減阻劑減阻率測控系統設計

2016-01-29 06:19:25陳冠成翁惠輝劉娟長江大學電子信息學院湖北荊州434023

長江大學學報(自科版) 2015年34期

陳冠成，翁惠輝，劉娟　(長江大學電子信息學院，湖北荊州 434023)

減阻劑減阻率測控系統設計

陳冠成，翁惠輝，劉娟(長江大學電子信息學院，湖北荊州 434023)

[摘要]合理使用減阻劑，既可以實現減阻效果，又可以增加輸出和減小能耗。隨著我國長輸管線原油輸送事業的快速發展，對減阻劑的需求量也不斷加大，但相應的減阻劑測試設備卻比較欠缺。為此，設計開發了一種能夠有效檢測各種減阻劑減阻率的測控系統。測控系統硬件電路主要完成多通道數據的采集及多個控制量的輸出，主要由RS232通訊模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數字量輸出模塊4部分組成；工業控制計算機(上位機)和專業控制器(下位機)2部分協同工作共同實現現場過程測控的全過程。試驗結果表明，該測控系統的各項功能都達到了減阻率測試工藝設計的相關要求。

[關鍵詞]減阻劑；減阻率；測控系統

減阻劑是一種實用的化學添加劑，一般是高聚物。由于流體的阻力限制了流體在管道中的流動，造成管道輸送量降低和能量消耗增加，在流體中注入少量的高聚物，使之在湍流狀態下降低流體的阻力，在輸送量不變的情況下可以大幅降低管道沿程摩阻損失，具有減小管道阻力的功能。在管道運行壓力不變的情況下，可以提高管道的輸送量。合理使用減阻劑，既可以實現減阻效果，又可以增加輸出和減小能耗。然而減阻劑的合成技術長期以來被國外少數幾家公司壟斷，導致減阻劑的價格一直居高不下，且需要進口。近幾年由于我國經濟和科技水平飛速提升，減阻劑生產技術國產化的步伐也不斷加快，這也使得檢測國產減阻劑的減阻效果變得異常重要。隨著我國長輸管線原油輸送事業的快速發展，對減阻劑的需求量也不斷加大，但相應的減阻劑測試設備卻比較欠缺。為此，筆者設計開發了一種能夠有效檢測各種減阻劑減阻率的測控系統。

1系統原理

系統在結構原理及流體流動的摩擦系數上采用相似原理進行模擬。通過研究高聚物減阻劑的流變性，分析管內流體受力與沿程摩阻之間的關系，從而估算流體的流動阻力和沿程摩阻壓降。在溫度和管線長度一定的情況下，減阻率的大小與流體的流量相關，儀器設計了不同管徑的圓形管道，再由儀器測量和記錄流體摩擦系數和摩阻壓降，進而計算出不同流量下減阻劑的減阻率。

1.1減阻率的計算

大多數流體流動分析都基于粘性層流的假設。層流意味著流形是一系列的平行層或同心圓，各表層之間有一定的相對速度但不相互混合。層流常見于較低速度的承載設備中，而高速狀態下的流體薄膜則出現湍流。引發湍流的臨界流動速度取決于量綱化的雷諾數Re：

Re=ρvd/η

(1)

式中，ρ為流體的密度，g/ml；v是線速率，m/s；d是2個表面的薄膜厚度，mm；η是黏度，mPa·s。

描述流體在管道中所受阻力狀態的物理量一般用流體的摩擦系數λ和摩阻壓降ΔP，流體流經長度為L的圓管段上的摩阻壓降ΔP 與圓管的長度成正比，與其直徑成反比，與其動能成正比。采用尼古拉茲阻力計算可知：

(2)

于是流體的摩阻壓降可以表示為：

(3)

通過理論計算得出的流體摩阻壓降，可以作為儀器傳感器測出值的參考量。

反映減阻效果的物理量減阻率，其定義如下：

(4)

式中，DR%是減阻劑的減阻率；ΔP0是指在某一流速下未加減阻劑時圓形管道單位長度摩阻壓降，kPa；ΔP1是指在相同流速下加入減阻劑時圓形管道單位長度摩阻壓降，kPa。

1.2儀器工作原理

儀器在工作過程中，試驗用的流體通過循環泵在選定的光滑圓管中循環流動，通過差壓傳感器測量單位長度的圓管里流體在特定流速、溫度下的摩阻壓降并記錄。然后，通過加料器在流體中加入待測的高聚物減阻劑，待減阻劑與流體充分融合后，在相同條件下通過傳感器測量一定長度圓管內流體的摩阻壓降并記錄。通過2次測量流體的摩阻壓降，根據式(4)就可以計算出在特定條件下減阻劑在既定流體中的減阻率。

2系統工藝流程

系統工藝流程如圖1所示，主要由模擬管路、加熱罐、循環泵、配料罐和攪拌電機組成。具體測試過程是先將工作備用流體注入整個管路，待管路整個充滿液體時，建立試驗溫度、壓力；然后啟動循環泵，通過傳感器測得系統壓力、溫度、流量、壓力降；最后根據管徑、長度大小，由計算機計算出各種參數。測試完一組流體的數據之后，通過排液閥排掉被測流體，向加料口加入適量清水，并啟動循環泵，反復沖洗各段管路，為下一組流體的測試做好準備。

圖1　系統工藝流程

3測控系統硬件方案設計

測控系統主要完成多通道數據的采集及多個控制量的輸出，主要由RS232通訊模塊、模擬量輸入(AI)模塊、模擬量輸出(AO)模塊、數字量輸出(DO)模塊4部分組成，具體硬件電路結構如圖2所示。

圖2　系統硬件電路結構圖

用溫度傳感器、壓力傳感器、流量計來分別檢測溫度、壓力、流量信號。使用內部帶有16通道12位ADC的單片機，將溫度、流量、壓力信號經過信號調理電路后輸入ADC端口，通過多路開關輪流選通進入A/D轉換器轉換成數字量。單片機將壓力、流量、溫度數字信號經通用串行通訊模塊傳送到上位機，并接受上位機下傳的控制命令及溫度、壓力、流量設定值。

4軟件設計方案

圖3　系統下位機程序框圖

圖4　上位機監控系統結構圖

減阻劑測試儀測控系統包括工業控制計算機(上位機)和專業控制器(下位機)構成，2部分協同工作共同實現現場過程測控的全過程。

4.1下位機軟件設計

下位機測控軟件采用C語言編寫。為使軟件程序的開發更具效率，并使后期軟件的調試和升級更為便利，有利于程序代碼的優化，筆者對軟件程序運用了模塊化的設計方法。具體下位機軟件結構如圖3所示。

4.2上位機軟件設計

上位機監控系統主要提供人機交互界面(HMI)以及數據處理等，采用VB語言編寫，包括現場數據顯示，儀表狀態顯示，過程控制參數設定，控制操作界面，數據庫保存、查詢與報表輸出等。現場過程測控系統部分完成對現場各設備的信號采集，控制命令的執行與反饋等。兩者之間進行數據傳輸，相互協調，完成整個自動測控功能，系統結構如圖4所示。

上位機監控系統主要是實時監控系統的運行狀態，接收現場過程測控系統上傳的溫度、壓力和流量信號，完成數據的分析與處理，并將數據以圖型、報表形式輸出，同時向現場過程測控系統發送操作命令。上位機人機交互界面如圖5所示。