毕业设计（论文）-联合站原油脱水监控系统设计.doc

目 录1绪论11.1联合站原油脱水监控系统的国内外现状及发展趋势11.2本设计目的和意义21.3本文研究内容32联合站原油脱水系统概述42.1联合站简介42.2联合站原油脱水工艺流程选择42.3联合站原油脱水工艺流程简介52.4联合站原油脱水的主要工艺参数指标62.5联合站原油脱水工艺参数控制72.6联合站原油脱水的控制流程图83联合站原油脱水DCS系统方案设计93.1监控方案选择93.2用PC 和PLC实现集散控制（DCS）的基本原理103.3基于PLC+PC组成的联合站原油脱水DCS系统方案设计114联合站原油脱水DCS系统实验室模拟设计134.1现场模拟信号的采集134.2控制层PLC模块配置144.3监控系统工业网络架构设计155系统硬件选型175.1仪表选用175.1.2压力仪表的选用185.1.3油水界面仪表的选用195.1.4流量仪表的选用195.1.5含水分析仪表的选用205.1.6液位仪表的选用205.2阀门的选用225.2.1调节阀选用原理225.2.2调节阀流通能力的计算、公称直径及型号的选择236下位机PLC软件设计及编程256.1软件设计流程256.2 计算机和PLC通讯组态设计256.3下位机PLC梯形图编程设计276.3.1 创建工程276.3.2 配置I/O286.3.3 梯形图程序编写326.3.4 Tag（标签）326.4 控制网网络规划337力控监控组态软件设计367.1 力控简介367.2制作工程画面367.3创建实时数据库397.4用OPC建立力控与罗克韦尔的通信397.5 建立动画连接437.6 创建报警、专家报表、趋势曲线448系统连线调试及运行478.1系统硬件连线478.2系统调试及运行499结论50谢辞51参考文献52附录一 控制流程图53附录二 流程图55附录三 数据采集物理端口分布57附录四 数据采集及报警程序58I联合站原油脱水监控系统设计1绪论1.1联合站原油脱水监控系统的国内外现状及发展趋势国外在联合站监控系统方面比我国发展的快速，早在上世纪50年代，美国就建成第一套自动化监控输送系统解决了原油的自动收集、处理、计量输送问题。60年代，Acro油田公司就已经把PLC用于注水控制，并很快发展到报警、泵控等其它领域。随着监控与数据采集系统越来越多的应用于油田生产控制与管理中，它与油田开采中的处理设备上的检测仪表和控制设备直接连接，能够实时和不断的获取检测仪表所检测到的运行信息。国外有些油田还实现了注气、注水的优化控制。自从美国Honeywell公司于1975年成功的推出世界上第一套DCS以来，经历了20多年的时间，DCS已走向成熟。目前的DCS发展成为基于计算机技术（Computer）、控制技术（Control）、通信技术和图形技术及4C技术，通过通信网络将分布在工业现场（附近）的现场控制站、检测站和操作控制中心的操作管理站、控制管理站及工程师站等联接起来，共同完成分散控制和集中操作、管理和综合控制系统。国外油田DCS的应用已经开始采用一些先进控制策略。如HONEYWELL公司的性液位控制，可以更好地适应进液的波动。美国通控公司的无模型控制器可以适合滞后、时变的温度控制。HONEYWELL公司的气举优化和各种多变量控制、适应性模糊控制、神经网络控制也在油气集输处理站的DCS上运行，实现了部分生产过优化运行。目前国外已经将自动化技术提升到对原油的生产、储运、销售等环节进行全面监控的现代化管理水平的高度。英国石油公司建立的自动化监控系统可以根据地质情况自动控制产量。美国油田甚至将销售也考虑在自动化管理系统中。我国大部分的油田采油厂联合站是在20世纪70年代建立起来的，目前的联合站监控系统主要分为人工监测控制、常规仪表自动监测控制、计算机监测控制三种方法。而我国很多地方依然停留在人工监测控制阶段而常规仪表组成的控制系统在处理复杂控制系统、集中监控系统和控制精度等方面具有局限性。上世纪九十年代，计算机控制开始应用于联合站生产过程，尤其是西部塔里木、吐哈、准格尔三大盆地的开发和建设，油田生产过程中的自动控制和管理的到了迅速的发展。1992年5月，鄯善油田就使308口油水井、19座计量站全部实现了由单井、单个装置，单站自动化向全油田，全线自动化的转变。随着油田开采的深入，油田已经进入到高含水及日产量不稳定的阶段，因此对油田的自动化水平要求也越来越高，系统的控制策略一步适合当前中转站来液量大且波动大的实际情况，监控软件中的先进控制方法以及软硬件交互的开放性应用也不够。随着DCS向计算机网络控制发展，集输系统生产过程不仅局限于联合站范围内的操作和控制，还向过程控制系统和信息管理系统紧密结合方向发展，即控制和管理一体化。因此，联合站采用DCS是最佳选择，目前绝大数联合站采用的计算机监控系统是DCS。 1.2本设计目的和意义在开采原油时，我国的很多油田都是中后期开采，油田由于注水所开发出的原油含有较多的水分，目前一般为5080，有的甚至高达90，因此需要将原油中所含的水用各种方法分离出来。联合站原油脱水的监控系统首先要保证联合站内的各个工艺装置工作正常，外还要设法保持工况的相对稳定，增加脱水转油的效率。如果脱水不彻底，不仅采来的油得不到利用产生浪费，而且会加重后面污水处理的负担。另外外输站的计量(流量与含水率)也因直接与采油厂的效益相关，所以也很重要。目前，大多采用人工定时采样测含水，容易造成漏洞，引致外输的实际油质与测量值不同，引起损失和纠纷。为了实现联合站原油脱水工艺流程自动监控，减少不必要的损失，集散控制系统就必不可少，测控点数多、测控精度高、测控速度快的工业现场, 其特点是分散控制和集中监视, 具有组网通信能力、测控功能强、运行可靠、易于扩展、组态方便、操作维护简便。系统完全可以胜任或多回路调节器的工作, 它作为一个结点机使用是理想的。使用DCS 系统对生产过程进行控制, 实现了整体化、智能化、网络化、标准化的要求。系统的一切管理在控制中心即可完成, 为实现安全稳定生产, 减少设备建设维护费用, 提供了强有力的手段。因此，这就迫切要求对联合站进行自动化改造，实行集散控制系统的监控与管理。从而可以自动采集并监测生产过程的各个参数，并进行优化处理，实现节能降耗，对建成环保、节能、运行效率高、自动化管理水平高的智能化、数字化的联合站有着重要意义，它同时也是数字化油田建设的重要组成部分。1.3本文研究内容本文主要研究了联合站原油脱水工艺流程自动化监控系统方案设计。设计采用DCS系统为联合站原油集输提供自动化监控与历史数据记录。设计具体内容如下: 1、确定工艺流程控制方案及模型；2、系统构成方案； 3、系统配置选型；4、仪表量程等参数的计算及仪表的选型；5、阀门流通能力的计算、公称直径的选择及阀的选型；6、罗克韦尔PLC编程；7、监控系统组态软件的编程，硬件模拟，系统调试。2联合站原油脱水系统概述2.1联合站简介油田是由油井、水井、计量间、配水间、转油站、联合站组成的一个油气水处理的综合系统，而联合站又是该系统最重要的组成部分。联合站是对各转油站来原油进行集中处理的场所，它主要包括对含水原油自然沉降系统(一段脱水)、电脱水系统(二段脱水)、污水处理系统、成品油外输系统、污水回注系统。其工艺流程如图2.1所示。各系统之间相互串联，互相影响、互相关联，是一个复杂的生产过程。而联合站中最重要的就是原油集输系统。油气集输指的是将油田生产的含水原油和伴生气收集起来，进行处理并输送出去的过程，主要内容有油气的收集与分离、原油脱水(包括含水原油自然沉降脱水系统和电脱水系统)、原油处理、油气计量、天然气净化及污水处理等。图2.1 联合站流程简图2.2联合站原油脱水工艺流程选择联合站集输系统是实现油水分离的重要环节，原油的油水分离过程有自然沉水、化学脱水、机械过滤脱水、电脱水等多种方法。目前我国各油田普遍采用的自然沉降脱水、电脱水、电化学联合脱水等方法，采用脱水流程主要有两种，即两段式脱水流程和三段式脱水流程。(1)两段式脱水流程联合站两段式集输系统主要包括两个子系统:自然沉降脱水系统(一段脱水系统，电脱水系统(二段脱水系统)。(2)三段式集输系统三段式集输系统与两段式集输系统工艺原理相似，主要的区别在于中转站的来油首先进入游离水脱除器，进行沉降脱水，脱水至含水70%左右，然后进入压力沉降罐，进行压力沉降脱水，脱水至30%左右，再进入电脱水器进行电脱水，经电脱水后，成为净化原油。所以三段式集输系统包括三个子系统:自然沉降脱水系统、压力沉降系统、电脱水系统。这种集输系统虽流程复杂、设备较多、能耗较高，但是脱水效果较好。油田只有极少的一部分联合站采用此种集输系统进行原油脱水。目前，油田绝大多数联合站都采用两段式脱水集输系统。该系统简单、节省设备、能耗低、脱水效果较好。本设计选用第一种工艺流程。 2.3联合站原油脱水工艺流程简介原油脱水工艺流程如图2.2所示。图2.2 联合站原油脱水艺流程图具体的流程为:来自中转站的高含水原油进入联合站后，首先进入游离水脱除器，在破乳剂的化学作用和重力沉降作用下，经合理控制，分离出大部分游离水，高含水原油变成含水在20%30%左右的中含水原油。游离水脱除器的运行控制非常重要，要求在容器中部安装油水界面检测仪表，适时检测油水界面的变化，并通过控制容器下端放水出口的调节阀开度调整油水界面，使油水界面保持在一定范围内，以保证油出口含水和水出口含油不超标。另外，多台游离水脱除器的出油汇到一条汇管上，要求在汇管上安装压力检测仪表，适时检测汇管压力的变化，并通过控制安装在汇管上的调节阀开度调整汇管压力稳定在0.24MPa，同时还要实现当压力超高时，快速泄压连锁保护功能。游离水脱除器的放水汇到一条汇管上，靠自压进入污水沉降罐游离水出口原油进入脱水加热炉，加热升温至5060，加热后的含水原油在输送管道中与一定数量的破乳剂混合，进入符合电脱水器进行油水分离。原油在电脱水器内在电场力和化学破乳剂的共同作用下，进行油水的最终分离，经过合理控制电场强度和脱水器的油水界面，使电脱水后的原油含水达到0.5%以下，从而得到满足要求的净化原油。电脱水器的控制原理和游离水脱除器相同。脱出的污水进入污水沉降罐，进行污水处理。脱水后的净化原油进入净化油缓冲罐，再经过外输泵外输。2.4联合站原油脱水的主要工艺参数指标根据联合站原油两段式脱水流程工艺要求，其主要工艺参数指标如下：1、进站原油含水率80%；2、游离水除脱器油水界面高度为2.53.5m；3、游离水除脱器油出口管压力0.20.4Mpa；4、游离水除脱器污水排放流量310315 m3/h；5、加热炉温度65；6、原油出口温度5060；7、进入电脱水器原油含水率20%；8、电脱水器压力0.210.41Mpa；9、电脱水器油水界面高度2.33.2m;10、电脱水器污水流量2022 m3/h；11、外输油流量8085 m3/h；12、净化油缓冲罐液位67m；13、事故罐液位020m; 14、外输油含水率O.02MPa时，阀门开始打开，没有气压时阀门是常闭的。气关式相反，气压增加时阀门关小，没有气压时阀门是常开的。调节阀气开、气关形式的选择，主要从工艺生产的安全来考虑，当发生断电或其它事故引起信号压力中断时，调节阀的开闭状态应避免损坏设备和伤害操作人员。在油田联合站的压力、界面、液位等多数控制系统中，多选用气关阀，事故状态时调节阀是开的，防止憋压、跑油等危险的发生。3、单座调节阀和双座调节阀的选择只有一个阀芯的调节阀为单座调节阀，单座调节阀前后压差所产生的不平衡力较大，使阀杆产生附加位移，影响控制精度，另外在大口径、压力高的场合，单座阀开关困难，甚至不可控。而双座阀的结构设计是采用双座力平衡原理，阀门在形状过程中受的不平衡力小，用于油水界面控制和脱水器出口压力控制选用单座阀，而在净化油外输控制时，由于外输压力高，阀门口径大，选用双座调节阀。5.2.2调节阀流通能力的计算、公称直径及型号的选择 1、游离水脱除器油出口阀门设进站原油密度r=920kg/ m3, 为104.17m3/h, P=(p1-p2)=100kpaCmax=99.92,所以查表，C选120,公称直径选100mm,阀座直径选100mm。2、电脱水器外输油出口阀门设原油流出密度840 kg/ m3,为85 m3/h，P=(p1-p2)=100KPaCmax=77.9，所以查表，C选80,公称直径选80mm，阀座直径选80mm。3、游离水脱除器污水出口阀门污水流出密度970kg/ m3,为312.5 m3/h，P=(p1-p2)=100KPaCmax= =307.8，所以查表，C选450,公称直径选200mm，阀座直径选200mm。4、电脱水器污水出口阀门污水流出密度990kg/ m3,为21 m3/h，P=(p1-p2)=100KPaCmax= =20.89，所以查表，C选32,公称直径选50mm，阀座直径选50mm。根据以上的数据计算及技术要求，阀门的选型情况如下表5-8所示：表5-8 阀门的选择阀门控制点型号技术参数数量游离水脱除器油出口阀门ZMAP=100mm，气动薄膜单座调节阀，气开式，适用于对介质泄漏量及调节精度有严格要求的场合1只电脱水器外输油出口阀门ZMAP=80mm，气动薄膜单座调节阀，气开式，适用于对介质泄漏量及调节精度有严格要求的场合1只游离水脱除器污水出口阀门ZJHP=200mm，气动薄膜单座调节阀，气关式，阀体结构紧凑，流道通畅，具有大的流量系数1只电脱水器污水出口阀门ZJHM=50mm，气动薄膜小流量单座调节阀，气关式，具有结构紧凑，体积小，重量轻，安装维护方便的特点。1只6下位机PLC软件设计及编程6.1软件设计流程监控系统软件总体组成：图6.1 监控系统软件总体组成系统软件总体设计流程的过程如下图：RSLinx设定通信驱动力控人机界面设计RSLogix编程RSNetWorx组态网络图6.2 软件设计流程本系统软件设计首先使用RSLinx软件实现网络通信驱动和服务；其次使用梯形图编程软件RSLogix5000对Logix5561处理器编程；之后使用RSNetWorx软件对控制网进行网络预订；最后使用三维力控组态软件对系统进行组态并提供监控和人机界面，这将在第七章进行介绍。6.2 计算机和PLC通讯组态设计RSLinx是罗克韦尔自动化公司为用户提供的通讯管理软件，可通过该软件选择一种从计算机到工业控制网络上任一模块的通讯方式，来建立起与工业控制网络上所有设备的通讯。此处进行通信组态的主要目的是配置驱动，本设计配置驱动的主要步骤为：1、打开RSLinx通信组态软件，点击或“Communications” 菜单下的“Configure Driver”。2、在“available drivers Types（可用驱动方式）”中选择驱动类型 “EtherNet/IP Driver”如下图 。图6.3 选择驱动类型3、在“Configure Driver”窗口中，按下“Add New”,弹出“Add New RSLinx Driver”添加所需驱动类型“xxx”，点击“OK”。出现如下对话框，点击 “确定”以太网的驱动配置就结束了。图6.4 添加驱动器4、点击或“Communications”菜单中的“RSWho”，就可以看到，就会弹出整个工业控制网络的树状浏览画面（见下图），其中没有连接到控制网上的模块在该界面上有个红色的“X”。在上面可以看到每个模块的槽号或节点地址，查看属性及设备版本号。图6.5 网络配置信息这样就可以实现计算机和PLC通讯，快速实现远程组态，下载程序和监控等操作。6.3下位机PLC梯形图编程设计 在联合站原油脱水监控系统中，PLC过程控制类型主要有两种：第一种是顺序逻辑控制。脱水系统中要用到大量的调节阀、截断阀、泵机以及脱水的专用设备（游离水脱除器、电脱水器），它们通常根据规定的时间周期工艺参数条件及相互之间的状态逻辑关系等进行开/闭或开/停控制。第二种是反馈控制。原油脱水工艺与其它工艺过程相似，也需要在一定的温度、压力、流量、液位等工艺条件下进行，本系统由于实验室条件限制，无现场执行设备，所以出现指标超标时，只能进行高低限报警，并手动调节使其恢复正常。这两种控制要求都需要通过控制器中梯形图编程来实现，因此使用RSLogix5000软件编写控制程序，是整个监控系统能否实现的关键。程序流程图见附录二。下面是下位机PLC编程的完整过程。6.3.1 创建工程1、点击打开RSLogix5000编程软件，然后点击新建工程。图6.6 打开RSLogix5000编程软件2、选择一个PLC控制器类型，包括版本，位置槽数等配置，在这里选用的PLC控制器为：1756-L61 ControlLogix5561 Controller，正确选择控制器的Type（类型）和Revision（版本），控制器的Name（名字）可随意命名，Slot(槽号)与 Chassis Type(底盘类型)要与实际的槽号和类型相对应，所有这些信息都可在RSLinx Class软件中获知.如图可知对应的版本号为：16，设置完单击OK，就完成了控制器的添加。图6.7 在RSLogix5000中增加控制器6.3.2 配置I/O控制器添加完毕后，需要配置系统的I/O。本设计配置过程为：1、工程文件创建完成后，点击“I/O Configuration”，右键单击“1756 Backplane”选则New Module菜单，弹出Select Module对话框选择“1756-CNB/D”,双击打开。然后根据RSLinx上显示的该模块的属性对相应参数的配置。图6.8 1756-CNB/D模块参数设置对话框2、控制网模块的搭建(1)完成网桥的配置，接着在“Communication”中选择“1756-ACNR15/C”，完成适配器的创建组态。出现下面对话框，选择“communication”。 双击“communication”，出现对话框。选择“1794-ACNR15/C”,根据RSLinx上显示该模块的属性进行参数的设置。如图6.9所示。图6.9 1794-ACNR15/C模块参数的设置（2）适配器创建以后，在下面会出现“FlexBus”图标，在其下面要继续设置具体的数字量输入输出模块1794-OB16/A和模拟量输入输出模块1794-IF2XOF2I/A作为程序中的控制标签（变量及中间量）。图6.10 1794-OB16/A模块参数的设置图6.11 1794-IF2XOF2I/A模块参数的设置(3）控制网上模块配置好后，需要选择和增加控制器所用控制器的数字和模拟I/O模块。据RSLinx上显示的该模块配置，本设计选择的数字量I/O模块名称为：1756-IB16以及1756-OW16I；模拟量I/O模块为：1756-IF8以及1756-OF8。所有具体配置如下：图6.12 1756-IB16模块参数的设置图6.13 1756-OW16I模块参数的设置 图6.14 1756-IF8模块参数的设置图6.15 1756-OF8模块参数的设置配置结束后在“I/O Configuration”中将会出现很多模块。如图6.16所示。图6.16 I/O Configuration组态后画面建立的I/O模块要对它的属性进行设置，如采样的时间，接收电压的范围等主要的参数。采样时间要尽量的小，接收电压范围要尽量与实际的输入模拟电压信号范围相匹配。这样才能尽可能让控制器及时、准确地控制被控对象。由于该控制网上的远程I/O模块只有两个模拟量的输入输出，而本系统需要监控的模拟信号有八个，所以将液位，压力，流