油水界面测量软件设计学士学位论文(编辑修改稿)

油水界面测量软件设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

受液体密度的影响，而分离罐中原油密度受水份、含水率、温度及压力的影响会发生变化，导致界面检测出现误差。 所以说差压式界面检测仪用在原油分离罐中是一种维护量大、精度不高的方法。 利用内含填充液 (如硅油 )的引压管线，能防止引压管线堵塞，但发兰取压面压力膜片仍会受到高粘度、易结晶液体的粘结和冲击等因素的不利影响而使其寿命和测量精度降低。 美国 Fisher— Rosemount(费希尔一罗丝蒙特 )公司采用一种双差压法测量，简称 HTG 系统，即利用上、中、下三点的静压求出两个差压，通过比较消除了密度的影响，但该方法对非匀相液体的测量是无效的。 （ 3） 电容式界面检测仪 图 12 容界面检测仪 对圆柱壳金属容器 ，在其中心竖直插入一根电极，则电极与容器壁之间就可视为一个柱型电容器。 油水界面以上部分的电容器以油为电介质，油水界面以下部分的电容器以水为电介质，两者并联构成了整个电容， 此电容进行必要的转换，就可以得到油水界面的位置。 这种方法灵敏度高，动态响应特性好，其中电容测试转换电路的抗干扰性能是关键的。 它的缺点是容器内工作温度、湿度、压力以及电极腐蚀等会影响测量精度，测量输出经常漂移，须定期 重新标定，而且价格也 比其他几种。 （ 4） 雷达／超声波式界面检测仪 该方法将超声波发生器和接收器放入油罐中，利用超声波在油和水中 传播速度的不同来测量界面位置。 其优点是有效地克服了挂油问题，但由于发送和接收距离限制使其精度下降，并且不能实现储油罐油量的准确计量。 油水界面测量软件设计 6 近年以微波为基础的传感器已被用于乳化液层的检测。 但此系统很昂贵，此外微波的高能量使得该技术不适合检测可燃液体。 因此国外提出了一种新的以超声波为基础，用于多层液面测量（ MLLM）的硬件装置。 超声波检测系统包括一对位于充满硅油的 U 形管上层的超声换能器，超声波通过液体传送到可移动的不锈钢镜子，这个镜子作为超声波的反射器。 该器件测试通过纵向介质面的超声波的传播速度，测试的位置不同，介 质组成也不同。 相比其他技术，该方案是安全的，且不需要移动任何构件。 不过，该设备没有扩展到工业储油罐，因为超声波通过三种不同的介质（如从硅油到金属 U 型管的目标液体）时将会严重的衰减。 此外，频率较高的超声波信号用于乳化液层的检测。 在高储油罐中，超声波传感器的角度（通常多于 3 度）所引起的误差可以忽略不计。 多层界面检测设备包括两个分别位于纵向位置的超声波传感器（分别是发射器和接收器），分别检测储油罐内油和水之间乳化液的高 、 低液面。 两种传感器在同一水平面内上下运动，提供该液面的信息。 但是该系统不适合在相对较高的储油 罐内运动（即高于 3 米的油桶）。 原因之一是接收超声波的传感器产生相对较弱的回波信号，如果他们的分离距离超过几米超 声波很难到达发射器。 此外，该系统使用频率相对较低的超声波（即低于 80KHZ），从而影响测量精度并阻碍设备检测。 另一个缺点是传感器和内壁之间的连接松散，较薄的油插入他们之间，使得传感器的不能移动。 因此储油罐中经常需要频繁的维护。 在此提出了一种可以克服上述弊端的工业样机超声设备。 该系统不包括任何移动部件，在油桶中以多种方式，在不同高度传递超声波，可以检测工业油桶乳化液中的液面。 整个系统是模块化的由一维数组的超声换能器组成，他们通过不锈钢屏蔽线以链的方式连接到一起，嵌入式发射机是基于计算机（ RISC）处理器执行控制，数据采集，实时模式识别任务。 在夏季，这种设计的可以持续在 70 度高温储油罐内工作。 石油领域中，这种设备用于过程控制，如界面检测设备或储油罐中插入具有特殊管道的乳化液检测设备。 这条管道纵向安置在储油罐上，并覆盖整个油桶的高度，包含了几个洞，让液体进入其内部。 由于液体流动使测量设备移动，因此，这些管道内液体将提供相应的液位，和在储油罐纵向位置的液体密度。 如图 13 为乳化液层检测系统地硬件设备，这一设备被插入立罐，在纵向位置上由两个平行的不锈钢组成的，并且相互之间分隔 5 厘米。 这里包括了 28 个高频超声换能器，每个传感油水界面测量软件设计 7 器包括感应器和他的相应的电子产品。 图 13 乳化液层检测系统硬件 在这个项目中，设计超声波工业设备，实施，并实时精确的检测 6 米储油罐的乳化液层。 该设备易于维护和安装，是模块化的。 该设备的所有物理部件都是不锈钢的，可以提供更好的抗腐蚀性。 该装置由 28 个传感器组成，它们分别单独以多种方式被激活，以避免串扰问题。 随着将来的工作，该设备将得到改善，以提供乳化液的液体组成，检测油桶中存在的沙沉积物，在不同情况下改善或验证设备的可靠性。 （ 5） 射频导纳界面仪 射频导纳界面仪以射频阻抗理论为基础，通过被测介质呈现的阻抗特性反映油水界面位置，由于其具有测量范围大、可以克服矿化度和挂油影响等优点而应用广泛。 它是在传统电容式液位计的基础上进行了改进 ,增加了探头根部抗黏附、抗冷凝的功能，但是该方法仅通过电导率一个参数很难完全反映油水乳化液的状态，这就使射频导纳界面仪无法跟随乳化带的变化，在现场应用中其 误差通常为几十厘米，最大误差可达 1 米左右，这很难满足生产要求。 图 14 为亿科仪器仪表有限公司生产的射频导纳连续液位计。 射频导纳物位控制技术是一种从电容式物位控制技术发展起来的，防挂料性能更好，工作更可靠，测量更准确，适用性更广的物位控制技术， ―射频导纳 ‖中 ―导纳 ‖由阻抗成份，容性成份，感性成份综合而成，而 “ 射频 ” 即高频，所以射频导纳技术可以理解为用高频电流测量导纳的方法。 高频 正弦 振荡器输出一个稳定的测量信号源，利用电桥原理，以精确测量安装在待测量容器中的传感器上的导纳，在油水界面测量软件设计 8 直接作用模式下，仪表的输出随物位的 升高而增加。 图 14 频导纳界面仪 对一个强导电性物料的容器，由于物料是导电的，接地点可以被认为在传感器绝缘层的表面，对仪表传感器来说仅表现为一个电容和电阻组成的复阻抗，从而引起两个问题。 第一个问题是物料本身对传感器相当于一个电容，它不消耗变送器的能量，（纯电容不耗能），但挂料对传感器等效电路中含有电阻，则挂料的阻抗会消耗能量，从而将振荡器电压拉下来，导致桥路输出改变，产生测量误差。 我们在振荡器与电桥之间增加了一个驱动器，使消耗的 能量得到补充因而会稳定加在传感器的振荡电压。 第二个问题是对于导电物料，传感器绝缘层表面的接地点覆盖了整个物料及挂料区，使有效测量电容扩展到挂料的顶端，这样便产生挂料误差，且导电性越强误差越大。 但任何物料都不是完全导电的。 从电学角度来看，挂料层相当于一个电阻，传感器被挂料覆盖的部分相当于一条由无数个无穷小的电容和电阻元件组成的传输线。 根据数学理论，如果挂料足够长，则挂料的电容和电阻部分的阻抗和容抗数值相等，因此用交流鉴相采样器可以分别测量电容和电阻。 这些多参量的测量，是测量的基础，交流鉴相采样器是实现的手 段。 由于使用了上述技术，使得射频导纳技术在现场应用中展现出非凡的生命力。 射频防护（内置滤波器）：对于来自 米（ 59″）以外的其它外露传感器，电缆油水界面测量软件设计 9 或输电线路功率为 5W 的射频干扰，该变送器电路具有防护功能，即使在导电物料中精度不受影响 （ 6） 磁致伸缩式界面检测仪 磁致伸缩式界面检测仪的工作原理是磁致伸缩效应，其核心的传感部件是美国MTS 公司发明的磁致伸缩线。 当开始测量时，检测仪头部产生一低电流 “ 询问 脉冲，此电流同时产生沿波导管内的感应线向下运行的电流磁场。 在检测仪管外配有浮子，此浮子沿测量杆随着油水界面 的波动而上下移动。 由于浮子内装有一组永久磁铁，所以浮子会同时产生一个磁场。 当电流磁场与此浮子磁场相遇时，产生波导扭曲的脉冲，简称 “ 回答 ” 脉冲。 “ 询问 ” 脉冲发出至检测到 “ 回答 ” 脉冲的时间确认为浮子的位置。 其优点是： 首先，没有强制运动部件，没有疲劳，是无损伤性检测，寿命长，稳定性好；其次，其扭转应力波的特异性好，不存在干扰； 再次，应力波的传播速度不变，仅取决于磁致伸缩材料，与其它因素无关。 其缺点是：采用插入式安装，属于接触测量，而且由于仍然使用了浮子，所以不适用于原油等高粘度、易粘结的物质。 （ 7） 光纤式界 面检测仪 图 15 光纤液位计 自 1990 年以来，光纤技术用于界面检测的专利很多，尤以美国为最。 主要利用光纤的传输功率随外界介质折射率的变化而变化这一特性来检测油水界面。 光纤式界面检测仪耐高压、耐腐蚀、体积小、重量轻、抗电磁干扰、灵敏高、动态范围大，并且无电火花，适用于易燃易爆场合。 但它也属于接触式测量，受介质粘附、温度变化等因素的影响大。 油水界面测量软件设计 10 本文的主要设计内容 本文主要分为以下几个部分： 第一章， 先提出了本设计课题的背景和研究的意义，然后介绍了国内外对于油水分离研究的现状和油田原油的生产工艺 ，界面测量仪的种类，最后是论文的结构。 第二章， 总体设计方案的提出，以及总体设计的流程图，油水界面测量系统要实现的功能。 第三章， 对油水测量硬件的介绍，其中包括 A36W 型油水界面测量仪的概述，性能和技术指标，以及分段电容传感器的工作原理，最后是转换串口概述。 第四章， 软件部分的设计，简单介绍了以下 MCGS 组态软件，设计过程中对设备窗口，用户窗口，实时数据库和循环策略的参数及变量的设置， Modbus 通讯协议的概述以及油水界面分离的算法的研究。 第五章， 通过编制的界面完成油水界面测量实验的整体过程，以及实验数据的记录。 油水界面测量软件设计 11 第二章 系统 整体方案 设计 总体 设计 方案 选择 （ 1） 在油水混合物中，由于密度不同，会形成上层为油层，下层为水层，在实际油田生产过程中，必须要确定油水界面的位置。 （ 2） 关于实现油水界面检测仪与 PC 的通讯，有以下两种方案： ①通过数据采集卡将数据采集到 PC 中，但是由于界面测量仪输出的数据本身已经是数字信号，所以不用数据采集卡处理。 ②用 485232 转换串口直接将界面测量仪输出的数据采集到 PC 中。 （ 3） 选择处理数据的软件，考虑了三种方案： ①阿尔泰数据采集卡软件，由于上面已经提到本试 验用不到数据采集卡，所以不采用这种方案。 ②采用 MCGS 软件实现油水界面的检测 ,由于 MCGS 软件在实现动画方面的功能比较丰富，可以比较直观的模拟油水界面检测的整个过程，所以选择此方案。 （ 4） 通过油水界面分离算法，在 MCGS 软件中编写脚本程序，对采集到计算机中的数据进行处理，从而实现油水界面的实时测量，进而完成实验。 总体方案设计流程 图 21 数据传输过程 A36W 型油水界面测量仪采集到的数字信号通过 UT216 型 485232 转换串口将油水界面测量软件设计 12 数据送入计算机中，在组态软件 MCGS 中虚拟设备 0 内部设置 22 个通道分别连接对应的 22 个电容传感器所测得得数字量，组态过程中直接利用这 22 个通道中的数字量进行 组态 设计。 图 22 总体流程图 油水界面系统及其实现的功能 将计算机控制技术与油田采油工艺过程相结合，可以提高油田采油过程自动化检测水平，尽可能多地减轻工人的劳动强度，提高工作效率，同时能够将油田最关心的一些数据如油田日产油量等数据通过计算机控制自动存储到 实时 数据库中， 并能实时显示，便于油田工作人员操作， 本课题所要实现的主要功能如下： （ 1） 通过油水界面检测 仪检测相关油水界面的数据。 （ 2） 将油水界面检测仪检测到的数据通过转换串口输入计算机中。 （ 3） 在 MCGS 中根据相关的算法编写脚本程序，将所得数据转换为液位高度。 （ 4） 用 MCGS 软件 编 制一个界面，可以显示油，水，乳化液的高度。 课题的研究方法及问题处理 2.. 课题研究方法 （ 1） 首先确定设计课题，结合本专业知识选择与专业相关的课题，并根据要求，采用 MCGS 实现油水界面的测量监控。 油水界面测量软件设计 13 （ 2） 仔细阅读所查的相关资料，对所要设计的实验系统做细致全面的认识，包括其基本组成、工作原理、应用领域、国际国 内研究情况等等。 首先分析前人的成果，研究其优点及缺点，然后作出关于本课题的设计方向以及设计重点。 （ 3） 总体方案设计。 通过调研和查阅资料，拟定总体的研究方案。 （ 4） 在实验室内分段电容传感器上进行试验调试，明确编程的内容。 （ 5） 实验系统软件部分的设计与实现。 计算相关算法，并利用 MCGS 实现油水界面的检测。 研究中出现问题的解决方案 （ 1） 在油水混合物中。