物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在天然氣分離計量集成裝置改進中的應用

張煒 粟鵬 劉啟聰 李蔚熹 伍坤一

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦

國際電信聯(lián)盟定義的“物聯(lián)網(wǎng)”是指通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油田的應用主要是利用各種傳感器對油田生產(chǎn)過程與環(huán)節(jié)對象進行實時數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳到控制中心進行數(shù)據(jù)處理和應用，通過分析結(jié)果再對檢測對象進行實時反饋、控制[2-5]。

“十二五”期間，中國石油啟動建設(shè)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(A11)項目，通過傳感、射頻、通信等技術(shù)，對油氣水井、計量間、油氣站庫、油氣管網(wǎng)等生產(chǎn)對象進行全面感知，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息集中管理和控制[3-6]?！笆濉逼陂g，隨著我國油氣勘探開發(fā)力度的加大、信息采集與智能計算技術(shù)的迅速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的廣泛應用以及與傳感網(wǎng)結(jié)合的不斷深入，油氣田大規(guī)模運用物聯(lián)網(wǎng)的時機日趨成熟。

1 天然氣分離計量集成裝置

油氣田地面系統(tǒng)的一體化集成裝置是在工藝流程優(yōu)化簡化的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合地面建設(shè)特點和規(guī)模，將設(shè)備制造、自動控制等技術(shù)有機融合，多功能高度集成，形成滿足生產(chǎn)流程和過程控制要求的定型產(chǎn)品，可替代部分常規(guī)中小型站場和常規(guī)站場生產(chǎn)單元，其主要優(yōu)勢在于可工廠預制、節(jié)約用地、可拆遷利舊，在節(jié)省投資、縮短建設(shè)周期、減少勞動定員等方面效果顯著。本文以立式分離計量集成裝置為例介紹一種基于物聯(lián)網(wǎng)基本概念的改進方案[7-10]。

1.1 裝置簡介

該裝置為適應中國石油西南油氣田某區(qū)塊現(xiàn)場工況研制，除分離計量之外還具備除砂功能，適用于含砂的天然氣分離計量單井站。

裝置由橇座、除砂器、立式重力分離器、流量計、安全閥、液位計、壓力表、電動(或氣動)控制閥以及相應的管路、管件、閥門組成，并配備有RTU控制系統(tǒng)。該裝置流程如圖1所示。

1.2 裝置自控系統(tǒng)

本方案自控系統(tǒng)集成于橇塊之上，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、監(jiān)視、報警、控制等功能，無需依托站場建設(shè)控制室。

1.2.1檢測與控制功能

裝置采用氣液混輸工藝，主要檢測和控制方案如下。

(1)分離器配置毛細管雙法蘭差壓液位變送器及高壓玻璃板液位計、氣動排液球閥，實現(xiàn)對液位就地顯示、遠傳；由控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)置高、低液位報警，并通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)對氣動排液球閥的閉環(huán)控制，即高液位自動打開氣動排液閥，低液位自動關(guān)閉氣動排液閥，實現(xiàn)分離器液位自動排液控制。氣動排液控制閥具備閥位信號反饋功能。

(2)分離器出口天然氣管線設(shè)置標準節(jié)流孔板閥和智能差壓流量變送器對天然氣計量，系統(tǒng)組態(tài)顯示天然氣瞬時流量和累計流量。

(3)分離器排液量計量采用容積法，即排液量由控制系統(tǒng)按分離器有效容積和排液次數(shù)進行計算，實現(xiàn)排液量的累計計量。

1.2.2主要設(shè)備選擇

(1)選用一套RTU系統(tǒng)控制柜(箱)實現(xiàn)裝置數(shù)據(jù)采集及與上位機通訊?？刂乒?箱)選用防爆產(chǎn)品。

(2)天然氣流量計量采用標準節(jié)流孔板閥配套智能差壓流量變送器，對裝置出口天然氣進行計量。

(3)液位檢測選用雙法蘭差壓液位計及高壓玻璃板液位計對液位進行檢測。

(4)分離器液位排液控制閥采用氣動高壓V型球閥。

(5)選用1套氣源處理裝置，對分離器出口天然氣進行過濾、減壓等處理，達到氣動球閥的氣源要求。

(6)儀表的保護等級不低于IP65,儀表及電氣附件防爆等級不低于Ex dⅡBT4。

1.2.3采集的主要數(shù)據(jù)

本裝置的數(shù)據(jù)采集點如表1所列。

1.2.4主要設(shè)備配置

裝置選用主要設(shè)備及規(guī)格如表2所列。

表2 主要設(shè)備一覽表名稱規(guī)格數(shù)量備注RTU不少于1路RS232、2路RS485、1路RJ45。卡件預留20%備用1AI:2DI:2DO:1RS485:1防爆控制柜(長×寬×高)600mm×250mm×800mm1觸摸屏7inch(1inch=25.4mm)1含組態(tài)軟件壓力表10MPa1標準孔板閥10MPa,DN50mm1智能差壓流量變送器10MPa1差壓液位變送器800mm,10MPa1高壓玻板液位計800mm,10MPa1兩位式氣動排液閥10MPa,DN25mm1

1.3 存在問題

上述方案技術(shù)成熟可行，但在現(xiàn)場應用中存在以下3個問題。

(1)因裝置處于防爆區(qū)域內(nèi)，只有在停產(chǎn)檢修時才能對非防爆的觸摸屏進行操作，而在生產(chǎn)過程中不能對非防爆的觸摸屏進行觸控操作。若更換成防爆型的觸摸屏，則會因其購置費昂貴且可選擇品牌單一，提高整個裝置的制造運行成本，經(jīng)濟性較差。

(2)裝置內(nèi)的智能型儀表設(shè)備自診斷功能未能充分利用，對智能儀表健康狀態(tài)的判斷往往依靠操作人員的現(xiàn)場經(jīng)驗。目前，油氣行業(yè)對智能儀表的使用多限于監(jiān)測實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對儀表自身屬性參數(shù)數(shù)據(jù)缺乏關(guān)注，使用中往往沒有采集。用戶對智能儀表設(shè)備的健康狀態(tài)及故障原因不能及時掌握，影響裝置正常運行管理。

(3)裝置的日常巡檢維護記錄依賴傳統(tǒng)人工紙質(zhì)記錄方式，這種方式存在兩個弊端：一是人工記錄時有錯記漏記的可能；二是人工記錄沒有時間戳的約束，即使巡檢中出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象，也可事后人為修改記錄。

2 改進方案

2.1 改進思路

針對第1.3節(jié)中提出的3個問題，可嘗試利用基于物聯(lián)網(wǎng)的基本概念確定改進思路。

(1)體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)M2M(Machine to Machine)的特點，將非防爆觸摸屏與防爆區(qū)安全距離外的遠程工控終端“物物相連”，實現(xiàn)觸摸屏操作。

(2)發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的精細化設(shè)備管理能力，采集智能儀表設(shè)備屬性參數(shù)，在系統(tǒng)中開發(fā)相應的智能儀表設(shè)備管理功能，監(jiān)測儀表健康狀態(tài)，甚至預判故障發(fā)生[11]。

(3)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅提升對“物”的管控水平，也可對巡檢人員的行為進行監(jiān)視，督促人員定期檢查維護一些目前難以實現(xiàn)自動控制但又非常重要的環(huán)節(jié)。若將巡檢記錄功能集成于裝置系統(tǒng)內(nèi)，既可保證記錄的準確性和及時性，客觀上也實現(xiàn)了對巡檢人員的管理，一定程度上提高了巡檢工作質(zhì)量。

2.2 改進方案

基于以上思路對裝置進行改進，新增“就地無線網(wǎng)絡(luò)連接及調(diào)試操作”“智能儀表設(shè)備物聯(lián)管理”“裝置日常巡檢及檢維修記錄”3部分功能。

2.2.1就地無線網(wǎng)絡(luò)連接及調(diào)試操作功能

RTU和觸摸屏安裝在集成于橇塊之上的防爆控制箱內(nèi)，正常生產(chǎn)時通過柜門上的玻璃觀察窗查看生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)。只有待停產(chǎn)檢修才能對非防爆的觸摸屏進行操作，使得觸摸屏使用受限，影響其功能發(fā)揮。

為解決正常生產(chǎn)時無法操作的問題，更好發(fā)揮觸摸屏功能，提出了以下措施。

(1)在防爆箱內(nèi)加裝工業(yè)級WIFI路由設(shè)備，通過網(wǎng)線與觸摸屏連接(見圖2)。

(2)將WIFI路由天線通過防爆接線孔延長至非防爆區(qū)域，實現(xiàn)WIFI信號覆蓋。

(3)在防爆區(qū)安全距離之外的工控終端設(shè)備上安裝觸摸屏組態(tài)軟件，并將其無線網(wǎng)卡IP地址設(shè)為與WIFI路由器相同網(wǎng)段，實現(xiàn)終端設(shè)備與觸摸屏的網(wǎng)絡(luò)連接。

(4)用工控終端設(shè)備上安裝的觸摸屏組態(tài)軟件，遠程等同操控觸摸屏。

改進之后在工控終端上即可使用鼠標代替觸摸屏完成數(shù)據(jù)修改等常規(guī)操作，滿足了防爆區(qū)域安全距離要求，實現(xiàn)對防爆控制柜內(nèi)的觸摸屏實時在線操作，有效提高了設(shè)備利用率。

這樣在不影響生產(chǎn)安全的前提下，可滿足防爆區(qū)域安全距離要求，實現(xiàn)對防爆控制柜內(nèi)的觸摸屏實時在線操作，極大地提高了設(shè)備利用率。

2.2.2智能儀表設(shè)備管理功能

一體化集成裝置具有可移動、可復用的特點，橇上智能儀表設(shè)備可能會因為搬遷進行更換，設(shè)備自身屬性參數(shù)如出廠日期、故障信息等均發(fā)生變化，需及時更新以便跟蹤該設(shè)備使用情況。智能儀表多采用HART(highway addressable remote transducer)通信協(xié)議，協(xié)議數(shù)字信號中包含了來自設(shè)備的信息，包括設(shè)備狀態(tài)、診斷、計算值等。利用這些信息可實現(xiàn)監(jiān)測儀表故障、判斷健康狀態(tài)、遠程診斷等功能。在日益嚴格的設(shè)備精細化管理要求背景下，采集智能儀表設(shè)備信息拓展應用，提升設(shè)備管理水平尤為必要[11]。

具體現(xiàn)場實施時，在防爆控制箱內(nèi)加裝HART數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)對智能變送器的設(shè)備狀態(tài)信息采集，HART數(shù)據(jù)采集模塊連接拓撲圖及安裝圖如圖3和圖4所示。

智能儀表設(shè)備管理功能開發(fā)采用基于Windows系統(tǒng)的圖形化界面，主要實現(xiàn)以下功能。

(1)自動檢測與系統(tǒng)相連的智能儀表，無需專門設(shè)定智能儀表地址。

(2)在線監(jiān)測與系統(tǒng)相連的智能儀表的健康狀況并報警。

(3)可在線診斷儀表故障，如儀表無反應、EEPROM故障、傳感器老化/故障、導壓管堵塞等。

(4)可在工控終端中快速完成回路測試、連聯(lián)調(diào)試，并自動生成狀態(tài)報告。

(5)可在線進行智能儀表組態(tài)修改，并在數(shù)據(jù)庫中自動記錄該事件；可對儀表進行預組態(tài)，當該儀表安裝好時直接下載到該儀表中。

圖5即為遠程工控終端中對設(shè)備信息的綜合解析畫面。

2.2.3裝置日常巡檢及檢維修記錄功能

為了實現(xiàn)對裝置巡檢和檢維修情況可追溯，落實責任人員，需增加對裝置日常巡檢及維修記錄的功能。

利用RTU編程組態(tài)及存儲可擴展的功能，新增用于巡檢及檢維修記錄存儲的數(shù)據(jù)字段，實現(xiàn)記錄的存儲、查詢和顯示。

觸摸屏顯示檢維修人員的操作記錄如圖6所示。

遠程工控終端界面顯示記錄如圖7所示。

2.3 裝置改進后功能對比

裝置改造前后功能對比見表3。

從表3可看出，第13～第19項為本裝置新增功能點，這些新增功能點具有物聯(lián)網(wǎng)基本特征，如利用無線網(wǎng)絡(luò)在遠程工控終端模擬操控觸摸屏上體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)典型的M2M特征；智能儀表設(shè)備的信息采集及管理、操作維護記錄等也是物聯(lián)網(wǎng)概念的拓展應用。

3 結(jié)語

本改進方案已在生產(chǎn)現(xiàn)場實施，“就地無線網(wǎng)絡(luò)連接及調(diào)試操作”功能、“智能儀表設(shè)備管理”功能和“裝置日常巡檢及檢維修記錄”功能具備物聯(lián)網(wǎng)基本特征，經(jīng)測試滿足使用要求，自控系統(tǒng)整體運行正常，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)管理需求，提高了設(shè)備利用率及設(shè)備管理水平，保證了日常巡檢工作質(zhì)量，降低了員工勞動強度。

表3 裝置改進前后自控功能對比表序號功能描述改進前改進后1實時數(shù)值就地顯示√√2實時數(shù)值網(wǎng)絡(luò)上傳√√3就地參數(shù)設(shè)置√√4遠程參數(shù)設(shè)置√√5就地手動控制√√6遠程手動控制√√7計量功能及參數(shù)設(shè)置√√8自動連鎖√√9用戶權(quán)限控制√√10有線網(wǎng)絡(luò)接入√√11報警顯示√√12報表生成√√13利用WIFI無線進行設(shè)置√14利用WIFI無線進行顯示√15利用WIFI無線進行控制√16智能儀表設(shè)備信息采集√17智能儀表設(shè)備管理√18操作歷史記錄√19檢維修記錄√

在此基礎(chǔ)上，可在系統(tǒng)使用的便利性上做進一步改進完善，如除智能儀表設(shè)備之外的靜設(shè)備上加裝射頻識別標簽(radio frequency identification,RFID)，寫入更多設(shè)備屬性參數(shù)，如歷史故障、檢修情況、設(shè)備負責人等信息。同時，為巡檢人員配置內(nèi)置標簽閱讀器的防爆手持終端,可更便捷地完成日常巡檢任務。