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1、油水分离的液体界面控制系统设计2004级自动化1班 房蓉 指导老师 周荣富摘要 在石油开采方面，由于原油中含有水，所以，我们将针对原油的油水分离界面进行控制，做好了油水分离界面控制就等于完成了原油除水的控制。本文通过对生产工艺对象动静特性的分析，生产流程和工艺的要求，设计了几种实用的除水自动控制方案，并在各种可行的方案中确定一最佳控制方案（即直接控制油水分界面的控制系统）来实现把原油中水份分离出来的油水分离界面控制系统。本系统方法简单，投资费用低，使用维护方便。关键词 石油开采，油水分离，自动控制1 引言1.1 原油与油水分离简述原油又称石油，是从地下深处开采的棕黑色可燃粘稠液体。原油主要由碳
2、氢化合物组成。在岩层孔隙内，常以液体或气态（天然气）存在；有时部份凝结成固态。原油的成分主要有：油质（这是其主要成分）、胶质（一种粘性的半固体物质）、沥青质（暗褐色或黑色脆性固体物质）、碳质（一种非碳氢化合物）。因此它具有以下几个特性：粘度、荧光性、旋光性和特殊气味。原油是“油”，一般比水轻，把它倒在水里，总是浮在水面上，然而它却易溶于氯仿、四氯化碳、苯、石油醚和醇等。原油是从地下可渗透的岩石中采出来的，在原油中都含有一定比例的水，在石油开采加工过程中，原油除水是原油加工的一个重要步骤，利用油水混合液的重力分离特性，设计出一套经济实用的油水分离的液体界面自动控制方案，对原油进行除水处理，使其达
3、到生产生活的要求。1.2 油水分离技术的现状目前，国内外采用的油水分离方法大致可分为物理法、物理化学法、化学破乳法、生物化学法和电化学法等。其中物理法的种类较多，有重力分离、浮选分离、过滤和吸附等方法；化学处理方法有凝聚、电凝聚等方法；而活性污泥法或生物滤池法等则属于生物处理法。2 油水分离原理及组成特性2.1 油水分离原理油水分离利用的基本原理是重力分离原理。由于油和水的比重不同，并且互不相溶，油水混合物在容器中静置一段时间后，会自动分层。水的比重较大，沉到容器底部，油的比重较小，浮到水面之上。在重力作用下，单体油粒在静水中的上浮主要是由于油和水的密度差造成的。在油水混合液中，油的密度和比重
4、较水小，因此会自动上浮。油颗粒在水中上升速度符合斯托克斯定律，即 式（2.1）式中：，；，； ，； ，； ，； ，在浮力与重力之差和阻力相等时，油粒就等速上浮。如果两者之差大于阻力时，油滴则加速上浮。这个阻力是与阻力系数成比例的，而阻力系数是与颗粒的大小、水的密度、上浮速度及雷诺数 (为油颗粒的上浮速度，为油颗粒直径，为水的动力粘性系数)等有关。当雷诺数在范围时，阻力系数，则颗粒的上浮速度与颗粒直径平方成正比，与密度差成正比，与液体的粘性成反比。油的密度越小，则油和水的密度差就越大，此时上浮速度也大，油和水的分离效果就好。油滴直径越大，上浮速度也大，油和水的分离效果就好。2.2 组成特性本文将
5、依据重力式油水分离法的原理来设计油水分离的液体界面控制系统。本控制系统将针对分离罐中的原油，进行油水分离的液体界面自动控制的设计。在油水分离的液体界面控制系统中，首先应明确明确整个系统的组成。油水分离控制系统主要组成部分包括：被控对象、调节器、差压变送器与调节阀门等。研究被控对象动静特性的目的是据以配置合适的控制系统，以满足生产过程的要求。系统在运行中有两种状态。一种是稳态，此时系统没有受到任何外来的干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的共况。另一种是动态，当系统受到外来干扰的影响或者在改变了设定值后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输出量都相继
6、发生变化，尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化，这时就称系统处于动态。经过一段调整时间后，如果系统是稳定的，被调量将会重新达到新设定值或其附近，系统又恢复稳定平衡状况。由于被控对象总是不时受到各种外来干扰的影响，因此系统经常处于动态过程，设置控制系统的目的正是为了对付这种情况。显然，要评价一个过程控制系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应该考核它在动态过程中被调量随时间变化的情况。调节器是控制系统中的一个重要组成部分，它将来自变送器的信号进行综合，按照预定的调节规律去控制调节阀的动作，使系统中的各种被调参数符合生产工艺的要求，实现自动调节。变送器就是能输出标准信号的传感器。它将被测变量的响
7、应传输给调节器另外，调节阀是自动控制系统的执行部件，它的作用是接受调节器输出的信号从而控制流量。2.2.1 过程动态特性油水分离界面控制系统过程特性为，有自衡的非震荡过程。其响应曲线如图2.1和图2.2。图2.1 油输出阀门的工作区及其特性油水混合液中油的含量；油的液位最大值；油的液位最小值图2.2 水输出阀门的工作区及特性油水混合液中水的含量；油水分界面液位最大值；油水分界面液位最小值当刚开始向油水分离罐内输入油水混合液时，油输出阀门和水输出阀门谁先工作，要根据实际情况才能确定，所以在这里不作讨论。假设油水分离控制系统达到平衡后，水的输入量不变，油的输入量增加，油水分界面保持不动，油的液位上
8、升，输出油管道的阀门开度增大，最后达到平衡。当水的输入量增加，油的输入量也增加，油水分界面液位上升，油的液位上升得更快，输出油和水管道的阀门开度都增大，最后达到平衡。当水的输入量增大，油的输入量减小，油水分界面液位上升，油的液位先上升、再下降，输出水的管道阀门开度增大，输出油的管道阀门开度先增大后减小，最后达到平衡。当水的输入量减小，油的输入量增大时，油水分界面液位下降，油的液位上升在下降， 输出水的管道阀门开度减小，输出油的管道阀门开度增大、再减小，最后达到平衡。当输入油和水的量都减小时，油水分界面液位下降，油的液位下降得更快，输出油和水的管道阀门开度减小，而且输出油管道的阀门开度减小得更快
9、（先慢后快），最后达到平衡。2.2.2 被控参数和控制参数的选择被控参数：由于分离罐内的油水分离界面和油液位需维持在某一给定的位置上，或在某一范围内变化是保证油水分离正常进行的工艺指标。所以，选取油水分界面和油液位作为被控参数。控制参数：由于出油（水）量是由输入量决定的，并且输入量是变化的，无规律的。所以从保证油水分离的正常进行的因素考虑，故选流出量（油和水）作为控制参数。3 油水分离液体界面控制方案油水分离器有两种典型的控制方案，一种是附设除水器的控制方案；另一种是直接控制油水分界面的控制方案。3.1 附设除水器的控制方案图3.1利用溢流方式分离油，利用除水器分离水。根据除水器抽水管的高度，
10、可以推算出油水分离器分离界面的高度。图3.1 附设除水器的控制方案由图3.1可以看出，根据力平衡原理，当分离罐的液位处于稳态的情况下，存在如下关系： 式（3.1）式中为分离层的高度；为水的重度；为油的重度; 为溢流挡板高度；为抽水管出水口高度；为抽水管的阻力损失（是流量的函数）。若抽水管较短，则是一个很小的数，因此可以忽略不计，于是由式（3.1）求得分离层高度的计算式： 式（3.2）显然，在油水分离器暂态过程以后，其油水分界面是恒定的，因此图3.1不需要设专门的界面控制系统，仅安装除水器的水位控制系统与油水分离器的溢流槽液位控制系统就能达到恒定油水分离界面的目的，但这种方式存在一定的缺陷，系统
11、复杂而且控制精度不高。3.2 直接控制分离界面的控制方案图3.2 直接控制分离界面的控制方案图3.2的溢流槽液位控制系统与图3.1相同，不同的是分离器没有除水器，油水界面采用浮筒式液位变送器进行检测。图3.3表示某油水分离器所采用的浮筒式液位计与油水分离罐的联系方式。油水分界面控制系统采用电动浮筒式液位变送器，这种变送器的最大量程=500毫米水柱，最大浮力=0.6公斤，最大浮力所对应的仪表信号为10毫安，且知0.12克重/，=1克重/。图3.3 浮筒液位计与油水分离器的联系方式为了利用这种变送器进行分界面的测量，浮筒的截面积需要按仪表规定的技术条件与工艺参数进行特殊设计。由上述规定的仪表技术条
12、件知道，当浮筒全部为重液所浸没时，其浮力为最大，此时的浮力为=0.6公斤，对应的仪表为10毫安，当浮筒全部为轻液所浸没时，其浮力最小。根据最大浮力的条件，可以确定浮筒的截面积 式（3.3）确定以后，可以求出浮筒全部为轻液所浸没时的浮力 式（3.4）根据以知条件：=50厘米，=0.88克重/，得到 式（3.5） 可见，分界面从0变化到L，其浮力只变化0.072公斤，相当于原来浮力变化的。这就是说，利用浮筒液位变送器作分界面测量仪表时，其静态增益大大降低，而且仪表的静态工作点偏高，譬如h=L，浮筒全部为油，仪表的零位信号就有毫安。为了克服上述出现的两个问题，系统设计必须对变送器进行零点迁移和量程调
13、整。3.2.1 液体界面变送器的零点迁移零点迁移是变送器应用中的一个重要问题。它是使变送器输出的下限值与测量参数的下限值相对应。本控制方案中变送器零点迁移的依据是当液位界面处于变化范围（）的中间值（）时，变送器的输出信号亦为仪表工作信号（010毫安）的中间值（5毫安）。迁移前，分界面处处时的浮力为 式（3.6）与对应的变送器输出电流为 式（3.7）因此将变送器的零点往负的方向迁移4.4毫安,此时,变送器的输出信号为 式（3.8）调节器的给定值设置在50%,即毫安。3.2.2 减少变送器的量程量程调整是变送器应用中的另一个重要问题。量程调整又称为满度调整，调整的目的是为了使变送器输出的上限值与测
14、量参数的上限值相对应。在本控制方案中，应将变送器的测量量程程减少8.33倍,以维持界面变送器的静态增益同测量液位的静态增益一样.4 最佳控制方案的确定油水界面控制的基本目的是使油水分界面尽可能靠近其设定值，这个设定值可能代表一个最佳操作点。图4.1 油水分离的液体界面控制系统组成图4.2 油水分离的液体界面控制系统 油、水流量控制方框图图4.1和图4.2分别表示了油水分离的液体界面控制系统的组成和控制系统油、水流量控制方框图。油水分离的液体界面控制系统的控制目的是保持油水分离过程正常进行。在该系统中并不是严格要求把油水分界面保持在某一设定值上，而是根据其油水分界面指示值，通过差压变送器把非电信
15、号转变为电信号，控制器根据这信号来控制阀门的运行工况。其具体运行情况是：油水混合液里油水比例发生变化时，出油管出油量和出水管出水量就要发生变化，油水分离罐里的油水分界面就发生变化，当水的比例增大时，油水分界面上升，出水管阀门的开度增大，出油管阀门的开度减小，反之，当油的比例增大时，油水分界面就要下降，出水管阀门的开度减小，出油管阀门的开度增加。为使系统能顺利工作，就必须把油水分界面控制在一定范围内变化，系统通过安装在油水分离罐内的两台液位指示仪，显示其液位值。当油水分界面在规定的范围变化时，安装在油水分离罐外的差压变送器把这一油水界面液位值转变为电信号传入控制器，控制器根据这值与其设定值比较来控制出水管阀门的开度，向外输出水。当油水分界面液位高于允许变化范围最大值时，出水管阀门开度最大，当油水分界面液位低于允许变化范围最小值时，出水管阀门关闭。直接控制分界面
