“5G+”時(shí)代智能化控制在大型氣田井場站中的應(yīng)用研究

唐楠（中海石油（中國）有限公司非常規(guī)油氣分公司，北京 100015）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的推進(jìn)，能源結(jié)構(gòu)也在不斷調(diào)整，各項(xiàng)生產(chǎn)生活過程對天然氣的消耗越來越多，對于天然氣的需求持續(xù)增加，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。而這就給天然氣的輸送調(diào)配增加了難度，依靠傳統(tǒng)的調(diào)配方式難以滿足日趨增加的應(yīng)用需求，因此場站需要?jiǎng)?chuàng)新的輸送調(diào)配模式。在這里，場站將自動化，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、遠(yuǎn)程通信等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合到一起，與天然氣傳輸和分配控制系統(tǒng)相集成，以改善和改進(jìn)系統(tǒng)中需要做到的故障分析、局部∕區(qū)域需求分析、遠(yuǎn)程調(diào)配控制等功能的實(shí)現(xiàn)。其中天然氣管網(wǎng)SCADA 系統(tǒng)的應(yīng)用，給5G 自動化和智能化控制提供了重要的技術(shù)指導(dǎo)[1]。

1 “5G+”時(shí)代大型氣田井場站智能化控制的要求

在“5G+”快速發(fā)展的形勢下，因?yàn)樘烊粴庀嚓P(guān)行業(yè)的應(yīng)用越來越多，相關(guān)技術(shù)也在持續(xù)進(jìn)步，以及客戶需求的大范圍和大量增加，有必要進(jìn)一步開發(fā)、完善和提高5G 智能化控制系統(tǒng)。智能化控制系統(tǒng)是一種新的場站智能控制系統(tǒng)，它是在SCADA 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的，具有更全面的硬件配置，功能開發(fā)和系統(tǒng)集成能力[2]。場站的傳統(tǒng)SCADA 系統(tǒng)更加注重站工況的數(shù)據(jù)采集，包括：溫度，壓力，流量等數(shù)據(jù)的收集和預(yù)警，控制功能少；新的智能系統(tǒng)在系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上集成了傳統(tǒng)的SCADA，借助開發(fā)鏈控制、遠(yuǎn)程壓力調(diào)節(jié)、區(qū)域優(yōu)先控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動化計(jì)量等的集成，進(jìn)行全新的功能開發(fā)，形成全面的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)場站的智能化和自動化管控[2]。基于傳統(tǒng)系統(tǒng)的智能化控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：（1）不再受人員，時(shí)間，天氣，區(qū)域，距離等多種因素的限制。（2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信正常時(shí)，可以快速根據(jù)傳輸調(diào)度的需求調(diào)整計(jì)劃（幾秒鐘內(nèi)）；（3）調(diào)度中心可以快速向遠(yuǎn)程電壓和流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)布電壓或流量控制指令；（4）電壓流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)接到指令后，第一時(shí)間給出判斷，結(jié)合工作條件快速完成壓力或流量調(diào)節(jié)；（5）壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，借助傳感器實(shí)時(shí)收集現(xiàn)場系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，并遠(yuǎn)程傳輸給調(diào)度中心，為中心進(jìn)行決策制定提供可靠的關(guān)系到管道網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持[3]。

2 “5G+”時(shí)代大型氣田井場站智能化控制的組成

場站的智能控制系統(tǒng)包括順序控制系統(tǒng)（SCS），該系統(tǒng)可以完成站內(nèi)的控制切換等工作[4]。調(diào)壓過程區(qū)采用監(jiān)控調(diào)壓器和電控閥的設(shè)計(jì)，聯(lián)系可靠的壓力、溫度、流量等分析設(shè)備的使用，關(guān)聯(lián)SCADA 系統(tǒng)平臺，進(jìn)行控制和管理。在該系統(tǒng)的支持下，場站的控制級別可以分為以下三級：一是地控制級，在場站內(nèi)配置單體設(shè)備或設(shè)置子系統(tǒng)模塊，進(jìn)行就地、獨(dú)立控制；二是站場控制級，可以實(shí)現(xiàn)對場站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、工藝狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、運(yùn)行監(jiān)控、聯(lián)鎖保護(hù)，并借助遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)與調(diào)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；三是調(diào)控中心級，由中心對整個(gè)場站和線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)行等操作。

3 “5G+”時(shí)代大型氣田井場站智能化控制的功能

3.1 無人值守智能化管控

智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化管理與控制。5G 的引用可以使智能化管理具備極高的數(shù)據(jù)速率，極低的滯后性，極高的移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，極高的網(wǎng)絡(luò)密度，以及無處不在的移動通信，這就會使得遠(yuǎn)程指令可以更快速的執(zhí)行[4]。

在場站運(yùn)行期間，由場站控制的RTU系統(tǒng)自動監(jiān)視和控制場站的運(yùn)行狀態(tài)，包括工作狀態(tài)數(shù)據(jù)收集，電源檢測，故障報(bào)警，自動釋放，電壓和電流控制等。在正常情況下，如果需要進(jìn)行場站維護(hù)或其他工作需要關(guān)閉場站的，操作人員可以利用RTU系統(tǒng)給出“場站正常關(guān)閉”命令，將場站關(guān)閉并退出操作平臺。智能聯(lián)鎖控制主要具備切斷和停止超壓、泄漏以及低溫?zé)峤粨Q等功能，以確保大型氣井井場的安全可靠運(yùn)行。整個(gè)智能控制系統(tǒng)在硬件配置，控制功能和安全性方面完全實(shí)現(xiàn)了無人值守的智能管理和控制功能。

3.2 智能化高精度調(diào)壓調(diào)流功能

智能壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓是借助監(jiān)控調(diào)節(jié)器、電動調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)的。一般正常情況下是調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度大小來調(diào)節(jié)場站的壓力和流量，并利用遠(yuǎn)程壓力和流量控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。調(diào)度人員在上層監(jiān)控系統(tǒng)輸入需求的壓力或流量要求后，就可完成對管道壓力和流量的調(diào)整。整個(gè)過程十分精確、快速，而且操作十分方便，還可以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)峰，合理供氣功能，平衡不同需求區(qū)間的天然氣供應(yīng)情況。這樣就大大提高了氣田的供氣質(zhì)量和運(yùn)行安全性[5]。

3.3 5G智能化系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

5G 系統(tǒng)雖然技術(shù)體系十分復(fù)雜，但操作比較簡單，功能便利，用途多樣，如下所示：（1）接入技術(shù)對用戶透明，可以公開了解，而且終端和業(yè)務(wù)可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備間的無縫切換。（2）無線設(shè)備之間相互關(guān)聯(lián)，有較高的兼容性，操作簡單，更好地為用戶服務(wù)。（3）多樣化的應(yīng)用服務(wù)簽約簡單，賬單統(tǒng)一。（4）無線通信的成本降低，平均到每個(gè)用戶身上相比當(dāng)前的資費(fèi)水平更低。

5G 系統(tǒng)可以提供實(shí)時(shí)在線服務(wù)，在用戶任何時(shí)間和任何地點(diǎn)有需求時(shí)都能提供線上服務(wù)，包括工業(yè)控制、緊急通信等。5G的時(shí)延更低，包括用戶面時(shí)延和控制面時(shí)延，與4G相比縮短了5-10 倍，提供真正的24h 在線體驗(yàn)。另外，因?yàn)椴糠謽I(yè)務(wù)的安全要求較高，所以對可靠性要求十分高，而5G系統(tǒng)可以提供端到端可靠性99.999%甚至100%的服務(wù)。

3.4 智能化設(shè)備管理功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)將整個(gè)閘口站的智能儀表，電力系統(tǒng)設(shè)備和陰極保護(hù)設(shè)備集成到監(jiān)控系統(tǒng)中，并對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面管理和全面監(jiān)控，包括：異地電力運(yùn)行狀態(tài)，自供電發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，電站UPS 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等。借助該系統(tǒng)，工作人員可以隨時(shí)掌握所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保證場站的安全可靠運(yùn)行。

4 “5G+”時(shí)代大型氣田井場站智能化控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)基于天然氣場站的實(shí)際情況，并通過收集天然氣傳輸過程的關(guān)鍵參數(shù)來執(zhí)行監(jiān)視和預(yù)警，以確保場站的安全運(yùn)行。首先使用自動化儀器收集現(xiàn)場工藝參數(shù)，然后使用數(shù)據(jù)通信將收集的數(shù)據(jù)上傳到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，并通過組態(tài)軟件開發(fā)的人機(jī)界面顯示出來，以便操作員可以監(jiān)視操作實(shí)時(shí)，實(shí)時(shí)地設(shè)定工作條件參數(shù)，合理設(shè)置報(bào)警參數(shù)和預(yù)警，以達(dá)到提高工作效率、確保生產(chǎn)和生命安全的目的[6]。

5 結(jié)語

“5G+”與場站相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用將取得良好的效果并達(dá)到設(shè)計(jì)目的。天然氣場站的智能和自動化水平已得到質(zhì)的提高；緊急處理能力也得到了極大提高，尤其是遠(yuǎn)程電壓調(diào)節(jié)?！?G+”與場站相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程調(diào)壓（流量調(diào)節(jié)），平衡了管網(wǎng)內(nèi)的供氣量，大大減少了人員控制。今天的天然氣行業(yè)正在蓬勃發(fā)展，5G 智能化控制系統(tǒng)基于自身的產(chǎn)品性能以及在通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)方面的優(yōu)勢將擁有廣闊的應(yīng)用前景。