原油处理过程中自动控制系统的应用

2015-04-17陈志刚

江汉石油职工大学学报 2015年3期

陈志刚

（中国石化集团江汉石油管理局职工培训中心，湖北潜江433121）

1 原油生产中油气水分离过程及原理

1.1 分离过程

采出原油通过油站计量间进行计量及温度、压力、排量监测后，经输油管线进入不同的三相分离器进行油、水、气的分离，分离出的原油进入下一级高压电脱内进行进一步精细脱水。分离出的污水和天然气由气管线送入压气站，而通过高压脱水、达到外输要求（含水低于0.5% ）的原油，由缓冲罐进入5＃、6＃成品油罐，然后通过外输泵输入加热炉加热，加热后的原油直输下一级中转站。

1.2 工作参数

1）外输出炉参数：①温度≥55℃；②压力≤2.5 MPa；③含水≤0.5% ；④排量≥25m3。

2）原油参数：①温度≥30℃；②压力≥0.35MPa

3）电脱参数：①电压1 800V；②电流13A；③压力≥2.5MPa。

1.3 油水分离原理

在油田开发过程中，水几乎成为原油“永远的伴生者”，尤其是老油田水的含量更高。原油中的水主要有3种存在形式：一是悬浮水，二是乳化水，三是溶解水。含水原油多为“油包水”型乳化液，即水包在油内部形成“水池子”，其颗粒直径范围为10～20μm。在原油开采中，原油脱水过程至关重要。

1.3.1 聚集型油水分离器

波纹板式重力加速聚集型油水分离器，避免了油水分离过程中容易堵塞及材料需要再生的缺点。原油从井口采出后经管道进入分离器，分离器进口处设有围堰配流装置，含油废水在改变流动方向后，产生平稳流层，缓慢进入水平布置的波纹板。该波纹板具有亲油而不粘油且抗老化的特点，每层波纹板之间的距离根据含水量多少进行调整，一般在6～12mm之间，小颗粒的油滴在重力的作用下，只需上升6～12mm即可到达上一层波纹板。当液体流过，油滴被波纹板迅速捕获时，就会聚集在波纹板上。根据聚集器的工作原理，小颗粒的油滴逐步聚集成大颗粒的油滴后，便会沿着波纹板移动到聚集器隆起部分的顶部，然后通过直径为12mm的小孔迅速浮到油水分离器的表面，将水留在分离器的下部，从而使油水分离。

1.3.2 高压脱水

前一级脱水后的原油中还含有少量的乳化液水，脱去油中乳化液的关键是破乳。在众多的破乳方法中，电破乳方法能耗低、操作简单且连续。将配置好的油水乳化液注入脱水罐中，设定加热温度为60℃，当达到设定温度点时，通过变压器施加电场，并分别在施加电场10 min、15min、20min、25min后取样，进行含水率测定和分析，从而得出测定结果（表1）。通过高电场脱水后，原油中的水含量有了很大的下降，并达到脱水目的。被脱出的污水经水泵抽往污水处理罐进行处理。

表1 不同阶段的含水量

1.4 油气分离原理

油气混合物经进油管线进入油气分离器后，喷洒在挡油帽上（散油帽），扩散后的油靠重力，沿管壁下滑到分离器的下部，经排油管排出；同时，气体因密度小而上升，经分离伞集中向上改变流动方向，将气体中的小油滴粘附在伞壁上，聚集后附壁而下，脱油后的气体经分离器顶部出气管由压缩机抽往压气站。为防止油罐被抽成负压，在油气分离器上增设了反馈补气装置，当压力较低时便利用此装置进入管线循环。

2 油、气、水分离装置自动控制系统

2.1 自动控制系统的组成

一个完整的自动控制系统，由现场机械设备、自动控制装置、信息采集装置、信息传输系统和控制监控中心组成（图1）。

图1 自动控制系统组成图

2.2 自动控制系统的功能

1）现场机械设备。是完成生产设备的动力设备，包括压缩机、电动机、执行器（电磁阀）等。

2）信息采集装置。由传感器和变送器组成，其功能是将现场的压力、温度、液位、流量等模拟信号转变成4～20 mA（或0～10V）的电信号传给PLC的模拟量块。

3）自动调节装置。完成对生产过程的自动化控制，由6部分组成：①可编程控制器PLC和PID－生产自动控制系统的调节环节，由微处理器、存储器、输入单元、输出单元、外设I／O接口、I／O扩展接口、电源等组成，其功能是利用程序控制机械设备按一定需求运行；②接触器－自动控制系统的控制开关；③变频器－动力系统的软启动、调速控制元件；④中间继电器，用于中间过渡；⑤热继电器，起过载保护作用；⑥位置开关、接近开关－检测距离、位置的电器。

4）信息传输系统。信息传输系统的功能是将远程终端信号传送到控制、监控中心。其传输方式有：①有线方式，包括电话线、同轴电缆、双绞线、光纤等；②无线方式，包括甚高频VHF、超高频UHF、微波、卫星等。

5）控制、监控中心。控制、监控中心的功能包括监控现场设备运行状态、各种参数变化、各种事故报警，操控远程终端单元。控制、监控中心由计算机、显示屏（显示屏具有触摸控制功能）组成。

2.3 自动控制系统的应用

2.3.1 油气罐介质工作要求

油罐内有油、气两种介质，上层为气体，下层为液体。上层的天然气由防爆压缩机抽汲，下层的油则由油泵抽汲。气体的压力大小用压力表和压力传感器检测，油罐内油位高低用雷达液位检测装置检测（图2）。

图2 混合油罐中的油、气处理流程图

罐介质工作要求为：

1）当油面达到总液面2／3时，启动油泵抽下部的油，距罐底0.5米时停抽。

2）当油液面达到总液面3／4时报警，并停止进油。

3）当压力达到0.5MP时，启动压缩机抽气，到0.1 MP时启动补气循环装置。

4）当压力达到0.55MPa时，报警装置启动，到0.6 MPa停止进油。

5）通过模拟量来控制各液位高度、组态王软件设计动画；

6）以上传感器为4～20mA电流（或0～10V电压）信号。

2.3.2 自动调节系统的组成及功能

根据工作要求，采用液位、压力双闭环自动调节系统（图3）。内环为副环（也称压力控制环）；外环为主环（也称液位控制环）。x1、x2分别是液位和压力的给定值；e1、e2是经反馈信号比较后的净输入值；z1、z2分别是液位和压力的模拟反馈量；q为液位和压力的操控量；f1、f2分别是液位和压力的干扰量；y1、y2分别是液位和压力的输出量。液位控制器和压力控制器一般由PLC编程进行自动控制（或PID比例积分微分调节器控制）；执行器分别是液位和压力调节执行机构，一般由电动（或气动）执行机构来控制阀门开关量的大小；压力变送器、温度变送器分别将压力信号和液位信号转换成4～20mA（或0～10V）的模拟量信号反馈到输入端与输入信号进行比较。

图3 油、气的压力、液位串级控制系统方框图

2.3.3 自动调节过程

1）当液位y1上升时，其调节过程为：模拟反馈量z1增加→e1＝x1－z1下降→液位控制器分析输出调节量→执行器输出执行量→增大抽油泵转速（变频器改变电源频率）→液位下降。

2）当液位y2增加时，其调节过程为：模拟反馈量z2增加→e2＝x2－z2下降→压力控制器分析输出调节量→执行器输出执行量→关小一级、二级补气阀，增大压缩机转速→使压力下降。

无论是压力的上升还是下降、液位的升高还是降低，该系统都能自动调节在给定值处，实现了调节过程自动化。

3 结论与建议

3.1 结论

自动控制系统是将现场采集的信号通过总线传输到监控中心，由S7－300程序进行分析、运算、判断输出执行命令；同时，通过计算机显示各种参数、报警信号和工作过程动画，使操作者可直观地监控参数变化、设备工作状态、物位变化及现场的异常现象并迅速做出处理，从而提高了生产效率，减轻了劳动强度，延长了装置寿命，更易实现生产规范化管理。