稠油處理節(jié)點控制分析診斷系統(tǒng)設計

韓菲 蔣能記 謝光華 鄭金風

[摘 要] 稠油處理是油田原油生產的重要環(huán)節(jié)，處理工藝復雜，運用DCS系統(tǒng)監(jiān)控原油處理過程，有實時報警和數據查詢功能。為了提高原油處理過程精細調控水平，本文以某油田稠油處理站為例，設計了一套稠油處理節(jié)點控制分析診斷系統(tǒng)，通過簡化處理流程建立節(jié)點控制模型，分析生產問題建立原油處理規(guī)則知識庫，與生產流程、設備、參數結合，以交互報警方式實時診斷原油處理過程，保障生產安全平穩(wěn)運行，提供優(yōu)選決策依據，有一定的推廣應用前景。

[關鍵詞] 稠油處理；實時；節(jié)點控制；診斷

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 03. 014

[中圖分類號] F270.7；TP315 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）03- 0025- 03

1 引 言

稠油集輸處理工藝主要包括原油脫水和污水脫油兩方面。采出液進入系統(tǒng)后通過計量、除砂、加藥、沉降、摻熱等工藝得到合格油品的過程為原油處理，從原油中分離出的污水經過后期加藥、排泥、過濾、軟化等工藝后回用鍋爐的過程為污水處理。采出液具有乳化嚴重，膠質、瀝青質含量高，原油黏度高，污水黏滯性大，油水密度差較小，水包油、油包水和多重乳液并存的物性[1]，處理過程需要加入大量藥劑，藥劑對現(xiàn)場遠傳儀表的腐蝕性較強，容易造成儀表數據傳輸故障，對自動化數據的真實性產生影響。

為了降低風險傷害，保障原油處理系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運行，通過共享技師、工程師的生產管理經驗提高一線員工的操作水平，減輕勞動強度，提升生產管理水平，本文運用DCS監(jiān)控系統(tǒng)數據，設計了一種基于實時數據庫的稠油處理節(jié)點控制分析診斷系統(tǒng)。

2 診斷系統(tǒng)整體結構設計

系統(tǒng)整體結構見圖1，利用實時數據庫數據延遲小、密度大的特性，實時采集處理站DCS自動化數據，及時為診斷分析提供高密度原始數據；關系數據庫存儲報警規(guī)則及模型，保存報警結果記錄，提供查詢統(tǒng)計。系統(tǒng)以C/S結構為主進行組態(tài)，提高處理速度；以B/S結構靈活部署客戶端，實時發(fā)布數據，展示流程，及時反映當前生產狀態(tài)。同時與事故處理規(guī)則庫結合計算分析，發(fā)現(xiàn)早期異常，給出處理建議。

系統(tǒng)采用人機交互方式，以用戶為核心，“會話”分析診斷，及時處理預警信息，及時采用處理過程結果，保證診斷結構的準確性和及時性。交互式處理（Interactive Processing ）是操作人員和系統(tǒng)之間存在交互作用的信息處理方式。操作人員可以根據處理結果進一步輸入信息和操作命令[2-3]。對于非專業(yè)的操作人員，系統(tǒng)能提供提示信息，逐步引導操作者完成所需的操作，得出處理結果。相對于非交互式處理，它具有靈活、直觀、便于控制等優(yōu)點。系統(tǒng)運行過程中，當有報警信息產生時，自動彈出子窗口，直觀地向操作人員展示具體的報警流程系統(tǒng)、設備、參數、名稱等信息，同時支持流程圖和處理連接，操作人員可及時掌握報警區(qū)域和處理措施，實現(xiàn)人機對話。

系統(tǒng)功能結構見圖2，分為數據采集發(fā)布、數據診斷分析、診斷模型管理、系統(tǒng)管理4個部分，本文僅介紹診斷模型設計。

3 診斷模型設計

稠油處理流程系統(tǒng)是一個多循環(huán)、緊密耦合的復雜系統(tǒng)，分析各設備功能和系統(tǒng)結構，尋找輸入量、輸出量和設備狀態(tài)間的函數關系，建立對應的復雜系統(tǒng)模型。通過模型數據分析，找出系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，如果輸入、輸出和狀態(tài)變量的變化超出系統(tǒng)所能容忍的范圍，整個系統(tǒng)就會偏離穩(wěn)定狀態(tài)，產生故障診斷[4]報警。實現(xiàn)診斷的重要前提是結合稠油處理流程特點，建立原油處理規(guī)則庫和正確的診斷模型。

3.1 原油處理規(guī)則庫

系統(tǒng)規(guī)則庫[5]采用樹型結構逐級建立，根據處理對象涉及數據點及邏輯關系的不同，按流程、設備、參數3個層次分別建立診斷規(guī)則。每個處理站有多個生產流程，每個流程中有多個待檢測設備，每個設備有多個檢測關鍵參數，對于關鍵參數按照一定的診斷條件，判斷出有可能出現(xiàn)的故障，每個關鍵參數所能檢測到的故障有一個或多個（如緩沖罐液位超高、超低、不變都可能預示有不同的故障），一個故障有可能是由一個或多個原因引起的，對應不同的原因有不同的處理方法。

3.2 節(jié)點控制模型

稠油處理系統(tǒng)不同于稀油，稀油處理工藝技術已經比較成熟且技術參數穩(wěn)定，稠油處理的報警存在以下幾個難點：①工藝還在不斷優(yōu)化，輔助工藝不斷增加。②由于網絡異構的存在，難以保證信息正確地、高效地共享和交換，自成體系的控制系統(tǒng)存在信息孤島。③從處理站DCS系統(tǒng)中采集的自動化數據量大，對所有數據同時監(jiān)控達不到預期效果，本系統(tǒng)通過建立節(jié)點控制可有效避免以上缺點。

節(jié)點控制方法是對稠油生產過程中的流程的關鍵參數點進行準確定位，關鍵點工作質量決定了流程整體質量，控制關鍵點的工作，就能對工作流程進行控制，對關鍵環(huán)節(jié)實施重點管理。根據目標采取自下而上與自上而下相結合的方法，分層逐級對流程進行節(jié)點識別、分析、確認，建立完整的節(jié)點管理體系[6-7]，節(jié)點診斷結果在流程畫面中直觀顯示。

節(jié)點控制模型簡化處理流程，運用節(jié)點控制方法，減少人工關注參數點數，并借助數據接口實現(xiàn)自動化數據共享和交換。

以原油處理為例，介紹節(jié)點的選取及其功能。原油處理簡化流程見圖3，原油處理最終目的是獲取含水合格的凈化油，稠油脫水的關鍵因素是溫度和藥劑，沉降罐油厚直接影響原油含水率，管匯流量和壓力的變化趨勢直接影響沉降罐油層厚度。所以在原油處理工藝流程，選取管匯壓力、管匯流量、沉降罐油厚和摻熱溫度作為關鍵節(jié)點，管理控制節(jié)點能管理監(jiān)控原油處理的全過程，有效提高原油凈化合格率。

節(jié)點控制功能根據規(guī)則庫的三級建立原則分為：參數超限值報警及曲線查詢、設備狀態(tài)報警及設置、流程狀態(tài)監(jiān)控。

3.3 模型算法及實例

系統(tǒng)采用正向推理完成知識匹配，為了提高實用性，對傳統(tǒng)正向推理作了改進，通過在事實和規(guī)則之間建立盡可能多的映射關系來提高沖突解決的效率。當規(guī)則缺失或規(guī)則不明確時，允許用戶執(zhí)行人工干預（學習功能），增加知識獲取途徑，提高系統(tǒng)自學習能力和實際使用價值[8]。

以分線計量來液線壓力升高為例，報警機制采用多叉樹遍歷方式完成。當任一條來液線的計量壓力升高時，在節(jié)點處，如有規(guī)則判斷則自動執(zhí)行，如無判斷規(guī)則則人工干預，推理過程見圖4。

3.3.1 診斷算法

算法是節(jié)點控制模型實現(xiàn)的基礎。系統(tǒng)主要采用擾動、缺失、斜率、振幅、標準偏差、穩(wěn)態(tài)、閾值、鋸齒波、邊界連接等基本算法實現(xiàn)對參數的診斷和分析，定義抽象過程，實現(xiàn)基本的診斷功能。以處理站凈化油罐關注數據為例，一般情況下工作人員比較關心凈化油罐的液位是否超高，是否滿罐外溢，變化速率是否過快，溫度是否符合原油沉降要求，綜合采用以下幾種算法進行判斷。

（1）利用最小二乘法計算凈化油罐進油液位變化速率，保證速率運算的平穩(wěn)性。

（2）利用方差計算凈化油罐液位、溫度不變。方差即偏離平方的均值，稱為標準差或均方差，方差描述波動程度。方差計算對計算樣板的數值不變具有顯著效果。在報警系統(tǒng)中存在大量的數據不變的檢測。參數因傳輸故障，或傳感器故障而發(fā)生數據不變是非常常見的儀表現(xiàn)象，不變持續(xù)時間過長，會導致操作人員無法觀察到發(fā)生的變化或隱患，如果單純使用數據比較容易發(fā)生漏判。方差計算可以反映樣本的離散程度，正確判定參數不變，系統(tǒng)結合其他統(tǒng)計方法，聯(lián)合計算系統(tǒng)的不變、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)，準確地識別出參數和設備的狀態(tài)。

（3）利用穩(wěn)態(tài)判斷凈化油罐的運行狀態(tài)是否穩(wěn)定，系統(tǒng)選取n個歷史數據，利用下面穩(wěn)態(tài)公式計算，當數據沒有大的變化時，計算的結果是穩(wěn)定的，當有一個異常出現(xiàn)的時候，計算的結果將為不穩(wěn)定，并且，這種結果將持續(xù)一段時間，直到用來計算的時間窗的數據沒有異常時，系統(tǒng)恢復穩(wěn)定。

δT2=C=常量（容忍度）

穩(wěn)態(tài)計算公式：σ2=■

δ2=Average（（xn-xn-1），（xn-1-xn-2）……）

Steady=Max（δ2/σ2，δT2/σ2）>C

式中，n為采集數據的點數，x為采集的數據值，Steady為穩(wěn)態(tài)，δ2，σ2為方差。

3.3.2 模型實例

運用診斷模型，可以快速開發(fā)出滿足需要，又具有一定的可擴充性的系統(tǒng)。系統(tǒng)嵌入Python腳本引擎，用戶可以編寫腳本實現(xiàn)報警，與系統(tǒng)交互完成功能。以下是當出現(xiàn)超高、超低報警時使用的程序段。

ret，realValue = self.GetTagValue（self.TagNameSrc）//#通過位號名稱獲取當前位號實時數據值#

if（realValue.dblVal > self.High）//#用實時值與超高報警上限值做比較#

self.SetWarning（"超高"，True）//#實時值大于報警上限值，設置為超高報警狀態(tài)#

else：

self.SetWarning（"超高"，F(xiàn)alse）//#實時值小于報警上限值，把超高報警狀態(tài)設置正常#

if（realValue.dblVal < self.Low）//#用實時值與超低報警下限值做比較#

self.SetWarning（"超低"，True）//#實時值小于報警下限值，設置為超低報警狀態(tài)#

else：

self.SetWarning（"超低"，F(xiàn)alse）//#實時值大于報警下限值，超低報警狀態(tài)設置正常#

4 應用效果與結論

稠油處理站節(jié)點控制分析診斷系統(tǒng)在線投用效果見圖5，提供直接的裝置報警服務，操作人員也可以通過點擊異常設備查看報警模型實例，通過模型實例可查看關聯(lián)參數曲線，定制曲線時間，對特定時段內的數據進行分析，可根據掌握的知識經驗參與系統(tǒng)參量設定、調整過程反饋，同時為相關管理部門提供在線分析診斷信息服務，對操作水平的提高、設備故障的預防、故障的報警起到了積極作用。

對稠油流程進行合理簡化，運用關鍵參數設計節(jié)點控制模型，建立節(jié)點分析診斷系統(tǒng)是對控制系統(tǒng)有益的補充，保障稠油處理全流程高效平穩(wěn)運行。本系統(tǒng)診斷方法可以作為其他原油處理分析系統(tǒng)建設的參考，同時作為傳統(tǒng)工業(yè)領域的一種信息化應用，在有連續(xù)作業(yè)的石油、石化等流程工業(yè)，都可以發(fā)揮作用。

主要參考文獻

[1]王迪，周慶，王亮，霍進，等.風城超稠油O/W降黏體系評價研究[J].精細石油化工，2013，30（1）：24-27.

[2]邱麗麗，俞烽.異構數據動態(tài)交互平臺設計與實現(xiàn)[J].計算機應用與軟件，2013，30（3）：183-185.

[3]胡昌平，蔡青，萬琳.基于信息交互的集成服務平臺構建分析[J].圖書情報工作，2008，52（9）：82-85.

[4]吳明強，史慧，等.故障診斷專家系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀與展望[J].計算機測量與控制，2005，13（12）：1301-1304.

[5]王萬森.面向對象規(guī)則庫設計的研究[J].計算機研究與發(fā)展，1996，33（1）：70-73.

[6]曹在雷，李志強，周天福，等.節(jié)點控制法在注聚質量體系中的應用[J].中國科技信息，2010（16）：30-32.

[7]梁鐵玲.全過程節(jié)點控制實現(xiàn)污水達標處理[J].油氣田地面工程 ，2010，29（8）：65-66.

[8]蔣能記，韓力，張亞順，等.基于實時數據庫的油氣處理預警系統(tǒng)設計[J].石油規(guī)劃設計，2011，22（4）.