陳冠成，翁惠輝，劉娟　(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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減阻劑減阻率測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳冠成，翁惠輝，劉娟(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]合理使用減阻劑，既可以實(shí)現(xiàn)減阻效果，又可以增加輸出和減小能耗。隨著我國長輸管線原油輸送事業(yè)的快速發(fā)展，對減阻劑的需求量也不斷加大，但相應(yīng)的減阻劑測試設(shè)備卻比較欠缺。為此，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能夠有效檢測各種減阻劑減阻率的測控系統(tǒng)。測控系統(tǒng)硬件電路主要完成多通道數(shù)據(jù)的采集及多個(gè)控制量的輸出，主要由RS232通訊模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸出模塊4部分組成；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(上位機(jī))和專業(yè)控制器(下位機(jī))2部分協(xié)同工作共同實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場過程測控的全過程。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能都達(dá)到了減阻率測試工藝設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

[關(guān)鍵詞]減阻劑；減阻率；測控系統(tǒng)

減阻劑是一種實(shí)用的化學(xué)添加劑，一般是高聚物。由于流體的阻力限制了流體在管道中的流動(dòng)，造成管道輸送量降低和能量消耗增加，在流體中注入少量的高聚物，使之在湍流狀態(tài)下降低流體的阻力，在輸送量不變的情況下可以大幅降低管道沿程摩阻損失，具有減小管道阻力的功能。在管道運(yùn)行壓力不變的情況下，可以提高管道的輸送量。合理使用減阻劑，既可以實(shí)現(xiàn)減阻效果，又可以增加輸出和減小能耗。然而減阻劑的合成技術(shù)長期以來被國外少數(shù)幾家公司壟斷，導(dǎo)致減阻劑的價(jià)格一直居高不下，且需要進(jìn)口。近幾年由于我國經(jīng)濟(jì)和科技水平飛速提升，減阻劑生產(chǎn)技術(shù)國產(chǎn)化的步伐也不斷加快，這也使得檢測國產(chǎn)減阻劑的減阻效果變得異常重要。隨著我國長輸管線原油輸送事業(yè)的快速發(fā)展，對減阻劑的需求量也不斷加大，但相應(yīng)的減阻劑測試設(shè)備卻比較欠缺。為此，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能夠有效檢測各種減阻劑減阻率的測控系統(tǒng)。

1系統(tǒng)原理

系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)原理及流體流動(dòng)的摩擦系數(shù)上采用相似原理進(jìn)行模擬。通過研究高聚物減阻劑的流變性，分析管內(nèi)流體受力與沿程摩阻之間的關(guān)系，從而估算流體的流動(dòng)阻力和沿程摩阻壓降。在溫度和管線長度一定的情況下，減阻率的大小與流體的流量相關(guān)，儀器設(shè)計(jì)了不同管徑的圓形管道，再由儀器測量和記錄流體摩擦系數(shù)和摩阻壓降，進(jìn)而計(jì)算出不同流量下減阻劑的減阻率。

1.1減阻率的計(jì)算

大多數(shù)流體流動(dòng)分析都基于粘性層流的假設(shè)。層流意味著流形是一系列的平行層或同心圓，各表層之間有一定的相對速度但不相互混合。層流常見于較低速度的承載設(shè)備中，而高速狀態(tài)下的流體薄膜則出現(xiàn)湍流。引發(fā)湍流的臨界流動(dòng)速度取決于量綱化的雷諾數(shù)Re：

Re=ρvd/η

(1)

式中，ρ為流體的密度，g/ml；v是線速率，m/s；d是2個(gè)表面的薄膜厚度，mm；η是黏度，mPa·s。

描述流體在管道中所受阻力狀態(tài)的物理量一般用流體的摩擦系數(shù)λ和摩阻壓降ΔP，流體流經(jīng)長度為L的圓管段上的摩阻壓降ΔP 與圓管的長度成正比，與其直徑成反比，與其動(dòng)能成正比。采用尼古拉茲阻力計(jì)算可知：

(2)

于是流體的摩阻壓降可以表示為：

(3)

通過理論計(jì)算得出的流體摩阻壓降，可以作為儀器傳感器測出值的參考量。

反映減阻效果的物理量減阻率，其定義如下：

(4)

式中，DR%是減阻劑的減阻率；ΔP0是指在某一流速下未加減阻劑時(shí)圓形管道單位長度摩阻壓降，kPa；ΔP1是指在相同流速下加入減阻劑時(shí)圓形管道單位長度摩阻壓降，kPa。

1.2儀器工作原理

儀器在工作過程中，試驗(yàn)用的流體通過循環(huán)泵在選定的光滑圓管中循環(huán)流動(dòng)，通過差壓傳感器測量單位長度的圓管里流體在特定流速、溫度下的摩阻壓降并記錄。然后，通過加料器在流體中加入待測的高聚物減阻劑，待減阻劑與流體充分融合后，在相同條件下通過傳感器測量一定長度圓管內(nèi)流體的摩阻壓降并記錄。通過2次測量流體的摩阻壓降，根據(jù)式(4)就可以計(jì)算出在特定條件下減阻劑在既定流體中的減阻率。

2系統(tǒng)工藝流程

系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，主要由模擬管路、加熱罐、循環(huán)泵、配料罐和攪拌電機(jī)組成。具體測試過程是先將工作備用流體注入整個(gè)管路，待管路整個(gè)充滿液體時(shí)，建立試驗(yàn)溫度、壓力；然后啟動(dòng)循環(huán)泵，通過傳感器測得系統(tǒng)壓力、溫度、流量、壓力降；最后根據(jù)管徑、長度大小，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出各種參數(shù)。測試完一組流體的數(shù)據(jù)之后，通過排液閥排掉被測流體，向加料口加入適量清水，并啟動(dòng)循環(huán)泵，反復(fù)沖洗各段管路，為下一組流體的測試做好準(zhǔn)備。

圖1　系統(tǒng)工藝流程

3測控系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)主要完成多通道數(shù)據(jù)的采集及多個(gè)控制量的輸出，主要由RS232通訊模塊、模擬量輸入(AI)模塊、模擬量輸出(AO)模塊、數(shù)字量輸出(DO)模塊4部分組成，具體硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

用溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)來分別檢測溫度、壓力、流量信號。使用內(nèi)部帶有16通道12位ADC的單片機(jī)，將溫度、流量、壓力信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后輸入ADC端口，通過多路開關(guān)輪流選通進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。單片機(jī)將壓力、流量、溫度數(shù)字信號經(jīng)通用串行通訊模塊傳送到上位機(jī)，并接受上位機(jī)下傳的控制命令及溫度、壓力、流量設(shè)定值。

4軟件設(shè)計(jì)方案

圖3　系統(tǒng)下位機(jī)程序框圖

圖4　上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

減阻劑測試儀測控系統(tǒng)包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(上位機(jī))和專業(yè)控制器(下位機(jī))構(gòu)成，2部分協(xié)同工作共同實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場過程測控的全過程。

4.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)測控軟件采用C語言編寫。為使軟件程序的開發(fā)更具效率，并使后期軟件的調(diào)試和升級更為便利，有利于程序代碼的優(yōu)化，筆者對軟件程序運(yùn)用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。具體下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要提供人機(jī)交互界面(HMI)以及數(shù)據(jù)處理等，采用VB語言編寫，包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，儀表狀態(tài)顯示，過程控制參數(shù)設(shè)定，控制操作界面，數(shù)據(jù)庫保存、查詢與報(bào)表輸出等?，F(xiàn)場過程測控系統(tǒng)部分完成對現(xiàn)場各設(shè)備的信號采集，控制命令的執(zhí)行與反饋等。兩者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相互協(xié)調(diào)，完成整個(gè)自動(dòng)測控功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要是實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，接收現(xiàn)場過程測控系統(tǒng)上傳的溫度、壓力和流量信號，完成數(shù)據(jù)的分析與處理，并將數(shù)據(jù)以圖型、報(bào)表形式輸出，同時(shí)向現(xiàn)場過程測控系統(tǒng)發(fā)送操作命令。上位機(jī)人機(jī)交互界面如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)交互界面圖

5結(jié)語

系統(tǒng)在減阻劑測試過程中對循環(huán)泵和加熱罐溫度、壓力和流量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以模擬輸油管道壓力、溫度和流量參數(shù)，確保測試過程中在模擬原油輸送管道實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行，保證測試的科學(xué)性。該儀器已經(jīng)投入使用，在試驗(yàn)系統(tǒng)模擬原油輸送的測試過程中，試驗(yàn)結(jié)果表明測控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能都達(dá)到了減阻率測試工藝設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

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[編輯]張濤

[引著格式]陳冠成，翁惠輝，劉娟.減阻劑減阻率測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015,12(34)：35~38.

[中圖分類號]TN929

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)34-0035-04

[作者簡介]陳冠成(1990-),男，碩士生，現(xiàn)主要從事電子與通信工程、檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置方面的研究工作;通信作者:翁惠輝，whh8@126.com。

[收稿日期]2015-09-15