（机械设计及理论专业论文）自动化管输工艺评价系统的研制.pdf

l ， l 本人声明所呈交的 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：之逡应日期：丝2 ：笸：壁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：查i 鱼勉导师签名： 1 日期：圣! ：2 ：鱼：9 l 摘要 摘要 管道工艺评价实验是对原油管道网进行 理分析后，为制定和优化现场输油工艺方案提供依据。然而至今多项输送工艺评 价实验都是在十分简易的装置上完成的，同时在实验过程中各种不利于实验的各 种条件( 如原油的沉积、取样量及取样温度的不准确等) 及过多的人为干预，给 实验带来了一定的影响，从而造成实验结果的多样性、不准确。这种简陋的评价 方式已经延续十多年，由此自动化管输工艺评价系统的研发迫在眉睫。 经过对国内外原油管输实验的发展状况及中国石油天然气集团股份有限公 司管道科技中心油气储运重点实验室的需求进行了详细的分析，在此基础上对自 动化管输工艺评价系统进行了总体及具体的设计，并进行了部件与整体的调试， 主要包括以下几方面： ( 1 ) 自动化管输工艺评价系统总体设计方案 经过系统实验装置总体可行性方案及论证，确定以品型排列机器人式可行方 案为最终实施方案；控制部分经论证确定以p l c 为控制核心，主干采用 p r o f i b u s 现场总线，通过智能接口与各现场控连接；控制站、数据服务器、信 息管理系统通过局域网相连，实现实验人员和单位管理者交互式观察设备运行状 态。 ( 2 ) 实验装置的具体设计 在系统实验装置总体设计的指导下，进行实验平台的设计，同时还进行了定 量取样器及与其配合的模拟罐、模拟罐回转台、降凝剂加注装置及自动清洗功能 模块的研发设计，并进行了相关设备选型。 ( 3 ) 控制部分的详细设计 对各实验装置进行了控制原理及策略详细设计，并对实验过程中最重要的模 拟罐原油温度控制方案进行了详细阐述，最终确定模糊p i d 控制。在此基础上进 行了p l c 系统硬件设计，选用西门子s 73 1 5 2 d p 作为p l c 系统控制核心，同时 根据实验装置的硬件统计表，选择相应的模拟量与数字量输入输出、通信等模块， 并进行了系统i o 分配。 ( 4 ) 监控系统及下位机控制程序的开发 采用组态王6 5 2 进行系统上位机监控程序的开发及应用s t e p 7v 5 4 进行控 制程序的开发及调试。 ( 5 ) 系统部件和整体调试 自动化管输工艺评价系统实验装置的零部件在加工装配完成后进行部件的 调试，在此基础上进行系统整体联合调试。 自动化管输工艺评价系统研发的成功改变国内管输工艺实验领域现状，提高 完善该领域技术水平，提高原油管输工艺模拟实验的效率及改善了工作环境。 北京工业大学工学硕士学位论文 关键词自动化管输工艺评价系统：p l c ；模糊p i d ；组态王 e x p e r i m e n t a ld e v i c ed u r i n ga b o u t 10y e a r s ，a n da tt h es a m et i m ed u r i n gt h e e x p e r i m e n t ，t h ea g g r a d a t i o no fc r u d eo i l ，t h ei n a c c u r a t eq u a n t i t ya n dt e m p e r a t u r eo f s a m p l i n ga n dh u m a ni n t e r v e n t i o nd oa f f e c tt h ee x p e r i m e n ta tl a s t s ot h ea u t o m a t i c e s t i m a t i n gs y s t e mo np i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ne x p e r i m e n ti ss t a r e di nt h ef a c e a f t e rs e r i o u s l ya n a l y s i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ee x p e r i m e n to nt h ec r u d eo i li n o u ra n dt h eo t h e rc o u n t r i e sa n dt h er e q u i r e m e n to ft h ec h i n an a t i o n a lp e t r o l e u m g r o u p ，b a s e do nt h a tih a v ef i n i s h e do v e r a l ld e s i g na n ds p e c i f i cd e s i g nq u i c k l ya n d a f t e rt h a tih a v eb e e nd e b u g g i n ga l lt h ep a r t so ft h ea u t o m a t i ce s t i m a t i n gs y s t e mo n p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ed e t a i l sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h eo v e r a l l d e s i g n o ft h ea u t o m a t i c e s t i m a t i n gs y s t e m o n p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o ne x p e r i m e n t i nt h ep a r tih a v ed o n et h ef e a s i b l ep r o g r a ma n dt h ea r g u m e n t a t i o no ft h es y s t e m a n da tl a s tm a k et h ep r o g r a m 、航mt h er o b o ta n da p p a r a t u sc o l l o c a t e dw i t l l “p i n a st h e i m p l e m e n t e do n e ；im a k et h ep l c a st h ec o n t r o ls y s t e mc o r ea n du s et h ep r o f i b u s a m o n gt h ec o n t r o ls i t e ，t h es e r v e ro f d a t aa n dt h ei n f o r m a t i o nm a n a g i n gs y s t e mt h e y a r ej o i n e db yt h el a n ( 1 0 c a la r e an e t w o r k ) a n da tt h es a m et i m et h el a ba s s i s t a n t sa n d t h el e a d e r sc a nt a k em o c ko ft h es t a t eo fa p p a r a t u s ( 2 ) t h ed e t a i l e dd e s i g no fe x p e r i m e n t a ld e v i c e b a s e do nt h eo v e r a l ld e s i g no ft h ea u t o m a t i ce s t i m a t i n gs y s t e mo np i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o ne x p e r i m e n t ，ih a v ef i n i s h e dt h ed e s i g no fa ne x p e r i m e n t a lt a b l e ，a s i m p l e r , as t i m u l a n ta p p a r a t u s ，a n dar o t a r yt a b l e a tl a s tih a v ed o n et h ec h o i c eo f t h e a p p a r a t u s ( 3 ) t h ed e t a i l e dd e s i g no fc o n t r o ls y s t e m i nt h ec o n t r o ls y s t e mih a v ed o n et h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g yo fa l le x p e r i m e n t a l d e v i c e s ，a n dm a k et h ep i da s t h ec o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r ep r o g r a mo fs t i m u l a n t a p p a r a t u s b a s e do nt h a tih a v ef i n i s h e dt h ed e s i g no f t h eh a r d w a r eo fp l c ，i n c l u d i n g t h a tm a k et h es 7315 - 2 d pa st h ec o r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mo fp l ca n dc h o o s et h e f i g h ta n a l o ga n dd i g i t a lm o d u l ea c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c so fw i r i n g sa n ds e n s o r s ( 4 ) t h em o n i t o rs y s t e ma n dc o m p i l i n gt h ep r o g r a m m ef o rp l c t h em o n i t o rs y s t e mh a sd o n ew i t l lk i n gv i e w6 5 2a n dt h ep r o g r a m m eo fp l c h a sd o n ew i t hs t e p 7v 5 4a n db e e nd e b u g g i n g ( 5 ) t e s t i n ga l lp a r t so f t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c ea n dt h ec o n t r o ls y s t e m a f t e ra l lt h ep a r t so ft h ea u t o m a t i ce s t i m a t i n gs y s t e mo np i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n e x p e r i m e n tw ec a na s s e m b l et h es a m p l e r , s t i m u l a n ta p p a r a t u s e t c b a s e do nt h a t ，w e c a nt e s tt h ew h o l es y s t e m i 北京工业大学工学硕士学位论文 t h ea u t o m a t i c e s t i m a t i n gs y s t e mo np i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ne x p e r i m e n ti s s o s u c c e s s f u la n di sc h a n g i n ga n di m p r o v i n gt h el e v e lo ft h ef i l e do ft h ee x p e r i m e n ti n 0 1 3 1 c o u n t r y , a n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c ya n dc i r c u m s t a n c eo fw o r k i n g k e yw o r d s ：t h ea u t o m a t i ce s t i m a t i n gs y s t e mo np i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n e x p e r i m e n t ，p l c ，f u z z yp i d ，k i n gv i e w i v 2 1 1 油品预处理功能模块6 2 1 2 油品分装计量功能模块6 2 1 3 油品综合处理功能模块7 2 1 4 取样测试功能模块8 2 1 5 自动清洗功能模块9 2 1 6 安全保障功能模块10 2 2 自动化管输工艺评价系统实验装置总体设计及论证1 0 2 2 1r s l 5 0 流变仪改造摇臂式可行方案1 0 2 2 2 直接注样层叠机器人式可行方案1 1 2 2 3 检测仪横列机器人式可行方案1 2 2 2 4 “品”型排列机器人式可行方案1 2 2 2 5 确定方案13 2 2 6 设备选型15 2 3 自动化管输工艺评价系统控制部分总体设计及论证1 6 2 3 1 控制部分总体设计1 6 2 3 2 现场i o 模块和控制网络的设计1 9 2 3 3 自动控制系统实现的功能2 0 2 4 本章小结21 第3 章自动化管输工艺评价系统实验装置的具体设计2 3 3 1 实验平台设计2 3 3 1 1 平台设计2 4 3 1 2 油品预处理功能模块2 4 3 1 3 油品分装计量功能模块2 5 3 1 4 综合处理功能模块2 5 3 1 5 取样测试及自动清洗功能模块2 7 3 1 5 安全保障功能模块2 8 v 北京工业大学工学硕十学位论文 3 2 核心部件的具体设计2 9 3 2 1 控温定量取样器详细设计2 9 3 2 2 搅拌模拟装置详细设计3 3 3 3 本章小结3 5 第4 章自动化管输工艺评价系统各部件的控制方案3 7 4 1 模拟罐上门开关控制方案3 7 4 2 油样搅拌控制原理3 7 4 3 模拟罐回转台控制方案3 8 4 4 取样器控制方案设计3 8 4 5 模拟罐油样温度的控制4 0 4 5 1 控制算法的选择4 0 4 5 2 模糊控制器设计4 1 4 5 3 模糊p i d 控制器。4 5 4 5 4 模拟罐油样温度具体控制方案。4 6 4 6 本章小结4 6 第5 章自动化管输工艺评价系统监控部分的硬件设计4 7 5 1 监测系统的硬件构成4 7 5 2 自动化管输工艺评价系统控制部分的硬件构成4 7 5 2 1p l c 特点4 7 5 2 2p l c 的基本组成4 8 5 2 3p l c 的工作原理4 8 5 2 4 自动化管输工艺评价系统控制部分硬件的确定4 9 5 3 自动化管输工艺评价系统控制部分的s 7 3 0 0 p l ci o 配置5 3 5 4s 7 3 0 0 步进电机控制模块的配置5 7 5 4 1 取样器电机控制模块的配置5 7 5 4 2 回转台电机控制模块的配置5 8 5 5s 7 3 0 0p l c 的通信5 9 5 5 1 实验设备与s 7 3 0 0 的通信配置5 9 5 5 2p c 与s 7 3 0 0 的通信。6 0 5 6 本章小结6 2 第6 章自动化管输工艺评价系统的软件设计6 3 6 1 上位机开发软件的选择6 3 6 1 1 组态开发软件的发展及现状6 3 6 1 2 组态开发软件的特点6 3 6 1 3 组态软件的选择及其实现功能6 3 6 1 4 自动化管输工艺评价系统监测软件主要实现的功能6 4 6 2 监控软件整体设计6 5 6 2 1 软件构成6 5 6 2 2 监控系统6 6 6 3 下位机开发软件6 7 6 3 1 软件设置6 7 6 3 2 模块简介6 9 v i 参考文献8 5 攻读硕士学位期间所发表的学术论文8 7 附录调试部件照片8 9 致谢9 1 v 北京工业大学工学硕士学位论文 v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源与背景 本课题源自中国石油天然气集团股份有限公司管道科技中心油气储运重点 实验室标志性的设备一一自动化管输工艺评价系统。 中国石油天然气集团股份有限公司管道科技中心承担的管输工艺评价项目， 主要是依据油气储运工艺所多年的评价实验装置和经验，采用室内实验的方式， 通过模拟现场输油条件，测试原油的流变性和倾点等参数，对中国石油所辖各原 油管道如东北管网、马惠宁管道、西部管道、中哈管道等进行等温输送工艺、加 热输送工艺、加剂输送工艺等输油工艺的评价，对实验所得数据进行分析处理后， 为制定和优化现场输油工艺方案提供依据。至今，多项输送工艺评价实验都是在 十分简易的装置上完成的，即使通过串联组合提高工作效率，整体实验水平还是 很低，原油管输工艺模拟实验设备( 原油模拟罐、流变仪、倾点仪及其相关附件 等) 承担着原油性能测试的主要任务，同时为管输工艺提供着强有力的依据。然 而，在实验过程中各种不利于实验的各种条件( 如原油的沉积、取样量及取样温 度的不准确等) 及过多的人为干预，给实验带来了一定的影响，从而造成实验结 果的多样性、不准确。其具体表现为：实验的准备工作繁杂且费时费力；评价过 程中不可控环节过多；控制参数和测试数据记录不系统；取样测试衔接不紧引起 温度变化不符合要求。这种简陋的评价方式已经延续十多年，由此自动化管输工 艺评价系统的研发迫在眉睫。 1 2 国内外管输工艺评价系统发展的状况 1 2 1 国内管输工艺评价系统发展现状 中国石油天然气股份公司管道科技研究中心作为国内研究原油管输工艺评 价实验的权威机构，不仅承担国内大部分原油管道输送的评价实验，而且还制定 了国内原油管道输送评价实验的国家实验标准。中国石油天然气股份公司管道科 技研究中心的原油管输工艺评价实验代表了国内的最高水平。 当前中国石油天然气股份公司管道科技研究中心主要采用手动的方式进行 室内原油管输工艺模拟处理实验。 ( 1 ) 实验前的油样处理。先将现场取回的油样( 约5 l ) ，放置到水浴中加热 至凝点以上温度，然后手动晃动油样桶数次，再将油样倒入到小型容器( 约5 0 0 m 1 ) 中进行预处理或备用。由于油样量大，依靠人工混合，难以将油样混合均匀，直 接影响了后续的实验结果。 ( 2 ) 原油管输工艺的模拟。我国的原油多为“高含蜡、高凝点、高粘度”原油， 在原油管道的设计、投产、运行和优化输送过程中，都需要在实验室内对管输工 艺过程进行模拟，测试原油表观粘度、凝点、粘温曲线、屈服值、触变性等流变 北京工业大学t 学硕士学位论文 性参数，从而实现对管输工艺的确定和评价。然而，影响原油流变特性的因素繁 多，主要包括：同一原油管道输送多个产区原油的混兑比例；加热输送管道 的热处理温度；不同输量条件下的管输剪切条件；添加降凝剂输送工艺的加 剂量；降温速率和终冷温度等。研究上述因素对原油流变性的影响的方法之一 就是室内进行原油模拟处理。实现该模拟需要循环水套原油模拟罐和可致冷循环 程控水浴联合工作。 ( 3 ) 取样测试阶段。原油的流变性受其经历的热历史和剪切历史的影响很大， 因此室内自模拟罐到测试仪器( 流变仪、倾点仪等) 的取样测试过程中产生的任 何不符合原油流变性模拟要求的对油样的温度和剪切变化都会干扰之后的测试 结果，从而导致原油流变性测试结果产生误差。目前在室内原油管输工艺评价中 采用人工手动取样的方式，即考察各类因素的原油模拟处理过程完毕后，从模拟 容器中向测试仪器样品杯中倾倒测试油样。 图1 - 1 室内模拟实验和人工取样 f i 9 1 1t h e s i m u l a t i v ee x p e r i m e n ti nt h el a ba n ds a m p l i n gw i t ha p e r s o n 通过当前管道科技研究中心实验室的原油管输工艺模拟实验，我们可以总结 以下问题： 在原油实验前的处理中，由于油样量大，依靠人工混合，难以将油 样混合均匀，直接影响了后续的实验结果； 模拟原油管输工艺过程中，很难实现在不同输量条件下的管输剪切 模拟，间接影响了后续的取样测试阶段； 取样测试阶段存在以下几个问题：取样和倾倒过程中无法定量控 制对油样的剪切强度，即无法保证整个过程中对油样的剪切与模拟罐内一致，因 而会影响测试结果的真实性和重复性；测试油样样品计量不准确，进行原油流 第1 章绪论 变性测试时，测试仪器所需的样品量较少，如测试原油表观粘度需样品量约为 2 0 m l ，测试原油凝点所需样品量仅为5 m l ，人工手动取样方式带来的计量误差过 大，导致测试数据不精确；取样过程过于缓慢，油样易受外界环境影响，在倾 倒测试油样过程中，油样脱离了原有的模拟环境，室温条件成为了主导因素，对 实验的测试结果非常不利；个体差异影响较大，不同人取样测试导致不同的测 量误差，致使实验结果出现异常时，无法判断何种因素造成这类影响。 ( 4 ) 实验完成后的设备清洗。实验结束后，主要是实验人员用镊子夹着蘸有 石油醚的棉花手动进行实验设备的清洗。目前这种清洗方式主要存在以下问题： 对于原油流变性测试的套筒和转子为精密仪器，清洗时钢制镊子对其造 成了磨损，直接影响了测试精度并对仪器造成损坏； 清洗过程废液和石油醚等化学品的挥发物直接危害工作人员健康，且清 洗过程中产生的沾有化工品的废物为危险品，不易二次处理； 清洗占用大量时间，既影响实验进度，又占用科研人员用于实验数据的 分析处理时间。 由此看出这种室内实验室模拟原油管输工艺的方式，无法保证整个取样过程 的连续性和操作的绝对一致性，因而不可避免地要引入对实验结果不利的干扰因 素和不一致因素，从而使测试结果中又产生了一项由于取样操作而导致的误差， 这些问题都会使漫长复杂的实验模拟过程前功尽弃，从而导致整个实验失败。 1 2 2 国外管输工艺评价系统发展现状 经过对大量相关国外文献的检索查询，同时经过与中石油管道科技研究中心 沟通，未找到国外管输工艺评价实验相关资料。 1 3 课题的研究内容 本研发将从细节入手，通过整合、规范、创新，力求实现管输工艺评价实验 准备过程自动化、过程控制自动化、监控参数自动采集、油品粘度实时监测、实 验数据的自动整理。并以此评价系统为中心，使管输工艺评价方法科学化，分析 方法系统化，评价方式标准化。 ( 1 ) 对整个管输工艺评价试验现状进行分析，结合中石油管道科技研究中心的 整体需求，形成自动化管输工艺评价系统的总体设计方案，并最终确定最优可行 性方案。 ( 2 ) 平台的整体设计与整个系统设备的选型； ( 3 ) 设计用于实验过程中自动取样器及与其配合的模拟罐； ( 4 ) 自动化管输工艺评价系统控制部分的设计：包括下位机p l c 系统硬件选 择与配置，上位机自动控制软件的设计。 下位机p l c 系统硬件选择与配置：包括对自动化管输工艺评价系统中电 器设备及传感器统计，确定下位机p l c 模块的型号及数量，最终形成整 北京t 业大学丁学硕士学位论文 个p l c 系统各个模块的i o 配置。 上位机自动控制软件的设计：包括上位机软件的设计，主要用于对下位 机发送命令和控制下位机的动作和状态，同时也用于实时读取并显示当 前实验和各个实验设备所处的状态。上位机软件设计包括下位机p l c 控 制程序的设计及上位机监控组态的设计。 1 4 课题的研究意义 本课题为开发自动化原油管输实验装置及自动控制系统，实现实验设备集 成、自动控制及下位机与上位机的实时通讯与监控，同时实现上位机监控组态与 自动化管输工艺评价系统的信息管理软件间的通讯，并且通过上位机实现更好的 人机交互界面、改善控制环境、实时显示设备的执行动作和当前所处的状态，同 时为实现设备的自动控制重新设计取样器与模拟罐。 随着科学技术的进步，计算机技术的发展，人们对新产品的开发提出了更高 的要求，由此自动化管输工艺评价系统必须满足使用方便和可视化监控的要求。 本课题主要研究目的： ( 1 ) 改变国内管输工艺实验领域现状，大大提高完善该领域技术水平； ( 2 ) 提高原油管输工艺模拟实验的效率及改善工作环境，实现以人为本，以安 全为原则，达到国家原油测试的标准。 1 5 本章小结 课题源自中石油管道科技中心油气储运研究所，在大量查阅国内外管输评价 实验和充分分析国内原油管输评价实验现状的基础上，进行了课题研究内容的进 一步细化及自动化管输工艺评价系统研制的意义。 经过对中石油管道科技中心原油管输评价试验流程的分析，形成自动化管输 工艺评价系统的总体需求分析，如图2 1 所示： 手动和自动结合控制 借助设备：水浴( 程序控 制温升温降) ，循环水套 容器( 油样模拟处理) 。 搅拌器( 搅拌油样) 手动取样，自动测试 借助设备：流变仪( 测试 油样流变性) ，倾点仪( 测 试油样倾点) 手动清洗 每测试一个样品需清洗 流变仪和倾点仪样杯，实 验完毕清洗各个容器 油样预处理 ( 油品的均 化) 1r 一1样的分装l 1 r 处理凿 - 仁 r 取样及测试p - 1 r 清嚣和， 一| 。，安全保障， 图2 1 自动化管输工艺评价系统总体需求图 f i g 2 - 1t h ed i a g r a mo f r e q u i r e m e n to f s y s t e m 北京工业大学工学硕士学位论文 以下是根据实验流程分油品预处理功能模块、分装计量功能模块、油品综合 处理功能模块、取样测试功能模块、自动清洗功能模块、安全保障功能模块6 部 分进行详细的需求分析。 2 1 1 油品预处理功能模块 油品预处理功能模块主要是指在进行管输工艺评价实验前的实验油样的均 化。 目前，实验室采用的油品预处理方式是：首先将从现场取样回来的油样桶( 现 主要有3 0 l 、1 0 l 、5 l 的油样桶) ，如图2 2 所示，放置到水浴中加热至凝点以 上温度，然后手动前后左右方向晃动油样桶数次，再将油样倒入到小型容器( 约 5 0 0 m 1 ) 中备用以进行相应实验。 5 l 油样桶 3 0 l 油样桶 1 0 l 油样桶 图2 - 2 不同规格的油样筒 f i g 2 - 2j e r r i c a n sw i t hd i f f e r e n ts p a c e 从实验现状可知，由于油样桶容量较大，仅依靠人工混合，难以将油样均化， 这直接影响了后续的实验结果的准确性和精确性。因此，为了改进实验方式，在 参考( ( g b t 4 7 5 6 1 9 9 8 石油液体手工取样法要求的基础上，以满足实验需求为 目标，需要设计一种油品均化装置。 2 1 2 油品分装计量功能模块 油品分装计量功能模块是指将预处理完成后的实验油品定时、定量、定位自 动转移到油品综合处理装置中。 目前进行管输工艺评价实验时，待实验油品均化完成后，手工提样品桶，将 油样倒入约5 0 0 m l 或1 0 0 0 m l 的烧杯中，如图2 3 所示，通过电子天平进行称重， 称重完成后，再手工将油样从烧杯中倒入油样综合处理实验罐中。这一过程主要 存在以下问题：一是油样桶容量较大，主要有3 0 l 、1 0 l 、5 l 三种，手工提起时 非常费力，尤其是3 0 l 的油样桶，甚至无法一个人提起；二是倾倒实验油品过程 中，容易造成油品外滴，且原油不易清洗，影响实验室卫生；三是称重用烧杯敞 第2 章自动化管输工艺评价系统整体方案及论证 口较大，实验油品中的轻组分极易挥发，既会影响实验结果也会对实验人员的健 康不利；四是由于实验油品多为高凝、高粘、高含蜡原油，在烧杯中称重完成后， 向油样综合处理实验瓶中转移时，烧杯内壁残留大量的原油，导致油样计量不准 确。 o l 油样桶 o o m l 烧杯 图2 3 手工分装油样 f i g 2 3s e p a r a t i n gs a m p l e sw i t hap e r s o n 目前的油品分装计量已不能满足管输工艺评价实验精度的要求，因此，需要 研发一种合适的分装计量装置，使实验油品能定时、定量、定位的转移到油品综 合处理装置中，转移过程中实现流程衔接紧密、规避轻组分的挥发、计量准确。 2 1 3 油品综合处理功能模块 油品综合处理功能模块是指实验油品在实验罐中进行加热、加剂等改性处理 后，设定多种温升温降过程和不同的搅拌速率，来模拟输油管道的实际温度场 及管流剪切条件。综合处理后的实验油品通过自动取样装置转移到原油流变性及 倾点测试装置中进行相关测试。 目前实验室进行油品综合处理的仪器，如图2 4 所示，主要有循环水套容器 ( 玻璃水套瓶和钢制水套模拟罐) 、程控水浴、电动搅拌器、微量注射器。 循环水套容器设有进水口和出水口，进水口通过橡胶软管与程控水浴的出水 口相连，出水口通过橡胶软管与程控水浴的进水口相连，也可以进行多个循环水 套容器串联后再与程控水浴相连，这样，程控水浴内的水泵完成水的循环，通过 程控水浴设置多种温升温降过程，实现水浴控制循环水套容器内实验油品温度 的过程。同时，循环水套容器设有温度监测装置：玻璃水套瓶设有温度测量口， 可放置温度计进行温度监测；钢制水套模拟罐分别在模拟罐内部上、中、下位置 布置温度传感器，监测油品温度。 电动搅拌器可以加装不同形式的搅拌转子，搅拌对实验油品进行搅拌，以使 实验油品和水套的循环水快速换热，并通过设定不同的搅拌速率模拟输油管道管 北京t 业大学工学硕士学位论文 流剪切情况。 当进行向实验油品添加降凝剂，以评价降凝剂的效果时，手工使用微量注射 器( 0 5 m 1 ) 进行降凝剂的注入。 程控水 瓶 图2 - 4 油品综合处理仪器 f i g 2 4t h ea p p a r a t u su s e di nt h es t i m u l a n tm o d u l e 装置研发需在现有油品综合处理装置的基础上进行改型，主要是对循环水套 容器进行优化，提高有效容积，内罐易清洁，外罐外部考虑保温，进出水口保 障与水浴的便捷连接，罐体及水管密封性好，内部设置油品温度监测装置。 研发合适的降凝剂自动吸注装置，实现指定的降凝剂定量定位注入到对应 模拟装置中。 2 1 4 取样测试功能模块 目前在室内管输工艺评价实验中采用人工手动取样的方式，即当室内原油模 拟罐中的原油在模拟过程中需要取样测试倾点或( 和) 粘度时，手动打开模拟罐 取样阀使油样从模拟罐中流入处于保温环境中的取样器皿( 例如烧杯) 内，而后 手持取样器皿向测试仪器样品杯中倾倒规定数量的测试油样，然后进行测试，如 图2 5 所示。 管输工艺评价实验主要是对原油的倾点和流变特性进行测试，这就需要研发 一套自动定量取样装置，一方面实现油样从油品综合处理功能模块到倾点测试装 置的自动转移，另一方面则实现油样从油品综合处理功能模块到流变测试装置的 自动转移。装置研发完成后，能够克服人工手动取样方式带来的计量误差过大、 导致测试数据不精确的弊端；保证取样过程与测试之间衔接紧密，整个取样过程 中温度无波动、对油样的剪切与罐内剪切一致，实现室内原油流变性模拟和测试 钢制水套模拟罐 连接水管 图2 - 5 手动取样 f i g 2 5s a m p l i n gw i t hap e r s o n 过程的无缝连接；可以避免人为因素的影响，一致性好，进一步提高相关实验和 研究的精度。 2 1 5 自动清洗功能模块 目前在室内管输工艺评价实验中采用人工手动清洗的方式，在实验的各个环 节都需清洗相关设备。在油样的预处理及分装计量阶段，需要清洗盛放备用油样 的烧杯、广1 2 1 瓶等；在油样的综合处理阶段，需要清洗循环水套模拟罐；在取样 测试阶段，每测一次样品需要清洗流变测试装置的测试转子和套筒，以及清洗倾 点仪的倾点测试试管。清洗过程如下：先将待清洗的仪器中的废液倒入废液桶( 高 凝点油品还需加热以使其流动) ，再手持长脚钢制镊子夹住卫生纸或脱脂棉，擦 拭仪器内的残液，如图2 - 6 所示，对于高粘、高含蜡原油通常加入适量的石油醚 对油品进行溶解，最后无肉眼可见残液视为清洗结果满足实验要求。 清洗装置研发从整个系统的架构设计出发，解决目前的清洗难题，研究开发 自动清洗装置，实现分装计量装置、综合处理装置、降凝剂吸注装置、自动取样 北京工业大学工学硕士学位论文 7 j ：自 i i j 隧9 辫壤j 膏一 旦旦融獬“荔，翌：蟹噬。f 燃7 。一夕耄 石油醚 图2 - 6 手动清洗 f i g 2 6c l e a n i n gt h ea p p a r a t u sw i t hap e r s o n 装置、流变测试装置的自动清洗，并采用合适的烘干方式，同时噪音满足实验室 要求。 2 1 6 安全保障功能模块 目前实验室内的安全保障措施主要有实验室排风系统和火焰报警系统。实验 室排风系统主要针对实验室内的实验油品临时存放设置，也就是一种存放实验油 品的通风厨。然而，在实验油样的配置、处理和清洗等过程中，实验油样中的轻 组分不断挥发，常常致使实验室内的弥散着油气，对实验室及试验人员的安全极 为不利。火焰报警系统为检测到明火及烟雾等发出报警。在管输工艺评价实验中， 依靠循环水来控制油样的温度，由于橡胶连接管的老化，曾发生过循环水外泄的 事故，幸好发现及时才制止了事故的进一步扩大。为了防止类似事故再次发生， 现在进行实验时，实验人员几乎不能离开实验室，以免水泄漏损坏实验室的电路 系统。 为了确保自动化管输工艺评价系统及整个实验室的安全，需设置通风系统、 视频监视系统、可燃气体检测和报警系统。 2 2 自动化管输工艺评价系统实验装置总体设计及论证 经过对自动化管输工艺评价系统总体需求分析的认真研究，对管道输送工艺 评价实验的细节、特点、性能指标、工艺参数等进行分析，同时查阅国内外有关 文献资料，将机电一体化系统的设计原理应用于管输工艺评价实验装置设计，形 成若干可行总体方案。 2 2 1r s l5 0 流变仪改造摇臂式可行方案 r s l 5 0 流变仪改造摇臂式可行方案布局见图2 7 ，模拟罐在回转台上通过回 转电机进行精确定位，同时取样机械臂经由取样器抽取油样放置到r s l 5 0 型流 变仪及倾点仪中，降凝剂也由其相应的机械臂通过降凝剂注入器注入到指定模拟 第2 章自动化管输丁艺评价系统整体方案及论证 罐中。各实验仪器的清洗按照实验要求经过相应的清洗器进行多回合的清洗， r s l 5 0 型流变仪经过如方案图中的改造，可实现流变仪自动接收油样，旋转锥体 和油样瓶的自动清洗。 图2 - 7r s l 5 0 流变仪改造摇臂式司行方案 f i g 2 - 7t h ep r o g r a mw i t hr s 15 0 2 2 2 直接注样层叠机器人式可行方案 该方案实验仪器放置如图2 8 所示，模拟罐回转台放于流变仪与倾点仪中测 试位上，油样的抽取通过模拟罐中的自带设备经原油在模拟罐的下部排出到流变 仪与倾点仪中，从而实现原油的测试；油样的注入通过原油注入机械臂带动注油 器注入到模拟罐中，降凝剂的注入通过机械臂带动注剂器注入到模拟罐中；实验 仪器的清洗通过各自的清洗器来实现自动清洗，原油和降凝剂注入器的清洗通过 特定清洗槽实现自动清洗。在模拟罐中的油样抽取设备出现故障的情况下，模拟 罐回转台可沿固定轨道旋出，然后通过机器人实现油样的抽取。 北京工业大学丁学硕士学位论文 图2 - 8 直接注样层叠机器人式可行方案 f i g 2 - 8t h ep r o g r a mw i t ht h er o b o ta n da p p a r a t u sc o l l o c a t e dw i t ht i e r 2 2 3 检测仪横列机器人式可行方案 检测仪横列机器人式可行方案见图2 - 9 ，流变仪与倾点仪并排放置，模拟罐 放于固定的模拟罐回转台上，通过取样机械臂带动取样器抽取定量油样到测试仪 器中，取样机械臂是由水平导轨带动其沿流变仪与倾点仪并排方向水平移动；原 油注入机械臂与降凝剂注入机械臂分别带动各自的注入器进行原油及降凝剂的 注入；原油注入器的清洗是通过机械臂的空闲空位，通过油样注入器自身不断的 抽吸实现清洗；降凝剂注入器清洗与原油注入器清洗类似，只是降凝剂注入机械 臂的空闲空位放于降凝剂盘中的一个位置，取样器的清洗类似，模拟罐的清洗是 通过注入清洗液，搅拌器在模拟罐中搅拌来实现模拟罐的自动清洗。 图2 - 9 检测仪横列机器人式可行方案 f i g 2 - 9t h ep r o g r a mw i t ht h er o b o ta n dt h eo t h e ra p p a r a t u sc o l l o c a t e di nal i n e 2 2 4 “品 型排列机器人式可行方案 第2 章自动化管输工艺评价系统整体方案及论证 品型排列机器人式可行方案见图2 1 0 。 图2 - 1 0 品型排列机器人式司行方案 f i g 2 1 0t h ep r o g r a mw i t ht h er o b o ta n da p p a r a t u sc o l l o c a t e dw i t hp i n 模拟罐回转台、流变仪与倾点仪成品型排列，机器人位于模拟罐的右边，流 变仪与倾点仪的中间，模拟罐设计为抽取油样时既能从上方抽取，也能从罐底接 收油样，同时在罐盖上设计出自动门，取样过程中模拟罐达到充分的密封。机器 人既能从模拟罐的上方抽取油样，也能在模拟罐的下方接收油样。降凝剂通过降 凝剂注入机械臂带动降凝剂注入器注入模拟罐中，原油通过原油注入机械臂带动 原油注入器注入模拟罐中，原油注入量通过精密蠕动泵来控制。各实验仪器与设 备通过相应的清洗设备进行清洗，取样器、原油注入器、降凝剂注入器通过超声 波清洗槽进行清洗，模拟罐、原油混合融化器通过蠕动泵泵入清洗液进行清洗。 2 2 5 确定方案 根据设计