水下储油自动化生产过程监控技术研究

摘要

水下储油将油罐座落在海床上，或潜入水下。与火源、雷电隔离，油气损耗小并且不易着火，具有天然的防爆性能。并且油井不受海况影响，可以连续生产，适合海上油田向远海、深海发展及水下生产系统的需要。此外，与水上储油方式相比，水下储油可以节省昂贵的平台建设费用，且储量不受限制，具有巨大的储油能力。水下储油有多种方式，其中油水置换方式经济高效，但随之产生的污染问题及高凝原油保温问题严重制约了油水置换技术的发展。
　　本文在国家海洋局第一海洋研究所承接的国家“863”计划滚动课题“水下储油防污染及保温关键技术研究”的支撑下，针对项目提出的新型柔性水下储油技术，开展了水下储油自动化生产过程监控技术研究。水下储油技术的生产储油过程全部位于水面以下，其特殊的作业环境，给原油输送、存储等水下原油的安全储运带来了巨大挑战。而人为并不能直接参与生产，只能通过安装于水下储油设备中的各种现代传感检测设备获取工作参数，通过高可靠性的自动化生产过程监控系统，完成水下储油的自动化安全无污染生产。
　　本文借助嵌入式微控制器MCU设计了数据采集层，采集水下储油工艺参数，如温度、液位等。并结合水下储油生产特点，将基于神经网络的软测量技术引入到测量系统中，建立神经网络软测量模型，对高凝原油油温、液位实现实时监测。数据采集层通过现场总线将测量数据发送至中央监控层。中央监控层以高可靠触摸式工业控制计算机作为硬件平台，借助水下储油监控软件对采集的数据进行处理、实时显示等各种功能。现场控制层利用德国的高性价比WAGO系列可编程现场总线控制器(PFC)750-881为核心部件进行设计，接收中央监控层发送来的数据，并依据基于Mamdani模糊控制规则，得出控制策略，控制执行器动作，实现对高凝原油油温、液位等控制功能。通过上述三层结构组成了水下储油自动化生产过程监控系统。并且本文对水下储油渗漏油安全监控做了进一步的研究，针对性的提出了基于光纤传感检测技术为核心的新型水下原油防污染安全监控技术。监控系统软件设计方面，嵌入式数据采集层驱动程序采用C语言开发，现场控制层程序采用WAGO-I/O-PRO编程环境自带的内嵌Pascal高级编程语言开发，中央监控层软件采用虚拟仪器软件LabVIEW8.6开发。设计完成后，整个系统在室内及出海实验，取得良好的实验结果，系统具有高精度、高稳定性、低功耗、界面友好等特点。水下储油自动化生产过程监控技术为进一步推进水下储油技术产业化进程和技术积累提高了宝贵的经验。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 水下储油技术及发展

1．3 储油监控技术发展及现状

1．4 课题主要研究工作

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

2 水下储油监控技术

2．1 柔性水下储油技术基本工作原理

2．2 水下储油保温监控技术

2．2．1 油水隔离保温材料在线监测技术

2．2．2 高凝原油温度监控技术

2．3 水下储油液位监控技术

2．3．1 高精度液位测量原理

2．3．2 水下储油液位测量方法

2．3．3 储油舱液位控制技术

2．4 水下储油渗漏油监控技术

2．4．1 水下储油渗漏油特点

2．4．2 光纤传感技术

2．4．3 光纤漏油传感检测原理

3 水下储油监控系统硬件设计

3．1 水下储油监控系统结构设计

3．1．1 监控系统总体结构设计

3．1．2 采集系统结构原理图

3．1．3 控制系统结构原理图

3．2 单片机数据采集系统硬件设计

3．2．1 单片机最小系统电路设计

3．2．2 电源模块设计

3．2．3 放大滤波电路设计

3．2．4 A／D转换电路设计

3．2．5 通信电路设计

3．3 现场控制层硬件设计

3．3．1 WAGO 750-881可编程现场总线控制器

3．3．2 系统硬件组成

3．3．3 电路接线图

4 水下储油监控系统软件设计

4．1 监控处理软件介绍

4．2 监控软件结构设计

4．3 软件功能设计

4．3．1 系统主界面设计

4．3．2 温度场三维设计

4．3．4 数据采集设计

4．3．5 温度处理子程序设计

4．3．6 液位处理子程序设计

4．4 现场控制层软件设计

4．5 单片机软件设计

5 水下储油监控系统实验分析

5．1 水下储油装置结构设计

5．1．1 室内储油装置模型

5．1．2 海试储油装置模型

5．2 室内中间试验设计

5．2．1 水下储油系统安装过程

5．2．2 试验过程

5．3 海上试验实验分析

5．3．1 陆地模拟试验

5．3．2 海上试验

6 总结与展望

参考文献

附录一

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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