高凝原油水下儲存保溫控制技術(shù)的研究

牛曦辰

摘 要：水下儲油技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項新型海洋石油鉆采技術(shù)，但由于高凝原油的易凝結(jié)會影響其儲運。文章設(shè)計了一套水下儲油的保溫系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，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(nèi)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(wěn)定。

關(guān)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(shù)

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(xù)生產(chǎn)，能夠適應海上油田向遠海、深海開發(fā)及水下生產(chǎn)系統(tǒng)的需要。此外，與水上貯油相比，水下油罐可節(jié)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(jīng)濟高效，但隨之產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，針對此技術(shù)缺陷，新型的柔性儲油技術(shù)很好的克服了油水直接置換存在各種問題，在儲油罐內(nèi)增加柔性防污染保溫內(nèi)膽，既保留了油水置換儲油的主要優(yōu)點，又避免了環(huán)境污染、高凝原油冷卻等缺點，為水下儲油技術(shù)的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向。

2 水下儲油系統(tǒng)保溫系統(tǒng)設(shè)計

高凝原油具有較低的凝結(jié)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(shù)必須解決的重要問題。為解決這一問題，我們設(shè)計了一套柔性水下儲油系統(tǒng)，將高凝原油存儲于水下的儲油罐內(nèi)，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(nèi)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(tǒng)設(shè)計時，共設(shè)計上述8個儲油保溫系統(tǒng)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(xiàn)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(yōu)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(shè)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(jù)熱量傳遞的規(guī)律，水下儲油罐分艙內(nèi)分艙中心處為高凝原油最高溫度點。所以室內(nèi)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(shù)

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(huán)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(xiàn)。在設(shè)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(huán)境和溫度之間的耦合性。傳統(tǒng)的控制方法難以獲得理想的控制效果，為此我們設(shè)計了一模糊控制器來代替常規(guī)控制方法，獲得了較好的控制效果。

4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)計了熱水保溫，在平臺安全區(qū)設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

4.2 基于mamdani規(guī)則的控制器的設(shè)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(shè)定的油溫溫度和熱水溫度在t時刻的數(shù)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(jié)構(gòu)，模糊規(guī)則采用mamdani。雖然模糊集越多，控制精度越高，但規(guī)則就越多，越難以提取這些規(guī)則，所以我們的模糊集根據(jù)實際情況設(shè)計了7個。

模糊控制的核心工作是依據(jù)語言規(guī)則進行模糊推理。模糊邏輯推理的依據(jù)是模糊控制規(guī)則庫，模糊規(guī)則庫的建立是依據(jù)工人和工藝設(shè)計人員的控制經(jīng)驗確定的。規(guī)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(guī)則為mamdani規(guī)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(jié)果

實驗結(jié)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(guī)律的控制下，溫度很好的穩(wěn)定在30左右，符合保溫的要求。表明該控制算法很好的實現(xiàn)了對儲油的保溫，同時具有相應速度快，能耗低的優(yōu)點。

圖2 試驗曲線

5 結(jié)束語

從試驗結(jié)果看，這種高凝原油保溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略能夠很好的滿足實際水下儲油系統(tǒng)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(chǎn)系統(tǒng)一起構(gòu)成一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)。endprint

摘 要：水下儲油技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項新型海洋石油鉆采技術(shù)，但由于高凝原油的易凝結(jié)會影響其儲運。文章設(shè)計了一套水下儲油的保溫系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，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(nèi)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(wěn)定。

關(guān)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(shù)

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(xù)生產(chǎn)，能夠適應海上油田向遠海、深海開發(fā)及水下生產(chǎn)系統(tǒng)的需要。此外，與水上貯油相比，水下油罐可節(jié)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(jīng)濟高效，但隨之產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，針對此技術(shù)缺陷，新型的柔性儲油技術(shù)很好的克服了油水直接置換存在各種問題，在儲油罐內(nèi)增加柔性防污染保溫內(nèi)膽，既保留了油水置換儲油的主要優(yōu)點，又避免了環(huán)境污染、高凝原油冷卻等缺點，為水下儲油技術(shù)的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向。

2 水下儲油系統(tǒng)保溫系統(tǒng)設(shè)計

高凝原油具有較低的凝結(jié)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(shù)必須解決的重要問題。為解決這一問題，我們設(shè)計了一套柔性水下儲油系統(tǒng)，將高凝原油存儲于水下的儲油罐內(nèi)，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(nèi)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(tǒng)設(shè)計時，共設(shè)計上述8個儲油保溫系統(tǒng)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(xiàn)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(yōu)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(shè)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(jù)熱量傳遞的規(guī)律，水下儲油罐分艙內(nèi)分艙中心處為高凝原油最高溫度點。所以室內(nèi)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(shù)

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(huán)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(xiàn)。在設(shè)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(huán)境和溫度之間的耦合性。傳統(tǒng)的控制方法難以獲得理想的控制效果，為此我們設(shè)計了一模糊控制器來代替常規(guī)控制方法，獲得了較好的控制效果。

4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)計了熱水保溫，在平臺安全區(qū)設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

4.2 基于mamdani規(guī)則的控制器的設(shè)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(shè)定的油溫溫度和熱水溫度在t時刻的數(shù)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(jié)構(gòu)，模糊規(guī)則采用mamdani。雖然模糊集越多，控制精度越高，但規(guī)則就越多，越難以提取這些規(guī)則，所以我們的模糊集根據(jù)實際情況設(shè)計了7個。

模糊控制的核心工作是依據(jù)語言規(guī)則進行模糊推理。模糊邏輯推理的依據(jù)是模糊控制規(guī)則庫，模糊規(guī)則庫的建立是依據(jù)工人和工藝設(shè)計人員的控制經(jīng)驗確定的。規(guī)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(guī)則為mamdani規(guī)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(jié)果

實驗結(jié)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(guī)律的控制下，溫度很好的穩(wěn)定在30左右，符合保溫的要求。表明該控制算法很好的實現(xiàn)了對儲油的保溫，同時具有相應速度快，能耗低的優(yōu)點。

圖2 試驗曲線

5 結(jié)束語

從試驗結(jié)果看，這種高凝原油保溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略能夠很好的滿足實際水下儲油系統(tǒng)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(chǎn)系統(tǒng)一起構(gòu)成一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)。endprint

摘 要：水下儲油技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項新型海洋石油鉆采技術(shù)，但由于高凝原油的易凝結(jié)會影響其儲運。文章設(shè)計了一套水下儲油的保溫系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，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(nèi)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(wěn)定。

關(guān)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(shù)

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(xù)生產(chǎn)，能夠適應海上油田向遠海、深海開發(fā)及水下生產(chǎn)系統(tǒng)的需要。此外，與水上貯油相比，水下油罐可節(jié)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(jīng)濟高效，但隨之產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，針對此技術(shù)缺陷，新型的柔性儲油技術(shù)很好的克服了油水直接置換存在各種問題，在儲油罐內(nèi)增加柔性防污染保溫內(nèi)膽，既保留了油水置換儲油的主要優(yōu)點，又避免了環(huán)境污染、高凝原油冷卻等缺點，為水下儲油技術(shù)的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向。

2 水下儲油系統(tǒng)保溫系統(tǒng)設(shè)計

高凝原油具有較低的凝結(jié)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(shù)必須解決的重要問題。為解決這一問題，我們設(shè)計了一套柔性水下儲油系統(tǒng)，將高凝原油存儲于水下的儲油罐內(nèi)，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(nèi)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(tǒng)設(shè)計時，共設(shè)計上述8個儲油保溫系統(tǒng)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(xiàn)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(yōu)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(shè)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(jù)熱量傳遞的規(guī)律，水下儲油罐分艙內(nèi)分艙中心處為高凝原油最高溫度點。所以室內(nèi)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(shù)

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(huán)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(xiàn)。在設(shè)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(huán)境和溫度之間的耦合性。傳統(tǒng)的控制方法難以獲得理想的控制效果，為此我們設(shè)計了一模糊控制器來代替常規(guī)控制方法，獲得了較好的控制效果。

4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)計了熱水保溫，在平臺安全區(qū)設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

4.2 基于mamdani規(guī)則的控制器的設(shè)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(shè)定的油溫溫度和熱水溫度在t時刻的數(shù)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(jié)構(gòu)，模糊規(guī)則采用mamdani。雖然模糊集越多，控制精度越高，但規(guī)則就越多，越難以提取這些規(guī)則，所以我們的模糊集根據(jù)實際情況設(shè)計了7個。

模糊控制的核心工作是依據(jù)語言規(guī)則進行模糊推理。模糊邏輯推理的依據(jù)是模糊控制規(guī)則庫，模糊規(guī)則庫的建立是依據(jù)工人和工藝設(shè)計人員的控制經(jīng)驗確定的。規(guī)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(guī)則為mamdani規(guī)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(jié)果

實驗結(jié)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(guī)律的控制下，溫度很好的穩(wěn)定在30左右，符合保溫的要求。表明該控制算法很好的實現(xiàn)了對儲油的保溫，同時具有相應速度快，能耗低的優(yōu)點。

圖2 試驗曲線

5 結(jié)束語

從試驗結(jié)果看，這種高凝原油保溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略能夠很好的滿足實際水下儲油系統(tǒng)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(chǎn)系統(tǒng)一起構(gòu)成一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)。endprint