集輸泵站設(shè)備節(jié)點(diǎn)化自控系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)想

陳鵬 孫玥 姚婷

摘 要：隨著工業(yè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和普及，構(gòu)建油田集輸泵站關(guān)鍵安全節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為可能。本文從降低現(xiàn)場(chǎng)操作人員操作強(qiáng)度，提高站庫(kù)安全生產(chǎn)的角度出發(fā)，介紹目前油田基層泵站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀，討論確立油田基層集輸泵站關(guān)鍵監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的原則，并提出構(gòu)建節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法，從而實(shí)現(xiàn)泵站突發(fā)事件的響應(yīng)和處理自動(dòng)化，確保集輸泵站的生產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：集輸泵站；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；自動(dòng)響應(yīng)

前言

作為油田油氣生產(chǎn)的重要一環(huán)，集輸泵站有著工藝流程相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備種類繁多，站內(nèi)生產(chǎn)工藝環(huán)環(huán)相扣的特點(diǎn)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，會(huì)對(duì)整個(gè)上下游油水井的生產(chǎn)造成較大影響。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展，各采油廠在基層泵站均不同程度推廣使用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了泵站生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大大提升了現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌握程度，有效保證了集輸泵站的安全運(yùn)行。

本文從油田泵站現(xiàn)有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)出發(fā)，討論構(gòu)建泵站內(nèi)關(guān)鍵生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方案，達(dá)到泵站內(nèi)生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)事故自動(dòng)判斷、自動(dòng)響應(yīng)，自動(dòng)處理的目標(biāo)，提高泵站運(yùn)行安全性。

泵站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)使用現(xiàn)狀

油氣集輸泵站是油田油氣生產(chǎn)過(guò)程中的重要一環(huán)，由于是24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中難免會(huì)遇到電網(wǎng)掉電、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備故障等現(xiàn)象。泵站上游環(huán)節(jié)的采油隊(duì)計(jì)量站故障，可能影響到數(shù)口油水井生產(chǎn)，而集輸泵站故障則可能影響到數(shù)個(gè)采油隊(duì)數(shù)百口油水井的生產(chǎn)，甚至釀成重大事故。因而，油氣集輸泵站的安全生產(chǎn)歷來(lái)都被各個(gè)采油廠作為安全重點(diǎn)加以監(jiān)控。

隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，目前油田各基層集輸泵站都不同程度推廣了計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了泵站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備壓力、液位、流量、溫度及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大大提高了生產(chǎn)安全性。

基層泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上大致經(jīng)歷了兩個(gè)過(guò)程：監(jiān)測(cè)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）。

1.SCADA（監(jiān)測(cè)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）

SCADA系統(tǒng)采用了“查詢—處理”模式，由設(shè)在調(diào)度中心的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對(duì)設(shè)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行定期巡回查詢，連續(xù)采集各現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出操作和調(diào)整指令，采用對(duì)點(diǎn)式及多點(diǎn)式的查詢——處理方式。

該系統(tǒng)在布線時(shí)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布置，抗干擾性較強(qiáng)，但存在掉電后現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，需要設(shè)置不間斷電源。隨著設(shè)置的監(jiān)控點(diǎn)增多，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求也相應(yīng)提高。此外，由于數(shù)據(jù)采用的是對(duì)點(diǎn)式的專用傳輸系統(tǒng)，安裝成本較高，數(shù)據(jù)共享的實(shí)現(xiàn)較為困難，現(xiàn)已基本淘汰。

2.FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）

FCS系統(tǒng)采用了總線通信方式，打破了傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用的一對(duì)一設(shè)備連線模式?？刂乒δ芸刹灰蕾嚳刂剖矣?jì)算機(jī)而直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)分布控制。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)三個(gè)部分組成。與傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)相比，硬件數(shù)量減少，便于安裝維護(hù)。同時(shí)具有高度分散性，它可以由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成自治回路，可完成控制的基本功能，并可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行情況，便于分析故障原因并及時(shí)排除。

自動(dòng)響應(yīng)調(diào)控節(jié)點(diǎn)的選擇原則

常規(guī)集輸泵站主要分為油、水、氣三套基本流程。各個(gè)流程間的相關(guān)性都較強(qiáng)，但各個(gè)設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中的重要程度卻不盡相同，因而，應(yīng)當(dāng)對(duì)站內(nèi)自動(dòng)調(diào)控點(diǎn)進(jìn)行級(jí)別劃分。劃分響應(yīng)級(jí)別的目的，是為了根據(jù)泵站內(nèi)油、水、氣的特性和故障可能造成的危害后果，設(shè)置相應(yīng)的響應(yīng)級(jí)別，從而構(gòu)建出合理的節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)，達(dá)到突發(fā)故障的分級(jí)響應(yīng)。

在響應(yīng)級(jí)別劃分上，我們可以根據(jù)故障危害，將響應(yīng)級(jí)別劃分為高、中、低三級(jí)，如電網(wǎng)掉電的級(jí)別響應(yīng)應(yīng)設(shè)為高級(jí)，泵故障停運(yùn)的級(jí)別設(shè)定為中級(jí)，其它故障設(shè)為低級(jí)，具體劃分可依據(jù)各站實(shí)際流程來(lái)確定。

例如，出現(xiàn)原油脫水泵故障停運(yùn)時(shí)，常規(guī)人工操作步驟為：停運(yùn)加熱爐→關(guān)閉故障脫水泵→啟運(yùn)備用泵→運(yùn)行加熱爐→分析排除故障。此時(shí)，應(yīng)考慮將加熱爐與脫水泵作為一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。根據(jù)各泵站實(shí)際工藝流程，劃分出合理的控制節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)響應(yīng)級(jí)別，有針對(duì)地開(kāi)發(fā)出相應(yīng)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，才能提高泵站運(yùn)行的安全性和自動(dòng)化程度。

構(gòu)建節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)

構(gòu)建出合理的控制節(jié)點(diǎn)，我們可以設(shè)計(jì)出節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理。從操作智能化的角度考慮，還可以在人工檢查完成后增加自動(dòng)啟運(yùn)程序。

以泵站原油處理鏈中的脫水泵故障停運(yùn)為例，我們可以構(gòu)建如下響應(yīng)流程：脫水泵故障停運(yùn)→控制系統(tǒng)采樣判斷→系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警→自動(dòng)切斷加熱爐供油供電→自動(dòng)關(guān)閉脫水泵出口→顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)并記錄。

在對(duì)應(yīng)的硬件改造方面，同樣以上述故障為例，在不對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)流程進(jìn)行大規(guī)模改造的基礎(chǔ)上，可通過(guò)在脫水泵出口管線上增加旁通電磁閥，加熱爐供油電磁閥與電路斷路器等方式，達(dá)到脫水泵加熱爐控制節(jié)點(diǎn)的事故自動(dòng)響應(yīng)。

節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的構(gòu)建，關(guān)鍵問(wèn)題是要實(shí)現(xiàn)不同流程、不同崗位的數(shù)據(jù)共享，其目的是實(shí)現(xiàn)不同崗位間的響應(yīng)協(xié)調(diào)。

由于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）在通訊協(xié)議上是公開(kāi)的，不同廠家的設(shè)備之間可以進(jìn)行互聯(lián)并實(shí)現(xiàn)信息交換，用戶可以按自己的需要和對(duì)象把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。同時(shí)，可以通過(guò)工業(yè)PC機(jī)內(nèi)總線插槽的PC接口板與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段連接，通過(guò)擴(kuò)展PCI接口卡的方式組成總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)總線網(wǎng)段的擴(kuò)展，達(dá)到不同協(xié)議間的多臺(tái)計(jì)算機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)共享。采用這種方式，還可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)動(dòng)，擴(kuò)充生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)目，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)共享。

節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

可以預(yù)見(jiàn)，隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以在油田油氣生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮出色的作用。用發(fā)展的觀點(diǎn)審視節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向有以下幾個(gè)：

1.系統(tǒng)小型化、專業(yè)化及智能化

從發(fā)展趨勢(shì)上看，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)向著系統(tǒng)小型化、專業(yè)化和智能化的方向發(fā)展。

目前油氣集輸泵站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)功能相對(duì)單一，僅能完成自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，擴(kuò)展相應(yīng)的控制功能，一方面會(huì)增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，另一方面，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)的完全監(jiān)控也有一定困難。因而，針對(duì)特殊流程和關(guān)鍵流程，可以開(kāi)發(fā)制作出專門(mén)的節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)，例如采用單板機(jī)微處理芯片對(duì)特殊工藝流程實(shí)現(xiàn)智能程序控制，可以大大縮小設(shè)備體積，提高功能針對(duì)性，節(jié)約開(kāi)發(fā)使用成本。

根據(jù)集輸泵站的常規(guī)工藝設(shè)備，可以嘗試設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有針對(duì)性的通用控制系統(tǒng)，增加系統(tǒng)的通用性，便于后期整個(gè)控制系統(tǒng)的維護(hù)。

2.實(shí)現(xiàn)站內(nèi)全流程的系統(tǒng)響應(yīng)和自動(dòng)處理

由于泵站內(nèi)工藝流程的系統(tǒng)相關(guān)程度較高，除構(gòu)建如脫水泵—加熱爐這樣的基本節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)外，還可根據(jù)泵站實(shí)際情況將節(jié)點(diǎn)概念擴(kuò)大化。

例如，將站內(nèi)整個(gè)原油處理流程、整個(gè)污水處理流程分別作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮，結(jié)合每個(gè)基本節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)，整合全站的自動(dòng)控制系統(tǒng)。這樣設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，將更具有全局調(diào)控性，會(huì)大大提升整個(gè)泵站的生產(chǎn)協(xié)調(diào)。

3.實(shí)現(xiàn)采油隊(duì)—泵站、泵站—輸氣隊(duì)、泵站—注水隊(duì)的聯(lián)動(dòng)響應(yīng)

由于集輸泵站在整個(gè)油氣生產(chǎn)過(guò)程中起著承上啟下的作用，采油隊(duì)、輸氣隊(duì)、注水隊(duì)等泵站的上下級(jí)流程具有相互影響，相互制約的特點(diǎn)。

從提高油氣生產(chǎn)全局自動(dòng)化的角度出發(fā)，未來(lái)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)將泵站的上下級(jí)相關(guān)流程均作為一個(gè)系統(tǒng)中加以考慮，增加采油隊(duì)、輸氣隊(duì)、注水隊(duì)等相關(guān)生產(chǎn)單位的的故障響應(yīng)，從而達(dá)到整個(gè)油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的響應(yīng)自動(dòng)化。

結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在油田油氣集輸泵站的作用，可以減輕現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作強(qiáng)度，避免人為操作失誤導(dǎo)致的事故發(fā)生，確保整個(gè)油氣生產(chǎn)流程鏈的正常運(yùn)行。

構(gòu)建節(jié)點(diǎn)自動(dòng)響應(yīng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集輸泵站故障響應(yīng)和應(yīng)急處理自動(dòng)化，可以大幅提高集輸泵站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行安全性，提高現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作自動(dòng)化，在油田保油增產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮出重要的作用。