一种油田站场智能温控换热装置的制作方法

1.本发明涉及油田处理技术领域，尤其涉及到一种油田站场智能温控换热装置。


背景技术：

2.通常，原油通过集输管道进入油田站场以后，首先通过一级气液分离，然后升温进行脱水。在升温脱水阶段，油田站场对原油进行升温的设备主要是换热器，换热器是一种通过热水或者蒸汽给原油换热的设备，即将热水或蒸汽用作热媒介质，油田站场一般采用热水进行换热，目前大部分站场的换热器采用手动截止阀，然后通过换热器热媒介质和冷媒介质进出口的温度观察换热效果，如果冷媒介质出口的温度降低，则通过增大截止阀开度，增加热媒介质流量，提高冷媒介质出口的温度，如果冷媒介质出口温度过高，则通过减小截止阀开度，减少热媒介质流量，降低冷媒介质出口的温度。
3.目前的换热系统存在以下问题：
4.1、换热器如果采用手动阀门，需要纯人工操作，由于原油进入油田站场的液量实时波动，人员劳动强度大；
5.2、虽然部分油田站场换热器进出口增加了电动阀，但电动阀需要中控室控制开度，中控室仍需实时有人进行监控；
6.3、即使换热器进出口管线增加了电动阀，但是电动阀开度由人为控制，在冷媒介质温度降低和升高需要调节水量时，无法定量调节，需要多次调节后才能达到需要的温度。
7.4、部分油田站场为了降低工人劳动强度，提高站场的数字化程度，将换热器进出口电动阀和进出口的温变进行了联锁，希望可以通过自动联锁实现热媒介质流量自动调节，在冷媒介质出口温度升高/降低时，电动阀动作减少/增加热媒介质的流量；但是因为换热器换热具有延迟性，电动阀动作一段时间后，换热器冷媒介质出口的介质温度才能显示出来，但这时的电动阀开度已经过大，造成换热器冷媒介质温度出口高于目标温度，根据联锁要求，电动阀又开始动作，减少热媒介质流量，由于换热器换热效果的延迟性，等到冷媒介质出口温度显示出来，电动阀门的开度已经过小，周而复始，造成电动阀一直在动作，增加了电动阀故障的几率，缩短电动阀使用寿命。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供了一种油田站场智能温控换热装置，通过配置流量计、调节阀、温度变送器等检测仪表，并相互联锁，以用于解决目前原油换热器在工况变化时，温升不易控制、人员操作劳动强度大、流量调节电动阀容易损坏等难题。
9.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
10.一种油田站场智能温控换热装置，包括：换热器和热量控制器；
11.所述换热器的热媒介质进口管道上沿热媒介质流动方向依次安装有线性调节阀、第一流量计和第一温度变送器，热媒介质出口管道上安装有第二温度变送器；
12.所述换热器的冷媒介质进口管道上沿冷媒介质流动方向依次安装有第二流量计
和第三温度变送器，冷媒介质出口管道上安装有第四温度变送器；
13.所述线性调节阀、第一流量计、第二流量计、第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器、第四温度变送器均连接所述热量控制器；
14.所述热量控制器根据所述第二流量计、第三温度变送器和第四温度变送器的实时数值计算换热器的冷媒介质热量值；若所述冷媒介质热量值相对预设冷媒介质热量值发生变化，则推算当前所需的热媒介质热量值，根据所述热媒介质热量值及所述第一温度变送器、第二温度变送器的实时数值计算热媒介质流量，根据所述热媒介质流量和所述第一流量计的实时数值的差值，调节所述线性调节阀，控制热媒介质进口的流量，实现换热器的温度控制。
15.作为本发明的进一步改进，所述热量控制器中装载热量超前计算软件；
16.所述热量控制器根据所述第三温度变送器、第四温度变送器分别获取冷媒介质进、出口温度，根据第二流量计获取冷媒介质流量；
17.所述热量超前计算软件根据冷媒介质进、出口温度、冷媒介质流量计算换热器的冷媒介质热量值。
18.作为本发明的进一步改进，计算换热器的冷媒介质热量值，公式为：
19.q
(冷媒介质)
＝c
(冷媒介质)m(冷媒介质)
(t
b-ta)；
20.其中，
21.c
(冷媒介质)
表示冷媒介质的比热容；
22.m
(冷媒介质)
表示当前的冷媒介质流量；
23.ta、tb分别表示当前的冷媒介质进、出口温度。
24.作为本发明的进一步改进，预设冷媒介质热量值，包括：
25.预设所述换热器冷媒介质的进口温度t3、出口温度t4，冷媒介质的流量m
(冷媒介质)
，计算冷媒介质所需的热量，公式为：
26.q
(冷媒介质)
＝c
(冷媒介质)m(冷媒介质)
(t
4-t3)
27.其中，
28.c
(冷媒介质)
表示冷媒介质的比热容；
29.将q
(冷媒介质)
作为预设冷媒介质热量值。
30.作为本发明的进一步改进，推算当前所需的热媒介质热量值，包括：
31.根据热量平衡公式：q
(热媒介质)
η
(换热效率)
＝q
(冷媒介质)
32.其中，
33.q
(冷媒介质)
表示当前换热器的冷媒介质热量值；
34.q
(热媒介质)
表示当前所需的热媒介质热量值；
35.η
(换热效率)
表示换热器的换热效率。
36.作为本发明的进一步改进，根据所述热媒介质热量值及所述第一温度变送器、第二温度变送器的实时数值计算热媒介质流量；包括：
37.根据热媒介质热量值计算公式计算热媒介质流量，公式为：
38.m
(热媒介质)
＝q
(热媒介质)
/(c
(热媒介质)
(t
1-t2))
39.其中，
40.q
(热媒介质)
表示当前所需的热媒介质热量值；
41.c
(热媒介质)
表示热媒介质的比热容；
42.m
(热媒介质)
表示当前的热媒介质流量；
43.t1、t2分别表示当前的热媒介质进、出口温度。
44.作为本发明的进一步改进，所述第一流量计采用质量流量计；
45.在所述冷媒介质为原油混合介质时，测量原油混合介质的质量和含水率；
46.根据所述含水率计算原油混合介质的比热容，公式为：
47.c
(原油混合介质)
＝c
(原油)
(1-ω)+c
(水)
ω
48.其中，
49.c
(原油)
、c
(水)
分别表示原油和水的比热容；
50.ω表示含水率。
51.作为本发明的进一步改进，若所述冷媒介质热量值相对预设冷媒介质热量值发生变化，原因包括冷媒介质流量变化、冷媒介质进口温度变化、热媒介质进口温度变化；
52.对应各原因，根据换热器热量平衡公式，分别建立冷媒介质流量和热媒介质流量的线性方程、冷媒介质进口温度和热媒介质流量的线性方程、热媒介质进口温度和热媒介质流量的线性方程；
53.将各线程方程均嵌入到所述热量控制器中的热量超前计算软件中，当所述冷媒介质热量值相对预设冷媒介质热量值发生变化时，判定原因，对应该原因的线程方程获取热媒介质流量，根据所述热媒介质流量和所述第一流量计的实时数值的差值，调节所述线性调节阀。
54.作为本发明的进一步改进，调节所述线性调节阀后，所述热量控制器获取冷媒介质出口温度，并与预设冷媒介质出口温度相比，若未达到所述预设冷媒介质出口温度，则循环调节所述线性调节阀，直至达到所述预设冷媒介质出口温度。
55.作为本发明的进一步改进，分别给定所述冷媒介质流量变化、冷媒介质进口温度变化、热媒介质进口温度变化的变动区间；
56.当所述冷媒介质流量变化、冷媒介质进口温度变化、热媒介质进口温度变化未超出对应的变动区间时，所述线性调节阀不动作。
57.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
58.本发明通过在换热器的热媒介质、冷媒介质进出口管道上安装温度变送器，在进口管道上安装流量计，以及在热媒介质进口官道上安装线性调节阀，并全部接入热量控制器，实现了对油田站场换热器工况的监控，在工况发生变化时，通过线性调节阀控制热媒介质的流量，实现温度的自动化控制。
59.本发明通过在热量控制器中装载热量超前计算软件，实现换热器冷媒介质热量值的计算，推算当前所需的热媒介质热量值，根据所述热媒介质热量值及所述第一温度变送器、第二温度变送器的实时数值计算热媒介质流量，根据所述热媒介质流量和所述第一流量计的实时数值的差值，调节所述线性调节阀，控制热媒介质进口的流量，实现换热器温度的自动化控制。
60.本发明通过设定所述冷媒介质流量变化、冷媒介质进口温度变化、热媒介质进口温度变化的变动区间，避免线性调节阀动作过于频繁，延长线性调节阀的使用寿命。
61.本发明通过循环调节的方式，在进行一次调节无法使冷媒介质出口温度达到预设
冷媒介质出口温度的时候，通过细致调节的方式直至冷媒介质出口温度达到预设冷媒介质出口温度。
附图说明
62.图1为本发明一种实施例公开的油田站场智能温控换热装置示意图；
63.图2为本发明一种实施例公开的油田站场智能温控换热装置冷媒介质流量和热媒介质流量的线性方程示意图；
64.图3为本发明一种实施例公开的油田站场智能温控换热装置冷媒介质进口温度和热媒介质流量的线性方程示意图；
65.图4为本发明一种实施例公开的油田站场智能温控换热装置热媒介质进口温度和热媒介质流量的线性方程示意图。
66.附图标记说明：
67.1、换热器；2、线性调节阀；3、第一流量计；4、第二流量计；5、第一温度变送器；6、第三温度变送器；7、第二温度变送器；8、第四温度变送器；9、热量控制器。
具体实施方式
68.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
69.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
70.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
71.下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
72.如图1所示，本发明提供的一种油田站场智能温控换热装置，包括：换热器1和热量控制器9；
73.换热器1的热媒介质进口管道上沿热媒介质流动方向依次安装有线性调节阀2、第一流量计3和第一温度变送器5，热媒介质出口管道上安装有第二温度变送器7；
74.换热器1的冷媒介质进口管道上沿冷媒介质流动方向依次安装有第二流量计4和第三温度变送器6，冷媒介质出口管道上安装有第四温度变送器8；
75.线性调节阀2、第一流量计3、第二流量计4、第一温度变送器5、第二温度变送器7、
第三温度变送器6、第四温度变送器8均连接热量控制器9；
76.热量控制器9根据第二流量计4、第三温度变送器6和第四温度变送器8的实时数值计算换热器1的冷媒介质热量值；若冷媒介质热量值相对预设冷媒介质热量值发生变化，则推算当前所需的热媒介质热量值，根据热媒介质热量值及第一温度变送器5、第二温度变送器7的实时数值计算热媒介质流量，根据热媒介质流量和第一流量计3的实时数值的差值，调节线性调节阀2，控制热媒介质进口的流量，实现换热器1的温度控制。
77.其中，
78.预设冷媒介质热量值，包括：
79.预设换热器1冷媒介质的进口温度t3、出口温度t4，冷媒介质的流量m
(冷媒介质)
，计算冷媒介质所需的热量，公式为：
80.q
(冷媒介质)
＝c
(冷媒介质)m(冷媒介质)
(t
4-t3)
81.其中，
82.c
(冷媒介质)
表示冷媒介质的比热容；
83.将q
(冷媒介质)
作为预设冷媒介质热量值。
84.进一步的，
85.首先，热量控制器9根据第三温度变送器6、第四温度变送器8分别获取冷媒介质进、出口温度，根据第二流量计4获取冷媒介质流量；
86.热量控制器9中装载热量超前计算软件，热量超前计算软件根据冷媒介质进、出口温度、冷媒介质流量计算换热器1的冷媒介质热量值，公式为：
87.q
(冷媒介质)
＝c
(冷媒介质)m(冷媒介质)
(t
b-ta)；
88.公式中，
89.c
(冷媒介质)
表示冷媒介质的比热容；
90.m
(冷媒介质)
表示当前的冷媒介质流量；
91.ta、tb分别表示当前的冷媒介质进、出口温度。
92.其次，根据热量平衡公式推算当前所需的热媒介质热量值，公式为：
93.q
(热媒介质)
η
(换热效率)
＝q
(冷媒介质)
94.公式中，
95.q
(冷媒介质)
表示当前换热器1的冷媒介质热量值；
96.q
(热媒介质)
表示当前所需的热媒介质热量值；
97.η
(换热效率)
表示换热器1的换热效率。
98.然后，根据热媒介质热量值及第一温度变送器5、第二温度变送器7的实时数值计算热媒介质流量；包括：
99.根据热媒介质热量值计算公式计算热媒介质流量，公式为：
100.m
(热媒介质)
＝q
(热媒介质)
/(c
(热媒介质)
(t
1-t2))
101.其中，
102.q
(热媒介质)
表示当前所需的热媒介质热量值；
103.c
(热媒介质)
表示热媒介质的比热容；
104.m
(热媒介质)
表示当前的热媒介质流量；
105.t1、t2分别表示当前的热媒介质进、出口温度。
106.更进一步的，
107.本发明中第一流量计3采用质量流量计，在冷媒介质为原油混合介质时，测量原油混合介质的质量和含水率；
108.根据含水率计算原油混合介质的比热容，公式为：
109.c
(原油混合介质)
＝c
(原油)
(1-ω)+c
(水)
ω
110.公式中，
111.c
(原油)
、c
(水)
分别表示原油和水的比热容；
112.ω表示含水率。
113.本发明中，若冷媒介质热量值相对预设冷媒介质热量值发生变化，原因包括冷媒介质流量变化、冷媒介质进口温度变化、热媒介质进口温度变化；
114.对应各原因，根据换热器1热量平衡公式，分别建立冷媒介质流量和热媒介质流量的线性方程、冷媒介质进口温度和热媒介质流量的线性方程、热媒介质进口温度和热媒介质流量的线性方程，分别如图2-4所示；
115.将各线程方程均嵌入到热量控制器9中的热量超前计算软件中，当冷媒介质热量值相对预设冷媒介质热量值发生变化时，判定原因，对应该原因的线程方程获取热媒介质流量，根据热媒介质流量和第一流量计3的实时数值的差值，调节线性调节阀2。
116.完成一次线性调节阀2的调节后，热量控制器9获取冷媒介质出口温度，并与预设冷媒介质出口温度相比，若未达到预设冷媒介质出口温度，则循环调节线性调节阀2，直至达到预设冷媒介质出口温度。
117.进一步的，本发明中，分别给定冷媒介质流量变化、冷媒介质进口温度变化、热媒介质进口温度变化的变动区间，；
118.当冷媒介质流量变化、冷媒介质进口温度变化、热媒介质进口温度变化未超出对应的变动区间时，线性调节阀2不动作，如：冷媒介质流量在
±
1t/h范围内变动时，调节阀不动作；冷媒介质进口温度、热媒介质进口温度在
±
3℃范围内变动时，调节阀不动作。
119.本发明可以将联合站等大型油田站场划分成多个热力单元，每个单元都可以设置智能温控换热装置。这些装置的热量控制器9(小型plc)利用网络连接，使用1套热量超前计算软件进行热量分配。当其中1个热力单元突然关闭，会造成其它相关的热力单元热媒过剩，通过超前计算软件采集的流量数据，提前预判其它剩余热力单元所需要的热量，通过线性调节阀2直接设定到预判位。可以在短时间内可完成热力调节，从而保证其它热力单元温度恒定。
120.通过热量超前计算软件采集的流量数据，还可以有效的显示各个热力单元的用热量、换热效率，对于用能大的位置排查问题，提高热量的使用效率，给与生产和生活小区的用能以指导性基础数据。
121.实施例：
122.根据换热器1的不同工况，调节线性调节阀2，m
(冷媒介质)
在
±
1t/h范围内变动时，调节阀不动作；t
3(冷媒介质)
和t
1(热媒介质)
在
±
3℃范围内变动时，调节阀不动作；如果范围设置过小，会引起调节阀动作过于频繁，减少调节阀寿命。
123.工况1：冷媒进口温度t3、出口要求温度t4、热媒进口温度t1和出口要求温度t2为提前设定值，变量为冷媒介质流量m
(冷媒介质)
和热媒介质流量m
(热媒介质)
，构建线性方程，两者成近
似直线关系，如图2所示：
124.根据冷媒流量m
(冷媒介质)
和热媒流量m
(热媒介质)
两者成近似直线关系，提前列出可能出现所有对应关系数据表，嵌入热量超前计算软件，当m
1(冷媒介质)
变化到m
2(冷媒介质)
时，查找关系数据表，将m
1(热媒介质)
快速通过线性调节阀2调节到m
2(热媒介质)
，减少调节滞后时间。
125.工况2：冷媒进口流量m
(冷媒)
、出口要求温度t4、热媒进口温度t1和出口要求温度t2为提前设定值，变量为冷媒进口温度t3和热媒流量m
(热媒介质)
，构建线性方程，两者成近似直线关系，如图3所示。
126.根据冷媒进口温度t3和热媒流量m
(热媒介质)
两者成近似直线关系，提前列出可能出现所有对应关系数据表，嵌入热量超前计算软件，当t
3-1(冷媒介质)
变化到t
3-2(冷媒介质)
时，查找关系数据表，将m
1(热媒介质)
快速通过线性调节阀2调节到m
2(热媒介质)
，减少调节滞后时间。
127.工况3：冷媒进口温度t3、出口要求温度t4、冷媒流量m
(冷媒)
和热媒出口要求温度t2为提前设定值，变量为热媒流量m
(热媒)
和热媒进口温度t1，构建线性方程，两者成近似直线关系，如图4所示：。
128.根据热媒流量m
(热媒介质)
和热媒进口温度t1两者成近似直线关系，提前列出可能出现所有对应关系数据表，嵌入热量超前计算软件，当t
1-1(热媒介质)
变化到t
1-2(热媒介质)
时，查找关系数据表，将m
1(热媒介质)
可以快速通过线性调节阀2调节到m
2(热媒介质)
，减少调节滞后时间。
129.本发明的优点：
130.(1)通过在换热器的热媒介质、冷媒介质进出口管道上安装温度变送器，在进口管道上安装流量计，以及在热媒介质进口官道上安装线性调节阀，并全部接入热量控制器，实现了对油田站场换热器工况的监控，在工况发生变化时，通过线性调节阀控制热媒介质的流量，实现温度的自动化控制。
131.(2)通过在热量控制器中装载热量超前计算软件，实现换热器1冷媒介质热量值的计算，推算当前所需的热媒介质热量值，根据所述热媒介质热量值及所述第一温度变送器、第二温度变送器的实时数值计算热媒介质流量，根据所述热媒介质流量和所述第一流量计的实时数值的差值，调节所述线性调节阀，控制热媒介质进口的流量，实现换热器1温度的自动化控制。
132.(3)通过设定所述冷媒介质流量变化、冷媒介质进口温度变化、热媒介质进口温度变化的变动区间，避免线性调节阀动作过于频繁，延长线性调节阀的使用寿命。
133.(4)通过循环调节的方式，在进行一次调节无法使冷媒介质出口温度达到预设冷媒介质出口温度的时候，通过细致调节的方式直至冷媒介质出口温度达到预设冷媒介质出口温度。
134.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。