油田區(qū)域自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任長(zhǎng)明

摘要使用合理有效的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)注水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將有利于降低能源消耗和保障人身財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)，建立油田區(qū)域注水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)也是油田注水實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)和管理的需要。因此，完善油田區(qū)域自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞監(jiān)控系統(tǒng)；總體設(shè)計(jì)；油田；儀表

目前我國(guó)各大泊區(qū)的注水方式主要有邊部注水和邊內(nèi)注水(頂部注水、腰部注水、行列注水)兩種方式，其注水系統(tǒng)還沒有較為完善的自動(dòng)化監(jiān)控管理手段，因而很難適應(yīng)油田注水運(yùn)行壓力高、危險(xiǎn)性大的現(xiàn)狀。從實(shí)際情況看，注水泵的出口壓力高、電機(jī)功率較大，而保護(hù)機(jī)組的潤(rùn)滑油、冷卻水等輔助系統(tǒng)能否正常運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)注水系統(tǒng)的安全運(yùn)行和注水驅(qū)油的目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，如果缺少有效的監(jiān)控保護(hù)措施，就有可能造成機(jī)泵嚴(yán)重?fù)p壞。此外，注水井井口壓力應(yīng)等于1～1.3倍原始油層壓力才能滿足高壓注水的需要，分層注水井井口壓力再加上配水器的水頭損失會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行壓力更高，這樣在一定程度上會(huì)給裝置和操作人員帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，若沒有有效的自動(dòng)監(jiān)控保護(hù)手段，裝置和操作人員的安全將無(wú)法有效地得到保障。

一、系統(tǒng)監(jiān)控目標(biāo)

油田區(qū)域注水系統(tǒng)包括水源、注水站、注水管網(wǎng)、配水間及注水井等。其中注水站是整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)量和控制的核心，其作用是擔(dān)負(fù)注水短時(shí)貯備、計(jì)量、升壓、注水一次分配和水質(zhì)監(jiān)控等任務(wù)。油田區(qū)域注水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)各種參數(shù)的測(cè)量和控制。按照參數(shù)的特點(diǎn)，具體的監(jiān)控目標(biāo)是注水工藝參數(shù)和機(jī)組參數(shù)兩大部分。注水工藝參數(shù)監(jiān)控包括來(lái)水溫度、來(lái)水流量、來(lái)水壓力、注水管網(wǎng)壓力、冷卻水壓力、水罐液位等。為適應(yīng)注水量的變化，一般根據(jù)所需的注水量調(diào)節(jié)泵出口調(diào)節(jié)閥的開度或采用變頻器調(diào)節(jié)注水電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)合理注水。為了保障機(jī)組的安全運(yùn)行，機(jī)組一般配有潤(rùn)滑油和冷卻水等輔助系統(tǒng)，將機(jī)組本身及輔助系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)統(tǒng)稱為機(jī)組參數(shù)，其監(jiān)控內(nèi)容包括泵出人口壓力、泵出入口溫度、泵出口流量、潤(rùn)滑油壓力、軸瓦溫度、冷卻水溫度、機(jī)組的振動(dòng)和轉(zhuǎn)速等。

二、系統(tǒng)儀表的選用

要實(shí)現(xiàn)對(duì)注水工藝參數(shù)和機(jī)組參數(shù)的監(jiān)控，除了必須選用合適的控制系統(tǒng)外，還要優(yōu)選出適宜的測(cè)量及控制儀表。注水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的儀表包括溫度儀表、壓力儀表、流量計(jì)量?jī)x表、液位儀表、調(diào)節(jié)閥(或變頻器)等。集中顯示或控制的儀表一般采用電動(dòng)儀表。由于注水電機(jī)振動(dòng)較大，與之有關(guān)的一次儀表可采用耐震型。

1注水溫度儀表的選用

注水溫度儀表的選用應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的溫度變化范圍、安裝位置、操作和觀察條件、環(huán)境條件等進(jìn)行。就地顯示的溫度測(cè)量?jī)x表一般選用雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)等；集中顯示的溫度測(cè)量?jī)x表一般選用壓力式溫度計(jì)；遠(yuǎn)傳顯示或調(diào)節(jié)的溫度元件一般選用熱電阻或熱電偶等。

2注水壓力儀表的選用

就地壓力儀表一般選用彈簧壓力表、耐震壓力表等：遠(yuǎn)傳壓力儀表一般選用普通壓力變送器、耐震壓力變送器、壓力控制器等；壓力測(cè)量?jī)x表的選用應(yīng)考慮量程、介質(zhì)性質(zhì)和對(duì)顯示儀表的要求。需要在控制室內(nèi)顯示壓力的儀表，一般選用壓力變送器或壓力傳感器；對(duì)于爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所顯示壓力的儀表，可選用氣動(dòng)變送器、防爆型壓力變送器或現(xiàn)場(chǎng)總線變送器。

3注水流量?jī)x表的選用

就地流量計(jì)量?jī)x表可選用螺翼式水表、高壓水表等。水表應(yīng)安裝于水平管道上，標(biāo)度盤朝上，表前后應(yīng)裝截止閥，并要求一定長(zhǎng)度的直管段；遠(yuǎn)傳流量計(jì)量?jī)x表可選用水平螺翼式電子熱水表、渦輪流量計(jì)、注定渦流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。以下是注水系統(tǒng)常用的注水流量?jī)x表的原理與特點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)要求和市場(chǎng)供求情況來(lái)選定。

(1)水平螺翼式水表。該類水表主要用于計(jì)量清水，適用于單向水流，使用溫度在45℃以下。當(dāng)溫度超過45℃時(shí)，應(yīng)在定貨時(shí)予以說(shuō)明。該類儀表流通能力大，水頭損失小，重量輕，便于使用和維修。但不適合含油污水，不能遠(yuǎn)傳。

(2)干式高壓水表。這種水表適合于小型注水站和配水間的配水計(jì)量。水表為直角型流向，來(lái)水自表下方入口進(jìn)入，側(cè)向出水，流水推動(dòng)螺旋式翼輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與水流速成正比，翼輪的轉(zhuǎn)動(dòng)通過磁力傳字輪指針組合式計(jì)數(shù)器顯示其累積水量；還可配瞬時(shí)流量計(jì)，并可以從表芯發(fā)訊器發(fā)訊號(hào)遠(yuǎn)傳。

(3)水平螺翼式電子熱水表。該表除具有水平螺翼式水表的多數(shù)特性外，主要特點(diǎn)是耐高溫、耐腐蝕；并把機(jī)械電子表頭改成電子表頭；適用于油田含油污水計(jì)量；裝有發(fā)訊機(jī)構(gòu)，可就地顯示，亦可集中顯示，遠(yuǎn)傳距離可達(dá)200m。

(4)渦輪流量計(jì)。這種流量計(jì)包括渦流流量傳感器和積算儀兩部分。渦輪流量傳感器將流經(jīng)管道內(nèi)的液體流量轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，積算儀累計(jì)脈沖的個(gè)數(shù)獲得液體的總量b。

(5)漩渦流量計(jì)。它有基于流體強(qiáng)迫振蕩的旋進(jìn)型和自然振蕩的卡門注定渦型兩種。它的測(cè)量原理是當(dāng)管道中流體流過激渦發(fā)生體時(shí)，在其后方和兩側(cè)會(huì)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的卡門漩渦列，流速愈大，漩渦產(chǎn)生的頻率也愈大。漩渦頻率的測(cè)量常用的有溫度和振動(dòng)位移兩種方法，而這兩種方法又可用多種原理來(lái)測(cè)定。它將測(cè)得的微弱的頻率信號(hào)經(jīng)電子線路處理成與流速成正比的電脈沖信號(hào)由顯示儀表顯示出流量的瞬時(shí)值。漩渦頻率是不受流體重度、溫度、壓力和粘度等影響的參數(shù)。

(6)電磁流量計(jì)。它的工作原理是導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，轉(zhuǎn)換部分將感應(yīng)電勢(shì)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作為輸出，以便進(jìn)行顯示、累計(jì)或記錄。電磁流量計(jì)壓力損失小，使用范圍廣，可以測(cè)量脈動(dòng)流及有腐蝕性的液體，但不能測(cè)量氣體、蒸汽和石油制品等非導(dǎo)電流體的流量。電磁流量計(jì)可以水平或垂直安裝。垂直安裝時(shí)，流體必須自下而上；水平安裝時(shí)，液體應(yīng)充滿管段，并應(yīng)使變送器的電極處于同一水平面上。流量計(jì)前后應(yīng)有一定的直管段，必須良好接地。

(7)超聲波流量計(jì)。它是利用超聲波傳輸原理測(cè)量液體流量的儀表。檢測(cè)元件固定在管壁外側(cè)，不接觸液體。特別適合大口徑的流量測(cè)量，且不受液體的物理性質(zhì)(壓力、溫度、粘度、密度)及腐蝕性的影響，是一種比較理想的節(jié)能儀表，幾乎沒有壓力損失。

4執(zhí)行器或變頻器

為了使注水系統(tǒng)的壓力或流量處于最佳值，在泵出口的調(diào)節(jié)一般采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或變頻器。采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥投資較低，但能量損失較大。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的價(jià)格在逐漸降低，可以通過變頻器調(diào)節(jié)注水電機(jī)的轉(zhuǎn)速以控制泵出口流量：由于注水電機(jī)的功率較大，這種方法一次性投資較大，但節(jié)約的能量也相當(dāng)可觀。

三、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

油田區(qū)域注水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可采用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)分為三級(jí)：企業(yè)管理級(jí)、站控級(jí)及現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。企業(yè)管理級(jí)(主站)設(shè)在注水調(diào)度中心，中心控制室通過遠(yuǎn)程測(cè)控終端(RTU)可監(jiān)視各控制區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)，保存運(yùn)行狀態(tài)信息，統(tǒng)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)、控制點(diǎn)進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控。站控級(jí)(遠(yuǎn)程測(cè)控終端)設(shè)在各注水站，將各站壓力、流量、液位、溫度、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等信號(hào)采集處理，給出注水電機(jī)的功率、用電量、注水量、泵效、單耗等，再將有關(guān)數(shù)據(jù)通過有線或無(wú)線方式傳至調(diào)度中心；調(diào)度中心的計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)通過計(jì)算、處理得到晟佳配注量，并將其傳回RTU；RTU根據(jù)配注量，調(diào)節(jié)電動(dòng)閥的開度或注水電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使整個(gè)注水系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)(測(cè)控儀表)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制。另外，整個(gè)注水SCADA系統(tǒng)可以和生產(chǎn)SCADA系統(tǒng)相連，通過軟件處理，采用變頻器調(diào)節(jié)，使能耗和原泊的產(chǎn)量達(dá)到最佳工作點(diǎn)。

油田區(qū)域注水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的建立要特別注意以下問題：(1)由于注水電機(jī)及注水泵的振動(dòng)較大，現(xiàn)場(chǎng)儀表應(yīng)選用耐振儀表或采用減振措施；(2)由于廠區(qū)內(nèi)的供電線路網(wǎng)絡(luò)、大功率的注水電機(jī)及變頻器等設(shè)備極易對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，應(yīng)在電纜布置、屏蔽、接地及系統(tǒng)配置等方面采取抗干擾措施；(3)SCADA系統(tǒng)的通訊方式應(yīng)考慮冗余。