重力油水分離罐自動排水控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5305重力油水分離罐自動排水控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析案例 1190291.1引言 1244871.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立 17531.2.1實(shí)驗(yàn)裝置——分離罐的總體設(shè)計(jì) 177481.2.2檢測裝置——雙法蘭壓差變送器的選型 2286421.4實(shí)驗(yàn)步驟 5140031.5對照實(shí)驗(yàn)——不同高含水率混合液特性實(shí)驗(yàn) 7317271.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及研究 10146271.6.1壓差測量值對油罐排水裝置精度的影響 1033301.6.2自動排水控制系統(tǒng)的范圍應(yīng)用性 1162411.7小節(jié) 121.1引言本文的新型自動排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)、實(shí)驗(yàn)的理論過程、各種實(shí)驗(yàn)裝置的硬件選型及安裝、相關(guān)程序的設(shè)計(jì)和連接以及上載等內(nèi)容和步驟，前幾章已經(jīng)對進(jìn)行了詳盡的描述。本章主要論述該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及檢測裝置的建立，驗(yàn)證前文所設(shè)計(jì)的自動排水控制系統(tǒng)的可行性和合理性等。1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立1.2.1實(shí)驗(yàn)裝置——分離罐的總體設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)室的場地標(biāo)準(zhǔn)為，分離罐的工作平臺臺面為1000mm×1000mm的正方形臺面，分離罐安裝在工作臺面上。分離罐的材質(zhì)是不銹鋼（型號304），整體焊接的方式帶來的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易損壞，整體形狀是圓筒形，性質(zhì)為常壓容器，尺寸規(guī)格：上下圓形直徑為1000mm，整體垂直高度為1200mm，壁厚大約3mm。高位法蘭中心點(diǎn)距底高度600m，低位法蘭中心點(diǎn)距底高度300m，出水孔中心距底高度100m。為方便直觀觀察罐內(nèi)油水界面層，在罐體側(cè)壁開設(shè)安裝了觀測視鏡。分離罐二維示意圖和實(shí)物圖分別如下圖5-1分離罐二維示意圖圖5-2分離罐實(shí)物圖1.2.2檢測裝置——雙法蘭壓差變送器的選型（1）雙法蘭差壓變送器[48]其最主要的作用：將壓力傳感器檢測到物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)直流電信號。稱之為發(fā)射機(jī)。壓差傳感器與變送器通過遠(yuǎn)端密封裝置相連接，成為如圖所示的雙法蘭差壓變送器。法蘭膜盒、毛細(xì)管充液和毛細(xì)管組成遙控密封裝置，運(yùn)行期間，法蘭膜盒上的隔離膜片因?yàn)楸灰后w施加作用力而產(chǎn)生形變，通過毛細(xì)管中介質(zhì)——補(bǔ)充液，將壓差信號傳遞到變送器的敏感元器件上。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，雙法蘭差壓變送器輸出相應(yīng)的信號。如圖5-3即是差壓變送器的工作原理：圖5-3雙法蘭壓差變送器工作原理如何正確的選擇雙法蘭差壓變送器的型號，需要重點(diǎn)考慮以下方面：量程、精度、電氣[57-60]。1)發(fā)射機(jī)測量寬度。市面上常見的變送器都具固定的的測量范圍，及量程，因此實(shí)驗(yàn)中的量程設(shè)置，最好是最大量程的1/4~3/4，這對于差壓變送器來說更為重要[56,57]。根據(jù)沉降罐的整體設(shè)計(jì),沉降槽的高度是1.2米,高位法蘭中心距罐底的高度是0.6m，低位法蘭中心距罐底的高度是0.3m，兩個法蘭的中心距是0.3米。當(dāng)油水界面層的位置處于高法蘭以上時，為2800Pa測量范圍的上限。當(dāng)油水界面層的位置處于低法蘭以下時，為2585Pa量程下限。量程為25854Pa~2800Pa，即應(yīng)該選擇量程為5000Pa的發(fā)射機(jī)。2)差壓變送器的精度。影響測量精度的主要是性能的誤差，大多數(shù)情況下來自高低溫、高低壓、電源穩(wěn)定性等因素，對于電容式雙法蘭壓差變送器的測量精度影響最大的是環(huán)境溫度因素，假設(shè)K1、K2、K3…KN為上述性能誤差，綜合衡量發(fā)射機(jī)整體性能的主要指標(biāo)之一是總精度[58,59]，其基本包括了實(shí)際現(xiàn)場安裝時，導(dǎo)致總體測量誤差的所有主要因素。翻閱諸多相關(guān)資料和書籍可得，差壓變送器總精度計(jì)算公式：√(K12+K22+K32+…+KN2)。理想條件下（大氣壓強(qiáng)，穩(wěn)定室溫）通過靜壓強(qiáng)原理計(jì)算可得1cm水柱為96.2Pa,1cm油柱為84.1Pa。分離罐高、低法蘭兩端液體的壓差即水與油的壓強(qiáng)差，則油水界面層位于高法蘭以下、低位法蘭以上時，罐體內(nèi)界面層每下降1cm壓差約降12.8Pa。即差壓變送器的總精度誤差12.8Pa以下，油水界面層位置的檢測精度可控制在±1cm以內(nèi)。3)壓差變送器的電氣因素。本實(shí)驗(yàn)中將檢測到的法蘭兩端的靜壓差信號通過變送器轉(zhuǎn)換成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，并將標(biāo)準(zhǔn)電流信號傳送至相對應(yīng)的控制裝置中，確定電氣要求為輸出信號:直流電4~20mA，供電范圍:6~36V直流電。根據(jù)上述論證和選型要求，本實(shí)驗(yàn)選擇了某品牌的國產(chǎn)電容式雙法蘭差壓變送器，其型號為3351LT3S22M3B3。（2）產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)：1）測量范圍：0～8×103Pa；2）測量誤差：常溫差壓狀態(tài)下（室溫25℃，大氣壓強(qiáng)）為±0.055%;總精度為正負(fù)0.1%；3）溫度范圍：-25℃～75℃；4）供電要求：24V直流電；5）輸出電流信號范圍：4～20mA；6）膜片型號：316LSST；7）毛細(xì)管：硅油(補(bǔ)液)；長度2m；側(cè)面導(dǎo)出；（3）產(chǎn)品的特征1))安裝簡易便捷，操作難度低：微處理器的使用增加了變送器的靈活性，增強(qiáng)了相關(guān)性能；并且具備較強(qiáng)的自我檢測和診斷技術(shù)。零點(diǎn)與量程的調(diào)節(jié)相互獨(dú)立，互不影響。具備完善的遠(yuǎn)程遙控、局部設(shè)置和調(diào)節(jié)功能;采用兩線單行制,可在使用過程中與終端進(jìn)行通信;2)運(yùn)行流暢，穩(wěn)定性強(qiáng)：變送器在工作時運(yùn)行流暢，穩(wěn)定性良好，精度高，誤差小，抵抗單向過載的能力強(qiáng);無任何機(jī)械傳動零件,維修工作量小,抗震能力強(qiáng)；3)偏移補(bǔ)償方便使用:采取數(shù)字式偏移補(bǔ)償?shù)鬃鶃韺?shí)現(xiàn)溫度和靜壓補(bǔ)償,如果變送器的法蘭安裝位置固定不變且確定零點(diǎn)位置，則偏移消除，無需補(bǔ)償；膜片型號適用性強(qiáng)，接觸介質(zhì)的膜片材料多樣性高，可24小時持續(xù)使用。1.3實(shí)驗(yàn)平臺概況（整體結(jié)構(gòu)圖和現(xiàn)場圖）完成本系統(tǒng)所有相關(guān)設(shè)備的硬件選型和軟件設(shè)計(jì)后著手搭建實(shí)驗(yàn)平臺，如圖4-1，①是分離罐，用來儲存混合液并進(jìn)行油水分離的容器裝置；②、③是分離罐的測量和控制系統(tǒng)部分，作用是對高低法蘭兩端的液體壓差信號進(jìn)行處理并實(shí)現(xiàn)自動排水的目的。①②③共同組成分離罐的自動排水控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。自動排水控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺現(xiàn)場如圖5-4所示。圖5-4自動排水控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺現(xiàn)場圖1.4實(shí)驗(yàn)步驟（1）首先安裝雙法蘭壓差變送器，并注意法蘭墊片的貼合。對分離罐進(jìn)行水壓試驗(yàn)和密閉性試驗(yàn)，注入清水至分離罐1.1m處，確認(rèn)罐底排水管和側(cè)面排水管無水流排出，并且高低法蘭均無滲漏現(xiàn)象后，將水由排水管排出，重復(fù)3-5次后，均無滲漏現(xiàn)象，表明分離罐密封性良好，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)前提條件達(dá)標(biāo)，且可承受較大水壓。以下實(shí)驗(yàn)步驟操作溫度均為室溫約21℃。（2）測量實(shí)驗(yàn)用油的密度，于燒杯中取500ml實(shí)驗(yàn)用油，置于電子秤上測出其質(zhì)量，計(jì)算出其密度。取不同體積的油如此反復(fù)測量計(jì)算5次，取平均值。（3）向分離罐內(nèi)注水使其液面大約距罐底1.2m處，接通PLC，點(diǎn)擊觸摸屏上的“開始”按鈕，系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的PLC程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時在人機(jī)交互界面上顯示相關(guān)實(shí)時參數(shù)數(shù)據(jù)。以一次開閥和關(guān)停為單次周期，確保開閥、關(guān)閥、停止、報(bào)警、最長排水時間等相關(guān)內(nèi)容的試驗(yàn)多次進(jìn)行無誤，確保設(shè)計(jì)的PLC和觸摸屏程序可以滿足系統(tǒng)的整體控制要求。（4）將實(shí)驗(yàn)用油與水混合，混合標(biāo)準(zhǔn)是按質(zhì)量比來的，其中油為10%，水為90%，得到含水率90%的油水混合液，應(yīng)將該混合液充分?jǐn)嚢枰阅M實(shí)際油田中剛開采出的原油混合液。將得到的高含水率混合液充分靜置后，出現(xiàn)狀態(tài)均勻，性質(zhì)穩(wěn)定的油水界面層且遠(yuǎn)高于高位法蘭（開閥界面層高度、報(bào)警界面層高度和關(guān)閥界面層高度均定為高低法蘭之間）。點(diǎn)擊開始按鈕開始排水實(shí)驗(yàn)，電磁閥開啟的同時對排水時間進(jìn)行計(jì)時。剛開始時通過觀測孔（試鏡）觀測到油水界面層的實(shí)時高度遠(yuǎn)大于開閥高度，自動排水開始，位于分離罐下部的清水由側(cè)面排水管排出（底部排水管始終關(guān)閉），此時實(shí)時界面層逐漸下降，直到達(dá)到報(bào)警界面層高度時，觸摸屏報(bào)警，操作者即刻手動關(guān)停整體系統(tǒng)，重新加入油水混合液并點(diǎn)擊開始按鈕重復(fù)進(jìn)行自動排水實(shí)驗(yàn)。（5）如果操作者沒有及時關(guān)停系統(tǒng)，實(shí)時界面層仍保持持續(xù)下降狀態(tài)直到達(dá)到關(guān)閥界面層高度，觸摸屏報(bào)警，控制系統(tǒng)自動關(guān)停電磁閥，整體系統(tǒng)暫時止步，操作者即刻手動關(guān)停整體系統(tǒng)，重新加入油水混合液并點(diǎn)擊開始按鈕重復(fù)進(jìn)行自動排水實(shí)驗(yàn)。（6）在整體系統(tǒng)的單次排水周期內(nèi)，自動排水是實(shí)時計(jì)時的，若超過最長排水時間，觸摸屏報(bào)警，控制系統(tǒng)自動關(guān)停電磁閥，整體系統(tǒng)暫時止步，操作者即刻手動關(guān)停整體系統(tǒng)，檢查整體系統(tǒng)的故障并排除問題，按下開始按鈕重復(fù)進(jìn)行自動排水實(shí)驗(yàn)。（4）、（5）、（6）的步驟具體流程可參考圖5-3。（7）進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)——不同含水率混合液特性實(shí)驗(yàn)。按照油水質(zhì)量比為2:8和3:7的比例混合油與水，將分別得到含水率80%與70%油水混合液，按以上流程分別將不同含水率的混合液重復(fù)實(shí)驗(yàn)。（8）上述實(shí)驗(yàn)步驟需隨時記錄所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修正并再次分別記錄。（9）結(jié)束實(shí)驗(yàn)，關(guān)停整體系統(tǒng)，總閥斷電。1.5對照實(shí)驗(yàn)——不同高含水率混合液特性實(shí)驗(yàn)記錄并處理本次實(shí)驗(yàn)得到的諸多相關(guān)數(shù)據(jù)，確定不同高含水率油水混合液的壓差與油水界面層高度曲線，分析其曲線和第二章通過推導(dǎo)和計(jì)算得出的理論高度預(yù)測曲線的異同；分析影響分離罐自動排水過程中測量裝置的高度誤差；分析系統(tǒng)中觸摸屏和變送器的顯示壓差數(shù)值誤差。為了研究不同油水混合物的影響與不同的高含水率對原油排水、隔油池的油水混合物是成比例的油與水的質(zhì)量比,和油水混合物與水含量為90%,80%和70%的人選擇排水試驗(yàn)。不同高含水率混合液壓差與油水界面層的高度關(guān)聯(lián)曲線如圖5-5：圖5-5不同高含水率混合液壓差與油水界面層高度關(guān)聯(lián)曲線由圖推出，在自動排水實(shí)驗(yàn)中，不同高含水率油水混合液的壓差與油水界面層高度曲線是與第二章推理得出的壓差與界面層高度理論預(yù)測曲線在趨勢上極為一致且數(shù)值誤差極小。在油水界面層高度約60cm處，壓差與界面層高度理論預(yù)測曲線最大偏差值約為0.995%?；旌弦汉蕿?0%時，其油水界面層差壓和界面層高度曲線與第二章推導(dǎo)出的理論預(yù)測曲線吻合度較好。和理論預(yù)測曲線相比較，含水率為90%的混合液的油水界面層位于30cm處時，對應(yīng)的壓差與界面層高度曲線出現(xiàn)最大偏差，其值為0.957%。根據(jù)第二章的公式2-16可得油水混合液壓差與界面層高度的理論預(yù)測關(guān)系曲線，通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)時的測量、反饋、記錄，我們可以得到不同高含水率油水混合液的差壓與油水界面層高度關(guān)聯(lián)曲線，并且通過由壓差和界面層高度理論預(yù)測曲線中減去相應(yīng)的曲線（圖2-6；圖5-5）可以得到不同高含水率油水混合液的高度誤差?？傻脠D5-6，當(dāng)油水界面層位于兩法蘭之間，油水界面層高度為60cm時，油水混合物的高度誤差最大。對于70%、80%和90%的混合，差異最大，分別為0.287、0.306cm和0.271cmcm。圖5-6不同高含水率混合液的高度誤差與油水界面層高度關(guān)聯(lián)曲線圖5-7：不同高含水率油水乳化層的油水界面層厚度與油水界面層高度曲線?；旌弦旱暮试降停腿榛饔迷綇?qiáng)。圖5-7不同高含水率混合液乳化層厚度與油水界面層高度曲線1.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及研究1.6.1壓差測量值對油罐排水裝置精度的影響測量裝置的數(shù)據(jù)讀取和處理精度主要由油水界面層的位置來決定。想要研究分離設(shè)備(即分離罐)在本系統(tǒng)中油水界面位置檢測的準(zhǔn)確性如何，最重要的就是研究不同的壓差測量值對油水界面層位置檢測精度的影響。壓差測量值既顯示在雙法蘭壓差變送器上的壓差上，也顯示在觸摸屏上的觸摸屏壓差上。觸摸屏上顯示的觸摸屏壓差是對系統(tǒng)自動排水過程的開啟或關(guān)閉起決定性作用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由圖5-5和圖5-6可以看出，含水率為90%的油水混合物高度誤差較大。變送器壓差測量值與觸摸屏壓差測量值，兩者的差值絕對值在41.1Pa范圍內(nèi)小幅波動。持續(xù)緩慢的向罐內(nèi)倒水的過程中，油水界面層位置逐漸上升，90%含水率的混合液壓差與油水界面層高度曲線和理論預(yù)測曲線的吻合度也逐漸變大。此時可以得到的結(jié)論是：90%含水率的混合液的壓差與油水界面層高度曲線和理論預(yù)測曲線的差值近似為常數(shù)固定值。圖5-8含水率90%的混合液的兩種類型壓差測量值與油水界面層高度曲線使用高級二/三維圖像與數(shù)據(jù)處理軟件——Origin，導(dǎo)出圖5-5中90%含水率混合液的壓差與油水界面層高度曲線的具體函數(shù)，計(jì)算其與圖5-8中的變送器壓差和觸摸屏壓差值的差值可得：油水界面層高度誤差最大的90%含水率的混合液的平均高度誤差為-1.346cm，最小誤差為-1.341cm，最大誤差為-1.350cm。由此可得，自動排水控制系統(tǒng)在不同含水率油水混合液下的脫水精度控制在±1.35cm。1.6.2自動排水控制系統(tǒng)的范圍應(yīng)用性配制含水率60%~70%的油水混合液，重新調(diào)試整體系統(tǒng)后將其倒入分離罐靜置并開始排水實(shí)驗(yàn)，催動自動排水控制系統(tǒng)進(jìn)行多次單周期的排水實(shí)驗(yàn)，當(dāng)電磁閥關(guān)閉，即單次排水流程結(jié)束時，從距罐底0.32m高度處的取樣孔（多個取樣口，注意選取相關(guān)具體高度處的取樣口）進(jìn)行液體取樣，經(jīng)由含水率測定儀測量可知取出的液體為近乎100%含油量的混合溶液，則可以證明該油水分離自動排水控制系統(tǒng)的適用范圍比較廣。本次實(shí)驗(yàn)的過程中其他的不同類型誤差已經(jīng)被充分地考慮到，諸如系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗小誤差等影響，以及實(shí)際工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)中的常規(guī)誤差影響，所以對于本實(shí)驗(yàn)的相關(guān)程序設(shè)計(jì)和輸入量參數(shù)的設(shè)定，始終保有一定的余量。具體到本文的數(shù)據(jù)：觸摸屏上開閥界面層高度為0.58m;報(bào)警界面層高度為0.34m；關(guān)閥界面層高度為0.32m。