无线传感技术与应用

本系统主要采用采集器与中间服务器相连，采集器采集传感器的数据，然后通过无线射频方式将数据传送到中间服务器。中间服务器将接收到的无线射频信号进行数据的整合处理，并将处理后的数据通过局域网传送到工控机中进行存储、显示、处理等。该技术具有抗干扰能力强、传输距离远、延时短、成本低等优点。此外在该系统中，与传感器配套的无线采集终端具有数据处理能力，能够根据用户需求增加多种智能化的功能，提供了更多、更有效的数据处理、统计分析、决策辅助等功能。

根据多年现场测试经验和部分井的实际情况，试油地面测试数据测点距离现场控制中心直线距离约500m，井场内常有压裂车、酸罐、泥浆池等大型遮挡物。无线射频方式传输距离与功率成正比，功率越大则传输距离越远，电池的使用寿命越短，成本越高。为了降低直接成本，采集器必须设计为低功耗，而低功耗采集器通过试验，在周围无大型遮挡物的情况下，传输距离为500m左右，不能满足现场测试需要。为了很好地解决既节约用电又有较远的传输距离这个矛盾，该系统设计了中继器，将信号放大后再传输给接收器。

油气井钻采集测试现场每个节点都有固定的地址，数据的传输采用主从站方式，节点数量不多，而且都处于主站的无线通信范围内，由主站统一控制网络内的通信时序。根据这一特点，无线采集监控装置设计为一个实用的集中式无线传感器网络。

系统采用先进的三层结构，并采用模块化、结构化的设计，最底层数据服务层由SQLServer数据库承担，通过表、视图、存储过程、触发器、规则和缺省值等工具进行数据控制，以事务方式保证数据完整性和一致性。中间层为业务逻辑层，以DLL动态库或后台服务的方式，完成数据的业务逻辑处理。顶层位为表示层，以应用程序或网页的形式提供人机接口，负责数据的输入输出。它通过业务逻辑层与数据服务层打交道，获取或提交需要的数据。

2、数据流程

首先由低功耗传感器将模拟量传给采集板，采集板进行A/D转换生成数字信号，然后通过无线方式发给中继器，中继器再以无线方式转发给接收器，接收器通过局域网络，以TCP/IP方式发给控制中心。控制中心通过一个上位机，负责数据采集，并利用ADO技术将数据实时存储到SQLServer数据库中；同时控制中心还通过一个下位机，负责数据管理，它与上位机共用同一个SQLServer数据库，也利用ADO技术对数据库进行读写操作，生成实时曲线及预警报警，完成采集数据的历史曲线回放、打印、数据计算、数据查询、导出及基本信息维护等工作。

随着油气勘探开发[1]的不断深入，对试油资料录取质量的要求越来越高。现下国内外油气井地面测试数据采集系统都采用有线传输方式，而随着油气井测试的数字化、自动化越来越强，测试采集参数越来越多，有线地面测试数据采集系统被无线地面测试数据采集所替代是必然的趋势。它也将成为油田进行科学试油的发展方向。

有线地面测试数据采集系统已广泛应用于油气井试油地面测试作业中，经过现场应用，发现该系统存在以下不足：(1)现场作业环境恶劣，布线困难，工作量大；(2)地面温度太低时，易导致信号传输电缆破裂损坏；(3)信号电缆维护成本较高；(4)信号电缆现场出现故障时，检修焊接不方便；(5)现场布置的信号电缆经常被割走等。

针对以上问题，提出了数字化、无线化、智能化的设计模式，研制开发了一套无线地面测试数据采集及管理系统，实现了现场测试数据实时采集并无线传输到现场操作中心计算机进行显示、存储和处理等功能。

地面测试数据自动采集及无线传输系统硬件包括四部分：第一部分为数据采集器，负责采集传感器的数据，然后通过无线射频方式将数据传送到中继器；采集器又分为压力采集器、温度采集器、差压采集器、液体流量采集器和气体流量采集器等；第二部分为中继器，它接收采集器发来的数据信号并无线转发给接收器；第三部分为接收器，它在总控室内通过无线接收中继器发来的数据，并通过RJ45口或DB9接入局域网；第四部分为现场控制中心，通过PC机对数据进行显示、分析和处理。

1、采集器

地面测试数据采集系统主要采集压力、温度、流量和差压信号。根据测试现场需要主要有压力采集器、温度采集器、流量采集器等。主要功能是采集测点数据，并通过无线射频方式将采集到的信息无线发送到中继器。

数据采集器主要完成传感器信号输入、ADC模数转换(脉冲输出型流量计无需进行A/D转换，可以直接由MCU进行检测)、采集和记录传感相关数据，并通过无线射频方式将采集到的信息无线发送到中继器。采集器由传感器、单片机、ADC模数转换电路、无线射频芯片和电池电源管理五个部分构成。即传感器采集测点数据通过ADC模数转换电路转换为数字信号后传输给低功耗单片机(MCU)，单片机经过处理后通过射频电路和天线发送给中继器。采集器和中继器之间可以双向通信，即采集器可以向中继器发送数据信息，同时也可以通过中继器向采集器传递操作指令。采用无线通信协议为分时协议，工作频率为433MHz，通过检测和现场试验，效果良好。

2、接收器

接收器主要功能是通过无线通道接收中继器或采集器发出的数据，并将接收到的数据通过网口经局域网传送到控制中心。与中心服务器连接中断时，暂存无线通道送来的数据到板载的Flash中，待正常连接后，将Flash中的数据补发给中心服务器。中继器和接收器之间可以双向通信。

接收器工作时放置在现场控制中心，采用外电源供电。接收器的设计选用了高性能的嵌入式CPU和大功率收发模块，配置高增益的全向天线，保证实时接收采集器或中继器传来的数据。

试油地面测试数据采集系统在富顺1井开展了现场试验，测试层位为须二下段；地面测试设备为节流管汇、转向管汇、热交换器、分离器、数据采集房等；无线采集系统设备为0～70MPa压力采集器1只，0～16MPa压力采集器1只，-50℃～150℃温度采集器1只和液体流量采集器1只，中继器1只，接收器1只，网络集线器1只，网线1根，接收机天线1根，笔记本电脑1台和无线数据采集软件。

0～70MPa压力采集器安装在套压处，0～16MPa压力采集器安装在流量计孔板上压处，-50℃～150℃温度采集器安装在热交换器出口处，流量采集器未安装在设备上，作为测量设备传输距离和抗干扰能力。接收机天线安装在数据采集房房顶上。接收机和网络集线器放在数据采集房内。测试具体情况如下：

(1)未安装中继器时，套压和热交换器处信号较好，井场内效果均良好；

(2)中继器放置在钻台司钻房顶，所有采集器通过中转后发送给接收机，效果非常好。将流量采集器放置在距采集房约800m处，传输信号良好，无数据丢失情况发生；

(3)酸化时两台压裂车同时开泵工作，整个工作期间无干扰信号产生，无线采集器工作稳定；

(4)和有线数据采集系统相比，测试数据值一致，精度相当，无明显延时滞后现象。

本文中的地面测试数据无线采集系统，改变了原有线采集传输方式，实现了地面测试数据采集无线传输功能，解决了试油测试现场布线困难等实际问题。通过现场试验，研制开发的无线地面数据采集及管理系统运行可靠、性能稳定、安全性高、自动化程度高、仿真效果直观、数据库集中管理数据、数据处理准确可靠，充分满足了油气井试油信息的数据采集、监视控制和信息处理的需要，实现了试油地面测试数据采集系统的升级。

1、小波分析作为一种新兴的理论，是数学发展史上的重要成果。小波分析已经广泛应用于理论数学、应用数学、信号处理、语音识别与合成、自动控制和图像处理与分析等领域。同传统的傅立叶分析相比，小波分析的最大优势在于可以同时在时频两方面实现局部化分析。研究学者应用小波分析理论对地震波的瞬时谱进行估计，此时的瞬时谱可以考虑地震动的频率非平稳性；然后将估计的瞬时谱带入三角级数模型生成人工地震波。为了拟合给定设计反应谱，研究者将生成的人工地震波的小波谱进行适当的调整直至人工地震波的反应谱与设计反应谱相一致，从而生成与给定设计反应谱相一致的地震波。为了研究地震强度对结构反应的影响，研究者使用CANNY程序对两个抗震设防等级为8度的建筑进行了弹塑性时程分析，并对结构在10条实际地震波和15条人工地震波作用下弹塑性时程分析的结果和输入地震波的各种控制指标的关系进行了对比分析。结果表明，早先提出的基于小波分析的地震强度指标由于考虑了地震动的时频局部化特性，可以较好的评估地震动强度对结构的影响。

2、采用基于状态相关的剪胀理论的临界状态砂土模型，以SUMDES2D为有限元平台，对直接建造在基岩上的心墙堆石坝进行了1组抗震性能计算，分析了坝体在不同的地震强度下的动力响应，以研究地震强度对土石坝变形机理的影响。计算结果表明，地震强度越大，地震所引发永久变形和局部变形就越大;局部土单元的动力响应，揭示位于坝体上游坝坡马道附近单元由于密实度小，在应力不大的情况下就达到材料的临界状态，随着地震强度的增加，该部位由稳定逐步过渡到"临界状态"，而后沿着临界状态线发展，土单元由稳定逐步过渡到"流动变形"。

3、近几年来，在一些发达国家，基于概率理论的新一代抗震性能评估方法已开始用于特定建筑物的抗震性能评估。研究基于全概率理论的新一代抗震性能评估方法，并将其应用于我国建筑结构的抗震性能评估，对于减灾防灾和提高建筑结构的抗震性能有重要意义。以FEMA P-58的抗震性能评估流程为框架，结合我国建筑结构的特点和规范要求，以某一单个建筑物为对象，采用有限元分析软件PERFORM 3D和抗震经济性能评估分析软件PACT，用增量动力分析(IDA)方法进行建筑物各个强度状态的易损性分析;用基于强度的性能评估方法，依据构件易损性分组和人员流动模型，得到包括人员伤亡、修复和重建造价以及居住中断时间等建筑性能的概率分布，为我国建筑结构的抗震性能评估提供了参考。 2100433B

内容简介

《反应过程、设备与工业应用》是“过程设备与工业应用丛书”的一个分册，本书在系统介绍化学反应基本理论的基础上，分别详细介绍了釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器、离子交换反应器、电化学反应器、膜生物反应器以及其他一些新式化学反应器的工作特性、设计原理、工业应用及评价。

《反应过程、设备与工业应用》不仅适用于石油、化工、生物、制药、食品、医药、环境、机械等专业的高等学校的教师、研究生及高年级本科生阅读，同时对相关行业的工程技术人员、研究设计人员也会有所帮助。

目录

第1章绪论

1.1过程工业与工业化学过程/001

1.1.1过程工业/001

1.1.2工业化学过程/002

1.2化学反应过程的基本规律/004

1.3反应过程与设备的关系/006

1.3.1最优化的经济目标/006

1.3.2最优化的技术目标/007

1.4化学反应与反应设备的分类/008

1.4.1化学反应的分类/008

1.4.2工业反应设备的类型/009

1.5化学反应器的设计与放大/012

1.5.1化学反应器的设计原则/012

1.5.2工业反应器的放大/013

1.6化学反应过程与设备的发展/015

第2章化学反应过程基本理论

2.1化工原料资源/018

2.1.1煤炭/019

2.1.2石油/021

2.1.3天然气/023

2.1.4生物质/023

2.1.5工业“三废”/025

2.2化学反应动力学基础/026

2.2.1化学反应速率/026

2.2.2反应速率的影响因素/027

2.2.3复杂反应的动力学表达/030

2.3反应器的操作方式/032

2.4反应器计算的基本方程式/033

2.4.1反应动力学方程式/034

2.4.2物料衡算式/035

2.4.3热量衡算式/035

2.5均相理想反应器/036

2.5.1均相反应器的特点/036

2.5.2釜式反应器的设计与操作/037

2.5.3管式反应器的设计与操作/043

2.6连续流动反应器的停留时间分布/045

2.6.1非理想流动/045

2.6.2停留时间分布函数/046

2.6.3停留时间分布函数的应用/048

2.7非理想流动/049

2.7.1非理想流动模型/050

2.7.2非理想流动对反应结果的影响/053

参考文献/055

第3章釜式反应器

3.1间歇操作釜式反应器工艺计算/057

3.1.1反应时间/057

3.1.2反应器有效体积/058

3.2连续操作釜式反应器工艺计算/059

3.2.1单段连续釜式反应器/060

3.2.2多段连续釜式反应器/060

3.3搅拌器/063

3.3.1搅拌的混合机理和液体流动特性/064

3.3.2常用搅拌器的类型及性能特征/067

3.3.3搅拌功率/072

3.4搅拌釜式反应器的传热/078

3.4.1反应釜的传热装置/078

3.4.2高温热源的选择/080

3.5搅拌反应釜传热系数的计算/082

3.5.1反应器内壁对流传热系数的计算/083

3.5.2蛇管外壁对流传热系数的计算/084

3.6立式搅拌反应釜的选用/085

3.6.1搅拌器的选型/085

3.6.2立式搅拌反应釜的选型/086

3.7釜式反应器在硝基苯生产中的应用/088

3.7.1生产工艺/088

3.7.2硝化剂/090

3.7.3硝化反应器/091

3.7.4硝化反应器的放大设计/092

参考文献/094

第4章管式反应器

4.1管式反应器的计算基础方程式/096

4.1.1计算基础方程式/097

4.1.2空间速度与空间时间/097

4.2液相管式反应器的设计/098

4.2.1等温液相管式反应器/098

4.2.2变温液相管式反应器/099

4.3气相管式反应器的设计/101

4.4管式反应器的数学模拟/102

4.4.1管式反应器的数学模型/103

4.4.2数学模型方程的求解/104

4.5反应器类型和操作方式的比较/104

4.5.1生产能力的比较/105

4.5.2反应选择性比较/107

4.5.3操作与计算最优化/109

4.6管式反应器在环氧乙烷生产中的应用/109

4.6.1乙烯氧化合成环氧乙烷的反应机理/111

4.6.2反应过程的影响因素/112

4.6.3氧化反应器的设计/117

4.6.4氧化反应器的结构特点/120

4.7管式反应器在聚乙烯生产中的应用/121

4.7.1聚乙烯的分子结构及分类/122

4.7.2聚乙烯的生产工艺/123

4.7.3乙烯自由基聚合原理及动力学/126

4.7.4高压管式反应器/130

参考文献/133

第5章塔式反应器

5.1塔式反应器的类型及构造/135

5.1.1塔式反应器的分类/135

5.1.2塔式反应器的一般构造/136

5.1.3附属装置/137

5.1.4塔类型的选择/139

5.2板式塔/139

5.2.1板式塔的结构/140

5.2.2塔板类型/140

5.2.3浮阀塔的设计计算/142

5.3填料塔/146

5.3.1物理吸收过程/146

5.3.2化学吸收过程/147

5.3.3填料塔的设计/151

5.4鼓泡塔/156

5.4.1鼓泡塔的操作状态/156

5.4.2鼓泡塔内的流动特性/157

5.4.3鼓泡塔内的传热特性/161

5.4.4鼓泡塔的工业应用/162

5.5塔设备设计常见错误/171

5.6喷射反应器/173

5.6.1喷射反应器的研究现状及进展/173

5.6.2喷射反应器的应用/174

参考文献/177

第6章固定床反应器

6.1固定床反应器的构造/179

6.2固定床反应器内的流体流动/181

6.2.1催化剂颗粒直径和形状系数/181

6.2.2床层空隙率/182

6.2.3流体在固定床中的流动特性/183

6.2.4流体流过固定床层的压力降/184

6.3固定床反应器内的传热/185

6.3.1床层对壁总传热系数/185

6.3.2床层有效导热系数/187

6.3.3表观壁膜传热系数/189

6.3.4流体与催化剂颗粒间的传热系数/191

6.4固定床反应器内的传质/191

6.4.1流体与催化剂颗粒外表面间的传质/192

6.4.2催化剂颗粒内部的传质/194

6.4.3床层内的混合扩散/196

6.5固定床反应器的设计/197

6.5.1总反应速率方程式/197

6.5.2反应器的设计/199

6.6固定床反应器在合成氨生产中的应用/201

6.6.1一氧化碳变换的基本原理/202

6.6.2一氧化碳变换的工艺过程/206

6.6.3变换反应器/207

6.6.4变换反应器的新发展/210

6.7固定床反应器的日常运行与操作/212

6.8固定床反应器在二甲醚生产中的应用/214

6.8.1二甲醚的合成技术/215

6.8.2甲醇脱水工艺及反应器设计/217

参考文献/223

第7章流化床反应器

7.1流态床反应器的特性/226

7.1.1流态化/226

7.1.2散式流化床和聚式流化床/227

7.1.3流化床中的气泡及其行为/227

7.1.4流化床的异常现象及处理方法/228

7.1.5流化床反应器内的传质/229

7.1.6流化床反应器内的传热/231

7.2流化床反应器的设计/232

7.2.1反应器直径与高度的确定/232

7.2.2压力降的计算/234

7.2.3反应器的数学模型/237

7.3流化床反应器的运行与操作/239

7.4流化床反应器在丙烯腈生产中的应用/241

7.4.1丙烯腈生产工艺/242

7.4.2丙烯氨氧化反应器/245

7.5流化床反应器在苯胺生产中的应用/248

7.5.1苯胺的生产路线/248

7.5.2加氢流化床反应器/250

7.6流化床反应器的研究发展/255

参考文献/257

第8章离子交换反应器

8.1离子交换法的基本原理/260

8.1.1离子交换平衡/260

8.1.2离子交换速率/261

8.2离子交换剂与离子交换树脂/262

8.2.1离子交换剂/262

8.2.2离子交换树脂/263

8.2.3离子交换树脂的类型/264

8.2.4离子交换树脂的物理性能/266

8.2.5离子交换树脂的化学性质/267

8.3离子交换反应器的应用/269

8.3.1离子交换反应的特性/269

8.3.2离子交换软化除盐/270

8.3.3软化与除碱/272

8.3.4复床、混床除盐/274

8.4离子交换器的工作过程/276

8.4.1固定床离子交换器间歇工作过程/276

8.4.2一级复床的工作过程/281

8.4.3连续式离子交换器工作过程/282

8.5离子交换器/283

8.5.1固定床离子交换器/283

8.5.2移动床离子交换器/287

8.5.3连续床离子交换器/287

8.5.4混合床离子交换器/288

8.5.5浮动床离子交换器/288

8.5.6双室浮动床离子交换器/290

8.5.7回程式离子交换器/291

8.5.8离子交换柱/293

8.6离子交换装置的设计/293

8.6.1设计依据/293

8.6.2系统的参数计算/294

参考文献/295

第9章电化学反应器

9.1电化学反应器/298

9.1.1电化学反应器的主要构件/299

9.1.2二维反应器/299

9.1.3三维反应器/302

9.2电解槽/302

9.2.1电极反应/303

9.2.2法拉第电解定律/303

9.2.3分解电压与极化现象/304

9.2.4电解槽的分类及构造/305

9.2.5电解槽的工艺设计/307

9.3电化学反应器的工业应用/309

9.3.1电解氧化法处理废水/309

9.3.2电解还原法处理无机污染物/310

9.3.3电解凝聚与电解气浮/314

9.3.4电解消毒/316

9.4电化学技术的发展方向/317

9.4.1阳极材料/317

9.4.2电化学反应器（electrochemical reactor）/318

9.4.3电化学组合工艺/319

9.4.4生物膜电极法/319

参考文献/320

第10章膜生物反应器

10.1膜反应器/321

10.1.1分离膜/321

10.1.2膜反应器/326

10.2生物反应器/330

10.2.1生物反应器的特点及分类/331

10.2.2大型生物反应器设计与放大/332

10.2.3微型生物反应器/333

10.2.4动物细胞及组织工程反应器/335

10.2.5酶反应器/338

10.3膜生物反应器/339

10.3.1膜生物反应器的形式/339

10.3.2膜生物反应器的类型/340

10.3.3新型膜生物反应器/343

10.3.4膜生物反应器的应用/345

10.4膜污染控制技术/347

10.4.1膜污染控制措施/348

10.4.2膜污染的清洗/349

参考文献/350

第11章其他反应器

11.1气液固三相反应器/352

11.2涓流床反应器/354

11.2.1涓流床的流体力学/355

11.2.2涓流床反应器中的传质/356

11.2.3涓流床反应器中的传热/357

11.2.4涓流床反应器的结构/359

11.2.5涓流床反应器的设计与放大/360

11.3热管反应器/361

11.3.1热管的工作原理/361

11.3.2热管的结构/362

11.3.3热管的主要特性/363

11.3.4热管反应器的应用/363

11.4径向反应器/364

11.4.1乙苯脱氢反应原理/365

11.4.2乙苯催化脱氢生产过程/365

11.4.3脱氢径向反应器/367

11.4.4轴径向反应器的开发/369

11.5微反应器/369

11.5.1微反应器的结构/370

11.5.2微反应器的主要特点/370

11.5.3聚合反应器的类型/371

11.5.4微反应器在聚合反应中的应用/372

参考文献/379 2100433B