油田泵站自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展

姜玉莉 李向軍 內(nèi)蒙古交通職業(yè)學(xué)院 赤峰市林業(yè)局

油田泵站是油田集輸系統(tǒng)保證油氣輸送、傳遞、運輸?shù)年P(guān)鍵系統(tǒng)裝置，為油田油氣集輸提供動力和協(xié)調(diào)支持能力，為保證油田泵站生產(chǎn)的安全進行，特別是保證原油天然氣等的質(zhì)量，對油田泵站操作和生產(chǎn)過程進行控制和監(jiān)控十分重要。隨著油田生產(chǎn)規(guī)模的擴大，集輸處理量的不斷增加和技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)雜化，泵站監(jiān)測參數(shù)和監(jiān)測難度加深，依靠傳統(tǒng)人工測量泵站監(jiān)測參數(shù)和數(shù)據(jù)誤差較大，給油田生產(chǎn)和管理帶來困難。

1 自動控制系統(tǒng)特點

集輸泵站主要是將油井開采出的油、水、氣混合物進行收集、暫存、初步處理并輸送到指定的裝置或容器設(shè)備，其任務(wù)是收集油氣開采物，對油氣混合物進行分離和凈化等初步處理，再進行計量、輸送。整個生產(chǎn)過程涉及環(huán)節(jié)和內(nèi)容多，過程操作復(fù)雜，只有通過自動化控制系統(tǒng)才能確保生產(chǎn)安全和原油質(zhì)量。

自動控制系統(tǒng)具有可靠性高、可維護性高、智能化程度高、操作性強的特點，該系統(tǒng)以計算機技術(shù)為核心，采取上、下位機方式，利用多個計算機處理器進行控制系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控和處理。自動控制系統(tǒng)由工控機、控制軟件、控制器、芯片模板和I/O模塊等子系統(tǒng)組成，對油田泵站可以進行有效的自動化控制。油田泵站自動控制系統(tǒng)一般由兩個部分組成，一部分是作用于泵站生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)測設(shè)備，主要用于泵站運行數(shù)據(jù)監(jiān)測和傳輸；另一部分是遠程計算機監(jiān)控和處理部分，主要是在遠程控制室對泵站運行數(shù)據(jù)進行觀察、處理、分析、判斷，以控制泵站運轉(zhuǎn)參數(shù)和情況。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

自動控制系統(tǒng)在我國油田泵站中的應(yīng)用起步較晚，集輸泵站現(xiàn)場生產(chǎn)還是以人為控制、錄取參數(shù)等為主，因此自動控制技術(shù)應(yīng)用還存在很多問題，同時由于油田企業(yè)對此認識不深或不重視導(dǎo)致其應(yīng)用還存在一定缺陷。歸納出以下幾個問題：①缺乏自動控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范和標準；②油田泵站自動控制技術(shù)缺乏信息共享；③泵站系統(tǒng)設(shè)備組成和功能不全；④泵站自動控制系統(tǒng)各項元件互通性差；⑤油田泵站操作技術(shù)落后。

2.2 系統(tǒng)組成與設(shè)計

根據(jù)我國當前油田泵站自動控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀和油田生產(chǎn)實際情況，對油田泵站自動控制系統(tǒng)進行設(shè)計，其主要由計算機監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、直流系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 油田泵站自動控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 中虛線左邊為計算機監(jiān)控系統(tǒng)，通過系統(tǒng)工作站對泵站現(xiàn)地控制系統(tǒng)（LCU）進行實時監(jiān)測和控制，以達到對泵站全部儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)采集和實時監(jiān)測控制；通過通訊服務(wù)設(shè)備對泵站監(jiān)控系統(tǒng)以外的設(shè)備如保護系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)等自動化設(shè)備的數(shù)據(jù)進行采取和分析控制，將信息參數(shù)同步傳遞到遠程中央控制室；通過管理終端可以看到泵站機組設(shè)備運轉(zhuǎn)情況和工況特征；通過參數(shù)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以將泵站現(xiàn)場信息、圖像實時傳輸?shù)娇刂剖遥私猬F(xiàn)場設(shè)備、人員等情況，以做出控制對策。

根據(jù)油田泵站的實際特征，采用集中式處理系統(tǒng)設(shè)計泵站自動化控制系統(tǒng)。集中式處理系統(tǒng)是指對泵站控制系統(tǒng)的各種功能，如現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、信息數(shù)據(jù)處理、通訊、人機互動等集中一體化完成。集中式泵站自動控制系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對油田泵站系統(tǒng)運行過程和相關(guān)參數(shù)進行收集、處理、計算，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果對泵站運行過程進行自動化操作和控制。

該系統(tǒng)使用一臺服務(wù)器、多臺計算機進行監(jiān)控和傳輸，通過一臺服務(wù)器對整個泵站運行進行控制，集中式泵站自動控制系統(tǒng)工作機理如圖2所示。集中式泵站自動控制系統(tǒng)中所有泵站操作、控制指令都要通過服務(wù)器處理發(fā)出，該系統(tǒng)處理全面、協(xié)調(diào)性高、數(shù)據(jù)耦合好。

圖2 油田泵站集中控制系統(tǒng)機理

根據(jù)油田泵站自動控制系統(tǒng)構(gòu)成和集中式處理系統(tǒng)設(shè)計要求，對泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、直流系統(tǒng)進行設(shè)計即完成整個泵站自動控制系統(tǒng)的設(shè)計研究。計算機監(jiān)控系統(tǒng)按照油田泵站控制層、現(xiàn)地控制層、網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)接口的三層進行設(shè)計，泵站控制層由主控機和多臺計算機組成，是整個自動控制系統(tǒng)的核心，監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測、控制和保護的功能。計算機繼電保護裝置是通過一臺計算機和具體軟件程序來實現(xiàn)保護，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整流型和晶體管型繼電保護器，主要由信號輸入電路、單片機部分、人機接口部分、輸出通道部分、電源部分等硬件組成。計算機磁力系統(tǒng)設(shè)計采用同步發(fā)動機勵磁裝置，選擇優(yōu)質(zhì)勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器。計算機直流系統(tǒng)裝設(shè)蓄電池組向控制負荷、動力負荷供電，完成泵站自動控制系統(tǒng)的直流電供應(yīng)。

2.3 應(yīng)用效果

油田泵站自動控制系統(tǒng)可以幫助工人及時對油氣開采現(xiàn)場分離器進行調(diào)整，幫助指揮人員隨時了解泵站生產(chǎn)工況并及時做出決策，幫助人員及時發(fā)現(xiàn)異常并進行解決以避免事故發(fā)生。由于氣候、環(huán)境和油氣開采等原因，分離器壓力也會波動較大，如果發(fā)現(xiàn)不及時容易導(dǎo)致跑油、竄氣、安全閥失效等事故，故需要自動控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)測、報警、判斷和控制。

某油田集輸泵站應(yīng)用了自動控制系統(tǒng)，當操作人員在控制室計算機屏幕上發(fā)現(xiàn)某分離器報警，采油井液位從0.98 mm降低到0.64 mm，壓力也從0.29MPa降低到0.22MPa，第一時間通知人員到泵站現(xiàn)場進憲排查，發(fā)現(xiàn)是計量站的外輸管線出現(xiàn)穿孔導(dǎo)致來油量減少而出現(xiàn)報警。應(yīng)用表明，該自動控制系統(tǒng)可以準確、及時地發(fā)現(xiàn)故障并給出對策，能夠避免因泄漏、污染等泵站故障造成的重大事故。

3 系統(tǒng)發(fā)展趨勢

油田泵站自動化控制系統(tǒng)的使用起步晚，面臨的問題多，在上述泵站自動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出泵站自動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。主要體現(xiàn)以下幾個方面：

（1）對泵站自動化設(shè)備進一步更新和選型。泵站自動控制系統(tǒng)要進步就需要科學(xué)化的自動化設(shè)備進行支撐，自動化設(shè)備采用分層、分布式設(shè)計結(jié)構(gòu)，由決策層、泵站管理層、遠程監(jiān)控層、現(xiàn)場管理層四層進行控制，是未來泵站自動控制系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。

（2）對泵站自動控制系統(tǒng)進一步規(guī)范化和標準化。自動控制系統(tǒng)元器件和設(shè)備生產(chǎn)廠家多，類型多，導(dǎo)致許多設(shè)備組裝投入使用時難以契合，特別是設(shè)備接口和接線等難以達到對監(jiān)控信號的有效處理和傳輸，因此對泵站自動控制系統(tǒng)進行標準化勢在必行。

（3）采用的分層次數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)逐步得到發(fā)展。泵站隨著油田企業(yè)的發(fā)展數(shù)量和規(guī)模逐步擴大，泵站自動控制系統(tǒng)涉及的設(shè)備、處理的數(shù)據(jù)、功能要求都得到較大提高，只有分層處理系統(tǒng)才能滿足自動化日益發(fā)展的需要。

（4）加強泵站自動控制專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)。只有專業(yè)的技術(shù)人員才能更好地操縱油田泵站自動控制系統(tǒng)，主業(yè)人員要求具備泵站操作和管理知識、計算機知識、自動化知識以及應(yīng)變能力，只有這樣才能促進泵站自動控制系統(tǒng)的發(fā)展。