毕业论文--油水分离液体界面控制系统.doc

xxxxxx学院毕业论文（设计）题 目 油水分离液体界面控制系统学 生 xxxx 学 号 xxxxxxx 专业班级 xxx机电一体化 系院名称 xxx学院工业工程系 指导教师 xxxxx 二 年 月 日 目录(一)摘要 .(二)1概述2 对象的组成及特性3 附设除水器的控制方案4 直接控制分界面的控制方案5 油水分离界面控制系统6 最佳控制方案的确定7 误差分析8节阀的选择9 仪器、仪表的接地10 油水分离技术主要应用领域11 结束语12参考文献油水分离液体界面控制系统 摘 要 在目前工业废水的大量排放已成严重趋势的情况下，我们不管是从经济还是从环保的角度上讲，加强对废水的控制和处理都势在必行，这就需要设计出一套经济实用的废水控制系统来缓解废水的污染度。特别是在石油开采方面，由于原油中水的比例超标，所以，我们将针对原油自身的成分特质而配置适当的控制系统，对其加工、处理，使原油达到生产生活的要求。在整套控制系统中，我们又主要是对原油的油水分离界面控制，做好了油水分离界面控制就等于完成了原油的控制。因此，油水分离界面控制成了本文的主要环节，本文将详细介绍目前较实用的几种除水技术的自动控制方案，主要把原油中水分离出来的油水分离界面控制来阐述系统的工艺流程、生产对工艺参数的要求、对象的组成、动静特性以及各种参数的选择和具体控制要求等方面。并在各种可行的方案中确定一最佳控制方案。在这种控制系统中，我们从系统的组成、对象的静态特性等方面来进行分析可以看出本系统比其他系统（即直接控制油水分界面的控制系统）更实用，它的应用范围更广，同时也能很好的起到节约经费的作用等。关键词 轻组分，油水分离，安全接地1 概 述世界人口的迅猛增长和工业的高速发展，导致水资源短缺日益加剧。20世纪世界人口增加了近3倍，淡水消耗量增加了约6倍，其中工业用水增加了26倍。而世界淡水资源总量基本不变，使20世纪末的人均占有水量仅是实际初的1/18。据报道，目前世界上约有1/3的人口面临供水紧张的威胁；另一方面水污染问题日趋严重，全世界每年排放工业废水约4260亿m,造成可供人类使用的淡水资源总量的1/3受到污染，使本来就很紧张的淡水资源更是雪上加霜。据有关资料显示，1995年全世界有20的人口缺乏安全用水。另据世界卫生组织统计，每年至少有1500万人死于水污染引起的疾病。我国水资源不丰富，是世界13个贫水国之一。年均降水量只有630mm，低于全球陆地面积年均降水量（880mm），年均水资源总量为2.81万亿m,居世界第六位，但按1998年12.48亿人口计算，人均占有水量仅为2251m，是世界人均水平的四分之一，居世界149个国家的第110位。按国际上的通行标准，人均占有水资源2000m为严重缺水，人均占有水资源1000m为最低标准，由此可见我国属于水资源短缺的国家。据统计，我国城市每年缺水60亿m，在全国666座建制市中，有近400座城市缺水，日缺水量达1000万m以上。缺水导致水费上涨，如威海市城市居民现按每人每月2m水配额供应，超过配额部分按40元/m收费。据美国经济学家斯特布朗预测，2020年我国将缺水300多亿m。到2030年中国工业用水将从每年520亿m增加到2690亿m，届时水资源的短缺将更加严重。一方面水资源严重短缺，另一方面水资源污染日益严重。1995年全国废水排放量达365.2亿m，占世界污水排放总量的8.6，造成全国700余条大中河流中的近1/2遭受污染，其中70余条河流因严重污染而失去使用价值。中国环境状况公报报道，目前78的城市河段不适宜作饮用水源，50的城市地下水已受到污染。可以说污染到了触目惊心，非治理不可的程度。在城市用水中，工业用水占80。而工业用水浪费问题严重，表现之一是输水方式落后，水损失率高。据1996年供水年鉴统计，工业输水过程中水损失率高达20，1997年工业用水在输送途中损失了2000多万m，而日本在1992年的输水损失率仅为10；再就业工业耗水量大，国内加工吨油的水消耗量是国外的近5倍，钢铁是国外45倍，啤酒是国外的26倍，发电是国外的2倍，造纸是国外地22.5倍；另外工业水的重复利用率低，一般只有30，德国高达64，日本为60。上面三个环节造成工业水的浪费极大。对于工业用水，节水的余地很大，如果将石化企业炼油装置的吨油水耗从目前的2.37m降低到镇海炼油化工股份公司的1.0m水平，吨油排污水量由目前的1.84m降低到镇海良友化工股份公司的0.52m，石化系统炼油行业每年可以节约1.768亿m新鲜水，同时减少相应数量的污水排放，所节约的新鲜水可以满足3.54亿t新增加工原油用水，同时可为企业节约水费，污水处理费和排污费约8亿元。要缓解油资源短缺，必须从两方面入手。一是节约燃料，特别是提高油的开采率；二是提高燃料的利用率，把原油进行加工，使其纯度更高。面对如此严峻的油资源状况，加大对原油的除水处理就显得特别重要了，就需要我们设计出一种经济适用的除水控制方案来缓解以上系列问题。我们将详细设计除水自动控制系统方案。要解决时间紧、任务重与资金严重不足的矛盾，必须充分重视，并发挥科学技术在环保工作中的作用。原油的除水处理工艺方案设计是除水处理的首要环节，一个科学合理的方案可以在达到治理目标的同时节省投资、降低成本、简化管理。本控制系统的被控对象是原油在分离罐中的油水分离的界面自动控制。在整个控制系统中，原油中油和水的输入总量是基本上是固定不变的它不会随时间的变化而变化，这属于稳态。而在系统中，要维持废水界面控制，将系统的稳态值设定在适合值，如果稳态值有变化，则要系统能够根据实际情况来调节。在石油化工工业中，常常要从许多组成沸点相近的混合物中分离出轻组分，一种有效的办法是往混合物中加入一定比例的水作萃取塔蒸馏，再把从塔顶馏出的蒸汽冷凝，然后进入油水分离罐，分别取出轻组分的物质与水，就可以获得生产过程所所需要的轻原料，例如：腈纶生产的原料丙烯腈就是利用这种方法从混合物中分离出来的。可见油水分离器在生产过程中是一种常见的设备。2 对象的组成及特性在油水分离系统中，首先应明确整个控制系统的组成。对于任一油水分离系统来讲，我们需要控制的是待处理的油水混合液，而要达到控制油水分离的目最重要的是要做好油水分界面液位的控制。油水分离控制系统主要组成部分包括：比例调节器、差压变送器与调节阀门等研究被控对象动静特性的目的是据以配置合适的控制系统，以满足生产过程的要求。系统在运行中有两种状态。一种是稳态，此时系统没有受到任何外来的干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的共况。另一种是动态，当系统受到外来干扰的影响或者在改变了设定值后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继发生变化，尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时就称系统处于动态。经过一段调整时间后，如果系统是稳定的，被调量将会重新达到新设定值或其附近，系统又恢复稳定平衡状况。由于被控对象总是不时受到各种外来干扰的影响，设置控制系统的目的正是为了对付这种情况，因此系统经常处于动态过程。显然，要评价一个过程控制系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应该考核它在动态过程中被调量随时间变化的情况。3 附设除水器的控制方案油水分离有两种典型的控制方案，如图1与图2所示。图1利用溢流方式分离油，利用除水器分离水是根据除水器抽水管的高度，可以推算出油水分离的液体界面的高度，由 油水混合液 回流pp 水 油 图1 附设除水器控制方案图1可以看出，当分离罐的液位处于稳态的情况下，存在如下关系： (1)式中为分离层的高度；为水的重度；为油的重度；为溢流档板高度；为抽水管出口高度；为抽水管的阻力损失，因为，为常数，在抽水管较短的场合下是一个很小的数，因此可以忽略不记，于是由式1求得分离层高度的计算式 （2） 油水混合液h 油 水pp 回流d/qd/q 水 油图2 直接控制分界面控制方案显然，在油水分离器暂态过程以后，其油水分离界面恒定的，因此图1不是要求专门的界面控制系统，仅安装除水器的水位控制系统与油水分离器的溢流槽液位控制系统，这两个系统均由比例调节器、差压变送器与阀门组成。4 直接控制分界面的控制方案图2溢流槽液位控制系统与图1相同，不同的是分离器没有除水器，油水界面采用浮筒式液位变送器进行检测。图3-2表示某油水分离器所采用的浮筒式液位计与油水分离罐的联系方式。油水分界面控制系统采用电动浮筒式液位变送器，这种变送器的最大量程l=500毫米水柱，最大浮力f=0.6公斤，最大浮力所对应的仪表信号为10毫安，且知=0.12克重/， =1克重/。浮筒液位剂 油水分离器 l 图3 浮筒液位计与油水分离器的联系方式为了利用这种变送器进行分界面的测量，浮筒的截面积需要按仪表规定的技术条件与工艺参数进行特殊设计。由上述规定的仪表技术条件知道，当浮筒全部为重液所 没时，其浮力为最大，此时的浮力为=0.6公斤，对应的仪表为10毫安，当浮筒全部为轻液所侵没时，其浮力最小。根据最大浮力的条件，可以确定浮筒的截面积a （3）a确定以后，可以求出浮筒全部为轻液所 没时的浮力 （4）根据以知条件：l=50厘米， =0.88克重/，得到 （5）可见，分界面从0变化到l，其浮力只变化0.072公斤，相当于原来浮力变化的。这就是说，利用浮筒液位变送器作分界面测量仪表时，其静态增益大大降低，而且仪表的静态工作点偏高，譬如h=l，浮筒全部为油，仪表的零位信号就有毫安。为了克服上述出现的两个问题，系统设计必须进行如下两项工作：41 液位界面变送器的零点迁移零点迁移的依据是当液位界面处于变化范围（0l）的中间值（l/2）时，变送器的输出信号亦为仪表工作信号（010毫安）的中间值（5毫安）。迁移前，分界面处l/2 处时的浮力为 （6）与f对应的变送器输出电流为 （7）因此将变送器的零点往负的方向迁移4.4毫安，此时，变送器的输出信号为 （8）调节器的给定值设置在50%，既42 减少变送器的量程将变送器的测量减少8.33倍，以维持界面变送器的静态增益同测量液位的静态增益一样。如果变送器的静态增益因结构关系难以改变，则在组成控制系统时应减少比例调节器的比例带。例如一般液位调节器的比例带为50%，则对于同一差压变送器（如不改变量程）应用于控制分界面时，调节器的比例带应设置为6%。5 油水分离界面控制系统 为了油水分离系统的正常进行，对于油水分离控制系统的生产、生活工艺要求罐内的油水界面一般需维持在某一小范围内变化，并要保证分离罐内的水不产生溢出和低于排水的最底要求，确保油水分离过程的安全。本文就设计出油水分离界面控制系统，用分离罐的油水分界面来控制油水分离界面控制系统。油水界面控制的基本目的是使油水分界面尽可能靠近其设定值，这个设定值可能代表一个最佳操作点。控制器控制器图4 油水分离界面控制系统组成油水分离罐控制器 - +流量变送器图5 油水分离界面控制系统油、水流量控制方框图 油水分离界面控制系统如图5所示，其控制目的是保持油水分离过程正常进行。在该系统中并不是严格要求把油水分界面保持在某一设定值上，而是根据其油水分界面指示值，通过差压变送器把非电信号转变为电信号，控制器根据这信号来控制阀门的运行工况。其具体运行情况是：油水混合液里油水比例发生变化时，出油管出油量和出水管出水量就要发生变化，油水分离罐里的油水分界面就发生变化，当水的比例增大时，油水分界面上升，出水管阀门的开度增大，出油管阀门的开度减小，反之，当油的比例增大时，油水分界面就要下降，出水管阀门的开度减小，出油管阀门的开度增加。为使系统能顺利工作，就必须把油水分界面控制在一定范围内变化，系统通过安装在油水分离管内的两台液位指示仪，显示其液位值。当油水分界面在规定的范围变化时，安装在油水分离罐外的差压变送器把这一油水界面液位值转变为电信号传入控制器，控制器根据这值与其设定值比较来控制出水管阀门的开度，向外输出水。当油水分界面液位高于允许变化范围最大值时，出水管阀门开度最大，当油水分界面液位低于允许变化范围最小值时，出水管阀门关闭。51 被控参数的选择根据以上油水分离控制系统的工艺简况可知，分离罐内的油水分离界面和油液位需维持在某一给定的位置上，或在某一范围内变化，这是保证油水分离正常进行的工艺指标。所以，分离罐内油水分界面和油液位分别既是直接被控参数。由于油水分界面和油液位测量一般是比较方便的，并且工艺指标要求的精度并不的非常高，所以，就直接选取油水分界面和油液位作为被控参数。52 控制参数的选择从油水分离界面控制系统的工作原理和过程来看，影响油水分界面和油液位的参数有两个，一个是油水混合液中油和水的流入量，一个是油和水的流出量。控制这两组参数都可以直接控制液位。但出水（油）量是由输入量决定的，并且输入量是变化的，无规律的。所以从保证油水分离的正常进行的因素考虑，故选流出量（油和水）作为控制参数。53 过程动态特性油水分离界面控制系统过程特性为，有自衡的非震荡过程。其响应曲线示于图 t图6 油输出阀门的工作区及其特性说明：油水混合液中油的含量，：油的液位最大值，：油的液位最小值 t图7 水输出阀门的工作区及特性说明：油水混合液中水的含量，：油水分界面液位最大值，：油水分界面液位最小值当刚开始向油水分离罐内输入油水混合液时，油输出阀门和水输出阀门谁先工作，要根据实际情况才能确定，所以在这里不作讨论。假设油水分离控制系统达到平衡后，水的输入量不变，油的输入量增加，油水分界面保持不动，油的液位上升，输出油管道的阀门开度增大，最后达到平衡。当水的输入量增加，油的输入量也增加，油水分界面液位上升，油的液位上升得更快，输出油和水管道的阀门开度都增大，最后达到平衡。当水的输入量增大，油的输入量减小，油水分界面液位上升，油的液位先上升、再下降，输出水的管道阀门开度增大，输出油的管道阀门开度先增大后减小，最后达到平衡。当水的输入量减小，油的输入量增大时，油水分界面液位下降，油的液位上升在下降， 输出水的管道阀门开度减小，输出油的管道阀门开度增大、再减小，最后达到平衡。当输入油和水的量都减小时，油水分界面液位下降，油的液位下降得更快，输出油和水的管道阀门开度减小，而且输出油管道的阀门开度减小得更快（先慢后快），最后达到平衡。6 最佳控制方案的确定 油水分离界面控制系统需达到系统的正常运行，并保证油水分离的安全、稳定、经济。所以需采用智能控制系统。智能控制是目前一个极受人们关注的新兴学科，它是以传统的控制理论为基础发展而来的，主要用来解决那些用一般方法难以解决的复杂的控制问题。智能控制是继经典控制理论方法和现代控制理论方法之后新一代的控制理论方法。智能控制系统的指具备一定的智能行为的系统。具体地来讲，就是对于一个问题的激励输入，系统具备一定的智能行为，并能够产生合适的解的响应，这样的系统便称为智能系统。通过对几种油水分离界面控制系统的过程控制的分析，化学驱油技术要求技术高、控制系统复杂、投资大、浪费能源，不能很好的推广，它们对于一般企业都不具有可行性。直接控制分界面的控制方案不仅能解决技术要求不高的问题，而且控制设备简单，成本低廉，实现了油水分离的智能控制。直接控制分界面的控制方案的油水分离界面控制系统就是油水分离的最佳方案。 直接控制分界面的控制方案是根据油水混合液中油水的输入量来分别调节阀门的开度，向外分别输出油和水，保持分离罐内的油水分界面和油液位的平衡。当油水输入量油（水）的比例增大时，油（油水分界面）的液位上升，通过检测元件测得其油（油水分界面）的液位，再通过差压变送器把这一信号转变为电信号传入到控制器，控制器把这一信号与系统设定值进行比较作出判断来增大油（水）输出管道阀门的开度。当油水输入量油（水）的比例减小时，油（油水分界面）的液位下降，通过检测元件测得其油（油水分界面）的液位，再通过差压变送器把这一信号转变为电信号传入到控制器，控制器把这一信号与系统设定值进行比较作出判断来减小油（水）输出管道阀门的开度。本系统控制结构简单，所需设备少，造价低廉，节约能源，其控制过程全是自动化控制，无须专人值班看管。本系统达到了油水分离的智能控制。7 误差分析由于仪表的直接测量值x与间接测量值y之间存在着函数关系y=f(x)，则由微分学可知，直接测量值的测量误差引起的间接测量值的误差为函数的增量，而该增量可用函数的微分来表示。同样，有n个直接测量值xi(i=1，2，n)与间接测量值的函数关系为y=f(x1,x2xn) (9)则测量的总误差可用函数的全微分表示为 (10)上式是函数误差计算的一般公式。对于我们所研究的计量装置其仪表的误差性质为随机误差。其计算公式为： (11)式中r为相关项也称协方差。在实际测量中，各个直接测量值之间是相互独立的，即r项为零。计量分离器上单个仪表的测量误差xi有随机误差，且相互独立。根据独立变量误差叠加原理，其计量装置的误差可由下式进行计算： (12)整个计量分离器是一个完整的计量系统，其测量总误差来源于四个方面：含水分析仪的准确度、弹性刮板流量计的准确度、水中含油的测量误差以及未考虑因素的附加误差。含水分析仪的准确度为2.0%； 弹性刮板流量计的准确度为1.0%；水中含油的测量误差为0.2%；未考虑因素的附加误差为0.1%。则装置的总误差为 (13)通过以上计算可以得出计量装置的不确定度为2.5%。8节阀的选择调节阀是自动控制系统中极其重要的必不可少的组成部分，它的作用是接受调节器来的信号。通过阀门开度的变化，使被控制参数改变以补偿干扰对被控参数的影响，从而实现自动控制。8.1 调节阀的流量特性(1) 调节阀的理想流量特性调节阀的流量特性：是指流体通过阀门的流量和阀门杆行程之间的关系。为了比较方便，往往取相对流量，行程也取相对行程。 （14）改变阀芯、阀座间的节流面积便可以控制流量，但实际上在阀开度改变的同时，阀前阀后的压差也要发生变化，而压差的变化也会引起流量的变化。为了分析方便，假定阀前阀后压差是固定的，即p=常数。这时得到的流量特性称为理想流量特性。常用的理想流量特性有以下几种： 线性流量特性：线性流量特性是指调节阀的相对开度（阀杆的相对行程）和相对流量成直线关系，即 （15）是阀的可调范围，对一固定调节阀r是一常数，在直角坐标上是一条直线。 对书流量特性（等百分比） 100 （16） 100 由图可见，曲线的斜率（即阀的放大系数）是随着阀杆行程的增加而增加的。在相同的行程变化下，流量较小时，流量的变化较小，流量较大时，流量变化较大，因而这种阀在小开度时工作比较平稳，而在大开度时，工作也灵敏，此阀在不同的开度时，只要是相同的行程变化，流量的相对变化量都是相等的，故也称等百分比，用得最多。 快开流量特性 （17）这种特性是小开度时，流量变化大，随着阀杆行程的增大，流量很快就达到最大值，故称快开流量特性。 抛物线流量特性 （18）与对数比较接近。（2） 调节阀的工作流量特性调节阀的工作流量特性是指调节阀在实际控制系统中 p p管 p阀总是与设备管道等连接在一起的，即使管道两端的总压降p是定值，但管道中的沿程阻力和局部阻力都会随着流量q的变化而变化。因此阀前后的压差p总是变化的，即在流量最小时（阀全关）压差p阀最大，流量最大时（阀全开）压差p最小，因此在工作情况下，调节阀的实际流量特性和理想流量特性是不同的，其差异程度由阀阻比s决定 。8.2 调节阀流量特性的选择流量特性的选择主要是对直线与等百分比两种特性的选择，有理论计算法与经验法，但都较复杂。工程设计多用经验准则，从控制系统特性、负荷变化与s值3个方面进行综合分析，选择控制阀的流量特性。8.3 调节阀的结构选择调节阀在气动、电动、液动三大类。其中气动阀由于结构简单，输出推动力大，工作平稳可靠，本质安全等原因得到了极为广泛的应用。气动阀有：单座阀，双座阀，角形阀、三通阀，隔膜阀，碟阀，小流量阀，套筒阀等。（1） 单座阀：由于只有一个阀芯和阀座，容易保证关严，但阀杆受到不平衡力大，所以通常使用在要求泄漏小或要关得很严，以及低压差场合。（2） 双座阀：流体压差对两个阀芯作用力方向相反，阀杆上不平衡力小，适用于阀两端压差较大的场合，但泄漏较大，关严困难，流路复杂，对高粘度、含悬浮物的介质也不宜采用，但由于双座阀不平衡力小，得到了广泛的应用。（3） 角形阀：流路简单，阻力小，不易堵塞，适用于高粘度，含悬浮物的介质。由以上比较，选择本系统单坐阀8.4 调节阀气开气关形式的选择调节阀气开、气关形式的选择主要是从生产安全角度考虑的。在有信号压力时，阀开，无信号压力时，阀关，称“气开式调节阀”。反之，在有信号压力时，阀关，在无信号压力时，阀开，称“气关式调节阀”。在系统中选用气开阀还是气关阀是根据控制系统在断气的事故状态下，使阀全开安全还是阀关安全而定的。9 仪器、仪表的接地油水分离界面控制系统中使用电子仪表，接地是一个非常重要的问题，接地系统是控制设备安全可靠、稳定精确工作的保证。如果接地系统设计的不合理，可能会带来干扰，造成较大测量控制误差，以至于仪表系统不能投运或甚至可能损坏仪表和计算机控制的i/o板卡；如果接地系统中存在重大错误，还可能造成重大人身和设备安全事故。91 接地的作用接地主要分为：（1）保护性接地（2）工作接地 信号回路接地 屏蔽接地 本安仪表接地设备保护接地的目的是保护设备和人身安全、以防设备带电发生事故。由于油水分离界面控制系统主要涉及保护性接地，所以下面着重介绍保护性接地。正常情况下，用仪表的外壳、电气设备的外表面、各种仪表盘（柜）等都不应该带电，但是在设备运行过程中因某些原因造成设备绝缘性能下降或破坏，就有可能是电气设备不该带电的部位带电，如果有人触及这些部位就可能出现危及人身安全的触电事故。由于设备外壳带电，在某些条件下可能会出现电火花，一旦现场具备条件就可能出现爆炸或失火，这是非常危险的。油水分离界面控制系统中需要保护性接地的设备有： 仪表盘 用电仪表外壳 金属接线盒、导线穿管92 油水分离界面控制系统部分仪器的接地方法（1） 油水分离界面控制系统的接地系统组成油水分离界面控制