小型原油分離器數據檢測設計及遠程傳輸調試

陳鴻， 來躍深， 孫攀龍

（西安工業大學機電工程學院，西安 710021）

小型原油分離器數據檢測設計及遠程傳輸調試

陳鴻， 來躍深， 孫攀龍

（西安工業大學機電工程學院，西安 710021）

為改變落后的生產效率，提高三低油田的經濟效益，設計了基于C8051F340單片機的小型原油分離器數據采集及遠程傳輸裝置。通過硬件電路的設計及軟件編程成功進行了數據采集及遠程傳輸任務。實驗證明，該裝置能達到實時檢測及遠程傳輸的目的，對今后油田工作改變經濟效益具有重要的作用。

三低油田；數據采集；遠程傳輸

0 引言

當前三低油田處理原油混合物的方法是直接運輸至聯合站集中處理，因為油田的出油量少且原油含水率特別高，處理后得到的原油就非常少，油田工作者對于何時去運輸原油也沒有固定的時間，只是大體估計[1-3]。油田產量少，工作人員往往采取不關心的態度，對井場分離的現狀采取人工巡視，因為距離偏遠，人工巡視困難較大，無法實時監測油田的數據[4]。

1 油氣水反應釜數據采集對象介紹

當前國內進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罐中的原油進行加熱。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，一段時間過后，就實現了油水的分離。當然，三低油田分離方式亦不例外，對于三低油田中低的經濟效益，數據檢測大多采用人工巡視、人工檢測方式，對于在線檢測目前沒有一套完整的裝置，因此需要設計一套完整的數據檢測裝置，并通過遠程傳輸以達到實時監控的目的。系統整體原理如圖1所示。

圖1 系統總體原理圖

不論是立式還是臥式的三相分離裝置，反應釜中通常都需要對溫度、壓力、液位、分離完成后所得的氣體量、液體量、水量等進行數據進行檢測。

2 系統數據檢測設計

2.1 溫度變送器

溫度的檢測關鍵點是探頭、輸出方式及精度。因為油水混合物是帶有腐蝕性的，探頭的材質需采用不銹鋼或其它耐腐蝕材料制作，由于采用單片機作為主控芯片，因此輸出信號選擇電壓。

一體化溫度變送器采用三線傳送方式。將熱電阻信號變換成與輸入信號或被測溫度成線性的0～5 V的輸出信號。內部采用環氧樹脂密封結構，因此適合油田震動、惡劣的現場環境。抗干擾能力強，精度高，工作穩定可靠且冷端具有自動補償功能[5]。具體參數如表1所示。

表1 一體化熱電阻溫度變送器參數

2.2 壓力變送器

對于反應釜中的壓力通常在氣體出口的管道中進行檢測，工程中反應釜的壓力一般在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，可以用在相應的領域。擴散硅壓力變送精度很高，溫漂也很大，所以一般都要進行溫度補償。不過在常溫狀況下，擴散硅的敏感系數是陶瓷的5倍，所以一般用在高精度測量領域[6]。

從以上儀器可以看出，各種儀器有優缺點，結合三低油田現場，氣體壓力的測量精度無需太高，并且測量的氣體壓力中含有油氣，因此需耐腐蝕。陶瓷是一種公認的抗腐蝕、抗磨損材料，因此很適合油井現場。具體參數如表2所示。

表2 壓力變送器參數

2.3 浮球液位開關

從系統總體原理圖可以看出，該反應釜為密閉容器，且液位總高度不太高（約800 mm）。實際應用中，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，利用液位開關即可實現。

浮球液位開關是一種結構簡單，任何性質液體或壓力，溫度皆可使用，廣泛用于油罐液位高度測量中[7]。輸出形式為開關量和單片機管腳可相連接。在單片機程序中，只需判斷是否有開關量的到來即可知道液位的高低，然后通過遠程發送數據，實現數據的采集。實物如圖2所示。

圖2 浮球液位開關

2.4 橢圓齒輪流量計

分離器的使用是在三低油田的現場，原油入口管徑必須和工程實際對應，工程中原油入口直徑一般為2 in管（內徑50 mm），出油口直徑與入口直徑相同。經工程實際調研，出油口管道材質為45鋼，工作壓力0.1～0.3 MPa，介質溫度約55～65℃，液體流速為1～3 m/s。且分離后得到的原油含水率較小（約20%）。因此，必須選擇能測量高黏度液體的流量計。

橢圓齒輪流量計是采用容積式的原理，適用于測各種黏稠性液體、黏度較高介質的流量測量。具有測量精度高、測量旋轉流和管道阻流件流速場畸變時對計量精確度沒有影響等優點[8-9]。具體參數如表3所示。

表3 橢圓齒輪流量計參數

表4 液體渦輪流量計參數

2.5 液體渦輪流量計

對于出水口水的測量，工況和測量油水混合物幾乎相同，不同點在于介質的不同，由于分離器本身及油水混合物的原因，出水口肯定會含有少量的油。LWGY系列渦輪流量計恰好能針對運動黏度小于5×10-6m2/s的液體。渦輪流量計是速度式流量計中的主要種類，它采用多葉片的轉子（渦輪）測量流體平均流速，從而推導出流量或總量的儀表[10-12]。其參數如表4所示。

2.6 氣體渦輪流量計

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

表5 液體渦輪流量計參數

3 遠程傳輸設計

遠程傳輸模塊與單片連接方式如圖3所示[13-14]。遠程操作室放一個短信控制器，當系統出現異常情況時，通過發短信給短信控制器模塊，模塊接收到短信后即可以導通繼電器，繼電器導通聲光報警器得電[15]，即實現報警。當然，一旦有報警，油井現場會通過單片機自動關閉電源停止一切運作，這樣則可以避免事故的發生。

4 硬件電路的設計

圖3 單片機與TC35i模塊接線圖

圖4 串口調試電路

本次設計主控芯片為C8051F340單片機，電路模塊包括：主控電路模塊、電源模塊、JTAG、時鐘模塊、報警電路模塊，現場調試采用串口調試助手。模塊電路均為常見電路，在此不一一列舉。其中串口調試電路如圖4所示。

5 軟件編程

軟件編程主要是對模擬信號的采集及通過Tc35i模塊發送數據進行遠程傳輸。數據通過總線方式傳輸，遠程傳輸模塊自帶RS232通信接口，調試時通過串口調試助手模擬顯示即可。程序流程如圖5所示。

6 實驗調試

經過硬件電路靜態檢測及加電測試，確認無誤后通過軟件編程下載程序入單片機中，經程序運行。串口調試助手模擬顯示結果如圖6所示。

短信收發模塊調試時，將電路按圖3接好，下載程序后顯示結果如圖7所示。

圖5 數據采集流程圖

圖6 串口調試助手顯示結果

圖7 短信調試結果

7 調試結果分析

從圖7結果可以看出，對于模擬信號在串口中的顯示結果中得到了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與對應模擬信號成正比，后期處理中，只需通過軟件編程即可進行轉換，所以不必在串口中顯示。

短信收發模塊所得結果為英文短信，要達到實時監測的目的就必須編程為英文，中文短信需用UNICON軟件手動轉換，因此達不到實時監測的目的。有的符號（如℃）在短信發送到手機時是亂碼，故調試時需采用拼音代替。短信發送間隔時間通過程序可自動設置，這樣給油田遠程監控帶來了方便，可以按照設定的時間進行工作，達到預期目的。

8 結 語

由于實驗室條件及時間限制，很多實驗的測試在實驗室條件下完成，后期有條件可去油井現場測試，使得系統更加完善。

[1] 殷秀娟.我國石油能源利用現狀問題及應對措施[J].企業家天地（旬刊）,2012(10):8.

[2] 許歡歡.國內油氣田開發現狀及技術展望[J].化工管理,2016(7):115.

[3]胡書勇,張烈輝,清紹學,等.“三低”油田中高含水期剩余油分布研究及綜合調整挖潛技術[J].鉆采工藝,2005,28(2):28-30.

[4]李春艷.“三低”油田油井合理流壓對機采能耗的影響[J].石油石化節能,2012,21(11):40-42.

[5] 李杰.溫度變送器測試系統的研究[D].大連:大連理工大學,2014.

[6] 劉洋,鄒同華,劉峻.壓力變送器的研究與發展現狀[J].通用機械,2005(2):43-46.

[7] 賴泳.外浮頂油罐的液位檢測儀表選型及安裝[J].浙江化工,2008,39(6):23-25.

[8] 王彥吉,劉俊顏,李軍.橢圓齒輪流量計的使用與維護[J].自動化與儀器儀表,2010(5):86.

[9] 陳奕堅.耐高壓雙向橢圓齒輪流量計二次儀表的研究[D].杭州:浙江大學,2007.

[10] 賀中華,魏文雄,謝云山,等.一種新型液體渦輪流量計的設計[J].自動化儀表,2010,31(12):11-14.

[11]劉敦利,車磊.液體渦輪流量計示值誤差的不確定度評定[J].計量與測試技術,2012,39(9):67-69.

[12]李利明,龐紹軍.流量計選型的幾個關鍵點[J].黑龍江科技信息,2010(15):50.

[13]西門子公司TC35/TC37GSM模塊用戶手冊[Z].

[14] 何光禹,李太全.基于TC35iGSM模塊的SMS設計和應用[C]//全國高等學校物理實驗教學研討會.2010:157-159.

[15]西門子公司GSM手機短信遠程控制器用戶手冊[Z].

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

陜西省科學技術廳工業攻關項目（2014K06-26）

（編輯黃 荻）

陳鴻（1991—），男，碩士，研究方向為機械電子；

來躍深（1965—），男，教授，研究方向為計算機控制與測量。

2017-03-04