太阳能加热原油集输的控制装置及控制方法.pdf

本发明提供一种太阳能加热原油集输的控制装置及控制方法，控制装置包括可探测原油传输所在工作环境参数的信号采集装置，和启动对原油传输进行加热的太阳能加热装置的输出执行装置，和接收环境参数并控制太阳能加热装置的控制模块，所述的控制模块分别与信号采集装置和输出执行装置电连接；控制方法包括太阳能集热器加热水循环、蓄水箱供热循环、换热器温控；本发明通过简单的控制设备就能实现采用太阳能对原油传输进行加热的控制，适合在各大油田推广使用。

权利要求书
1、  一种太阳能加热原油传输的控制装置，其特征在于包括
可探测原油传输所在工作环境参数的信号采集装置；和
启动对原油传输进行加热的太阳能加热装置的输出执行装置；和
接收环境参数并控制太阳能加热装置的控制模块；
所述的控制模块分别与信号采集装置和输出执行装置电连接。

2、  根据权利要求1所述的太阳能加热原油传输的控制装置，其特征在于所述的太阳能加热装置包括：
蓄水箱、与蓄水箱连接并可加热蓄水箱中的水的太阳能集热器、与蓄水箱和原油传输管道同时连接并可实现水/油换热的换热器。

3、  根据权利要求1或2所述的太阳能加热原油传输的控制装置，其特征在于所述的信号采集装置包括A/D采集模块和脉冲计数模块，以及分别与A/D采集模块和脉冲计数模块电连接的温度传感器和流量传感器。

4、  根据权利要求3所述的太阳能加热原油传输的控制装置，其特征在于所述的输出执行装置包括输出控制模块和PID控制模块，以及与输出控制模块电连接的水泵、电磁阀，和与PID控制模块电连接的电动调节阀和燃烧器。

5、  根据权利要求4所述的太阳能加热原油传输的控制装置，其特征在于所述的A/D采集模块、脉冲计数模块、输出控制模块和PID控制模块集成为一工控模块组件，所述的工控模块组件与控制模块电连接。

6、  根据权利要求5所述的太阳能加热原油传输的控制装置，其特征在于所述的控制模块可通过网络与外部监控管理系统连接。

7、  根据权利要求6所述的太阳能加热原油传输的控制装置，其特征在于所述的控制模块包括处理器和逻辑控制模块，所述逻辑控制模块包括太阳能加热控制模块和蓄水箱供热控制模块，所述的太阳能加热控制模块还包括太阳能加热水循环控制模块和水/油换热控制模块。

8、  一种采用权利要求1所述的太阳能加热原油传输的控制装置的控制方法，其特征在于所述的控制方法包括太阳能集热器加热水循环、蓄水箱供热循环、换热器温控，
所述的太阳能集热器加热水循环包括：
(1)、信号采集装置检测到太阳辐射量充足时，控制模块启动太阳能加热水循环控制模块，控制水泵和太阳能集热器工作，利用太阳能集热器加热蓄水箱里的水；当信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温高于太阳能集热器入口水温8℃或以上的，继续保持太阳能加热水循环控制模块工作；
(2)、当信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温高于换热器入口油温5℃或以上时，同时启动水/油换热控制模块，控制电磁阀工作，使太阳能集热器出口流出的热水流入换热器，热水在换热器内与低温原油进行换热；
(3)、当信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温不高于太阳能集热器入口水温3℃时，停止太阳能加热水循环控制模块；
所述蓄水箱供热循环包括：
(A)、当信号采集装置检测到蓄水箱内有足够热水时且太阳能集热器出口水温与换热器入口油温之间的温差小于5℃时，启动蓄水箱供热控制模块，让蓄水箱中的水进入换热器，利用蓄热与原油进行换热；
(B)、在进行蓄热换热的过程中，如果信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温高于换热器入口的油温5℃或以上时，则切换到太阳能加热控制模块；
所述换热器温控包括：通过信号采集装置对换热器的循环水的流量进行检测，当换热器加热温度过高时，控制模块控制热水分流，使多余的热水进入蓄水箱，如果温度依然过高，则暂停循环泵，减少通过换热器的循环水流量。

9、  根据权利要求8所述的太阳能加热原油传输的控制方法，其特征在于所述换热器温控的控制热水分流采用PID调节控制子系统，PID调节控制子系统对温度控制采用比例微积分的控制方法，具体PID算法模型为：
m ( t ) = K p e ( t ) + K p T i ∫ 0 t e ( t ) dt + K p τ de ( t ) dt ]]>
其中e(t)为t时刻原油当前外输温度与要求的目标温度的差值，Kp为比例常量。

10、  根据权利要求9所述的太阳能加热原油传输的控制方法，其特征在于还包括步骤(C)，所述步骤(C)为：
当信号采集装置检测到换热器出口的水温与换热器入口的水温的温差不大于1℃时，同时停止太阳能加热控制模块和蓄水箱供热控制模块，启动燃烧器对原油进行燃烧加热。

说明书太阳能加热原油集输的控制装置及控制方法
                          技术领域
本发明属于太阳能加热技术的自动控制领域，特别是涉及一种太阳能加热原油集输的控制装置及控制方法。
                          背景技术
目前油田行业在采油、集输等环节需要消耗大量能源。我国的原油凝固点普遍较高，粘度大，常温下流动性差，因此从油井出油后的运输过程中必须进行加热与保温。在油田的采油、集输等过程中至少有20％左右的能耗用于原油加热与处理，传统的对原油在传输过程中进行加热的技术通常是使用烧煤、燃油、天然气、电加热的方法，这不仅造成大量的能源消耗和严重的环境污染问题，而且也存在不小的安全隐患。
能源危机与环境污染问题已成为当今社会普遍关注的热点。日益紧迫的能源形势对开发能源新技术和进一步开发利用可再生能源提出了迫切要求。在削减油田开采能耗方面能够采取的一个有效措施是利用替代能源或余热。如果能够用太阳能的热量来加热原油，可为油田节省大量的能源消耗。目前在原油集输领域上利用太阳能技术也开始有着手研究，而其中的核心技术就是设计一套可以全面控制太阳能加热原油集输的控制装置。
                          发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种控制太阳能在原油集输时对原油进行加热的控制装置。
本发明的另一目的在于根据该控制装置提供一种太阳能加热原有传输的控制方法。
为了达到发明目的一，本发明采用的技术方案为：
一种太阳能加热原油传输的控制装置，包括可探测原油传输所在工作环境参数的信号采集装置，和启动对原油传输进行加热的太阳能加热装置的输出执行装置，和接收环境参数并控制太阳能加热装置的控制模块，所述的控制模块分别与信号采集装置和输出执行装置电连接。
本发明所述的太阳能加热装置包括：蓄水箱、与蓄水箱连接并可加热蓄水箱中的水的太阳能集热器、与蓄水箱和原油传输管道同时连接并可实现水/油换热的换热器。
本发明所述的信号采集装置包括A/D采集模块和脉冲计数模块，以及分别与A/D采集模块和脉冲计数模块电连接的温度传感器和流量传感器。
本发明所述的输出执行装置包括输出控制模块和PID控制模块，以及与输出控制模块电连接的水泵、电磁阀，和与PID控制模块电连接的电动调节阀和燃烧器。
所述的A/D采集模块、脉冲计数模块、输出控制模块和PID控制模块集成为一工控模块组件，所述的工控模块组件与控制模块电连接。
本发明所述的控制模块还可以通过网络与外部监控管理系统连接。
控制模块包括处理器和逻辑控制模块，所述逻辑控制模块包括太阳能加热控制模块和蓄水箱供热控制模块，所述的太阳能加热控制模块还包括太阳能加热水循环控制模块和水/油换热控制模块。
本发明的输出控制模块包括2路PID控制模块和14路输出控制信号，所述的2路PID控制模块分别用于控制电动调节阀和燃烧器，所述的14路输出控制信号中，有8路控制电磁阀、3路控制水泵、1路控制电加热带和2路控制报警器。
本发明的太阳能加热原油集输的控制装置还可以通过网络接口与上级管理系统连接。
为了达到发明目的二，本发明采用的技术方案为：
一种太阳能加热原油传输的控制方法，包括太阳能集热器加热水循环、蓄水箱供热循环、换热器温控，
所述的太阳能集热器加热水循环包括：
(1)、信号采集装置检测到太阳辐射量充足时，控制模块启动太阳能加热水循环控制模块，控制水泵和太阳能集热器工作，利用太阳能集热器加热蓄水箱里的水；当信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温高于太阳能集热器入口水温8℃或以上的，继续保持太阳能加热水循环控制模块工作；
(2)、当信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温高于换热器入口油温5℃或以上时，同时启动水/油换热控制模块，控制电磁阀工作，使太阳能集热器出口流出的热水流入换热器，热水在换热器内与低温原油进行换热；
(3)、当信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温不高于太阳能集热器入口水温3℃时，停止太阳能加热水循环控制模块；
所述蓄水箱供热循环包括：
(A)、当信号采集装置检测到蓄水箱内有足够热水时且太阳能集热器出口水温与换热器入口油温之间的温差小于5℃时，启动蓄水箱供热控制模块，让蓄水箱中的水进入换热器，利用蓄热与原油进行换热；
(B)、在进行蓄热换热的过程中，如果信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温高于换热器入口的油温5℃或以上时，则切换到太阳能加热控制模块；
所述换热器温控包括：通过信号采集装置对换热器的循环水的流量进行检测，当换热器加热温度过高时，控制模块控制热水分流，使多余的热水进入蓄水箱，如果温度依然过高，则暂停循环泵，减少通过换热器的循环水流量。
本发明所述换热器温控的控制热水分流采用PID调节控制子系统，PID调节控制子系统对温度控制采用比例微积分的控制方法，具体PID算法模型为：
m ( t ) = K p e ( t ) + K p T i ∫ 0 t e ( t ) dt + K p τ de ( t ) dt ]]>
其中e(t)为t时刻原油当前外输温度与要求的目标温度的差值，Kp为比例常量。
本发明的技术方案二还可以包括步骤(C)，所述步骤(C)为：
当信号采集装置检测到换热器出口的水温与换热器入口的水温的温差不大于1℃时，同时停止太阳能加热控制模块和蓄水箱供热控制模块，启动燃烧器对原油进行燃烧加热。
本发明地控制结构简单，通过常见的控制设备则可实现预定的控制目标，本发明的控制模块采用太阳能加热控制模块、蓄水箱供热模块、换热器温控模块相对独立，使得程序结构清晰，两个模块相互独立互不影响，保证控制的准确性和及时性；并且在运行过程中，太阳能加热控制模块和蓄水箱供热模块能根据情况自动切换，当太阳能供热不足时，将启动蓄水箱利用蓄热进行加热，当太阳能供热充足时，再启动太阳能集热器加热，通过这种方式，可以较大限度地利用太阳能，换热器温控模块对通过换热器的循环水的流量进行控制，以达到对原油加热温度的控制；当换热器加热温度过高时，本发明可通过调解电动调节阀的开度分流热水，使多余的热量进入蓄热箱，如果温度依然过高，则暂停循环泵，减少通过换热器的循环水流量，加大了热水的热利用率和换热器的使用寿命。
                          附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明应用到原油传输加热的结构示意图；
图3为本发明的工作流程图。
                       具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明的结构示意图如附图1所示，其应用到原油传输加热的实施例示意图如附图2所示，包括
信号采集装置，由A/D采集模块1和脉冲计数模块2，以及分别与A/D采集模块1和脉冲计数模块2电连接的温度传感器11和流量传感器21组成；
输出执行装置，由输出控制模块3和PID控制模块4，以及与输出控制模块3电连接的水泵31、电磁阀32、电加热带33、报警器34，和与PID控制模块4电连接的电动调节阀41和燃烧器42组成；
控制模块，包括处理器和逻辑控制模块，控制模块可采用工业控制机柜6。
所述的A/D采集模块1、脉冲计数模块2、输出控制模块3和PID控制模块4集成为一工控模块组件5，温度传感器11通过温度变送器12与工控模块组件5连接，所述的工控模块组件5与工业控制机柜6电连接。
太阳能加热装置包括：蓄水箱7、与蓄水箱7连接并可加热蓄水箱中的水的太阳能集热器8、与蓄水箱7和原油传输管道同时连接并可实现水/油换热的换热器9。
本发明所述的工业控制机柜6还可以通过网络与外部监控管理系统连接。
控制模块所述逻辑控制模块包括太阳能加热控制模块和蓄水箱供热控制模块，所述的太阳能加热控制模块还包括太阳能加热水循环控制模块和水/油换热控制模块。
本发明的工作过程包括太阳能集热器加热水循环、蓄水箱供热循环、换热器温控，其工作原理图如附图3所示，图中，T1表示太阳能集热器的入口水温、T2表示太阳能集热器的出口水温、T3表示蓄水箱的水温、T4表示换热器的入口水温、T5表示换热器的出口水温、T6表示换热器的入口油温、T7表示换热器的出口油温。
所述的太阳能集热器加热水循环包括：
(1)、信号采集装置检测到太阳辐射量充足时，控制模块启动太阳能加热水循环控制模块，控制水泵和太阳能集热器工作，利用太阳能集热器加热蓄水箱里的水；当信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温T2高于太阳能集热器入口水温T18℃或以上的，继续保持太阳能加热水循环控制模块工作；
(2)、当信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温T2高于换热器入口油温T65℃或以上时，同时启动水/油换热控制模块，控制电磁阀工作，使太阳能集热器出口流出的热水流入换热器，热水在换热器内与低温原油进行换热；
(3)、当信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温T2不高于太阳能集热器入口水温T1 3℃时，停止太阳能加热水循环控制模块；
所述蓄水箱供热循环包括：
(A)、当信号采集装置检测到蓄水箱内有足够热水时且太阳能集热器出口水温T2与换热器入口油温T6之间的温差小于5℃时，启动蓄水箱供热控制模块，让蓄水箱中的水进入换热器，利用蓄热与原油进行换热；
(B)、在进行蓄热换热的过程中，如果信号采集装置检测到太阳能集热器出口水温T2高于换热器入口的油温T6 5℃或以上时，则切换到太阳能加热控制模块；
(C)、当信号采集装置检测到换热器出口的水温T5与换热器入口的水温T4的温差不大于1℃时，同时停止太阳能加热控制模块和蓄水箱供热控制模块，启动燃烧器对原油进行燃烧加热；
所述换热器温控包括：通过信号采集装置对换热器的循环水的流量进行检测，当换热器加热温度过高时，控制模块控制热水分流，使多余的热水进入蓄水箱，如果温度依然过高，则暂停循环泵，减少通过换热器的循环水流量。
本发明所述换热器温控的控制热水分流采用PID调节控制子系统，PID调节控制子系统对温度控制采用比例微积分的控制方法，具体PID算法模型为：
m ( t ) = K p e ( t ) + K p T i ∫ 0 t e ( t ) dt + K p τ de ( t ) dt ]]>
其中e(t)为t时刻原油当前外输温度与要求的目标温度的差值，Kp为比例常量。
本发明的技术方案二还可以包括步骤(C)，所述步骤(C)为：
本发明能实时动态监控控制模块的每个组成模块的运行情况，并对预先设置的报警条件进行检查，并不受其他系统的影响，从而提高系统的可靠性。如果出现需要报警的情况，系统将启动声光报警系统。并设置有综合平台数据库来用于数据的存储、各种数据曲线的绘制、报表的打印。存储数据主要有：天然气消耗量、天然气消耗曲线、集热器出口温度曲线、水套炉出口温度曲线、换热器出口温度曲线、异常事件日志。