抽油機(jī)井摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)研究

史慧（大慶油田國際勘探開發(fā)公司）

鑒于目前北方的油田，為了保證冬季油氣的正常生產(chǎn)，需對部分機(jī)采井采用摻水伴熱生產(chǎn)流程[1]，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中對摻水流量、壓力難于科學(xué)控制。當(dāng)參數(shù)設(shè)置過低時，容易發(fā)生地面管線凍堵，影響正常生產(chǎn)；過高時，相應(yīng)中轉(zhuǎn)站站點(diǎn)的能耗就會增大，造成能源浪費(fèi)。通過開展抽油機(jī)井摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)研究，對于降低抽油機(jī)井及油田轉(zhuǎn)油站的運(yùn)行成本具有重要意義[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

首先對抽油機(jī)井摻水流量自動監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后以STC 單片機(jī)為主控制器[3]，利用PT100 溫度傳感器監(jiān)測井口管內(nèi)流體的實(shí)時溫度，并與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較；由主控制器通過調(diào)節(jié)球閥的開度來控制摻水管流量，從而達(dá)到溫度監(jiān)控的目的。最后由GPRS 通訊模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行墓芾硐到y(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸時遵循TCP/IP協(xié)議[4]。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，及時短信報警，由此實(shí)現(xiàn)井口摻水流量自動監(jiān)測功能。

抽油機(jī)井摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)是一個實(shí)時的、高度自動化的智能監(jiān)控系統(tǒng)。利用與抽油機(jī)井井口管線接觸的PT100溫度傳感器實(shí)時監(jiān)測管內(nèi)流體溫度，由主控制器讀取溫度值并且與溫度設(shè)定值相比較，給出4～20 mA 的控制信號來調(diào)節(jié)球閥開度，從而實(shí)現(xiàn)管內(nèi)流體溫度的動態(tài)保持。

同時，由主控制器將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊傳輸?shù)娇刂浦行墓芾硐到y(tǒng)[5]，出現(xiàn)異常情況時，及時報警并將報警信息發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的負(fù)責(zé)人手機(jī)中。抽油機(jī)井相應(yīng)的管理人員，可以根據(jù)溫度曲線并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際設(shè)定合理的摻水參數(shù)，從而達(dá)到保穩(wěn)產(chǎn)、降能耗的目的。摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)硬件

1.1.1 主控制器模塊

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主控芯片， STC12C5A60S2 單片機(jī)包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、定時/計數(shù)器、UART 串口、串口2、I/O接口、PCA、看門狗、片內(nèi)R/C 振蕩器和外部振蕩電路等模塊。此單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱為一個片上系統(tǒng)[6]。

1.1.2 流量監(jiān)控模塊

流量監(jiān)控模塊由QHZ型電動調(diào)節(jié)球閥組成。通過接收主控制器給出的4～20 mA控制信號來驅(qū)動閥門，以改變閥芯和閥座之間的截面積大小，從而控制摻水管內(nèi)介質(zhì)的流量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動化調(diào)節(jié)功能。電動機(jī)運(yùn)行時，通過齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，由三接頭的滑動變阻器輸出閥門的4～20 mA反饋信號，將反饋信號引入1 個250 Ω 的電阻并轉(zhuǎn)化為1～5 V 電壓信號，而主控制器對此信號做A/D轉(zhuǎn)化。由對應(yīng)的數(shù)字量可知閥門開度，再根據(jù)目前的管線介質(zhì)溫度對調(diào)節(jié)球閥[7]做出下一步的執(zhí)行操作。

球閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接采用直連方式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、質(zhì)量輕、阻力小、動作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。球閥的關(guān)閉件是一個帶孔的球體，球體隨閥桿轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)閥門的開啟或關(guān)閉。調(diào)節(jié)球閥旋轉(zhuǎn)90°即可全關(guān)全開，與相同規(guī)格的閘閥、截止閥比較，球閥體積小、質(zhì)量輕，便于管道安裝。

針對本系統(tǒng)的具體應(yīng)用環(huán)境，選擇電動調(diào)節(jié)閥[8]主要有以下優(yōu)勢：

1）無需特殊的氣源和空氣凈化等裝置，即使電源失電時，也能保持原執(zhí)行位置。

2）可遠(yuǎn)距離傳輸信號，電纜敷設(shè)比氣體、液體管道敷設(shè)方便得多，且便于線路檢查。

3）與計算機(jī)連接方便簡潔，更適應(yīng)采用電子信息新技術(shù)。

1.1.3 溫度監(jiān)測模塊

溫度監(jiān)測模塊主要由PT100 溫度變送器組成。PT100 是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT 后的100 即表示它在0 時阻值為100 Ω，在100 ℃時它的阻值約為138.5 Ω。其工作原理是：在0 時它的阻值為100 Ω，且會隨著溫度上升而成近似勻速增長；但它們之間的關(guān)系并不是簡單的正比關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于1條拋物線。

PT100 溫度變送器直接安裝于PT100 接線盒內(nèi)（與不同結(jié)構(gòu)形式的鉑電阻構(gòu)成熱電阻一體化溫度變送器），將PT100 信號轉(zhuǎn)化為二線制4～20 mA輸出。

1.1.4 GPRS通訊模塊

通過GPRS 通訊模塊將主控制器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到特定公網(wǎng)IP的設(shè)定端口上，即控制中心管理系統(tǒng)的監(jiān)聽端口，并在發(fā)生故障時向控制中心發(fā)送遠(yuǎn)程報警信號。GPRS 通訊模塊與主控制器的串行口2進(jìn)行全雙工通信，向控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)時遵循TCP/IP通信協(xié)議，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，可靠性高。

1.1.5 供電電源模塊

本系統(tǒng)通過UPS 電源模塊將220 V 交流電轉(zhuǎn)換成24 V 和5 V 直流電給系統(tǒng)供電，且配有后備電池。由UPS 電源模塊同時給出220 V 掉電和電池低電壓2路TTL電平報警信號。正常工作狀態(tài)下，備用電瓶處于充電狀態(tài)，一旦220 V 突然掉電，在0 時間內(nèi)切換到電瓶供電模式，同時發(fā)出220 V 掉電報警信號。電池獨(dú)立供電時間可達(dá)1 周左右.在電瓶電量即將耗盡時，還會發(fā)出電瓶電壓過低的報警信號，報警狀態(tài)由GPRS通訊模塊實(shí)時發(fā)出。

整套系統(tǒng)都放在密閉的防爆殼體內(nèi)，各個箱體之間的接線通過防爆軟管密封，系統(tǒng)工作時具有較高的可靠性。

1.2 系統(tǒng)軟件流程

本系統(tǒng)的總體軟件流程主要包括：

1）判斷220 V是否掉電，備用電池是否電壓低并做相應(yīng)的處理。

2）讀取監(jiān)測點(diǎn)溫度信號，通過控制器A/D 轉(zhuǎn)換將所得溫度值與設(shè)定溫度值相比較，判斷溫差是否在精度允許范圍內(nèi)，由比較結(jié)果決定對球閥的操作。

3）讀取閥門的反饋信號，判斷球閥的開度，閥門開大或關(guān)小后，再次讀取溫度傳感器值，由溫差變化來決定下一步執(zhí)行操作。摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)流程

4）通過定時器定時，以固定的時間間隔由GPRS 通訊模塊將相應(yīng)的數(shù)據(jù)按規(guī)定格式發(fā)送到計算機(jī)控制中心系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)現(xiàn)場試驗

某采油隊共有帶摻水生產(chǎn)流程抽油機(jī)井49口，配套摻水爐1 臺，摻水泵2 臺（運(yùn)行1 臺，備用1 臺）。每年摻水生產(chǎn)階段為10 月初至次年4 月初，約180天。

在抽油機(jī)井口安裝摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)[9]，記錄未投用前相應(yīng)的回油溫度、摻水壓力、摻水泵排量、摻水爐耗氣值。利用摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)逐漸調(diào)小回油溫度設(shè)定值，并記錄其他參數(shù)變化情況（表1）。

表1 回油溫度、摻水壓力等參數(shù)的設(shè)定

以摻水爐、摻水泵均運(yùn)行在合理范圍為參數(shù)設(shè)定依據(jù)[10]，選取回油溫度為40 ℃的相應(yīng)參數(shù)，并更換46 m3/h的摻水泵1臺。

某采油隊?wèi)?yīng)用摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)后，摻水爐日節(jié)氣900 m3，年節(jié)氣約16.2×104m3；摻水泵日節(jié)電1 560 kWh，年節(jié)電約28.08×104kWh；年度摻水周期內(nèi)減少處理地面管線凍堵2次；年節(jié)省運(yùn)行成本約58.9萬元。

3 結(jié)論

應(yīng)用摻水流量自動監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)摻水流量的智能監(jiān)測與調(diào)節(jié)，簡化操作流程，降低冬季巡檢的勞動強(qiáng)度，還能對冬季摻水伴熱生產(chǎn)流程進(jìn)行24 h監(jiān)控。當(dāng)管線中油氣介質(zhì)溫度低于設(shè)定溫度時及時報警，管理人員可對潛在的生產(chǎn)問題進(jìn)行預(yù)判，并采取相應(yīng)的處理措施。在實(shí)時摻水溫度、流量數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的支撐下，可以更科學(xué)合理地制定摻水壓力、溫度、流量等參數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，具有一定的推廣前景。