川渝地區(qū)天然氣生產(chǎn)井站強(qiáng)弱電橇裝一體化方案的研究與設(shè)計(jì)

李強(qiáng) 任彬 羅愛(ài)琳

1四川科宏石油天然氣工程有限公司

2中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦

隨著油氣田勘探開(kāi)發(fā)和地面建設(shè)逐漸向偏、遠(yuǎn)、散、小和低滲透油氣田發(fā)展，地面工程的優(yōu)化簡(jiǎn)化顯得越來(lái)越重要[1]。近年來(lái)，油氣田地面工藝技術(shù)不斷進(jìn)步，地面工程建設(shè)領(lǐng)域在工藝與技術(shù)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系等方面也在發(fā)生變化，一體化集成裝置就是在油氣田開(kāi)發(fā)和建設(shè)新形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。川渝地區(qū)油氣田分布廣泛，大多地處偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工方式還存在施工作業(yè)面大、交叉作業(yè)多、高空作業(yè)等安全風(fēng)險(xiǎn)，以及現(xiàn)場(chǎng)施工占地大、施工作業(yè)人員多等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境造成較嚴(yán)重污染的風(fēng)險(xiǎn)。油氣田地面工程一體化集成裝置是一種將多種功能進(jìn)行集成，以功能劃分模塊的橇裝裝置[2]。因而，一體化集成裝置具有功能模塊化、工藝集成化、控制自動(dòng)化和設(shè)備橇裝化的特點(diǎn)，以及節(jié)約用地、節(jié)省投資、工廠預(yù)制、建設(shè)迅速、運(yùn)維方便、調(diào)用靈活的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。本文重點(diǎn)研究站場(chǎng)供配電系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)兩個(gè)方面，結(jié)合“鉆前工程一體化”的理念和要求，最終提出了一個(gè)較完整的天然氣生產(chǎn)井站強(qiáng)弱電橇裝一體化方案，為川渝地區(qū)天然氣生產(chǎn)井站建設(shè)一體化、模塊化提供一些參考[3]。

1 成橇背景

1.1 供配電系統(tǒng)

根據(jù)《西南油氣田分公司站場(chǎng)一體化箱式變電站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)》和目前川渝地區(qū)天然氣生產(chǎn)井站生產(chǎn)運(yùn)行模式，現(xiàn)階段川渝地區(qū)天然氣生產(chǎn)井站新建站場(chǎng)供電外電電壓等級(jí)大部分為10 kV，變壓器容量為20、30、50、80 kVA 以及125 kVA 不等，且無(wú)高壓電動(dòng)機(jī)的各類生產(chǎn)站場(chǎng)，箱變尺寸3 200 mm×2 500 mm 至3 700 mm×2 500 mm 不等。與常規(guī)變配電相比，箱式變電站優(yōu)點(diǎn)為：設(shè)備布局緊湊，占地面積小；安裝調(diào)式在工廠內(nèi)完場(chǎng)，建設(shè)周期短；可根據(jù)工程需要進(jìn)行整體搬遷；廠家負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)，運(yùn)行單位維護(hù)工作量小；變壓器和配電設(shè)備均布置在箱體內(nèi)，布局美觀。目前川渝地區(qū)外電大多數(shù)為10 kV電壓等級(jí)電源，且大部分為石油內(nèi)部專線，普遍存在于山地，具有線路故障多、故障跳閘頻率較高以及線路維護(hù)困難等特點(diǎn)。

隨著中石油天然氣生產(chǎn)站場(chǎng)橇裝化理念的逐步深化，結(jié)合現(xiàn)有川渝地區(qū)天然氣生產(chǎn)站場(chǎng)建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行情況，目前箱式變電站出現(xiàn)以下問(wèn)題：采用底部進(jìn)線方式，需預(yù)制地面基礎(chǔ)，建設(shè)周期加長(zhǎng)，箱式變電站內(nèi)設(shè)檢查井，箱體內(nèi)部剩余空間較大；箱式變電站整體搬遷時(shí)，預(yù)埋電纜重復(fù)利用率較低，造成資源浪費(fèi)，增加工程項(xiàng)目建設(shè)隱形投資；現(xiàn)有《西南油氣田分公司站場(chǎng)一體化箱式變電站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)》中箱式變電站缺乏電能管理系統(tǒng)，無(wú)供配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和電能管理相關(guān)功能[4]。

1.2 站場(chǎng)信息化

根據(jù)《西南油氣田分公司站場(chǎng)信息化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)》和《西南油氣田站場(chǎng)一體化活動(dòng)房設(shè)計(jì)手冊(cè)》，目前采用站場(chǎng)信息化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的有中心站〔集氣站、集氣站（含增壓）、集氣站（含脫水）、輸氣站、配氣站〕、單井采氣站、無(wú)人值守單井采氣站、氣田水處理（回注）站、閥室(監(jiān)控閥室、監(jiān)視閥室)，在站場(chǎng)設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和閥門狀態(tài)等信號(hào)，并將數(shù)據(jù)信息及時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)站場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的集中監(jiān)視、記錄和報(bào)警。

結(jié)合現(xiàn)有川渝地區(qū)天然氣生產(chǎn)站場(chǎng)建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行情況，目前“站場(chǎng)信息化標(biāo)準(zhǔn)化”和“一體化活動(dòng)房（橇裝）”出現(xiàn)以下問(wèn)題：無(wú)站內(nèi)供配電系統(tǒng)（含UPS）的信息采集和電能管理，若增加此功能，需在后期物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)時(shí)對(duì)站內(nèi)信息化系統(tǒng)和箱式變電站進(jìn)行大修整改，增加工程項(xiàng)目二次投資；所有“一體化活動(dòng)房（橇裝）”采用底部進(jìn)線方式，需預(yù)制地面基礎(chǔ)，站內(nèi)電纜采用直埋方式敷設(shè)，對(duì)“鉆前工程一體化”硬化后的地面進(jìn)行二次開(kāi)挖，增加工程投資，后期搬遷預(yù)埋電纜重復(fù)利用率較低，造成資源浪費(fèi)，增加工程項(xiàng)目建設(shè)隱形投資[5]。

2 方案研究

2.1 需求分析

根據(jù)川渝地區(qū)天然氣生產(chǎn)站場(chǎng)建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行需求，將強(qiáng)電供配電系統(tǒng)和弱電自動(dòng)控制信息化系統(tǒng)整體成橇需解決以下問(wèn)題：

（1）優(yōu)化箱變布局，縮減整體成橇后占地面積。

（2）考慮站場(chǎng)信息化一體化橇裝房物聯(lián)網(wǎng)接入功能。

（3）結(jié)合“鉆前工程一體化”，優(yōu)化供電系統(tǒng)和弱電自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體成橇后的進(jìn)出線方式，避免“硬化”后的站場(chǎng)地坪開(kāi)挖，實(shí)現(xiàn)無(wú)基礎(chǔ)化安裝，減少工程不必要投資。

（4）結(jié)合目前川渝地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)際情況，綜合考慮頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)，成橇后站內(nèi)電纜均需采用地面橋架和穿管敷設(shè)，便于拆除和再利用，提高站場(chǎng)設(shè)備重復(fù)利用率。

（5）結(jié)合國(guó)家“三供一業(yè)”具體要求，為國(guó)有企業(yè)減輕負(fù)擔(dān)，集中精力發(fā)展主營(yíng)業(yè)務(wù)，現(xiàn)階段新增天然氣生產(chǎn)站場(chǎng)供電均采用地方電網(wǎng)，逐步減少、取消10 kV 及以上電壓等級(jí)的石油內(nèi)網(wǎng)建設(shè)，因此，強(qiáng)弱電整體成橇后，用電信息采集和電能管理系統(tǒng)是必不可少的一部分[6]。

2.2 成橇方案

2.2.1 布局

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和成橇需求分析，本強(qiáng)弱電成橇方案布局主要分為兩個(gè)部分：供配電系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)。

供配電系統(tǒng)主要包括高壓進(jìn)線柜、變壓器以及低壓柜（含保護(hù)系統(tǒng)）等設(shè)備。按照國(guó)家“三供一業(yè)”具體要求，生產(chǎn)井站10 kV供電電源從地方10 kV架空線路“T”接而來(lái)，在距井站圍墻1.5倍桿高處采用鎧裝電纜直埋入站，進(jìn)站后采用地面橋架或鋼管的方式敷設(shè)至強(qiáng)弱電橇，并采用插接裝置，通過(guò)橇上強(qiáng)電接線窗口從橇側(cè)面進(jìn)入橇內(nèi)。

信息化系統(tǒng)主要包括UPS 柜、RTU 柜、通信柜、物聯(lián)網(wǎng)柜、操作臺(tái)、手提式二氧化碳滅火器以及用于橇內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)控制的溫感、煙感以及壁掛式空調(diào)等，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和站外信息化電纜同供配電系統(tǒng)一樣，采用地面橋架或鋼管的方式敷設(shè)至強(qiáng)弱電橇，采用密封接頭通過(guò)橇上弱電接線窗口從橇側(cè)面進(jìn)入橇內(nèi)，其平面布置如圖1所示[4]。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸

川渝地區(qū)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按照區(qū)域調(diào)度控制中心（DCC）、區(qū)域控制中心（RCC）、場(chǎng)站控制系統(tǒng)（SCS）三級(jí)設(shè)置，生產(chǎn)數(shù)據(jù)按場(chǎng)站控制系統(tǒng)（SCS）—>區(qū)域控制中心（RCC）—>區(qū)域調(diào)度控制中心（DCC）依次逐級(jí)傳輸。

強(qiáng)弱電橇內(nèi)設(shè)置RTU 系統(tǒng)，完成供配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、UPS 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、繼電保護(hù)控制、工藝過(guò)程控制、氣體泄漏檢測(cè)報(bào)警、安全聯(lián)鎖以及橇內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制等功能，其系統(tǒng)框圖如圖2所示[7]。

圖1 強(qiáng)弱電整體橇裝平面布置Fig.1 Overall skid-mounted plane layout of strong and weak electricity

圖2 強(qiáng)弱電整體成橇后系統(tǒng)框圖Fig.2 System diagram after the strong and weak electricity is integrated into the skid

2.2.3 數(shù)據(jù)列表

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和分析成橇需求具體問(wèn)題，強(qiáng)弱電成橇后需管理的主要數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 強(qiáng)電數(shù)據(jù)Tab.1 Strong electricity data

表2 弱電數(shù)據(jù)Tab.2 Weak electricity data

此外，數(shù)據(jù)組態(tài)從下到上，共分為五級(jí)，各級(jí)組態(tài)數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

（1）站場(chǎng)：常規(guī)數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。常規(guī)數(shù)據(jù)在RTU 系統(tǒng)中編程組態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中編程組態(tài)；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)讀取RTU 系統(tǒng)中的常規(guī)數(shù)據(jù)，寫(xiě)入RTU物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；RTU報(bào)警連鎖邏輯應(yīng)將物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)納入。

（2）中心站（SCS）：常規(guī)數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)。常規(guī)數(shù)據(jù)（RTU 系統(tǒng)）和物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）進(jìn)入I/O 數(shù)據(jù)庫(kù)，并擴(kuò)容組態(tài)顯示畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)控制功能；物聯(lián)網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)（物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，指設(shè)備屬性等變化不明顯或不變的數(shù)據(jù)）不進(jìn)入I/O 數(shù)據(jù)庫(kù)，僅增加組態(tài)畫(huà)面，展示所有靜態(tài)數(shù)據(jù)，包括歷史和事件紀(jì)錄查詢，以及根據(jù)數(shù)據(jù)分析要求的曲線展示等[4]。

（3）區(qū)域控制中心（RCC）：常規(guī)數(shù)據(jù)。接入RCC系統(tǒng)，并擴(kuò)容組態(tài)畫(huà)面。

（4）區(qū)域調(diào)度管理中心（DCC）：常規(guī)數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。區(qū)域調(diào)度管理中心常規(guī)數(shù)據(jù)接入?yún)^(qū)域數(shù)據(jù)，并擴(kuò)容組態(tài)畫(huà)面；區(qū)域OPC 服務(wù)器物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)從站場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)采集并上傳到物聯(lián)網(wǎng)OPC 服務(wù)器，再上傳到生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)。

（5）生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)：常規(guī)數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。從區(qū)域調(diào)度管理中心（DCC）采集常規(guī)數(shù)據(jù)，從區(qū)域OPC服務(wù)器采集物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2.4 三維視圖

為更加凸顯強(qiáng)弱電成橇優(yōu)勢(shì)，給出了本方案的三維視圖，從視覺(jué)上顯現(xiàn)出了強(qiáng)弱電成橇后的特點(diǎn)，如圖3所示。

2.2.5 主要特點(diǎn)

（1）接線簡(jiǎn)單，施工周期短。橇體地面無(wú)基礎(chǔ)化安裝，配合地面電纜敷設(shè)方式，電纜采用側(cè)面進(jìn)線，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量和安裝時(shí)間。

圖3 強(qiáng)弱電整體成橇透視圖Fig.3 Overall skid-mounted perspective drawing of strong and weak electricity

（2）室內(nèi)作業(yè)，節(jié)約成本。大部分工作在工廠完成，現(xiàn)場(chǎng)只需將橇體放置在“鉆前工程一體化”硬化后的地面便可使用。

（3）零開(kāi)挖，結(jié)合“鉆前工程一體化”和電纜內(nèi)部敷設(shè)，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)零開(kāi)挖施工建設(shè)。

（4）結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約空間。橇體采用密集型布局，布局緊湊，可大大減少占地。

（5）搬遷方便，便于流動(dòng)。無(wú)基礎(chǔ)化安裝，搬遷重復(fù)利用率高。

（6）集成度高，綜合考慮供配電、自控、通信以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在天然氣生產(chǎn)井站的應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的強(qiáng)弱電成橇方案，能有效地解決現(xiàn)場(chǎng)施工周期短、施工現(xiàn)場(chǎng)交叉作業(yè)面多、鉆前工程一體化后重復(fù)施工現(xiàn)象嚴(yán)重以及“三供一業(yè)”后外電存在盲區(qū)等問(wèn)題。通過(guò)合理布置橇內(nèi)設(shè)備，即減少了地面工程建設(shè)可視化設(shè)備數(shù)量，又減少了工程投資，并簡(jiǎn)化了地面工程建設(shè)流程，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[8]。