高凝原油水下儲存保溫控制技術的研究

牛曦辰

摘 要：水下儲油技術是近幾年發展起來的一項新型海洋石油鉆采技術，但由于高凝原油的易凝結會影響其儲運。文章設計了一套水下儲油的保溫系統及其控制系統，很好的解決了這一問題。通過導熱性能低的柔性隔離布及儲罐內壁的保溫涂料來降低溫度散失，并通過基于mamdani模糊控制器對加熱熱水進行控制，來解決對象的非線性大純滯后和大慣性，很好的維持原油溫度穩定。

關鍵詞：高凝原油水下儲存；溫度控制；研究分析

1 高凝原油水下儲存技術

水下儲油將油罐座落在海床上，或潛入水下。與火源、雷電隔離，不僅油氣損耗小而且不易著火，具有天然的防爆性能，在海況惡劣時油井也可連續生產，能夠適應海上油田向遠海、深海開發及水下生產系統的需要。此外，與水上貯油相比，水下油罐可節省昂貴的平臺建造費用，且罐容不受限制，具有巨大的貯油能力。水下儲油有多種方式，其中油水置換方式經濟高效，但隨之產生的污染問題及高凝原油保溫問題嚴重制約了油水置換技術的發展，針對此技術缺陷，新型的柔性儲油技術很好的克服了油水直接置換存在各種問題，在儲油罐內增加柔性防污染保溫內膽，既保留了油水置換儲油的主要優點，又避免了環境污染、高凝原油冷卻等缺點，為水下儲油技術的發展提供了新的發展方向。

2 水下儲油系統保溫系統設計

高凝原油具有較低的凝結溫度，當溫度低于其凝點，高凝原油開始凝固，流淌性下降，影響原油的儲運。因此，對于高凝原油的保溫問題一直是高凝原油存儲技術必須解決的重要問題。為解決這一問題，我們設計了一套柔性水下儲油系統，將高凝原油存儲于水下的儲油罐內，通過保溫隔離布將油水分離，并在儲油罐壁周圍涂敷保溫材料，對油井開采出來的高溫高凝原油進行保溫處理。儲油體內部安裝有溫度檢測傳感器實時檢測原油溫度，同時隔離布外纏繞有柔性熱交換管，通過控制熱交換水的流量來控制高凝原油溫度，保障高凝原油正常的儲運工作。實驗系統設計時，共設計上述8個儲油保溫系統單元，每排4個，共2排。

3 傳感器選擇

溫度傳感器采用了熱敏電阻制造， NTC熱敏電阻器體積小，可以實現測溫探針的微型化，NTC熱敏電阻除具有體積小、響應快、耐振動等優點外，還有阻值高、溫度特性曲線的斜率大等特點。是國際上高精度溫度測量的首選傳感器。本設計中選擇日本芝浦PSB-7型熱敏電阻。將NTC熱敏電阻進行水密處理，封裝在水密鋼管中制作成實驗所需要的水密溫度傳感器。根據熱量傳遞的規律，水下儲油罐分艙內分艙中心處為高凝原油最高溫度點。所以室內中間試驗的溫度傳感器的布置在各分艙的中心點上。

4 保溫控制技術

原油由于高粘度，凝固溫度點低等特點，在水下儲存過程中易受到水溫環境的影響而凝固或部分凝固，從而使流動性變差，不利于輸送。所以須修有應急加熱措施，以防止此類情況的出現。在設計過程中由于原油導熱性能差，儲油罐容積大，使該對象具有非線性大純滯后和大慣性、 時變性、 隨機性以及海洋環境和溫度之間的耦合性。傳統的控制方法難以獲得理想的控制效果，為此我們設計了一模糊控制器來代替常規控制方法，獲得了較好的控制效果。

4.1 控制系統結構圖

由于原油的易燃易爆特點，不能直接采用電加熱等措施保溫。因此設計了熱水保溫，在平臺安全區設置防暴電加熱器，對熱水進行加熱，熱水通過閥門流到纏繞到保溫罐上的加熱套管，通過熱傳遞對儲油進行保溫。系統結構圖如圖1。

4.2 基于mamdani規則的控制器的設計

假定t時刻原油溫度測量值用T（t）表示，加熱熱水測量值用P（t）表示，按照工藝曲線設定的油溫溫度和熱水溫度在t時刻的數值分別用Ts（t）和Ps（t）表示，罐外熱水進閥開度用U1（t） 表示，PWM加熱占空比用 U2（t） 表示，上次采樣周期熱水進閥開度用 U1（t-1） 表示， PWM加熱占空比用U2i（t-1） 表示，定義誤差：

e1=Ts（t）-T（t） （1）

e2=Ps（t）-P（t） （2）

定義控制增量：

ΔU1=U1（t）-U1（t-1），ΔU2=U2（t）-U2（t-1） （3）

我們以e1，e1，e2，e2作為輸入量，ΔU1，ΔU2作為輸出量，建立了一個四輸入二輸出的結構，模糊規則采用mamdani。雖然模糊集越多，控制精度越高，但規則就越多，越難以提取這些規則，所以我們的模糊集根據實際情況設計了7個。

模糊控制的核心工作是依據語言規則進行模糊推理。模糊邏輯推理的依據是模糊控制規則庫，模糊規則庫的建立是依據工人和工藝設計人員的控制經驗確定的。規則運算模塊接收輸入模糊集合的隸屬度，輸出歸一化值d，運算規則為mamdani規則。輸出反歸一化

當d>？茲時，y=RH；

當d<-？茲時，y=RL。

上式中0<θ<1。

4.3 控制結果

實驗結果曲線如圖2。剛開始注入采集的原油溫度較高，此后隨著時間的推移溫度因為熱交換而下降，在模糊控制規律的控制下，溫度很好的穩定在30左右，符合保溫的要求。表明該控制算法很好的實現了對儲油的保溫，同時具有相應速度快，能耗低的優點。

圖2 試驗曲線

5 結束語

從試驗結果看，這種高凝原油保溫控制系統結構和控制策略能夠很好的滿足實際水下儲油系統的保溫要求，保溫效果良好，安全且能耗低。并可和水下儲油自動化生產系統一起構成一套完整的監控系統。endprint

摘 要：水下儲油技術是近幾年發展起來的一項新型海洋石油鉆采技術，但由于高凝原油的易凝結會影響其儲運。文章設計了一套水下儲油的保溫系統及其控制系統，很好的解決了這一問題。通過導熱性能低的柔性隔離布及儲罐內壁的保溫涂料來降低溫度散失，并通過基于mamdani模糊控制器對加熱熱水進行控制，來解決對象的非線性大純滯后和大慣性，很好的維持原油溫度穩定。

關鍵詞：高凝原油水下儲存；溫度控制；研究分析

1 高凝原油水下儲存技術

水下儲油將油罐座落在海床上，或潛入水下。與火源、雷電隔離，不僅油氣損耗小而且不易著火，具有天然的防爆性能，在海況惡劣時油井也可連續生產，能夠適應海上油田向遠海、深海開發及水下生產系統的需要。此外，與水上貯油相比，水下油罐可節省昂貴的平臺建造費用，且罐容不受限制，具有巨大的貯油能力。水下儲油有多種方式，其中油水置換方式經濟高效，但隨之產生的污染問題及高凝原油保溫問題嚴重制約了油水置換技術的發展，針對此技術缺陷，新型的柔性儲油技術很好的克服了油水直接置換存在各種問題，在儲油罐內增加柔性防污染保溫內膽，既保留了油水置換儲油的主要優點，又避免了環境污染、高凝原油冷卻等缺點，為水下儲油技術的發展提供了新的發展方向。

2 水下儲油系統保溫系統設計

高凝原油具有較低的凝結溫度，當溫度低于其凝點，高凝原油開始凝固，流淌性下降，影響原油的儲運。因此，對于高凝原油的保溫問題一直是高凝原油存儲技術必須解決的重要問題。為解決這一問題，我們設計了一套柔性水下儲油系統，將高凝原油存儲于水下的儲油罐內，通過保溫隔離布將油水分離，并在儲油罐壁周圍涂敷保溫材料，對油井開采出來的高溫高凝原油進行保溫處理。儲油體內部安裝有溫度檢測傳感器實時檢測原油溫度，同時隔離布外纏繞有柔性熱交換管，通過控制熱交換水的流量來控制高凝原油溫度，保障高凝原油正常的儲運工作。實驗系統設計時，共設計上述8個儲油保溫系統單元，每排4個，共2排。

3 傳感器選擇

溫度傳感器采用了熱敏電阻制造， NTC熱敏電阻器體積小，可以實現測溫探針的微型化，NTC熱敏電阻除具有體積小、響應快、耐振動等優點外，還有阻值高、溫度特性曲線的斜率大等特點。是國際上高精度溫度測量的首選傳感器。本設計中選擇日本芝浦PSB-7型熱敏電阻。將NTC熱敏電阻進行水密處理，封裝在水密鋼管中制作成實驗所需要的水密溫度傳感器。根據熱量傳遞的規律，水下儲油罐分艙內分艙中心處為高凝原油最高溫度點。所以室內中間試驗的溫度傳感器的布置在各分艙的中心點上。

4 保溫控制技術

原油由于高粘度，凝固溫度點低等特點，在水下儲存過程中易受到水溫環境的影響而凝固或部分凝固，從而使流動性變差，不利于輸送。所以須修有應急加熱措施，以防止此類情況的出現。在設計過程中由于原油導熱性能差，儲油罐容積大，使該對象具有非線性大純滯后和大慣性、 時變性、 隨機性以及海洋環境和溫度之間的耦合性。傳統的控制方法難以獲得理想的控制效果，為此我們設計了一模糊控制器來代替常規控制方法，獲得了較好的控制效果。

4.1 控制系統結構圖

由于原油的易燃易爆特點，不能直接采用電加熱等措施保溫。因此設計了熱水保溫，在平臺安全區設置防暴電加熱器，對熱水進行加熱，熱水通過閥門流到纏繞到保溫罐上的加熱套管，通過熱傳遞對儲油進行保溫。系統結構圖如圖1。

4.2 基于mamdani規則的控制器的設計

假定t時刻原油溫度測量值用T（t）表示，加熱熱水測量值用P（t）表示，按照工藝曲線設定的油溫溫度和熱水溫度在t時刻的數值分別用Ts（t）和Ps（t）表示，罐外熱水進閥開度用U1（t） 表示，PWM加熱占空比用 U2（t） 表示，上次采樣周期熱水進閥開度用 U1（t-1） 表示， PWM加熱占空比用U2i（t-1） 表示，定義誤差：

e1=Ts（t）-T（t） （1）

e2=Ps（t）-P（t） （2）

定義控制增量：

ΔU1=U1（t）-U1（t-1），ΔU2=U2（t）-U2（t-1） （3）

我們以e1，e1，e2，e2作為輸入量，ΔU1，ΔU2作為輸出量，建立了一個四輸入二輸出的結構，模糊規則采用mamdani。雖然模糊集越多，控制精度越高，但規則就越多，越難以提取這些規則，所以我們的模糊集根據實際情況設計了7個。

模糊控制的核心工作是依據語言規則進行模糊推理。模糊邏輯推理的依據是模糊控制規則庫，模糊規則庫的建立是依據工人和工藝設計人員的控制經驗確定的。規則運算模塊接收輸入模糊集合的隸屬度，輸出歸一化值d，運算規則為mamdani規則。輸出反歸一化

當d>？茲時，y=RH；

當d<-？茲時，y=RL。

上式中0<θ<1。

4.3 控制結果

實驗結果曲線如圖2。剛開始注入采集的原油溫度較高，此后隨著時間的推移溫度因為熱交換而下降，在模糊控制規律的控制下，溫度很好的穩定在30左右，符合保溫的要求。表明該控制算法很好的實現了對儲油的保溫，同時具有相應速度快，能耗低的優點。

圖2 試驗曲線

5 結束語

從試驗結果看，這種高凝原油保溫控制系統結構和控制策略能夠很好的滿足實際水下儲油系統的保溫要求，保溫效果良好，安全且能耗低。并可和水下儲油自動化生產系統一起構成一套完整的監控系統。endprint

摘 要：水下儲油技術是近幾年發展起來的一項新型海洋石油鉆采技術，但由于高凝原油的易凝結會影響其儲運。文章設計了一套水下儲油的保溫系統及其控制系統，很好的解決了這一問題。通過導熱性能低的柔性隔離布及儲罐內壁的保溫涂料來降低溫度散失，并通過基于mamdani模糊控制器對加熱熱水進行控制，來解決對象的非線性大純滯后和大慣性，很好的維持原油溫度穩定。

關鍵詞：高凝原油水下儲存；溫度控制；研究分析

1 高凝原油水下儲存技術

水下儲油將油罐座落在海床上，或潛入水下。與火源、雷電隔離，不僅油氣損耗小而且不易著火，具有天然的防爆性能，在海況惡劣時油井也可連續生產，能夠適應海上油田向遠海、深海開發及水下生產系統的需要。此外，與水上貯油相比，水下油罐可節省昂貴的平臺建造費用，且罐容不受限制，具有巨大的貯油能力。水下儲油有多種方式，其中油水置換方式經濟高效，但隨之產生的污染問題及高凝原油保溫問題嚴重制約了油水置換技術的發展，針對此技術缺陷，新型的柔性儲油技術很好的克服了油水直接置換存在各種問題，在儲油罐內增加柔性防污染保溫內膽，既保留了油水置換儲油的主要優點，又避免了環境污染、高凝原油冷卻等缺點，為水下儲油技術的發展提供了新的發展方向。

2 水下儲油系統保溫系統設計

高凝原油具有較低的凝結溫度，當溫度低于其凝點，高凝原油開始凝固，流淌性下降，影響原油的儲運。因此，對于高凝原油的保溫問題一直是高凝原油存儲技術必須解決的重要問題。為解決這一問題，我們設計了一套柔性水下儲油系統，將高凝原油存儲于水下的儲油罐內，通過保溫隔離布將油水分離，并在儲油罐壁周圍涂敷保溫材料，對油井開采出來的高溫高凝原油進行保溫處理。儲油體內部安裝有溫度檢測傳感器實時檢測原油溫度，同時隔離布外纏繞有柔性熱交換管，通過控制熱交換水的流量來控制高凝原油溫度，保障高凝原油正常的儲運工作。實驗系統設計時，共設計上述8個儲油保溫系統單元，每排4個，共2排。

3 傳感器選擇

溫度傳感器采用了熱敏電阻制造， NTC熱敏電阻器體積小，可以實現測溫探針的微型化，NTC熱敏電阻除具有體積小、響應快、耐振動等優點外，還有阻值高、溫度特性曲線的斜率大等特點。是國際上高精度溫度測量的首選傳感器。本設計中選擇日本芝浦PSB-7型熱敏電阻。將NTC熱敏電阻進行水密處理，封裝在水密鋼管中制作成實驗所需要的水密溫度傳感器。根據熱量傳遞的規律，水下儲油罐分艙內分艙中心處為高凝原油最高溫度點。所以室內中間試驗的溫度傳感器的布置在各分艙的中心點上。

4 保溫控制技術

原油由于高粘度，凝固溫度點低等特點，在水下儲存過程中易受到水溫環境的影響而凝固或部分凝固，從而使流動性變差，不利于輸送。所以須修有應急加熱措施，以防止此類情況的出現。在設計過程中由于原油導熱性能差，儲油罐容積大，使該對象具有非線性大純滯后和大慣性、 時變性、 隨機性以及海洋環境和溫度之間的耦合性。傳統的控制方法難以獲得理想的控制效果，為此我們設計了一模糊控制器來代替常規控制方法，獲得了較好的控制效果。

4.1 控制系統結構圖

由于原油的易燃易爆特點，不能直接采用電加熱等措施保溫。因此設計了熱水保溫，在平臺安全區設置防暴電加熱器，對熱水進行加熱，熱水通過閥門流到纏繞到保溫罐上的加熱套管，通過熱傳遞對儲油進行保溫。系統結構圖如圖1。

4.2 基于mamdani規則的控制器的設計

假定t時刻原油溫度測量值用T（t）表示，加熱熱水測量值用P（t）表示，按照工藝曲線設定的油溫溫度和熱水溫度在t時刻的數值分別用Ts（t）和Ps（t）表示，罐外熱水進閥開度用U1（t） 表示，PWM加熱占空比用 U2（t） 表示，上次采樣周期熱水進閥開度用 U1（t-1） 表示， PWM加熱占空比用U2i（t-1） 表示，定義誤差：

e1=Ts（t）-T（t） （1）

e2=Ps（t）-P（t） （2）

定義控制增量：

ΔU1=U1（t）-U1（t-1），ΔU2=U2（t）-U2（t-1） （3）

我們以e1，e1，e2，e2作為輸入量，ΔU1，ΔU2作為輸出量，建立了一個四輸入二輸出的結構，模糊規則采用mamdani。雖然模糊集越多，控制精度越高，但規則就越多，越難以提取這些規則，所以我們的模糊集根據實際情況設計了7個。

模糊控制的核心工作是依據語言規則進行模糊推理。模糊邏輯推理的依據是模糊控制規則庫，模糊規則庫的建立是依據工人和工藝設計人員的控制經驗確定的。規則運算模塊接收輸入模糊集合的隸屬度，輸出歸一化值d，運算規則為mamdani規則。輸出反歸一化

當d>？茲時，y=RH；

當d<-？茲時，y=RL。

上式中0<θ<1。

4.3 控制結果

實驗結果曲線如圖2。剛開始注入采集的原油溫度較高，此后隨著時間的推移溫度因為熱交換而下降，在模糊控制規律的控制下，溫度很好的穩定在30左右，符合保溫的要求。表明該控制算法很好的實現了對儲油的保溫，同時具有相應速度快，能耗低的優點。

圖2 試驗曲線

5 結束語

從試驗結果看，這種高凝原油保溫控制系統結構和控制策略能夠很好的滿足實際水下儲油系統的保溫要求，保溫效果良好，安全且能耗低。并可和水下儲油自動化生產系統一起構成一套完整的監控系統。endprint