（控制科学与工程专业论文）油田联合站优化仿真系统开发.pdf

f l 叁 d e v e l o p m e n t o fo p t i m i z a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mf o r o i lf i e l d m u l t i - p u r p o s es t a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：j i nf 饧n g e n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f w a n gy u h o n g c o l l e g eo fi n f o r m a t i o n & c o n t r o le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：金石衣蓉 日期驯年6 月知日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名 含石根日期：汐ff 年莎月d 日 日期口峥tj 年6 月，o 日 摘要 油田联合站作为油田集输系统的重要生产环节，担负着油气处理与集输任务。联 合站系统的高效、安全、可靠运行直接关系到整个油气集输系统的正常运行。而随着 油田进入高含水开发期，联合站系统的能源消耗、处理效率等等都在不断地发生变化， 因此对油田联合站的生产过程进行参数优化，以节约生产运行成本是非常有必要的； 同时对联合站生产过程建立动态仿真系统，对整个联合站生产过程进行模拟，可以为 联合站的生产过程分析提供依据。 本文首先开发了基于w e b 的油田联合站优化仿真软件系统平台，整个系统以b s 为网络体系结构，提出了一种解决基于w e b 的过程仿真软件开发的主要难点界面开 发的新思路：利用组态软件对仿真系统画面进行组态，并利用s v g 技术将静态的组态 文档运用于w e b 客户端页面中，在客户端页面中通过j a v a s c r i p t 脚本语言对s v g 文档 的图形元素进行操作；同时利用a j a x 技术来实现客户端与服务器端的异步通信，从而 达到过程仿真系统的实时性要求。本文以孤一联合站为研究对象，以上述软件平台为 基础开发了孤一联合站动态仿真系统和生产参数优化系统。在动态仿真系统中，首先 对孤一联合站的生产过程建立数学模型，然后再根据孤一联合站实际的生产流程，利用 本文提出的界面开发新思路，进行动态仿真界面的开发。 在生产参数优化系统中，首先选择对孤一联合站系统的节能影响大且易于改造的设 备装置进行了能量平衡分析，通过建立装置的能量平衡模型，分析各个装置中能量的分 布情况。对孤一联合站的生产参数进行优化，首先确定以生产合格的原油所需要的生产 费用最少作为优化目标，找出对优化目标影响比较大的过程参数作为优化变量，本文选 取了加药量、二次沉降罐的沉降时间、加热炉的出口温度作为优化变量，然后以满足生 产规定的含水率，各设备的操作压力及进出口压力要求来确定优化模型所满足的不等式 约束条件；以热力学第一定律和动能守恒定律为优化模型的等式约束，建立系统的优化 模型后，运用遗传算法对优化模型进行求解。最后本文再将优化结果与优化前得参数进 行比较，以确定优化的合理性。 关键词：油田联合站优化；油田联合站仿真；s v g ；a j a x d e v e l o p m e n t o fo p t i m i z a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mf o ro i l f i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o n j i nw a n g e n ( c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f w a n gy u h o n g a b s t r a c t o i l f i e l d m u l t i - p u r p o s e s t a t i o na sa l l i m p o r t a n t o i l f i e l d g a t h e r i n gt r a n s p o r t a t i o n p r o d u c t i o np r o c e s s e s ，a s s u m i n gt h eo i la n dg a sp r o c e s s i n ga n dg a t h e r i n gt r a n s p o r t a t i o n t a s k s t h ee f f i c i e n t ，s a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fo i l f i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o ns y s t e md i r e c t l y r e l a t e st ot h eo i la n dg a sg a t h e r i n gt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m b u tw i mt h eo i l f i e l de n t e r i n gi n t o 1 1 i s hw a t e rr a t ep e r i o d ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , e t c a r ec o n s t a n t l y c h a n g i n g ，s oo p t i m i z i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fo i l f i e l dm u l t i p u r p o s es t a t i o ns y s t e mi n o r d e rt os a v et h ec o s to fp r o d u c t i o no p e r a t i o ni sv e r yn e c e s s a r y ；m e a n w h i l e , b u i l d i n gt h e d y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e mo ft h eo i l f i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o ns y s t e mp r o d u c t i o np r o c e s si s t os i m u l a t et h ew h o l eo i l f i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o ns y s t e mp r o d u c t i o np r o c e s s a n dt h e e s t a b l i s h m e n to ft h ed y n a m i cs i m u l a t i o nc a np r o v i d et h eb a s i sf o rp r o c e s sa n a l y s i s t h i st h e s i sf i r s t l yd e v e l o p st h es o f t w a r ep l a t f o r mo fw e b - b a s e do i l f i e l dm u l t i p u r p o s e s t a t i o n t h ew h o l es y s t e ms o f t w a r es e l e c t sb sf o rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h et h e s i sp r o p o s e sa m e t h o do fs o l v i n gt h em a i nd i f f i c u l t i e so fw e b - b a s e d p r o c e s s s i m u l a t i o ns o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h ei n t e r f a c ed e v e l o p m e n t ：u s i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et oc o n f i g u r et h e s i m u l a t i o np i c t u r ea n du s i n gs v g t e c h n o l o g yl e ts t a t i cc o n f i g u r a t i o nf i l e sb eu s e dt ot h ew e b c l i e n tp a g e ，a n di nt h ec l i e n tp a g et h r o u g hj a v a s c r i p ts c r i p t i n gl a n g u a g eo p e r a t eg r a p h i c e l e m e n t si ns v gd o c u m e n t ，a n du s ea j a xt e c h n o l o g yt oa c h i e v et h ea s y n c h r o n o u s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es e r v e ra n dc l i e n t ，a n dt h i sw i l ld e m a n dt h er e q u i r e m e n to f r e a l t i m ep r o c e s ss i m u l a t i o n t h et h e s i ss e l e c t st h eg ult ho i lf i e l dm u l t i p u r p o s es t a t i o na s t h er e s e a r c ho b j e c t ，b a s e do nt h ea b o v es o f t w a r ep l a t f o r mt od e v e l o pt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n s y s t e ma n dp r o d u c t i o np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ns y s t e mo ft h eg ult ho i lf i e l dm u l t i - p u r p o s e s t a t i o n i nd y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n t ，f i r s t l ye s t a b l i s ht h em a t h e m a t i cm o d e l so f t h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s so ft h eg ult ho i lf i e l dm u l t i p u r p o s es t a t i o n , a n dt h e na c c o r d i n g t h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s so ft h eg u1t l lo i lf i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o n , a n dt h e na c c o r d i n g t ot h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s so ft h eg u1 t l lo i lf i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o n , u s i n gt h en e w p r o p o s e di d e a so fi n t e r f a c ed e v e l o p m e n ti nt h et h e s i s ，d e v e l o pt h ei n t e r f a c eo fd y n a m i c s i m u l a t i o n i np r o d u c t i o np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ns y s t e m , f i r s t l yc h o o s es o m e e q u i p m e n t so ft h eg u l t ho i lf i e l d m u l t i - p u r p o s es t a t i o nw h i c hh a v am u c he f f e c to nt h eg ul t ho i lf i e l d m u l t i - p u r p o s es t a t i o ne n e r g ys a v i n ga n dc a nb ee a s i l yr e f o r m e dt od ot h ee q u i p m e n te n e r g y e q u i l i b r i u ma n a l y s i s ，a n db ye s t a b l i s h i n gt h ee n e r g yb a l a n c em o d e lo fe a c hd e v i c e ，a n a l y s e t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no fe a c hd e v i c e t oo p t i m i z ep r o d u c t i o np a r a m e t e r so ft h eg ult ho i l f i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o n , f i r s t l yd e f i n et h el e a s tp r o d u c t i o nc o s tt h a tp r o d u c eq u a l i f i e do i l n e e d e da so p t i m i z a t i o nt a r g e t ，f i n do u tt h e p r o c e s sp a r a m e t e r sw h i c hh a v am o r ei n f l u e n c eo n o p t i m i z a t i o nt a r g e ta st h eo p t i m i z e dv a r i a b l e s ，t h i st h e s i ss e l e c t st h ed o s a g eo fd e m u l s i f i e r , t h e s e t t l e m e n tt i m eo fs e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n ka n dt h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo ff u r n a c ea st h e o p t i m i z e dv a r i a b l e s ，t h e nd e f i n et h em o i s t u r ec o n t e n tt h a tm e e t sp r o d u c t i o nr e g u l a t i o na n dt h e i m p o r ta n de x p o r to p e r a t i o np r e s s u r eo ft h ee q u i p m e n ta so p t i m i z i n gm o d e li n e q u a l i t y c o n s t r a i n t s ；d e f i n et h ef i r s tl a wo ft h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i ce n e r g yc o n s e r v a t i o na s o p t i m i z a t i o nm o d e le q u a l i t yc o n s t r a i n t s ，a f t e re s t a b l i s h i n go p t i m i z a t i o nm o d e ! ，u s i n gg e n e t i c a l g o r i t h mt os o l v et h eo p t i m i z a t i o nm o d e l f i n a l l y , t h i st h e s i sc o m p a r e st h eo p t i m i z e dr e s u l t s a n dt h en oo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s ，i no r d e rt od e t e r m i n et h er a t i o n a l i t yo fo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：o p t i m i z a t i o nf o ro i lf i e l dm u l t i _ p u r p o s es t a t i o n ；s i m u l a t i o nf o ro i lf i e l d m u l t i _ p u r p o s es t a t i o n ；c a p a c i t a n c es e n s o r ；s v g ；a j a x 第1 章前言 目录 1 1 1 课题的背景、目的及研究意义1 1 2 课题国内外研究现状2 1 3 课题研究内容及拟解决的关键问题3 1 3 1 课题研究内容4 1 3 2 拟解决的关键问题5 1 4 课题研究的技术思路6 1 4 1 软件系统设计6 1 4 2 油田联合站集输系统的能量分析6 1 4 3 油田联合站过程系统的模型化7 1 4 4 油田联合站的操作参数优化7 1 4 5 油田联合站的动态仿真8 第2 章软件系统架构设计1 0 2 1 设计方案的提出1o 2 1 _ 1 网络体系结构的构建1 0 2 1 2 开发平台及应用框架技术的选择1 1 2 1 3 客户端技术的选择1 3 2 2 油田联合站仿真优化软件系统架构”1 5 2 3 开发的具体任务1 8 2 4 本章小结2 0 第3 章油田联合站动态仿真研制2 l 3 1 基于s v g 技术和a j a x 技术的动态仿真界面的开发2 1 3 1 1 基于组态软件的s v g 文档的开发2 l 3 1 2 基于s v g 技术的动态仿真w e b 发布2 6 3 1 3 基于a j a x 的仿真界面的动态数据实时更新。2 7 3 2 基于s p r i n g 框架的业务处理层开发“3 0 3 2 1s p r i n g 框架的配置3 0 3 2 2 控制反转( i o c ) 的具体实现3 1 3 2 2 控制反转( i o c ) 的具体实现3 1 3 3 基于h i b e r n a t e 框架的持久层开发3 2 3 3 1h i b e r n a t e 框架的配置及实体类的映射- 3 2 3 - 3 2 数据库的访问操作一3 5 3 4 仿真软件动态模型的建立3 7 3 4 1 三相分离器动态模型3 7 3 4 2 沉降罐的动态模型4 0 3 4 3 换热器的动态模型4 1 3 4 4 电脱水器的动态模型4 3 3 5 本章小结4 4 第4 章油田联合站生产运行参数优化实现4 6 4 1 孤一联合站主要设备能量分析4 6 4 1 1 沉降罐的能量分析。4 6 4 1 2 电脱水器的能量分析5 1 4 1 4 加热炉的用能分析5 2 4 2 孤一联合站生产运行参数优化5 5 4 2 1 优化目标函数的构造5 5 4 2 2 优化变量的确定5 7 4 2 3 优化变量满足的约束条件5 7 4 2 4 优化求解5 8 4 2 5 孤一联合站优化前后对比6 0 4 3 本章小结6 2 第5 章油田联合站优化仿真软件说明6 3 5 1 软件概述。6 3 5 2 软件功能及使用方法6 4 5 3 本章小结6 8 结论与展望 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 1 1 课题的背景、目的及研究意义 联合站作为油田技术系统的重要生产环节，担负着油气处理与集输任务。它接收 来自各个油井、分井计量站或接转站的来油，在站内完成油气分离、原油脱水、稳定 等工作，然后将达标原油、油田气、轻烃等外输至矿场油库和用户，同时将处理后达 标的含油污水外输至注水站位1 。因此，联合站系统的高效、安全、可靠运行直接关系到 其后续环节工作的正常开展，尤其关系到成品原油的高质量产出。 实际上，随着油田开发进入中后期，原油开采难度不断加大，部分联合站早期工艺 流程的适应性、符合性逐步降低，难以满足新的生产形势下对其提出的更高要求【2 】。同 时，由于联合站的生产设备自从开始投入生产运行后，经过了多年长时间的运转，站内 的各种设备会有老化的问题，进而就导致联合站系统在处理原油脱水的能力、脱水的效 果、安全性能等等方面就会存在着随时间的增长而越来越下降的问题，然而油田联合站 的生产耗能却在逐年的增大【6 】。这与国家建立资源节约型社会的政策以及油田企业降低 原油开发成本的原则相悖，因此，在联合站系统生产过程中，需要对原来的工艺流程、 设备等进行不断改造和更新，以期达到降低联合站系统能耗、提高联合站系统效率、保 证联合站系统持续安全、可靠运行的目的。 作为孤岛采油厂建立先进高效节能型联合站的标杆，孤一联合站以降低系统能耗、 提高系统效率为主要攻关课题，最近两年在工艺流程优化、设备运行状况改善、自动化 控制水平提高等方面开展了大量切实有效的工作，例如研究和应用了高效加热炉、高效 换热器等一系列高效节能设备，合理匹配高效机、泵，采取循环利用热能及余热、简化 改造工艺流程、建立先进计算机监测与自动控制系统等一系列技术和工艺措施。孤一联 合站的这些有效工作使孤岛联合站的生产成本、生产用能等方面都大幅下降，但是以上 这些工作基本都是针对具体的局部问题提出的，而对孤一联合站从整体的高度上来对整 个系统进行的研究工作还没有【9 1 。另外，与国际国内先进的能效指标或理论相比，是否 还可以对某些现运行的关键的生产过程参数做一些优化，以降低整个系统的生产耗能， 从而节约生产成本，这是一个非常值得去深入研究的问题。同时，油田联合站的设备改 造也是很常见的，为了能从整体上去评价每一种设备改造方案的合理性，对整个油田联 第1 章前言 合站进行设备用能分析也是非常有价值的【刀。 从另外一个方面看，由于油田联合站集输系统具有系统关联严密、操作规程严格、 系统运行状况复杂多变等工艺特点，因此油田企业对岗位工人素质的要求很高，这就对 工人的岗位培训或岗前培训提出了很高的要求。但在正常生产状况下，岗位工人无法实 际操作，常规的培训方式如文字、图片或简单的漫游演示系统等也不能提供给岗位工人 实战的机会 2 】。因此，急需一种全新的使员工产生身临其境感觉的交互式仿真平台，使 仿真达到更加生动、逼真、易于接受的效果。 借助计算机技术，对油田联合站进行仿真优化是实现上述两方面需求的最佳解决方 案。首先是对联合站系统进行生产参数的优化和系统设备的用能分析的需求，需要根据 油田联合站具体的工艺情况，对其建立数学模型，然后再借助计算机求解数学模型，从 而建立优化软件；其次是动态仿真培训方面，首先通过机理建模、系统辨识等等理论知 识对实际的生产过程进行数学抽象，建立系统的数学模型，然后再借助计算机运用一定 的算法，对整个数学模型进行编程求解，从而建立系统的计算机动态仿真系统。除了以 上方面，计算机仿真优化软件还可以为测试系统的功能、调试系统的故障、检验系统的 性能、评估系统的价值等等提供一个集成的环境。 本课题所要建立的油田联合站仿真系统就是通过采用计算机仿真技术，结合油田联 合站生产工艺流程和生产过程运行的状况，分别建立生产参数优化模型、设备用能分析 模型和生产过程的动态模型，从而对油田联合站生产过程中的生产装置或工艺流程进行 静态和动态的仿真。 油田联合站仿真系统的搭建，以满足前述两方面需求为目的，具有以下几方面的意 义： 1 ) 通过对联合站生产系统的生产参数进行优化，从而确定合理的生产参数，为联 合站的生产节约资本提供一种途径，同时可以对现行的生产参数组合及其他生产参数组 合进行评价，确定方案的合理性，为以后的新方案提供一个基础。 2 ) 通过对联合站系统的整体用能进行分析，并对各个设备进行用能评价，从而为 以后的联合站设备改造提供一个选择依据。 3 ) 通过联合站仿真系统真实模拟联合站的场景和实际操作，让操作人员切实体会 并可以真实模拟实际操作的过程，在系统中辅以整个操作流程及各个操作间的全面介 绍，使对整个系统的仿真效果得到提高或改善，进而提升联合站集输系统安全生产的管 理水平和实践水平。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 课题国内外研究现状 目前由于计算机技术的不断飞速发展，世界各国在仿真系统领域内开展的研究也不 断地深入，研究成果被广泛应用于国防、能源、电力、交通、物流、教育、航空航天、 工业制造、生物医学、医疗、石油化工、船舶、汽车、电子产品、虚拟仪器、农业、体 育、娱乐、社会经济运行、环境及安全科学等诸多领域【2 1 。但行业间技术特性的各不相 同以及关键技术突破上的极大差异，使得各领域仿真系统的发展极不对称。就石油化工 领域而言。目前，炼化系统的仿真技术相对成熟，我国自1 9 8 5 年引进美国a u d y 和s i m c o n 公司的仿真系统，而后在1 9 8 7 年由北京化工大学与燕山石化公司合作研制成功我 国第一套通用型化工仿真系统以来，我国的化工仿真技术开始了较多的应用和发展，从 单元设备的仿真到工段级的仿真，发展到全流程的仿真，化工领域的仿真技术已达到国 际先进水平【1 1 。 就石油行业而言，其仿真技术发展水平相对化工行业较为滞后。目前，走在油田仿 真系统技术前沿的主要是长输管道仿真技术的研究与应用【2 】。目前在油田长输管道仿真 方面发展的比较快的是以美国为主的世界发达国家，石油行业的仿真技术的应用范围已 越来越大。从上世纪8 0 年代开始，国外很多大型的石油管道公司都投入了大量的人力 和财力去着手石油管道的仿真技术开发，并取得了一定的开发成果。如比较著名的仿真 软件t g n e t 、l i q n e t 、s p s 等等【7 1 。目前，在国外，这些仿真软件在管道系统的设计、 生产管理、教育培训等方面都发挥着不可替代的作用，它们为管道工业产生了非常大的 经济和社会效益【6 】。 目前国外虽然已经开发了很多非常成熟的油田方面的仿真软件，但是这些软件的基 本用途往往是在油气管道的设计和运行管理的方面【l 】。而专门能够普遍应用于油田联合 站集输系统方面的仿真软件是非常少的。目前，在联合站的工艺操作参数、生产方案设 计等等方面所采用的技术是比较落后的，所带来的效果也是低下的，为了使联合站集输 系统在日常设计、生产管理、方案选择、操作和控制等等各方面的效率提高，油田联合 站集输系统的仿真模拟软件的开发已越来越迫切。 油田联合站仿真系统的实现是利用比较先进的技术和理论，它不但可以对联合站的 局部进行优化和能量分析，还能对联合站整体上进行优化和能量分析；同时，该仿真系 统整合动态仿真功能，为操作人员提供一个高度真实的虚拟生产环境，可以为各种生产 方案提供一个测试平台。因此，油田联合站仿真系统研究具有广阔的应用前景。 德 第1 章前言 1 3 课题研究内容及拟解决的关键问题 1 3 1 课题研究内容 本课题将胜利油田孤一联合站做为研究背景，孤一联合站的工艺流程如图1 1 所示， 站外的井排来液经过分离器，使气体和液体分离，在气液混合物进入分离器之前，对其 加入破乳剂，从而更有利于后续的油水分离，从分离器出来的油水混合物进入一次沉降 罐，进行重力沉降，一次沉降罐出来的原油又进入二次沉降罐进行进一步的分离，从二 次沉降罐出来的原油经过加热装置加热进入电脱水器进行电脱水，最后电脱水器出来的 原油再进入净化油罐，并进行外输。 图1 - 1 孤一联合站工艺流程图 f i g l - 1 f l o wo f t h eg ul t ho i lf i e l dm u l t i - p u r p o s es t a t i o n 本项目以孤一联合站生产工艺为基础，研究并开发一套以b s 为网络体系结构的仿 真优化软件，软件功能主要分为三大部分：孤一联合站生产过程动态仿真、孤一联合站 生产设备用能分析及孤一联合站过程生产参数优化。 ( 1 ) 基于w e b 的油田联合站仿真优化软件的系统开发 开发基于w e b 的大型动态仿真软件，即与传统的以c s 为网络体系结构的仿真软 件不同，用户不需要在客户端安装任何软件，只需借助浏览器就可以对油田联合站进行 动态仿真，仿真界面能支持友好的用户交互，且具备画面逼真、动态数据点实时刷新等 功能。 ( 2 ) 油田联合站生产过程系统的仿真模拟 通过对联合站生产过程系统进行数学建模，并对数学模型进行求解，以得到分析该 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 油田联合站生产过程系统所需要的过程变量，从而实现系统的仿真模拟。 ( 3 ) 油田联合站生产过程系统性能评价 研究和分析以油田联合站整个系统及各个设备的用能状况，根据能量平衡分析对其 用能水平做出评价，同时为系统的操作参数优化提供依据。 ( 4 ) 油田联合站生产过程系统操作参数优化 对于联合站过程系统可能存在着许多种操作方案或控制方案，如何在一切可能的方 案中寻求最优的方案，并利用过程仿真来进行优化方案的选择，这就是联合站过程系统 的操作参数优化内容。 本课题中只研究稳态优化，且以生产合格原油所需费用最少作为目标函数，选取优 化变量，并建立优化模型的约束条件，利用优化算法解优化模型，从而得到一组使目标 函数达到最佳运行参数。 1 3 2 拟解决的关键问题 ( 1 ) 加药量的确定 孤一联合站原油为重质原油，注聚开采，综合含水9 3 。由于进站原油含水率高， 井排来液实际上是油包水型乳状液与水包油型乳状液，以及套圈式多重乳化型乳状液的 混合物。因此，加药破乳是联合站的核心工艺与任务。加药量的控制直接关系到联合站 的经济效益及产品质量。如果加药量不足，含水率太高不仅影响到油水分离的质量，而 且直接影响到外输原油的质量；如果加药过量，则使整个脱水工艺的成本提高了，浪费 了国家的资源。目前，联合站内加药量均为人为控制，加药量是否合理也需要通过反复 实验才能确定。就孤一联合站而言，0 9 年药剂单耗为0 4 4 k g 吨油，而节能型先进联合 站的这一指标为0 1 6 k g l l 屯油，虽然影响加药量的因素较多，不能简单的一概而论，但毕 竟说明孤一联合站在这一方面还有一定的节约空间。 孤一联合站仿真系统通过取得影响加药量控制的几大因素如井排来液量、井排来油 量、来液温度、来液压力等等的数据，利用内置的优化算法，得出最合理的加药量，可 以最大限度地降低药剂单耗。 ( 2 ) 电脱水器工作温度、外输原油温度的确定 电脱水器工作温度及外输原油温度越高，原油处理与外输效果越好，但能耗也越高， 因此确定相应合理的温度控制点，对全系统的节能降耗意义重大。目前，联合站多依靠 人工经验对单个节点进行“粗调 ，从能耗最低的角度来看，温度是否合理很难确定。 5 第l 章前言 同时，联合站流程复杂，关联紧密，各节点耦合度大，这同样增加了合理温度点的选择 难度。 另外，通过确定合理的电脱水器工作温度和原油外输温度，可以为站内余热利用提 供温度依据，更好的实现节能降耗。 基于以上，孤一联合站仿真系统将从联合站系统整体最优的角度出发来确定各节点 的最佳温度点，最终达到能耗最小的目的。 ( 3 ) 沉降时间的优化 沉降时间影响原油脱水效果，时间过短，原油脱水效果不好，出站原油质量就会下 降，时间过长，虽然原油脱水效果较好，但温降大，热量散失损耗增加，同时也会加大 后续工艺环节的加热负荷。因此，必须确定合理的沉降时间，才能既保证最佳的原油沉 降脱水效果，又能最大幅度的减少由于不合理沉降时间造成的过高温降所引起的热量散 失损耗。 1 4 课题研究的技术思路 1 4 1 软件系统设计 借助j 2 e e 开发平台，并选用d w r 、s p r i n g 、h i b e r n a t e 等开源框架来构建大型w e b 应用程序；为了解决w e b 过程实时仿真软件客户端图片量大，网页实时请求服务器的 数据实时性达不到要求的问题，本课题采用a j a x 技术，a j a x 能在不需要更新整个页面 的前提下，实现整个网页的部分刷新；另外油田联合站仿真软件的界面开发也是一项庞 大的工程，为了简化软件开发的难度，本课题提出利用s v g 技术实现基于w e b 的油田 联合站仿真软件的界面开发的新思路。 1 4 2 油田联合站集输系统的能量分析 能量分析的实施过程： 首先应选那些对油田联合站的节能影响大且改造起来比较容易的生产系统装置 和设备，作为油田联合站能量分析的研究对象。 运用能量平衡原理，建立油田联合站系统的能量平衡分析模型： 针对每一个能量分析的对象，运用能量平衡原理，对其建立能量平衡模型，同时借 助框图来对系统的能量进行分析，写出每一个对象的能量平衡方程，并确定其能量平衡 的评定准则。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对能量平衡分析模型中的各项能量进行计算： 主要包括：计算出各项能量及有关的技术指标( 包括能量系统中各项消耗的能量在 系统总提供的能量中的所占的比重、能量利用率指标等等) 。 进行油田联合站系统能量平衡的总结 1 4 3 油田联合站过程系统的模型化 ， 过程系统的数学模型主要由两部分组成： 描述过程系统单元的各个过程单元模型； 描述各个过程单元间相互之间关系的系统结构模型。 由于过程系统是由许多个过程单元通过特定的物料流和能量流相互组合而成的一 个完整体系。因此要用数学模型来描述整个过程系统，就需要对整个过程系统进行分析 和分解。 为此，首先必须获得过程系统全流程水平上的信息，这些信息包括： 对确定一流程足够详尽的所有单元设备的规定。这些规定可以是设备的结构和操 作参数，也可以是关于设备功能的要求。 系统流程拓扑的众多规定，即各过程单元之间的相互关系，包括过程系统中的所 有物料流、能量流和其他相互作用。 流程处理中所涉及的物质的性质，包括热力学性质、传递性质和化学性质。 其次，根据上述信息将过程系统转化成由一系列过程单元组成的有向图，排定各过 程单元的流程拓扑。 最后，将整个过程系统，分隔成若干个相互间不存在循环流的子系统，以及在存在 循环流的子系统内部选择适当的切断流。实现过程系统的完全分解。 而建模过程则是一个相反的过程：首先由守恒原理、物性关系以及设计和控制等要 求导出过程单元的数学模型；然后按照过程系统的流程拓扑，将单元模型有效地组合起 来，构成整体模型。 1 4 4 油田联合站的操作参数优化 进行优化设计就必须有优化的目标函数，根据本课题的具体情况，确定以孤一联合 站生产合格原油所需要的费用最少作为优化的目标函数。由于油田联合站内各种生产装 置及管线大小已定，则联合站的生产运行费用包括药剂费用、燃料费用和电力费用，可 表示为：f ( 均= 易+ 毛+ 日其中，f ( x ) 为联合站的总运行费用；厶为药剂费用；b 7 第1 章前言 为燃料费用；e 为电力费用。 然后根据现场的具体工艺要求增加等式约束和不等式约束。并将建好的数学模型作 为另一部分的等式约束，由三块约束部分构成了优化问题的可行域。也就从而得到了系 统稳态优化的数学模型，通过运用正确的算法去解优化数学模型，得到最优化的操作参 数( 过程变量) 。 具体的实施过程步骤如下： 1 ) 到孤一联合站生产现场去调研，对现场的生产流程进行仔细研究，并与现场的人 员进行探讨交流，在掌握联合站生产流程及各种生产装置的实际运行情况后，取得现场 各种设备的尺寸、物性数据、过程数据等等优化系统开发所需要的数据。 2 ) 在对实际联合站的工艺流程了解，并取得相关的数据的基础上，分析现行的生产 设备的用能情况，分析各种生产参数对优化目标的影响，联合站系统的生产参数是很多 的，但却不是每个参数都对优化目标影响很大，而且各变量之间内部存在着一定的联系， 有些变量是不能独立确定的，所以找出优化变量是本课题的最重要任务之一。 3 ) 找出所有的优化变量所满足的约束条件。联合站的过程参数要符合一定的约束， 主要包括两方面，一是不等式约束，包括人为规定的各种指标要求，如含水率等等，和 生产装置正常工作所必须满足的条件，如电脱水器内的最大工作压力等等。另外一个就 是等式约束，包括能量守恒定律、动能守恒定律等等。 4 ) 求解优化数学模型，利用计算机，并选择合适的优化算法对模型进行求解。 5 ) 分析优化结果，看看优化结果是否能给实际生产带来效益。 1 4 5 油田联合站的动态仿真 联合站的动态仿真系统首先是一个联合站整个系统的动态模拟，需要大范围的动态 数学模型做为基础，此数学模型要具有以下特点： 1 ) 采用集中参数模型。虽然油田联合站的实际生产装置绝大部分是分布参数 模型，但如果用分布参数模型来对联合站的过程生产装置进行建模的话， 则用计算机求解模型往往不能满足要求，因为分布参数模型是用偏微分方 程来表示的，求解