CN202598911U - 太阳能加热石油储油罐温度自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能加热石油储油罐温度自动控制系统主要用于新能源节能控制技术领域。主要包括PLC控制器、温度采集卡、液晶屏和太阳能加温温度控制系统四个主要部分。该控制系统采用太阳能集热器为主要能源提供装置，为热水箱进行加热，同时当出现光照不足时采用热泵热水机组作为辅助热能提供装置，并且对加热系统所产生的剩余热能储存于热水箱。本实用新型实现对油罐储油温度的自动控制，克服太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性,能有效节约高位能和减少环境污染，并在恶劣的环境运行，系统的稳定性高，满足该系统各项功能指标，是一种全天候、全气候的储油罐温度自动控制系统。
Description
技术领域
本实用新型属于新能源节能控制技术领域，具体涉及一种用于太阳能加热石油储油罐温度控制的自动控制系统。
背景技术
油田采油系统分布较为稀疏，目前所使用的加温装置大多为以伴生气为燃料的水套炉或者以电能为能源的电加热器等。水套炉存在热效率低、能耗高、炉体易产生烧蚀损坏、维修维护成本高等弊端，而且，伴生气燃烧过程中所排放的废气对环境造成污染。电加热器大多直接敷设在输油管线上，在使用过程中存在耗电高、易停电、频繁扫管、造价高等弊端。面对能源的潜在危机和生态环境的不断恶化，世界各国积极开发利用包括太阳能在内的可再生能源，从而实现能源工业的可持续发展。太阳能利用越来越引起人们的关注，部分采用太阳能加热的方法可以节省电能，但太阳能使用效率低一直是需要解决的问题之
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术存在的上述不足，解决电加热耗电量大、易老化和安全性差的问题，以及避免水套炉存在的热效率低、环境污染等问题，克服太阳能分布稀疏、无法全天候供热的难题，提供一种太阳能集热器为主要热能提供装置、热泵热水机组为辅助热能提供装置、电加热器为故障应急加热的太阳能加热石油储油罐温度自动控制系统。
本实用新型在考察一年中的不同节气下(晴天、阴天、下雨时段)，以及太阳的不同照度条件下(中午暴晒，正常的日照条件下，多云的时段，还有黑夜的条件下)太阳能集热器的使用效率和节能情况；采用滤波算法、PID算法和模糊控制理论来提高测量的精度。
该控制系统可以根据不同的温度条件控制太阳能集热器、热泵和电磁阀等执行机构，来控制整个系统的稳定工作，充分利用油田日照充足的特点从而充分利用太阳能，达到节省电能的目的。
本实用新型提供的太阳能加热石油储油罐温度自动控制系统包括，PLC控制器、温度采集卡接口电路、液晶屏和太阳能热泵加温温度控制部分四部分；
太阳能热泵加温温度控制部分包括：太阳能集热器、热水箱、电加热器和热泵，太阳能集热器和热泵安装于热水箱外，电加热器安装于热水箱内，热水箱安装于储油罐外，热水箱通过输水管路与安装于储油罐内的换热器连通，补水箱通过输水管与热水箱连接；
热水箱第一出水口O1使用输水管经管道上设置的第一循环泵B1和第二温度传感器RT2连接于太阳能集热器的入水口，第二温度传感器RT2靠近于热水箱第一出水口O1；太阳能集热器出水口使用输水管经管道上设置的第一温度传感器RT1和第三电磁阀D3连接于热水箱的第一入水口I1，第一温度传感器RT1靠近于太阳能集热器的出水口；太阳能集热器出水口到换热器入水口的输水管道上设置有第七温度传感器RT7、第四循环泵B4和第十温度传感器RT10；热水箱第二出水口O2到换热器入水口之间的管道上安装有第四电磁阀D4，第四电磁阀D4的一端连接于热水箱第二出水口O2处，第四电磁阀D4的另一端连接于第七温度传感器RT7和第四循环泵B4中间的管道上；
补水箱通过输水管经管道上设置的第五电磁阀D5和第十一温度传感器RT11连接于热水箱的第四入水口I4；换热器出水口安装有第四温度传感器RT4，储油罐内部安装有第五温度传感器RT5；换热器出水口通过输水管经管道上设置的第二电磁阀D2连于热水箱的第二入水口I2，换热器出水口同时通过输水管经第一电磁阀D1和第十二温度传感器RT12连于热泵，热泵通过输水管经第二循环泵B2连接于热水箱的第三入水口I3，热泵内部安装有第三循环泵B3和地热管；热水箱底部安装有两组电加热器，一组是电加热器1和第八温度传感器RT8，另一组是电加热器2和第九温度传感器RT9，热水箱内同时安装有液位传感器；
该温度自动控制系统以PLC控制器为中心，液晶屏使用RS485总线连于PLC控制器，太阳能热泵加温温度控制部分中的各路温度传感器使用温度采集卡接口电路连于PLC控制器模拟量输入IO口，太阳能热泵加温温度控制部分各处安装的电磁阀、循环泵、电加热器执行机构的控制接口通过导线连于PLC控制器数字量输出IO口。
太阳能集热器、B4、换热器构成通路，为储油罐主要加热方式；热水箱、D4、B4、换热器构成通路，为储油罐辅助加热方式。太阳能集热器、D3、热水箱构成通路，为剩余热能进行储存。两组电加热设备在不同的时间段在需要时给热水箱进行电加热。
D1、B3、地热管、B2、热水箱构成通路，PLC控制器根据RT4的温度值对热水箱中热水进行辅助加热。
补水箱、D5、热水箱构成一个通路，PLC控制器根据液位传感器的输值控制热水箱水位。
实用新型的优点和积极效果：
本实用新型利用太阳能和地热能实现对储油罐的温度调节控制，与其他技术相比具有如下优点：
(1)以太阳能集热器为主、热泵热水机组为辅助、电加热为应急的并联加热方式，节约能源、环保，大大节省了电能。
(2)太阳能为主要能源，配合使用其他能源，富裕热能存储，实现全天候、全气候可靠稳定供热。
(3)电加热器安装于热水箱，在油罐内部无需安装电加热管装置，电流和原油完全隔离，解决易燃、易爆、漏电等安全问题，无任何安全隐患，安全系数大大提高。
(4)PLC控制器和液晶人机界面，使控制稳定性高，采样精度高，大大节省了人力成本，提高了生产效率。
附图说明
图1太阳能加热石油储油罐温度自动控制系统整体框图。
图2太阳能热泵加温控制部分结构框图。
图3太阳能加热石油储油罐温度自动控制系统电气连接图。
图4单路温度采集卡电路原理图。
图5PLC软件流程图。
下面结合附图对本实用新型作详细说明。
具体实施方式
本实用新型提供的太阳能加热石油储油罐温度自动控制系统包括，PLC控制器、温度采集卡、液晶屏和太阳能热泵加温温度控制部分四部分(参见图1)；
太阳能热泵加温温度控制部分(参见图2)包括：太阳能集热器、热水箱、电加热器和热泵，太阳能集热器和热泵安装于热水箱外，电加热器安装于热水箱内，热水箱安装于储油罐外，热水箱通过输水管路与安装于储油罐内的换热器连通，补水箱通过输水管与热水箱连接；
热水箱第一出水口O1使用输水管经管道上设置的第一循环泵B1和第二温度传感器RT2连接于太阳能集热器的入水口，第二温度传感器RT2靠近于热水箱第一出水口O1；太阳能集热器出水口使用输水管经管道上设置的第一温度传感器RT1和第三电磁阀D3连接于热水箱的第一入水口I1，第一温度传感器RT1靠近于太阳能集热器的出水口；太阳能集热器出水口到换热器入水口的输水管道上设置有第七温度传感器RT7、第四循环泵B4和第十温度传感器RT10；热水箱第二出水口O2到换热器入水口之间的管道上安装有第四电磁阀D4，第四电磁阀D4的一端连接于热水箱第二出水口O2处，第四电磁阀D4的另一端连接于第七温度传感器RT7和第四循环泵B4中间的管道上；
补水箱通过输水管经管道上设置的第五电磁阀D5和第十一温度传感器RT11连接于热水箱的第四入水口I4；换热器出水口安装有第四温度传感器RT4，储油罐内部安装有第五温度传感器RT5；换热器出水口通过输水管经管道上设置的第二电磁阀D2连于热水箱的第二入水口I2，换热器出水口同时通过输水管经第一电磁阀D1和第十二温度传感器RT12连于热泵，热泵通过输水管经第二循环泵B2连接于热水箱的第三入水口I3，热泵内部安装有第三循环泵B3和地热管；热水箱底部安装有两组电加热器，一组是电加热器1和第八温度传感器RT8，另一组是电加热器2和第九温度传感器RT9，热水箱内同时安装有液位传感器；
该温度自动控制系统以PLC控制器为中心，液晶屏使用RS485总线连于PLC控制器，太阳能热泵加温温度控制部分中的各路温度传感器使用温度采集卡接口电路(参见图4)连于PLC控制器模拟量输入IO口，太阳能热泵加温温度控制部分各处安装的电磁阀、循环泵、电加热器执行机构的控制接口通过导线连于PLC控制器数字量输出IO口。该温度自动控制系统的电气连接结构请参见图3。
PLC控制单元的核心部件是西门子公司生产的PLC，型号为CPU224XP，其自带两路A/D通道。本系统共有12个温度传感器，温度采集卡需要采集12路温度信号。温度传感器采用RTC公司的负阻(温度升高阻值降低)热敏电阻。每路温度采集卡接口电路对采集的信号进行调理放大，通过模拟开关的控制分时将信号发送给PLC控制单元，实现多路信号的采集、预处理和传送的功能。由于采集节点为12路，而PLC采用1路AD进行采样，因此系统设计采用TI公司提供的16路模拟开关MPC506进行循环的采样，其模拟信号输入电压大小的范围是±15V，功率耗散为7.5mW，满足系统的设计要求，单路采集电路参见图4。在采集电路结构设计上，采用惠更斯电桥进行传感器电压信号的采集，为电桥提供电压的芯片选用TI公司的精密电压源芯片REF102，其参考输出电压的大小为10v，电压的波动大小为±2.5mV，输出精度远远大于常用的一些10v线性稳压模块，输出电流为10mA，满足输出功率的要求，温漂系数为2.5ppm
，有效地减少了由于环境温度变化而引起测量误差。
人机界面选用西门子公司的5.7英寸触摸屏K-TP178micro，满足了设计的需求，实现了良好的人机界面。在软件的设计方面，测试阶段的软件程序主要包含2个部分：液晶屏的显示程序和PLC的控制程序，程序流程图参见图5。在液晶屏上设计好各项功能，并通过对各个模块的预先设置完成对系统的控制输入和显示输出功能。PLC控制器根据不同的温度条件利用多个继电器控制各个电磁阀、各个循环泵、热泵、电加热1和电加热2，从而控制整个系统的稳定工作。
工作流程：
本实用新型在光照充足的条件下利用太阳能对太阳能集热器中的水加热，热水流过位于储油罐中的换热器，从而对储油罐进行加热。温度传感器RT1采集太阳能集热器的进水口，RT2采集太阳能集热器的出水口温度，当采集到的温度不同且温差达到设定控制值时，则启动循环泵B1将热水送入热水箱和换热器，并将热水箱的(相对于集热器中的热水)冷水循环入太阳能集热器。将太阳能集热器的出入口水循环至无差值时循环泵B1停止。
由温度传感器RT5检测油罐油温，RT10检测水温。当油温低于设定最低控制温度值时，电磁阀D4开启，循环泵B4启动，对换热器输送热水，对储油罐进行加温；当油温达到设定最高控制温度值时，电磁阀D4关闭、换热器循环泵B4停止工作，停止加温。
此外，温度传感器RT7检测太阳能循环水温度，当温度高于最高设定值时，电磁阀D3关闭，太阳能集热器直接单独对换热器输送热水，热水箱停止输送热水。当温度低于最低温度控制值时，电磁阀D3开启，太阳能集热器停止对换热器输送热水，改用热水箱对换热器输送热水。
在太阳能集热器内装一个温度传感器RT3，当它采集到一个低温控制值(如0-5度，可调整)时，太阳能循环泵B1启动，进行太阳能集热器和热水箱换水，将热水箱内热水循环进入集热器，防止无光照时集热器内的水遇冷结冰。
当光照不足或无光照，水温达不到设定值时，由热泵辅助参与加热，即太阳能集热器不能将水加热至规定水温时，热泵同时参与对水加热，以保证水温满足加热需求。温度传感器RT4检测换热器出口水温值，温度传感器RT6检测热水箱水温值，当这两个地方的温度有一个低于设定温度都将开启电磁阀D1，启动循环泵B2和B3进行热泵辅助加热。
热水箱底部设置两组电加热设备：电加热器1和温度传感器RT8为一组，电加热器2和温度传感器RT9为一组。两组电加热设备在不同的时间段在需要时给热水箱电加热。当太阳能集热器不能加热且热泵出现故障停止运行时，使用电加热进行加热。一天可以分为两个时段：在时段1当RT8所测热水箱温度低于设定最低控制温度值时，系统启动电加热1，当RT8达到设定最高控制温度时，停止电加热1；在时段2当RT9所测热水箱温度低于设定最低控制温度值时，系统启动电加热2，当RT9达到设定最高控制温度时，停止电加热2。
系统还提供了补水功能。当液位传感器采集到缺水信号时，开启电磁阀D5进行补水，当液位传感器采集到满水信号则关闭电磁阀D5。
本自动控制器自动完成对该系统所有输入和输出节点的自动控制，使系统的人机界面友好，控制稳定性高，采样精度高，大大节省了人力成本，提高了生产效率。
Claims (1)
1.一种太阳能加热石油储油罐温度自动控制系统，其特征在于该系统包括PLC控制器、温度采集卡接口电路、液晶屏和太阳能热泵加温温度控制部分四部分；
太阳能热泵加温温度控制部分包括：太阳能集热器、热水箱、电加热器和热泵，太阳能集热器和热泵安装于热水箱外，电加热器安装于热水箱内，热水箱安装于储油罐外，热水箱通过输水管路与安装于储油罐内的换热器连通，补水箱通过输水管与热水箱连接；
热水箱第一出水口O1使用输水管经管道上设置的第一循环泵B1和第二温度传感器RT2连接于太阳能集热器的入水口，第二温度传感器RT2靠近于热水箱第一出水口O1；太阳能集热器出水口使用输水管经管道上设置的第一温度传感器RT1和第三电磁阀D3连接于热水箱的第一入水口I1，第一温度传感器RT1靠近于太阳能集热器的出水口；太阳能集热器出水口到换热器入水口的输水管道上设置有第七温度传感器RT7、第四循环泵B4和第十温度传感器RT10；热水箱第二出水口O2到换热器入水口之间的管道上安装有第四电磁阀D4，第四电磁阀D4的一端连接于热水箱第二出水口O2处，第四电磁阀D4的另一端连接于第七温度传感器RT7和第四循环泵B4中间的管道上；
补水箱通过输水管经管道上设置的第五电磁阀D5和第十一温度传感器RT11连接于热水箱的第四入水口I4；换热器出水口安装有第四温度传感器RT4，储油罐内部安装有第五温度传感器RT5；换热器出水口通过输水管经管道上设置的第二电磁阀D2连于热水箱的第二入水口I2，换热器出水口同时通过输水管经第一电磁阀D1和第十二温度传感器RT12连于热泵，热泵通过输水管经第二循环泵B2连接于热水箱的第三入水口I3，热泵内部安装有第三循环泵B3和地热管；热水箱底部安装有两组电加热器，一组是电加热器1和第八温度传感器RT8，另一组是电加热器2和第九温度传感器RT9，热水箱内同时安装有液位传感器；
该温度自动控制系统以PLC控制器为中心，液晶屏使用RS485总线连于PLC控制器，太阳能热泵加温温度控制部分中的各路温度传感器使用温度采集卡接口电路连于PLC控制器模拟量输入IO口，太阳能热泵加温温度控制部分各处安装的电磁阀、循环泵、电加热器执行机构的控制接口通过导线连于PLC控制器数字量输出IO口。
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