀监测仪的抗电磁干扰和交流干扰能力，提高了腐蚀监测结果的重现性和及时性；
2、本发明双电极腐蚀监测探头采用环状对称双电极设计，中心支柱采用疏油疏水型聚四氟乙烯，防止了导电性腐蚀产物粘附导致的电极短路，以及油污粘附造成的腐蚀测量值的剧烈跳变；
3、本发明采用PID反馈原理设计的缓蚀剂和杀菌剂加注方案，通过对加药点前后腐蚀速率的差值来评价水处理剂的有效性，实现了水处理药剂的快速在线评价；
4、本发明通过腐蚀速率与水处理剂浓度之间相关性进行反复迭代，优化了PID的整定参数，实现了水处理剂浓度根据腐蚀速率变化的智能加注；
5、本发明基于云服务器记录腐蚀速率时间曲线，当腐蚀速率发生变化时，通过PID参数计算出水处理剂的加注浓度，并及时发送指令调节其加注量，将管道腐蚀速率经济有效地控制在安全范围内。
附图说明
图1是双电极腐蚀监测探头结构示意图；
图2是恒电流腐蚀监测仪电路原理图；
图3是恒电流方波腐蚀测试原理图，其中，为介质电阻分压，/>为极化电阻分压，I为激励电流幅值；
图4是双电极电化学等效电路图，其中,Rp为极化电阻，Rs为介质电阻，Cdl为双电层电容, WE 1和WE2分别第一工作电极和第二工作电极；
图5是基于云服务器的腐蚀监测与药剂智能加注示意图；
图6是污水站腐蚀在线监测与水处理剂智能加药装置安装示意图；
图7是某油田注水站腐蚀速率在线监测和缓蚀剂智能加药运行效果图；
附图标记：1-第一工作电极，2-第二工作电极，3-探头支撑体，4-第一上引线，5-第二上引线，6-防护套，7-连接接头，8-芯电连接器，9-单片机，10-实时时钟，11-电源模块，12-数据存储器，13-通信端口，14-A/D模数转换器，15-D/A数模转换器，16-模拟加法器，17-功率放大器，18-电流电压转换器，19-双电极腐蚀监测探头，20-腐蚀监测仪，21-无线收发器，22-计量泵，23-控制变频器，24-加注阀，25-PID反馈控制单元，26-网络计算机，27-无线网络，28-储罐。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1到图7所示，本实施例提供集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，包括腐蚀监测仪20、具有PID反馈控制的中央服务器以及现场执行机构，腐蚀监测仪20包括抗油污干扰的双电极腐蚀监测探头19，双电极腐蚀监测探头19的测量结果通过无线或有线方式上传到中央服务器，然后由中央服务器根据PID反馈控制算法来计算水处理剂的加注量，并将水处理剂加注量指令发送到现场执行机构。
具体来说，本方案时针对页岩气开采中的污水回注系统，采用抗油污干扰的双电极腐蚀监测探头19快速测量管道内腐蚀速率，并基于加药口前后腐蚀速率差值和变化趋势，实现水处理剂（缓蚀剂/杀菌剂）效率的现场评价；本方案还利用PID(比例、积分、微分)反馈控制原理，建立一套水处理剂的智能加注方案，对水处理剂的加注进行实时控制，实现了腐蚀在线监测与水处理剂的最优化加注。将管道内的腐蚀速率控制用户许可的范围内，达成水处理剂加注的最高性价比。
现场执行机构包括PLC、变频器和计量泵22。
双电极腐蚀监测探头19采用对称两电极以及电化学方波极化原理设计，实现了双电极极化电阻的测量。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上做了进一步优化，具体是：
如图1所示，双电极腐蚀监测探头19包括探头支撑体3、第一工作电极1、第二工作电极2、芯电连接器8以及连接接头7，芯电连接器8安装在探头支撑体3的顶部，第一工作电极1和第二工作电极2均套设在探头支撑体3的外壁，第一工作电极1和第二工作电极2之间存在用于防止断路或者短路的间隙，第一工作电极1和第二工作电极2分别通过各自对应的单芯导线与芯电连接器8连接，连接接头7套设在芯电连接器8的外壁上且与集输管网配合。
第一工作电极1和第二工作电极2的材质与被监测的管道材质相同，第一工作电极1和第二工作电极2均为环状电极，二者的宽度均为3 mm~8mm，且二者之间的间距为20 mm~50 mm。
具体来说，双电极腐蚀监测探头19的底端为两个环状金属电极，分别为第一工作电极1和第二工作电极2，两个环状工作电极均采用与被监测管道材质相同的金属材料，两个环状工作电极的形状和尺寸完全一致。两个环状工作电极均套接在探头支撑体3上且二者之间的距离为20 mm~50 mm，二者间距的设置是为了防止二者由于油污或者腐蚀产物(如Fe9S8)覆盖导致断路或者短路。
另外，由于第一工作电极1和第二工作电极2的宽度较窄(3 mm~8mm)，并套在低粘附力的探头支撑体3的外侧壁上，在水流剪切力冲击下，易将电极表面粘附油污带走。
实施例3
本实施例是在实施例2的基础上做了进一步优化，具体是：
探头支撑体3为柱状结构，探头支撑体3的材质为聚四氟乙烯。
连接接头7为能够安装到带压管道上的NPT锥螺纹头丝扣，NPT锥螺纹头丝扣套设在芯电连接器8外侧，且与集输管网连接。
位于连接接头7下方的芯电连接器8上安装有防护套6，探头支撑体3位于防护套6内，防护套6的材质为聚四氟乙烯，防护套6上均布有若干小孔。
具体来说，双电极腐蚀监测探头19与集输管网的管道的连接采用NPT锥螺纹头丝扣连接，NPT锥螺纹头丝扣以不锈钢材质加工，可以安装到带压管道表面，NPT锥螺纹头丝扣采用NPT 3/4或者1英寸自密封锥螺纹，并旋入集输管道的加注阀24(图5中)，确保带压条件下的密封性。
探头支撑体3外侧有一表面布孔的防护套6，可进一步防止油田污水中的残余油污对电极的污染。
实施例4
本实施例是在实施例1至3中任一项的基础上做了进一步优化，具体是：
腐蚀监测仪20包括监测仪电路，监测仪电路包括数字部分和模拟部分，数字部分包括单片机9、实时时钟10、电源模块11、数据存储器12和通信端口13，模拟部分包括A/D模数转换器14，D/A数模转换器15、模拟加法器16、功率放大器17以及电流电压转换器18；
单片机9由电源模块11供电，单片机9接收用户指令并发送给D/A数模转换器15，由D/A数模转换器15产生方波序号并加载到模拟加法器16和功率放大器17上，功率放大器17将方波极化电位加载到双电极腐蚀监测探头19的第二工作电极2；
双电极腐蚀监测探头19的第一工作电极1在极化状态下的输出电流I，流入电流电压转换器18，经过取样电阻Rc转换为电压信号，再由单片机9内置的A/D模数转换器14对极化电流进行采样，后者所输出电压EI反馈到功率放大器17的反相端，构成恒电流输出反馈电路，最后由单片机9内置的A/D模数转换器14对电流和电压信号进行采集。并将采样值送单片机9进行积分，从而计算出两工作电极的串联极化电阻和腐蚀速率。
具体来说，通信端口13为RS232/485接口，数据存储器12为Flash数据存储器，单片机9由高性能8位或32位单片机9构成，并由电源模块11输出的3.3V稳压电源供电，单片机9接收用户指令并发送给D/A数模转换器15，由其内置的12 bit D/A数模转换器15产生方波序号并加载到模拟加法器16和功率放大器17，功率放大器17将方波极化电位加载到双电极腐蚀监测探头19的第二工作电极2（WE2），同时极化电位信号也并联到单片机9内置的12或16 bit A/D0模数转换器（为A/D模数转换器14中的一个），双电极腐蚀监测探头19的第一工作电极1（WE1）在极化状态下的输出电流I，流入电流电压转换器18，经过取样电阻Rc转换为电压信号，再由单片机9内置的12或16 bit A/D1模数转换器（为A/D模数转换器14的另一个）对极化电流进行采样，后者所输出电压EI反馈到功率放大器17的反相端，构成恒电流输出反馈电路，最后由单片机9内置的A/D0模数转换器、A/D1模数转换器对电流和电压信号进行采集。
如图2所示，功率放大器17的输出端接连接到双电极腐蚀监测探头19的第一工作电极1，而从第二工作电极2输出的电流则通过电流电压转换器18转为电位信号EI (EI= I×Rc，Rc为取样电阻)，再送入A/D1数据转换器予以数字化。同样地，来自第一工作电极1的电位信号Ev也由A/D0转换为数字信号。最后由单片机9对采集的电位与电流波形进行滤波处理。再根据公式（1）和（2）计算出工作电极的腐蚀速率Y，腐蚀速率Y通过通信接口发送到无线收发器21并上传到internet网络计算机26。实时时钟10为所有测量数据提供日历时钟，方便数据回溯。
实施例5
本实施例是在实施例1至4中任一项的基础上做了进一步优化，具体是：
在恒电流方波极化模式下，双电极腐蚀监测探头19激励电流波形（实线）和响应电位波形（虚线）如附图3所示。当激励电流从0增加到I时，穿过双电极腐蚀监测探头19上的电位波形随着双电层的充电而逐步上升，双工作电极模式下，得到两个工作电极的等效串联电路，其中单个工作电极的极化电阻Rp’实际上是该等效电路低频阻抗值Rp的1/2，由于介质电阻Rs的存在，初始电位上升端的介质电阻分压，随后充电曲线端上升值的极化电阻分压/>，
(1)
，(2)
根据公式(1)计算出腐蚀电流密度，式中，B为Stern-Geary系数，在实验室预先测定，/>为初始电位上升端的介质电阻分压，/>为极化电阻分压，/>为充电曲线端上升值的极化电阻分压，/>为激励电流幅值；
根据公式(2)将腐蚀电流密度(mA/cm2)转换为腐蚀速率Y (mm/a), 式中，M和分别为金属的摩尔质量和密度，z为金属电化学溶解的失电子数，计算出的腐蚀速率Y保存到数据存储器12中，也可通过通信端口13上传PC机，或者通过无线收发器21上传到云服务器，实现远程监控。
PID反馈控制的中央服务器包括PID反馈控制单元25、网络计算机26、计量泵22、控制变频器23和储罐28，PID反馈控制单元25输入来自网络计算机26，其输出用于控制变频器23，控制变频器23驱动计量泵22通过注入阀向污水管道中加注水处理剂，网络计算机26通过无线网络27和无线收发器21接收来自注入阀前后端的腐蚀监测仪20的腐蚀速率，利用加药口前后腐蚀速率的差值评价所注入缓蚀剂的缓蚀效率。
具体来说，本方案还可利用PID反馈原理的增量法来计算水处理剂的加注量，使管道内的腐蚀速率波动控制在限定范围内。用户通过终端发送指令，或者由服务器自适应调整变频器的频率，进而改变水处理剂计量泵22的注液频率，实现了水处理剂加注速率的远程调控。
PID反馈控制单元25通过PID反馈函数自动调整水处理剂加注量，PID反馈函数如下式(3)、(4)和(5)所示：
比例控制器反馈函数(3)
比例+积分控制器反馈函数(4)
比例+积分+微分控制器反馈函数(5)
式中，u(t)为反馈控制函数，Kp为比例放大系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，e(t)为调节系统的基本偏差，为调节系统的累计偏差，/>为积分时间分量，t为微分时间分量。
具体来说，利用Matlab/Simulink仿真软件对腐蚀速率与水处理剂加注量之间的函数关系进行仿真，最后将仿真得到的PID控制参数写入PLC控制器或云服务器后台软件中，水处理剂加注的PID过程控制也可采用自平衡系统(无积分环节)，自平衡系统的二阶环节传递函数(数学模型)的结构如公式(6)：
(6)
式中，τ为随时间变化的时滞量，T1、T2为时间系数，单位小时。
本方案对缓蚀剂、杀菌剂等水处理剂的智能化加注装置是基于PID反馈控制原理实现的，如附图5，比例(P)、积分(I)、微分(D)构成反馈回路的三个运算单元。其中比例(P)回路用于调节系统的基本偏差e(t)，(P) 越大，则反馈调节越快，但过大的比例系数会导致反馈系统稳定性下降；积分(I)回路，用于调节系统的累计偏差，使系统逐步消除稳态误差；微分(D)回路根据目标偏差量的变化率e(t)-e(t-1)来调节反馈系数，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，因此可以改善系统的动态性能，但是微分对脉动噪声干扰有放大作用，对系统抗干扰不利。积分和微分回路都不能单独起作用，必须与比例回路控制配合。
实施例6
2022年5月，将实施例1-5中的提供集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，在某油田现场投用，在线腐蚀监测点设置在加药泵后端100米，注水泵前端20米，确保缓蚀剂与污水在流程中充分混合。在线腐蚀监测数据表明（如图7所示），注水泵前端瞬时腐蚀速率最高达0.3 mm/a，超过了设定值0.076 mm/a的标准。通过腐蚀速率在线监测，PID控制系统在之后24小时后自动调整缓蚀剂用量，将药剂加注浓度从维持浓度20 mg/L增加至100 mg/L，使该站场污水腐蚀得到了有效控制，注水泵进口污水平均腐蚀速率由0.3mm/a降至目前0.10 mm/a以下。表明基于腐蚀速率在线监测技术可以有效发现管道腐蚀问题，并能智能调节缓蚀剂的加注量。
对比例1
某油田污水站腐蚀在线监测和缓蚀剂智能加注应用，某油田污水处理站污水处理主体工艺采用微生物活性污泥法加膜过滤的处理模式，现场挂片腐蚀监测结果表明改站注水泵进口污水存在严重的氧腐蚀，连续7批次现场挂片监测腐蚀速率范围在0.27~0.75mm/a，平均腐蚀速率达0.51mm/a。
可以看出实施例1-5公开的基于腐蚀速率在线监测技术可以有效发现管道腐蚀问题，并能智能调节缓蚀剂的加注量，于对比例1而言有更好效果。
Claims (10)
1.集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，其特征在于，包括腐蚀监测仪（20）、具有PID反馈控制的中央服务器以及现场执行机构，腐蚀监测仪（20）包括抗油污干扰的双电极腐蚀监测探头（19），双电极腐蚀监测探头（19）的测量结果通过无线或有线方式上传到中央服务器，然后由中央服务器根据PID反馈控制算法来计算水处理剂的加注量，并将水处理剂加注量指令发送到现场执行机构。
2.根据权利要求1所述的集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，其特征在于，双电极腐蚀监测探头（19）包括探头支撑体（3）、第一工作电极（1）、第二工作电极（2）、芯电连接器（8）以及连接接头（7），芯电连接器（8）安装在探头支撑体（3）的顶部，第一工作电极（1）和第二工作电极（2）均套设在探头支撑体（3）的外壁，第一工作电极（1）和第二工作电极（2）之间存在用于防止断路或者短路的间隙，第一工作电极（1）和第二工作电极（2）分别通过各自对应的单芯导线与芯电连接器（8）连接，连接接头（7）套设在芯电连接器（8）的外壁上且与集输管网配合。
3.根据权利要求2所述的集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，其特征在于，第一工作电极（1）和第二工作电极（2）的材质与被监测的管道材质相同，第一工作电极（1）和第二工作电极（2）均为环状电极，二者的宽度均为3 mm~8mm，且二者之间的间距为20 mm~50 mm。
4.根据权利要求2所述的集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，其特征在于，探头支撑体（3）为柱状结构，探头支撑体（3）的材质为聚四氟乙烯。
5.根据权利要求2所述的集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，其特征在于，连接接头（7）为能够安装到带压管道上的NPT锥螺纹头丝扣，NPT锥螺纹头丝扣套设在芯电连接器（8）外侧，且与集输管网连接。
6.根据权利要求2所述的集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，其特征在于，位于连接接头（7）下方的芯电连接器（8）上安装有防护套（6），探头支撑体（3）位于防护套（6）内，防护套（6）的材质为聚四氟乙烯，防护套（6）上均布有若干小孔。
7.根据权利要求1所述的集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，其特征在于，腐蚀监测仪（20）包括监测仪电路，监测仪电路包括数字部分和模拟部分，数字部分包括单片机（9）、实时时钟（10）、电源模块（11）、数据存储器（12）和通信端口（13），模拟部分包括A/D模数转换器（14），D/A数模转换器（15）、模拟加法器（16）、功率放大器（17）以及电流电压转换器（18）；
单片机（9）由电源模块（11）供电，单片机（9）接收用户指令并发送给D/A数模转换器（15），由D/A数模转换器（15）产生方波序号并加载到模拟加法器（16）和功率放大器（17）上，功率放大器（17）将方波极化电位加载到双电极腐蚀监测探头（19）的第二工作电极（2）；
双电极腐蚀监测探头（19）的第一工作电极（1）在极化状态下的输出电流I，流入电流电压转换器（18），经过取样电阻Rc转换为电压信号，再由单片机（9）内置的A/D模数转换器（14）对极化电流进行采样，后者所输出电压EI反馈到功率放大器（17）的反相端，构成恒电流输出反馈电路，最后由单片机（9）内置的A/D模数转换器（14）对电流和电压信号进行采集,并将采样值送单片机（9）进行积分，从而计算出两工作电极的串联极化电阻和腐蚀速率。
8.根据权利要求7所述的集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，其特征在于，
当激励电流从0增加到I时，穿过双电极腐蚀监测探头（19）上的电位波形随着双电层的充电而逐步上升，双工作电极模式下，得到两个工作电极的等效串联电路，其中单个工作电极的极化电阻Rp’实际上是该等效电路低频阻抗值Rp的1/2，由于介质电阻Rs的存在，初始电位上升端的介质电阻分压，随后充电曲线端上升值的极化电阻分压，
(1)
，(2)
根据公式(1)计算出腐蚀电流密度，式中，B为Stern-Geary系数，在实验室预先测定，/>为初始电位上升端的介质电阻分压，/>为极化电阻分压，/>为充电曲线端上升值的极化电阻分压，/>为激励电流幅值；
根据公式(2)将腐蚀电流密度转换为腐蚀速率Y， 式中，M和/>分别为金属的摩尔质量和密度，z为金属电化学溶解的失电子数，计算出的腐蚀速率Y保存到数据存储器（12）中，也可通过通信端口（13）上传PC机，或者通过无线收发器（21）上传到云服务器，实现远程监控。
9.根据权利要求1所述的集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，其特征在于，PID反馈控制的中央服务器包括PID反馈控制单元（25）、网络计算机（26）、计量泵（22）、控制变频器（23），PID反馈控制单元（25）输入来自网络计算机（26），其输出用于控制变频器（23），控制变频器（23）驱动计量泵（22）通过注入阀向污水管道中加注水处理剂，网络计算机（26）通过无线网络（27）和无线收发器（21）接收来自注入阀前后端的腐蚀监测仪（20）的腐蚀速率，利用加药口前后腐蚀速率的差值评价所注入缓蚀剂的缓蚀效率。
10.根据权利要求1所述的集输管网用水处理剂现场快速评价与智能加注橇装装置，其特征在于，PID反馈控制单元（25）通过PID反馈函数自动调整水处理剂加注量，PID反馈函数如下式(3)、(4)和(5)所示：
比例控制器反馈函数，(3)
比例+积分控制器反馈函数 ，(4)
比例+积分+微分控制器反馈函数，(5)
式中，u(t)为反馈控制函数，Kp为比例放大系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，e(t)为调节系统的基本偏差，为调节系统的累计偏差，/>为积分时间分量，t为微分时间分量。
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