蜡沉积试验装置监控系统的设计与实现
日期：2008-12-10 23:36:55 来源：中国自动化网
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1 引言
蜡沉积试验装置是主要研究温度、流量对蜡沉积等参数的影响。在试验过程中，通过调节测试段套管内循环水的温度控制测试段壁温，当壁温低于油温并低于原油析蜡点时，在测试段有蜡沉积，使得管径变小，差压变大。同时调节参比段水温和试验油温一致，保证参比段没有蜡沉积，管径不发生变化。这样，通过测得参比段、测试段的差压值即可由公式计算出测试段管径，确定蜡沉积层厚度。测试段和参比段两端都用耐压软管连接，拆卸方便，在试验结束后可通过加热熔化把沉积物取出称重，根据蜡的密度和沉积面积确定蜡沉积厚度，验证根据差压计算的蜡沉积厚度的结果。为此，进行采集用以测量参比段和测试段的压差、流量、温度等参数，随时观察参数的变化，及计算各参数、管理数据等。
2 系统结构
针对装置过程的特点，系统采用总线式、开放式结构，由PC、远程I/O模块和智能调节器构成监控系统，如图1所示，实现装置的自动测量和控制。监控级PC通过RS-485总线与现场智能调节器和远程I/O模块实时通讯，读取各种可测参数。
现场主要包括测量传感器:防水型热点偶J;日本横河1151型差压变送器;质量流量计DMF-1A;宇光带RS-485通信的AI-708智能调节器;三菱变频器;研华远程I/O模块;模拟量输入/输出模块ADAM 4017和ADAM 4021;热点偶模块ADAM 4018;RS-232/485转换器模块ADAM 4500等组成。
3 控制技术要求及方案
3.1 技术要求
(1) 差压传感器:测量测试段和参比段的压差，量程比是15:1，精度0.1级。现用量程是0~40kPa;
(2) 水浴恒温:控水温精度0.2℃
(3) 质量流量计:量程0-600kg/h，精度0.25级;
(4) 温度传感器:可测量测试段、参比段进出口油温、水温，温度范围-50～+100℃，最大误差0.2℃
(5) 螺杆泵、蠕动泵:可通过PC来调节流量;
(6) 计算机:检测、存储、管理流量、差压、温度等参数，计算管壁蜡沉积厚度等各参数。
3.2 控制方案
根据上述要求和装置特点，我们确定了如图2所示的检测控制流程图。
(1) 流量检测和调节
流量检测是采用质量流量计作为传感器QI-100，其输出信息输入到I/O模块AI-100，流量调节采用变频器PID闭环控制，在PC画面上，根据所选取螺杆泵或蠕动泵来整定相应参数，同时对流量精确控制。
(2) 测试、参比段水浴温度控制
智能仪表TIC-100，TIC-101，TIC-102是为了达到精确的目的采用具有加热/冷却输出功能控制方式，智能调节器的给定、参数均可在PC画面中整定。
(3) 测试、参比度温度控制
分别用T-100和T-101来检测油温管道中心、管壁;水温管道中心、水温管壁的出入口温度分布参数。
4 计算管壁蜡沉积厚度的方法
本设计中蜡沉积试验装置通过测得参比段、测试段的差压值即可由公式计算出测试段管径，确定蜡沉积层厚度。原油流变性类型及流态不同，蜡沉积层厚度的计算也不同，下面以牛顿流体层流为例介绍计算方法:
对于牛顿流体[1>，水平放置管段的差压计算:
ΔP=8λLρQ2/л2D5 (1)
式中:λ ─水力摩阻系数;L─管路长度(m);ρ─原油密度(kg/m3)Q─体积流量(m3/s); D ─管内径(m) 。
测量参比段和测试段的压差比是:
ΔPT/ΔPR=(λT/λR)×(LT/LR)×(ρT/ρR)×(QT/QR)2×(DR/DT)5 (2)
式中:下标T是测试段参数，下标R是参比段参数。
依实验条件，原油在测试段是降温过程，在参比段是升温过程，两段原油的温度基本相同。即:ρT=ρR，LT=LR，QT=QR。
式(2)可简化为:ΔPT/ΔPR
=(λT/λR)(DR/DT)5 (3)
在Re<105 的情况下，λ可以表示为:λ=4A/Rem
对于层流状态A=16,m=1;因此，层流时λ和雷诺数分别为:λ=64/Re (4)
Re=4Ρρ/πμD (5)
式中:μ─动力粘度， Pa*S。
把式(4)、(5)代入(3)，得:ΔPT/ΔPR=(DR/DT)4即 DT=DR/(ΔPT/ΔPR)0.25。 得知测试段的管内径 DT就可计算管壁蜡沉积厚度:
y=(D0-DT)/2;式中，D0─测试段的原始管径。
5 程序设计
为提高系统的通用性、灵活性、便于维护扩展，我们采用Visual Basic 6.0开发，主要由主控模块;实时、历史趋势模块;通讯模块;实时、历史报表模块;数据修正及参数整定模块;数据管理模块;计算模型及建立模型等模块构成。
(1) 主控模块:显示装置系统参数检测画面，包括温度、差压、流量、蜡沉积等，以及各变量的报警状态。
(2) 实时、历史趋势模块:以曲线方式反映当前时间以前一小时和48小时内的实时、历史趋势，可同时显示多个数据和分别显示单个数据趋势曲线。
(3) 通讯模块:采用厂方提供的智能调节器和远程I/O模块的通讯软件装入连接，
现实时通讯功能。
(4) 实时、历史报表模块:实现参数报表打印和计算结果报表打印，上述两种可现打印和定时打印。
(5) 数据修正及参数整定模块:输入计算公式有关的数据及整定PID参数，给定等数。
(6) 数据管理模块:定义系统数据库中的各种参数，系统数据库包括实时数据库和历史数据库。
(7) 计算模型及建立模型模块:根据实时数据计算传热、平均温度、温度梯度、冲刷力、管壁剪切应力、流速、蜡沉积速率、蜡沉积值等，并进行比较分析，同时以数据库数据来进行模拟、拟合，找出模型表达式等。
由于VB6.0其良好的开发环境、强大的接口通信协议支持，实时的数据传输以及其控件和函数集，使其在数据采集、实时检测和过程控制等系统中得到了广泛的应用。结合Windows操作系统的动态编程技术及ODBC开放式数据库互连，使得应用系统与其他应用程序及系统的连接成为可能，为系统间数据、代码的共享提供了方便，也极大地提高了计算机系统资源的利用率。
6 结束语
通过观察和试验，本装置监控系统具有较高的精度，而且操作简单、运行稳定、可靠性高，达到了试验研究目的。
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蜡沉积试验装置是主要研究温度、流量对蜡沉积等参数的影响。在试验过程中，通过调节测试段套管内循环水的温度控制测试段壁温，当壁温低于油温并低于原油析蜡点时，在测试段有蜡沉积，使得管径变小，差压变大。同时调节参比段水温和试验油温一致，保证参比段没有蜡沉积，管径不发生变化。这样，通过测得参比段、测试段的差压值即可由公式计算出测试段管径，确定蜡沉积层厚度。测试段和参比段两端都用耐压软管连接，拆卸方便，在试验结束后可通过加热熔化把沉积物取出称重，根据蜡的密度和沉积面积确定蜡沉积厚度，验证根据差压计算的蜡沉积厚度的结果。为此，进行采集用以测量参比段和测试段的压差、流量、温度等参数，随时观察参数的变化，及计算各参数、管理数据等。
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2 系统结构
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针对装置过程的特点，系统采用总线式、开放式结构，由PC、远程I/O模块和智能调节器构成监控系统，如图1所示，实现装置的自动测量和控制。监控级PC通过RS-485总线与现场智能调节器和远程I/O模块实时通讯，读取各种可测参数。
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现场主要包括测量传感器:防水型热点偶J;日本横河1151型差压变送器;质量流量计DMF-1A;宇光带RS-485通信的AI-708智能调节器;三菱变频器;研华远程I/O模块;模拟量输入/输出模块ADAM 4017和ADAM 4021;热点偶模块ADAM 4018;RS-232/485转换器模块ADAM 4500等组成。
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3 控制技术要求及方案
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3.1 技术要求
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(1) 差压传感器:测量测试段和参比段的压差，量程比是15:1，精度0.1级。现用量程是0~40kPa;
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(2) 水浴恒温:控水温精度0.2℃
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(3) 质量流量计:量程0-600kg/h，精度0.25级;
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(4) 温度传感器:可测量测试段、参比段进出口油温、水温，温度范围-50～+100℃，最大误差0.2℃
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(5) 螺杆泵、蠕动泵:可通过PC来调节流量;
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(6) 计算机:检测、存储、管理流量、差压、温度等参数，计算管壁蜡沉积厚度等各参数。
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3.2 控制方案
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根据上述要求和装置特点，我们确定了如图2所示的检测控制流程图。
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(1) 流量检测和调节
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流量检测是采用质量流量计作为传感器QI-100，其输出信息输入到I/O模块AI-100，流量调节采用变频器PID闭环控制，在PC画面上，根据所选取螺杆泵或蠕动泵来整定相应参数，同时对流量精确控制。
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(2) 测试、参比段水浴温度控制
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智能仪表TIC-100，TIC-101，TIC-102是为了达到精确的目的采用具有加热/冷却输出功能控制方式，智能调节器的给定、参数均可在PC画面中整定。
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(3) 测试、参比度温度控制
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分别用T-100和T-101来检测油温管道中心、管壁;水温管道中心、水温管壁的出入口温度分布参数。
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4 计算管壁蜡沉积厚度的方法
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本设计中蜡沉积试验装置通过测得参比段、测试段的差压值即可由公式计算出测试段管径，确定蜡沉积层厚度。原油流变性类型及流态不同，蜡沉积层厚度的计算也不同，下面以牛顿流体层流为例介绍计算方法:
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对于牛顿流体[1>，水平放置管段的差压计算:
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式中:λ ─水力摩阻系数;L─管路长度(m);ρ─原油密度(kg/m3)Q─体积流量(m3/s); D ─管内径(m) 。
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测量参比段和测试段的压差比是:
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ΔPT/ΔPR=(λT/λR)×(LT/LR)×(ρT/ρR)×(QT/QR)2×(DR/DT)5 (2)
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式中:下标T是测试段参数，下标R是参比段参数。
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依实验条件，原油在测试段是降温过程，在参比段是升温过程，两段原油的温度基本相同。即:ρT=ρR，LT=LR，QT=QR。
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式(2)可简化为:ΔPT/ΔPR
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在Re<105 的情况下，λ可以表示为:λ=4A/Rem
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对于层流状态A=16,m=1;因此，层流时λ和雷诺数分别为:λ=64/Re (4)
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式中:μ─动力粘度， Pa*S。
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把式(4)、(5)代入(3)，得:ΔPT/ΔPR=(DR/DT)4即 DT=DR/(ΔPT/ΔPR)0.25。 得知测试段的管内径 DT就可计算管壁蜡沉积厚度:
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y=(D0-DT)/2;式中，D0─测试段的原始管径。
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5 程序设计
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(1) 主控模块:显示装置系统参数检测画面，包括温度、差压、流量、蜡沉积等，以及各变量的报警状态。
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(6) 数据管理模块:定义系统数据库中的各种参数，系统数据库包括实时数据库和历史数据库。
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(7) 计算模型及建立模型模块:根据实时数据计算传热、平均温度、温度梯度、冲刷力、管壁剪切应力、流速、蜡沉积速率、蜡沉积值等，并进行比较分析，同时以数据库数据来进行模拟、拟合，找出模型表达式等。
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