1、 西安石油大學本科課程設計 目錄第1章 緒論11.1 國內外油田集輸聯合站安全監控的研究現狀11.1.1國外油田集輸聯合站安全監控的研究現狀11.1.2國內油田集輸聯合站安全監控的研究現狀11.2 油田集輸聯合站安全監控的意義21.3 原油聯合站簡介21.3.1油氣集輸系統31.3.2污水處理系統31.4 初步分析41.5系統I/O點數統計5第2章 系統總體方案設計72.1初步分析72.2 聯合站的工藝流程與主要技術指標7第3章 系統監控設備選型與介紹93.1 板卡的類型與功能93.1.1板卡 PCI-172193.1.2 板卡 PCI-171393.1.3 板卡 PCI-175510第4章

2、監控系統詳細設計114.1 總體方案圖114.2 完整系統說明114.2.1 模擬量輸入/輸出模塊114.2.2 數字量輸入/輸出模塊114.2.3某油田聯合站監控系統硬件設備清單12第5章 結論13參考文獻14第1章 緒論1.1 國內外油田集輸聯合站安全監控的研究現狀 1.1.1國外油田集輸聯合站安全監控的研究現狀 美國海灣石油公司于 1954 年 10 月，建成世界上第一套自動監控輸送系統（LedgeAutomatic Control Transmission System簡稱 LACT）裝置，解決了原油的自動收集、處理、計量和輸送問題。21 世 紀以 來， 隨著通 信 技術 的 發 展，

3、 SCADA （ Supervisory Control and DataAcquisition）即監控與數據采集系統越來越多的應用于油田生產控制與管理中。SCADA系統與在油氣開采中的處理設備上的檢測儀表和控制設備直接相連，這樣連接能夠實時和不斷的獲取檢測儀表所檢測到的運行信息。SCADA 系統主要是面向操作人員的需要，也可以為多用途，提供操作、計算、管理和運營等功能。國外有些油田 SCADA 系統實現了注氣、注水的優化控制運行。SCADA 能夠把遠程獨立的單個油田作業變成一個具有許多緊密相關的功能的綜合加工過程，SCADA 已具有為相互聯系的處理作業的最優化提供定時獲得操作信息的能力。 目

4、前國外油田更是建立了從原油生產、儲存、銷售全面監控的自動化系統，將自動化系統上升到了現代管理的高度。1.1.2國內油田集輸聯合站安全監控的研究現狀 國內油田聯合站的自動化建設起步較晚，初期發展較為緩慢。但在越來越重視降低投資和解能的今天，人們開始關注原油集輸系統的最佳節能控制，即如何把脫出的污水中的含油量降至最少，原油處理精度最高，使操作更為簡單，運行更為安全可靠。自 1992 年以來，國內已有一些油田將計算機控制系統應用于油田聯合站集輸系統，但這些計算機控制系統沒有很好的解決油田聯合站集輸系統控制上的問題。其主要原因是：油田隨著開采時間的延長，采出油中的含水越來越高，而且近年來新井的投產較多

5、，日產量不穩，使各中轉站到聯合站的來液量波動很大，造成脫水系統壓力經常超出工藝允許范圍，原來的計算機控制系統大都采用的是單回路給定點的 PID 控制算法，這種算法適用于原油含水低、來液量少且波動小的情況。2000 年以后，針對延長油田定邊采油廠集輸聯合站工藝流程和安全生產要求，開發了基于智能網絡化的聯合站安全生產監視監控系統。該系統采用工業以太網與現場總線技術，構成聯合站生產工藝參數與設備狀態監控和生產過程實時視頻監視系統，實現聯合站生產過程安全監視監控和生產事故預警預報。運行表明，系統大大提高了聯合站生產過程自動化、安全生產保障能力與安全管理水平，具有典型的應用示范作用。 與此同時考慮到陜北

6、油田的特點研制了聯合站原油計量監控系統，該系統由工控計算機、分布式數據采集控制系統和 RS485 總線構成，實現聯合站原油準確計量，定量穩定外輸，工藝過程與生產安全在線實時監控。之后的研究中又結合延長油田靖邊采油廠聯合站工藝流程和安全要求，于 2007 年開發了基于雙機冗余的高可靠性聯合站監控系統。該系統采用 IPC 工控機和 S7300PLC，構成了 IPC4-PLCProfibus 的雙機冗余系統。系統既有雙機冗余熱機備份，又具有工程師站和操作員站功能，大大提高了聯合站監控系統的可靠性和穩定性。 雖然全國各地聯合站已不同程度的進行了油氣生產自動監控系統的試點工作，但水平參差不齊，也暴露出很

7、多問題，主要表現在現場設備可靠性差，可維護性差，不能承受現場惡劣的工作環境（包括高溫、低溫、潮濕和沙塵）。因此在很多情況下，不能對數據進行局部細微的分析，難以讓工程師技術人員掌握第一手資料。 從國內油田監控系統的發展過程和今后的發展趨勢來看，自動化監控技術將越來越多的應用到油田聯合站、油井的監控系統中，而且必將數字化和網絡化方向發展。1.2 油田集輸聯合站安全監控的意義油田集輸聯合站的主要作用是接收各轉油站來油，對油氣水進行收集、存儲、分離、凈化、加熱、脫水、計量，將處理后合格的原油、凈化污水、凈化天然氣向下一級礦場油庫或外輸站和壓氣站輸送，在此過程中，對含水的原油要進行脫水工藝處理，這樣就形

8、成了原油集輸的若干個工藝處理過程。由于原油和天然氣是易燃易爆危險物質，而且站內壓力容器密布、油氣管道縱橫、系統運行狀況復雜且過程中流程多變，所以有極大的潛在事故危險性。 隨著國家政府部門對聯合站安全生產越來越重視，聯合站集輸過程實施自動化監控已經迫在眉睫。因此，對聯合站進行安全監控系統設計，及時準確地對運行設備的參數和狀況做出全面監測，不僅使整個聯合站的安全運行得到保證，整個石化企業的安全和經濟效益也能夠得以提升；同時計算機監控系統的使用對消除隱患、預防事故也起到了舉足輕重的作用。安全監控系統引入的意義在于穩定和優化生產工藝，降低勞動者生產強度，提高設備運行的安全性和可靠性；同時可以有效的預防

9、事故發生，減少財產損失和人員傷亡，這樣有助于提高聯合站的安全管理水平，從而在最大程度上獲得經濟效益和社會效益。 1.3 原油聯合站簡介該原油聯合站將各個采油隊輸送過來的原油進行油氣水分離、油水分離、原油存儲、原油加熱及外輸、污水處理等，實現對來油氣、出油氣的計算、盤庫。該原油聯合站內主要分成油氣集輸和污水處理兩大工藝流程，另外還包括消防、天然氣密閉、大罐抽氣、陰極保護等小的工藝流程。1.3.1油氣集輸系統原油集輸過程中的設備一般由翻斗計量分離器、管道、閥門、三相分離器、換熱器、沉降罐、凈化油罐等組成。從各個單井或是汽車輸送過來的油（液）首先進入聯合站的油氣水三相分離器，在這里實現氣體和液體的分

10、離，油（液）從分離器一端進入，然后天然氣從另一端上部流出進入除油器進行天然氣外輸，而油水混合的液體從下部流出進入換熱器；從換熱器出來的油水混合液體輸入沉降罐，沉降罐分離出大部分的原油，而將水輸到污水區，進行污水處理。經過沉降罐的二次油水分離后，原油已經幾乎不含水了。在這之后基本上不含水的原油進入凈化油罐，等待外輸。進入凈化油罐的原油，由裝車泵加溫加壓后，由汽車外運。 工藝流程圖如下：天然氣分離器調壓計量計量站來油換熱器油氣分離器沉降罐凈化油罐污水接收罐汽車拉油卸油罐卸油泵裝車鶴管裝車泵燃料氣或放空天然氣凈化油污水圖1-1 油氣集輸系統工藝流程1.3.2污水處理系統油田污水主要指含油污水，油田污

11、水經處理后回注地層， 4此時要對水中的懸浮固體、分散油及浮油、膠體和乳化油的含量等多項指標進行嚴格監控，防止其對地層產生破壞。聯合站通常采用把物理除油、混凝除油和過濾這3種方法，分別除去懸浮固體、乳化油和膠體、分散油及浮油。在我國一些干旱地區，水資源嚴重缺乏，把經過污水處理后的水重新注入地層，這樣就能夠合理有效利用凈化水，對水資源緊缺干旱地區具有很好的緩解作用。污水處理流程圖：油站來水收油罐混合罐斜板沉降緩沖罐除油裝置纖維球過濾器精細過濾器凈化水罐注水泵注水閥組圖1-2 污水處理流程根據聯合站的工藝流程和各個設備的工作原理，整個監控系統需要處理：（1）控制三相分離器上油室、水室的液位恒定。 （

12、2）監測三相分離器上油室、水室的液位、溫度、壓力及報警。 （3）監測倆個沉降罐的油室、水室的液位、溫度、壓力及報警。 （4）監測脫水泵、脫水器、加藥泵、污水外輸泵、外輸泵各自前后的壓力，控 制各個泵的起、停，顯示其運行狀況及報警。 （5）監測凈化油罐、污水緩沖罐，過濾罐、加熱爐的溫度及液位及報警。 （6）監測遍布整個戰區的氣體濃度及報警。 1.4 初步分析1、液位、溫度、壓力、氣體濃度監測以及各個泵運行狀況顯示。其中：液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號經過相應的變送器后都會轉換為與現場最大、最小值對應的4-20mA電流信號，都是模擬量輸入信號。2、各個泵運行狀況顯示是對應數字量輸入信號。3、控制

13、分離器上油室、水室的液位恒定可以采用PLC來控制，控制原理是：油室、水室的當前液位信號接入PLC控制器，與控制器內的人工給定值進行對比，輸出4-20mA的控制信號到變頻器，變頻器對50HZ交流電進行變頻，輸出對應于4-20mA的0-50HZ交流電對泵上的驅動電機進行變頻調速，通過調節泵的轉速或者流量來控制油室、水室的液位恒定。4、控制各個泵的起、停對應數字量輸出信號。1.5系統I/O點數統計根據聯合站的流程圖，先要列出統計出系統的 I/O 點數，系統的 I/O 點數如表所示： 表1.2模擬量I/O點參數表舉例序號設備名稱總點數控制要求AIAODIDO1一個三相分離器16水室的液位、溫度、壓力2

14、*3=6油室的液位、溫度、壓力2*3=6油室、水室液位恒定控制2*2=42兩個沉降罐4罐的液位、溫度2*2=43一個脫水泵2脫水泵的液位、溫度2*1=24一個脫水器2脫水器的液位、溫度2*1=25一個加熱爐2加熱爐前后的溫度2*1=26一個凈化油罐2凈化油罐的液位、溫度2*1=27一個外輸泵6泵的前后壓力2*1=2控制泵的啟停2*1=2泵運行狀況顯示2*1=22*1=28一個加藥泵6泵的前后壓力2*1=2控制泵的啟停2*1=2泵運行狀況顯示2*1=29一個過濾罐2罐的液位、溫度2*1=210一個污水外輸泵6泵的前后壓力2*1=2控制各個泵的啟停2*1=2泵運行狀況顯示2*1=2合計483246

15、6表1.1某油田集油站監控系統I/O變量表在統計完I/O點后還要統計參數點，并且每個參數點的設置要與現場一一對應。I/O位號變量名稱變量說明I/0類型工程單位信號類型量程上線量程下線報警上線報警下線偏差報警正常值1-1SISY一個三相分離器水室的液位AImmA10091151-2SISYK一號三相分離器水室液位的控制信號AOmA100080301050在詳細統計完 I/O 點數后還要列出每個點的參數表， 下表列出了三相分離器的參數： 表1.3 數字量 I/O 點參數表I/O號位變量名稱變量說明I/O類型正常狀態信號類型信號上線信號下線邏輯極性2-1CIQD加藥泵的啟動DOIV240正2-2CI

16、ZK加藥泵的運行狀況DIIV240正第2章 系統總體方案設計根據聯合站的各個工藝流程，可以看到現場測量類型主要有壓力、溫度、液位、 界位、電量等，所以需要相應的測量儀表進行數據采集，以及利用控制閥進行遠程控制。2.1初步分析初步分析液位、溫度、壓力、氣體濃度監測及各個泵運行狀況顯示。其中液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號經過相應的變送氣后都會轉換為與現場最大、 最小值對應的 4 20MA 電流信號，都是模擬量輸入信號。各個泵運行狀況對應數字量輸入信號。 控制分離器上油室、水室的液位恒定可以采用板卡、PLC 儀表來控制2.2 聯合站的工藝流程與主要技術指標（1）分離器流程。從各個采油隊輸送過來的原

17、油首先通過計量器計量后又進入聯 合站的油氣水三相分離器，在這里實現氣體和液體的分離。原油從分離器一端進入， 然后天然氣從另一端上部流出進行天然氣外輸， 而油水混合的液體從下部流出進入 一 次沉降罐。 (2)油罐區流程。油罐區的儲罐主要的任務是進行油水分離，由一次沉降罐、 次 沉降罐、 凈化油罐組成， 分離器將油水混合液體輸入一次沉降罐， 一次沉降罐分離 出 大部分的原油， 并把部分天然氣再行收集， 而將水輸到污水區， 進行污水處理。 過 經 一次沉降罐的原油流入二次沉降罐繼續進行油水分離， 這之后的原油已經含水很少 了， 然后原油進入加熱爐加熱和脫水器脫水。 經過加熱和脫水后的原油進入凈化油

18、罐，等待外輸。 （3）加熱爐流程。從油罐區二次沉降罐輸送過來的原油在這里經過加熱，以利于 原油的輸送，然后送到脫水器脫水。 （4）原油外輸流程。經過加熱和脫水處理的原油含水已經很少，通過原油外輸泵 將原油輸送出聯合站。污水處理工藝流程。在這一流程里，從一次沉降罐過來的污水 首先進入緩沖罐，將含有的殘留天然氣進行收集，然后經過加藥泵進行加藥處理，再 進入過濾罐過濾，最后將經過處理的污水輸出。根據以上分析，確定聯合站安全監控的總流程圖如下：圖2-1 聯合站安全監控總流程圖第3章 系統監控設備選型與介紹3.1 板卡的類型與功能3.1.1板卡 PCI-1721 板卡 PCI-1721 是一款高性能 P

19、CI 總線模擬量輸出卡,每個模擬量輸出通道都帶有一個 12 位的雙緩沖 DAC. 此輸出卡具有許多強大的獨特功能,比如最大更新速率為 10MHz 的波形輸出功能,自動校準功能和板卡 ID 等。PCI-1721 是要求連續高速模擬量輸出 或 實時波形輸出應用的理想選擇。 主要功能與技術指標： 圖3-1 PCI-1721·4 路增強模擬量輸出卡 ·5MHz 最大數字更新速率 ·PCI 總線數據傳輸 ·自動校準功能·每個模擬量輸出通道帶一個 12 位 DAC ·帶內部/外部觸發的實時波形輸出功能 ·同步輸出功能 ·靈活的

20、輸入類型和范圍設定 3.1.2 板卡 PCI-1713 PCI-1713 是一款 PCI 總線的隔離高速模擬量輸入卡， 它提供了 32 個模擬量輸 入通 道，采樣頻率可達 100KS/S，12 位分辨率及 2500YDC 的支流隔離保護。 主要功能與技術指標： ·2500VDC 隔離保護 ·32 路單端或 16 路差分模擬量輸入，或組合輸入方式 圖3-2 板卡 PCI-1713·12 位 A/D 轉換分辨率 ·A/D 轉換器的采樣速率可達 100KS/S ·給個輸入端的增益可 編程 ·卡上 4K 采樣 FIFO 緩沖器 ·支

21、持軟件、內部定時器觸發或外部觸發 3.1.3 板卡 PCI-1755 板卡 PCI-1755 是高速 32 通道數字量輸入輸出板卡，在計算 機監控系統中有廣泛的 運用。 主要功能與技術指標： 圖3-3 板卡PCI-1755·總線控制 DMA 數據傳輸，支持 satter/gather 技術 ·32/16/8 位模式 I/O 處理，帶啟/停觸發功能， 2 個模式 握手 I/O 中斷處理能力 ·板載主動終端電阻，高速和遠程傳輸 ·支持模式匹配和狀態改變檢測中斷功能 ·通用 8 通道數字量 第4章 監控系統詳細設計4.1 總體方案圖圖4-1 總體方案

22、設計圖4.2 完整系統說明4.2.1 模擬量輸入/輸出模塊模擬量輸入輸出共36路，其中模擬量輸出32路，輸入4路4.2.2 數字量輸入/輸出模塊數字量輸入輸出模塊各六塊，分別由研華PCI-1751，PCI-1755控制。4.2.3某油田聯合站監控系統硬件設備清單 表4.1 聯合站監控系統硬件設備清單序號類別名稱型號技術要求數量1計算機部分工控主機研華IPC610PIVI.8/521MDRAM、40G/1.4M/50X1臺21寸彩顯21寸CRT21寸飛利浦彩顯1臺UPS電源山特3KVA3KVA 0.5小時1臺彩色打印機惠普A3,彩色噴墨打印機1臺2控制器板卡部分DI板卡研華 PCI-175148位PCI總線數字量輸入/輸出卡DO板卡研華PCI-175532通道數字量輸入/輸出板卡1塊第5章