油气水卧式三相分离器的控制系统研究
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摘要
油页岩开采是能源开发与利用一个新领域，油页岩地表采集中核心部件是多相物质分离设备—油气水三相分离器，本文针对教育部科技专项“吉林大学油页岩勘探开发利用产学研用合作创新项目”（项目号为：OSR-06-04）所需三相分离器中的控制系统进行开发研究，
首先，对国内外现有三相分离器的控制方式和特点进行了充分分析与研究，并结合本项目特点，提出了三相分离器温度控制、液位控制以及分离器内气体压力控制等子系统的控制方案。
其次，在确定控制方案和控制策略的基础上，对各控制环节进行了控制模块的设计与元件的选取，选择了气体压力控制阀、液体排放控制阀、控制油水界面的比例阀以及控制加热介质流量的的高速开关阀。
第三，对所设计控制系统进行了建模分析与研究，确定和各控制环节的数学模型及控制参数。通过simulink仿真对温度控制子系统进行了前向控制、反馈控制以及PID控制的分析比较，并且根据输出曲线确定了初步控制参数。
最后，对三相分离器控制系统进行了硬件和软件的设计。编制了分离过程的控制流程图，编写控制程序，为在单片机中实现PID控制，对PID进行了离散化处理。为了达到远程控制目的，系统加入了RS485总线，并采用了上位机控制的人机交互界面。
Oil shale mining is a new field of energy development and utilization. In oil shaleearth surface acquisition system, the core component is the multiphase materialseparating equipment—the oil, gas and water three-phase separator., In this paper,the mentioned separator is just for the project of Jilin University oil shale explorationdevelopment and utilization of research cooperation and innovation project (Projectnumber: OSR-06-04), and the main work is to specialized develop its control system.
First of all, based on the fully analysis and study of the control stand andcharacteristics existing three-phase separators at home and abroad, combined with thecharacteristics of the project, a three-phase separator temperature control, levelcontrol and separator gas pressure control sub-system control program is put forward.
Secondly, under the control strategy, the various control modules were designedand the components selected. Such as gas pressure control valves, liquid emissioncontrol valves,proportional valves of the oil-water interface control and thehigh-speed switching valve for heating medium flow control.
Thirdly, by modeling analysis and research, the mathematical model and controlparameters were determined. By comparing the PIcontrol、PD control and PID controlin Simulink environment,We can conclude that the PID control is ultimatecontrol program.And determine the best parameters according to the output curve.
Finally, research on the three-phase separator control system hardware andsoftware. According to requirements, we preparate for the control flow chart of theseparation process. In order to achieve PID cintrol procedure in the microcontroller,we discretize the PID procedure. In the remote controling, the system has been joinedthe RS485bus and the PC control the interactive interface.
首先，对国内外现有三相分离器的控制方式和特点进行了充分分析与研究，并结合本项目特点，提出了三相分离器温度控制、液位控制以及分离器内气体压力控制等子系统的控制方案。
其次，在确定控制方案和控制策略的基础上，对各控制环节进行了控制模块的设计与元件的选取，选择了气体压力控制阀、液体排放控制阀、控制油水界面的比例阀以及控制加热介质流量的的高速开关阀。
第三，对所设计控制系统进行了建模分析与研究，确定和各控制环节的数学模型及控制参数。通过simulink仿真对温度控制子系统进行了前向控制、反馈控制以及PID控制的分析比较，并且根据输出曲线确定了初步控制参数。
最后，对三相分离器控制系统进行了硬件和软件的设计。编制了分离过程的控制流程图，编写控制程序，为在单片机中实现PID控制，对PID进行了离散化处理。为了达到远程控制目的，系统加入了RS485总线，并采用了上位机控制的人机交互界面。
Oil shale mining is a new field of energy development and utilization. In oil shaleearth surface acquisition system, the core component is the multiphase materialseparating equipment—the oil, gas and water three-phase separator., In this paper,the mentioned separator is just for the project of Jilin University oil shale explorationdevelopment and utilization of research cooperation and innovation project (Projectnumber: OSR-06-04), and the main work is to specialized develop its control system.
First of all, based on the fully analysis and study of the control stand andcharacteristics existing three-phase separators at home and abroad, combined with thecharacteristics of the project, a three-phase separator temperature control, levelcontrol and separator gas pressure control sub-system control program is put forward.
Secondly, under the control strategy, the various control modules were designedand the components selected. Such as gas pressure control valves, liquid emissioncontrol valves,proportional valves of the oil-water interface control and thehigh-speed switching valve for heating medium flow control.
Thirdly, by modeling analysis and research, the mathematical model and controlparameters were determined. By comparing the PIcontrol、PD control and PID controlin Simulink environment,We can conclude that the PID control is ultimatecontrol program.And determine the best parameters according to the output curve.
Finally, research on the three-phase separator control system hardware andsoftware. According to requirements, we preparate for the control flow chart of theseparation process. In order to achieve PID cintrol procedure in the microcontroller,we discretize the PID procedure. In the remote controling, the system has been joinedthe RS485bus and the PC control the interactive interface.
引文
[1]王超.卧式油气水三相分离的流场研究[D].吉林大学，2011.
[2] Dyni J.R.Geology and resources of some world oil shale deposits[J].Oil Shale，2003，20(3):193-252.
[3] Brendow K.Global oil shale issues and perspectives[J].Oil Shale，2003，20(1):81-92.
[4]何永光，宋岩.油页岩的综合利用[J].煤炭加工与综合利用，2005,1:53-56.
[5]李建华，曹祖宾.世界各国油页岩组成及综合利用[J].辽宁化工，2007，2（36）：110-112.
[6]刘招君，高清水等.中国油页岩资源现状[J].吉林大学学报，2006，36（6）：869-876.
[7] Ken Arnold.Surface Production Operations:Design of Oil Handing Systems andFacilities[M].Sinopec-press，2010.
[8]胡晓林，刘红兵.几种油水分离技术介绍[J].热力发电，2008，3(37):91-92.
[9]庞东晓.新型高效油气水分离器性能研究及产品设计[D].西南石油学院，2004.
[10] N.Dombrowski, D.Hasson. The Flow Characteristics of Swirl(Centrifugal) SprayPressureNozzles with Low Viscosity Liquids[J].AIChE.J,1969,15(4):604.
[11]姜继海，宋锦春.液压与气压传动[M].高等教育出版社，2002.
[12]赵帅.堤岛油田主体区域油气集输工程设计[J].油气田地面工程1999，1：(9-10).
[13]石晓东，王宪中.HNS型三相分离器自控系统方案设计[J].中国学术期刊电子出版社，2000.
[14]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真(第3版)[M].电子工业出版社，2011.
[15]姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真[D].西安电子科技大学出版社，2002.8.
[16]魏星.基于数字阀的火焰切割机液压同步系统研究[D].吉林大学，2011.
[17]王伟玮，李红志等.高速开关阀在高频PWM控制下的比例功能[J].清华大学学报2011：(715-719).
[18]姚健娣，崔剑.高速开关阀的研究现状[J].中国机械工程学报2010：(212-217).
[19]张德虎.高速开关阀的理论研究与改进设计[D].西南科技东西，2006.
[20]刘晖，顾宏斌.高速开关阀非线性模型及其仿真研究[J].机械科学与技术，2008，27（7）：865—870.
[21]原油比热容测定方法.中华人民共和国石油天然气行业标准.
[22]张志勇.MATLAB教程[J].北京航空航天大学出版社，2003.
[23]王正林，王胜开，陈国顺. MATLAB/Simulink与控制系统仿真(第3版)[M].电子工业出版社，2010.
[24] F.G.Shinskey.PROCESS CONTROL SYSTEMS(Third Edition)[M].New York:McGraw-Hill，2004.
[25]曾梦雄，刘春节.机械工程控制基础[M].电子工业出版社，2011.
[26]杨克冲，司徒衷.机电工程控制基础[M].华中理工大学出版社，1997.
[27]杨叔子，杨克冲.机械工程控制基础[M].华中科技大学出版社，2005.
[28]文峰，陈青.自动控制理论（第四版）[M].中国电力出版社，2009.
[29]奥赛德·E·特费斯.自动控制—反馈的力量[M].西安交通大学出版社，2001.
[30]孙育才.MCS—51系列单片微型计算机及其应用[M].东南大学出版社，2008.
[31]王渊峰，戴旭辉Altium designer10电路设计标准教程[M].科学出版社，2012.
[32]邱关源.电路（第四版）[M].高等教育出版社，2005.
[33]燕庆明.电路分析教程[M].高等教育出版社，2001.
[34]张毅刚.MCS-51单片机应用设计（第三版）[M].哈尔滨工业大学出版社，2007.
[35]余永权，旺明慧，黄英.单片机在控制系统中的应用[M].电子工业出版社，2003.
[36]来清明.传感器与单片机接口及实例[M].北京航空航天大学出版社，2006.
[37]郭天祥.新概念51单片机C语言教程入门、提高、开发、拓展全攻略[M].电子工业出版社，2009.
[38]贾民平，张洪亭，周建英.测试技术[M].高等教育出版社，2001.
[39]康华光，陈大钦.电子技术基础数字部分（第四版）[M].高等教育出版社，2004.
[40]康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].高等教育出版社，2004.
[41]孙肖子，邓建国，陈南.电子设计指南[M].高等教育出版社，2008.
[42] Richard R. Spencer，Mohammed S.Gharsi.Introduction to ElectronicCircuit [M].DesignPublishing House of Electronics Industry，2005.
[43]林颖，罗金炎，刘骄，陈忠，李伟光.基于RS485总线的PC机与多单片机系统的串行通信机械与电子[J].机械与电子2006,1：(33-36).
[44]广州周立功单片机发展有限公司.RS485使用手册与指南.2005.
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[46]谭浩强.C程序设计[M]（第二版）[M].清华大学出版社，1999.
[47]谢剑英，贾清.微型计算机控制技术(第三版)[M].国防工业出版社，2007.
[48]朱习军.数字PID控制器参数选择[J].泰安师专学报2000,11：(50-51).
[49]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].清华大学出版社，2009.
[50]陈树学，刘萱. LabVIEW宝典[M].电子工业出版社，2011.
[51]岂兴明. LabVIEW入门与实战开发100例[M].电子工业出版社，2011.
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