陳鴻， 來躍深， 孫攀龍

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

小型原油分離器數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程傳輸調(diào)試

陳鴻， 來躍深， 孫攀龍

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

為改變落后的生產(chǎn)效率，提高三低油田的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)了基于C8051F340單片機(jī)的小型原油分離器數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置。通過硬件電路的設(shè)計(jì)及軟件編程成功進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程傳輸任務(wù)。實(shí)驗(yàn)證明，該裝置能達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)及遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪康模瑢?duì)今后油田工作改變經(jīng)濟(jì)效益具有重要的作用。

三低油田；數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程傳輸

0 引言

當(dāng)前三低油田處理原油混合物的方法是直接運(yùn)輸至聯(lián)合站集中處理，因?yàn)橛吞锏某鲇土可偾以秃侍貏e高，處理后得到的原油就非常少，油田工作者對(duì)于何時(shí)去運(yùn)輸原油也沒有固定的時(shí)間，只是大體估計(jì)[1-3]。油田產(chǎn)量少，工作人員往往采取不關(guān)心的態(tài)度，對(duì)井場(chǎng)分離的現(xiàn)狀采取人工巡視，因?yàn)榫嚯x偏遠(yuǎn)，人工巡視困難較大，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油田的數(shù)據(jù)[4]。

1 油氣水反應(yīng)釜數(shù)據(jù)采集對(duì)象介紹

當(dāng)前國內(nèi)進(jìn)行油水分離大多采用靜置的方式。以勝利油田為例，油水分離罐一般直徑30 m，高16 m。為完成油、氣、水、泥沙的分離，需向分離罐中投入適量的破乳劑、乳化劑等，并采用電加熱等方式對(duì)罐中的原油進(jìn)行加熱。由于油和水比重不同，原油密度小即向上浮升，水密度大即向下沉降，從理論上講，一段時(shí)間過后，就實(shí)現(xiàn)了油水的分離。當(dāng)然，三低油田分離方式亦不例外，對(duì)于三低油田中低的經(jīng)濟(jì)效益，數(shù)據(jù)檢測(cè)大多采用人工巡視、人工檢測(cè)方式，對(duì)于在線檢測(cè)目前沒有一套完整的裝置，因此需要設(shè)計(jì)一套完整的數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置，并通過遠(yuǎn)程傳輸以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。系統(tǒng)整體原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理圖

不論是立式還是臥式的三相分離裝置，反應(yīng)釜中通常都需要對(duì)溫度、壓力、液位、分離完成后所得的氣體量、液體量、水量等進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 溫度變送器

溫度的檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)是探頭、輸出方式及精度。因?yàn)橛退旌衔锸菐в懈g性的，探頭的材質(zhì)需采用不銹鋼或其它耐腐蝕材料制作，由于采用單片機(jī)作為主控芯片，因此輸出信號(hào)選擇電壓。

一體化溫度變送器采用三線傳送方式。將熱電阻信號(hào)變換成與輸入信號(hào)或被測(cè)溫度成線性的0～5 V的輸出信號(hào)。內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂密封結(jié)構(gòu)，因此適合油田震動(dòng)、惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境?？垢蓴_能力強(qiáng)，精度高，工作穩(wěn)定可靠且冷端具有自動(dòng)補(bǔ)償功能[5]。具體參數(shù)如表1所示。

表1 一體化熱電阻溫度變送器參數(shù)

2.2 壓力變送器

對(duì)于反應(yīng)釜中的壓力通常在氣體出口的管道中進(jìn)行檢測(cè)，工程中反應(yīng)釜的壓力一般在0.1～0.3 MPa之間。電阻式壓力變送器按照壓力敏感元件分為金屬式、陶瓷、擴(kuò)散硅。金屬壓力變送器精度差，陶瓷壓力傳感器精度稍好，但受溫度影響比較大，而且陶瓷耐沖擊、耐腐蝕，可以用在相應(yīng)的領(lǐng)域。擴(kuò)散硅壓力變送精度很高，溫漂也很大，所以一般都要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。不過在常溫狀況下，擴(kuò)散硅的敏感系數(shù)是陶瓷的5倍，所以一般用在高精度測(cè)量領(lǐng)域[6]。

從以上儀器可以看出，各種儀器有優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合三低油田現(xiàn)場(chǎng)，氣體壓力的測(cè)量精度無需太高，并且測(cè)量的氣體壓力中含有油氣，因此需耐腐蝕。陶瓷是一種公認(rèn)的抗腐蝕、抗磨損材料，因此很適合油井現(xiàn)場(chǎng)。具體參數(shù)如表2所示。

表2 壓力變送器參數(shù)

2.3 浮球液位開關(guān)

從系統(tǒng)總體原理圖可以看出，該反應(yīng)釜為密閉容器，且液位總高度不太高（約800 mm）。實(shí)際應(yīng)用中，只需知道液位是否超出范圍即可，因此不必使用液位傳感器，利用液位開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)。

浮球液位開關(guān)是一種結(jié)構(gòu)簡單，任何性質(zhì)液體或壓力，溫度皆可使用，廣泛用于油罐液位高度測(cè)量中[7]。輸出形式為開關(guān)量和單片機(jī)管腳可相連接。在單片機(jī)程序中，只需判斷是否有開關(guān)量的到來即可知道液位的高低，然后通過遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。實(shí)物如圖2所示。

圖2 浮球液位開關(guān)

2.4 橢圓齒輪流量計(jì)

分離器的使用是在三低油田的現(xiàn)場(chǎng)，原油入口管徑必須和工程實(shí)際對(duì)應(yīng)，工程中原油入口直徑一般為2 in管（內(nèi)徑50 mm），出油口直徑與入口直徑相同。經(jīng)工程實(shí)際調(diào)研，出油口管道材質(zhì)為45鋼，工作壓力0.1～0.3 MPa，介質(zhì)溫度約55～65℃，液體流速為1～3 m/s。且分離后得到的原油含水率較?。s20%）。因此，必須選擇能測(cè)量高黏度液體的流量計(jì)。

橢圓齒輪流量計(jì)是采用容積式的原理，適用于測(cè)各種黏稠性液體、黏度較高介質(zhì)的流量測(cè)量。具有測(cè)量精度高、測(cè)量旋轉(zhuǎn)流和管道阻流件流速場(chǎng)畸變時(shí)對(duì)計(jì)量精確度沒有影響等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。具體參數(shù)如表3所示。

表3 橢圓齒輪流量計(jì)參數(shù)

表4 液體渦輪流量計(jì)參數(shù)

2.5 液體渦輪流量計(jì)

對(duì)于出水口水的測(cè)量，工況和測(cè)量油水混合物幾乎相同，不同點(diǎn)在于介質(zhì)的不同，由于分離器本身及油水混合物的原因，出水口肯定會(huì)含有少量的油。LWGY系列渦輪流量計(jì)恰好能針對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度小于5×10-6m2/s的液體。渦輪流量計(jì)是速度式流量計(jì)中的主要種類，它采用多葉片的轉(zhuǎn)子（渦輪）測(cè)量流體平均流速，從而推導(dǎo)出流量或總量的儀表[10-12]。其參數(shù)如表4所示。

2.6 氣體渦輪流量計(jì)

對(duì)于出氣口中的氣體，由于存在于油水混合物中，氣體中必然帶有油氣分子，一般的氣體流量計(jì)無法測(cè)量。渦輪氣體流量計(jì)用于封閉管道中測(cè)量低黏度氣體的體積流量和總量。在適用性和經(jīng)濟(jì)性方面無疑是最好的選擇。具體參數(shù)如表5所示。

表5 液體渦輪流量計(jì)參數(shù)

3 遠(yuǎn)程傳輸設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程傳輸模塊與單片連接方式如圖3所示[13-14]。遠(yuǎn)程操作室放一個(gè)短信控制器，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，通過發(fā)短信給短信控制器模塊，模塊接收到短信后即可以導(dǎo)通繼電器，繼電器導(dǎo)通聲光報(bào)警器得電[15]，即實(shí)現(xiàn)報(bào)警。當(dāng)然，一旦有報(bào)警，油井現(xiàn)場(chǎng)會(huì)通過單片機(jī)自動(dòng)關(guān)閉電源停止一切運(yùn)作，這樣則可以避免事故的發(fā)生。

4 硬件電路的設(shè)計(jì)

圖3 單片機(jī)與TC35i模塊接線圖

圖4 串口調(diào)試電路

本次設(shè)計(jì)主控芯片為C8051F340單片機(jī)，電路模塊包括：主控電路模塊、電源模塊、JTAG、時(shí)鐘模塊、報(bào)警電路模塊，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試采用串口調(diào)試助手。模塊電路均為常見電路，在此不一一列舉。其中串口調(diào)試電路如圖4所示。

5 軟件編程

軟件編程主要是對(duì)模擬信號(hào)的采集及通過Tc35i模塊發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。數(shù)據(jù)通過總線方式傳輸，遠(yuǎn)程傳輸模塊自帶RS232通信接口，調(diào)試時(shí)通過串口調(diào)試助手模擬顯示即可。程序流程如圖5所示。

6 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

經(jīng)過硬件電路靜態(tài)檢測(cè)及加電測(cè)試，確認(rèn)無誤后通過軟件編程下載程序入單片機(jī)中，經(jīng)程序運(yùn)行。串口調(diào)試助手模擬顯示結(jié)果如圖6所示。

短信收發(fā)模塊調(diào)試時(shí)，將電路按圖3接好，下載程序后顯示結(jié)果如圖7所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

圖6 串口調(diào)試助手顯示結(jié)果

圖7 短信調(diào)試結(jié)果

7 調(diào)試結(jié)果分析

從圖7結(jié)果可以看出，對(duì)于模擬信號(hào)在串口中的顯示結(jié)果中得到了5路（溫度、壓力、分離后氣體量、油水混合物量、水量）電壓，因傳感器儀器中電壓信號(hào)與對(duì)應(yīng)模擬信號(hào)成正比，后期處理中，只需通過軟件編程即可進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以不必在串口中顯示。

短信收發(fā)模塊所得結(jié)果為英文短信，要達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的就必須編程為英文，中文短信需用UNICON軟件手動(dòng)轉(zhuǎn)換，因此達(dá)不到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。有的符號(hào)（如℃）在短信發(fā)送到手機(jī)時(shí)是亂碼，故調(diào)試時(shí)需采用拼音代替。短信發(fā)送間隔時(shí)間通過程序可自動(dòng)設(shè)置，這樣給油田遠(yuǎn)程監(jiān)控帶來了方便，可以按照設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行工作，達(dá)到預(yù)期目的。

8 結(jié) 語

由于實(shí)驗(yàn)室條件及時(shí)間限制，很多實(shí)驗(yàn)的測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室條件下完成，后期有條件可去油井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，使得系統(tǒng)更加完善。

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Data Detection Design and Remote Transmission Debugging of Small Oil Separator

CHEN Hong,LAI Yueshen,SUN Panlong
（School of Mechanical and Electrical Engineering,Xi'an Technological University,Xi'an 710021,China）

In order to improve the production efficiency and the economic benefit of oil field,this paper designs a small oil separator to achieve data acquisition and remote transmission device based on C8051F340 MCU.Hardware circuit and software programming are designed to carry out data acquisition and remote transmission successfully.The experimental results show that the device can achieve the purpose of real-time detection and remote transmission,and will play an important role in changing the economic benefit of oil field work in the future.

three low oil field;data acquisition;remote transmission

TP 274.2

A

1002－2333（2018）01－0048－03

陜西省科學(xué)技術(shù)廳工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（2014K06-26）

（編輯黃 荻）

陳鴻（1991—），男，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子；

來躍深（1965—），男，教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制與測(cè)量。

2017-03-04