基于云平臺的智能化儲氣系統(tǒng)設(shè)計

張 磊

( 中油(新疆)石油工程有限公司,新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

天然氣具有環(huán)保清潔的特點(diǎn)，可以滿足生態(tài)環(huán)保需求、提升居民的生活質(zhì)量，為完善城市功能作出巨大貢獻(xiàn)。隨著天然氣需求的不斷增加，天然氣逐漸出現(xiàn)供需失衡問題。為了促使天然氣滿足人們的生活需求[1-2]，天然氣儲備問題受到眾多研究學(xué)者重視。當(dāng)天然氣無法滿足人們使用需求時，可以通過抽取存儲的天然氣保障人們的充足用氣。地下儲氣庫具有儲氣量大、經(jīng)濟(jì)效益高的優(yōu)勢[3]。地下儲氣庫常應(yīng)用于冬季，可以保障天然氣的平穩(wěn)供給。

云平臺具有極強(qiáng)的分布式存儲水平以及并行計算能力，可以為用戶提供所需的服務(wù)。云平臺針對不同用戶提供不同的資源以及控制權(quán)限[4]，為用戶使用平臺提供了更高的安全性。云平臺用戶可以使用平臺內(nèi)共享資源池中的開發(fā)工具、服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等各項(xiàng)服務(wù)。云平臺無需通過資源提供商與用戶的交互，即可獲取高效的服務(wù)[5]。云平臺是信息技術(shù)高速發(fā)展而來的產(chǎn)物，是共享基礎(chǔ)架構(gòu)的重要平臺。云平臺利用云計算技術(shù)連接眾多資源池，通過互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供服務(wù)。目前，云平臺已普遍應(yīng)用于通信、電力領(lǐng)域，是信息技術(shù)行業(yè)的熱門話題。

地下儲氣庫是儲存天然氣的重要場所，通過注采井實(shí)現(xiàn)氣體的存儲與輸送。注采井需具有服役時間長以及密封性好的特點(diǎn)[6]。目前，眾多研究學(xué)者針對儲氣庫進(jìn)行研究。秦山和徐俊杰等分別針對枯竭型氣藏儲氣庫以及輸氣管道配套儲氣庫的完井工藝以及庫容評估進(jìn)行研究[7-8]，優(yōu)化了儲氣庫的完井工藝和庫容評價技術(shù)。以上方法雖然實(shí)現(xiàn)了儲氣庫完井工藝以及儲氣庫庫容的深入評價，但是并未考慮儲氣庫儲氣流量以及注采井安全問題。

本文設(shè)計了基于云平臺的智能化儲氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)集中管控地下儲氣庫的注采井井口，通過注采井的智能控制保障地下儲氣庫的運(yùn)行安全性以及可靠性，為地下儲氣庫的頻繁操作提供良好的基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)

云平臺是基于海量數(shù)據(jù)分析而來的，具有高效的數(shù)據(jù)分析能力。本文設(shè)計的基于云平臺的智能化儲氣系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure diagram

由圖1可知，基于云平臺的智能化儲氣系統(tǒng)主要包括用戶層、業(yè)務(wù)層、技術(shù)層以及基礎(chǔ)設(shè)施層。

①用戶層。用戶層為智能化儲氣系統(tǒng)提供智能化儲氣相關(guān)的各項(xiàng)服務(wù)，包括用戶信息服務(wù)、用戶應(yīng)用管理以及云應(yīng)用商店三種服務(wù)。

②業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層采用云計算技術(shù)，為用戶提供智能化儲氣系統(tǒng)各項(xiàng)應(yīng)用的引擎以及算法。業(yè)務(wù)層中的引擎模塊主要包括主引擎、技術(shù)子引擎以及展現(xiàn)子引擎。主引擎用于解析智能化儲氣系統(tǒng)各項(xiàng)應(yīng)用的流程，確定各項(xiàng)應(yīng)用的優(yōu)先級。技術(shù)子引擎用于解析主引擎下發(fā)的各項(xiàng)應(yīng)用任務(wù)，為各項(xiàng)應(yīng)用調(diào)取相應(yīng)的技術(shù)組件，將調(diào)取結(jié)果返回至主引擎。展現(xiàn)子引擎用于解析智能化初期系統(tǒng)的報表，將所生成的應(yīng)用報表返回至主引擎。業(yè)務(wù)層具有良好的數(shù)據(jù)擴(kuò)展功能。開發(fā)工具模塊用于開發(fā)系統(tǒng)各項(xiàng)智能化儲氣相關(guān)的業(yè)務(wù)流程[9]。支撐模塊用于為系統(tǒng)提供安全、可靠的云平臺并行運(yùn)行環(huán)境。支撐模塊通過分布式文件系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)，選取Map-Reduce并行計算框架實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的并行計算。管理模塊主要針對云平臺的管理人員設(shè)置。云平臺管理人員可以管理系統(tǒng)用戶、系統(tǒng)智能化儲氣相關(guān)應(yīng)用、系統(tǒng)開發(fā)所需要的各種組件以及系統(tǒng)中包含的智能化儲氣相關(guān)的海量數(shù)據(jù)。

③技術(shù)層。技術(shù)層包含智能化儲氣系統(tǒng)各項(xiàng)應(yīng)用所需的技術(shù)，供技術(shù)子引擎調(diào)用。技術(shù)層為系統(tǒng)提供處理海量應(yīng)用數(shù)據(jù)的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多種并行處理算法，從而通過云計算技術(shù)提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理水平。

④基礎(chǔ)設(shè)施層?；A(chǔ)設(shè)施層主要包括天然氣傳感模塊和井口安全控制模塊?；A(chǔ)設(shè)施層為系統(tǒng)提供硬件支持。

用戶通過用戶層提交所需的地下儲氣庫的智能化儲氣服務(wù)。用戶層將所接收的服務(wù)傳送至業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層中的引擎模塊、開發(fā)工具模塊、支撐模塊、管理模塊相互合作，為云平臺用戶提供云服務(wù)?；A(chǔ)設(shè)施層將多個天然氣傳感模塊設(shè)置于地下儲氣庫的注采井中，通過天然氣傳感模塊采集注采井內(nèi)的天然氣濃度、液壓等數(shù)據(jù)。依據(jù)所采集的天然氣相關(guān)數(shù)據(jù)，以及技術(shù)層的天然氣預(yù)警技術(shù)，可確定天然氣是否在安全濃度范圍內(nèi)。本設(shè)計采用比例積分微分(proportional integral differential，PID)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制算法，利用基礎(chǔ)設(shè)施層的井口安全控制模塊，控制地下儲氣庫注采井井口安全閥的關(guān)斷。系統(tǒng)的智能化儲氣的全過程在業(yè)務(wù)層完成。業(yè)務(wù)層的虛擬機(jī)遷移控制方法可以降低云平臺的資源消耗，從而提升云平臺的運(yùn)算效率。

2 硬件設(shè)計

2.1 天然氣傳感模塊

天然氣傳感模塊設(shè)置于系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層。天然氣傳感設(shè)施選取具有較高精度以及較高可靠性的元件。所選取的天然氣傳感元件應(yīng)具有低成本以及低功耗的特點(diǎn)。天然氣傳感模塊的傳感元件選用MJC4/3.0J芯片。該芯片的額定電壓和額定電流分別為3 V以及120 mA,可滿足天然氣傳感元件的低功耗需求。

天然氣傳感器主要包括測量補(bǔ)償元件和天然氣監(jiān)測元件。這兩個元件組成模塊中的電橋的兩個臂。當(dāng)天然氣中可燃燒氣體增加時，天然氣傳感元件電阻提升，電壓值變化由橋路輸出。伴隨著天然氣中可燃燒物質(zhì)濃度的提升[10]，電壓變量數(shù)值相應(yīng)提升。天然氣傳感模塊利用補(bǔ)償元件實(shí)現(xiàn)溫濕度補(bǔ)償。MJC4/3.0J芯片具有響應(yīng)速度快、測量精度高、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，可在復(fù)雜環(huán)境下工作，適用于地下儲氣庫工作環(huán)境。MJC4/3.0J芯片采樣調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 MJC4/3.0J芯片采樣調(diào)理電路Fig.2 MJC4/3.0J chip sampling conditioning circuit

圖2中：Header為插針連接器。由圖2可知，催化燃燒式天然氣傳感器MJC4/3.0J芯片具有較小的輸出電壓幅值，通過設(shè)置調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)電壓值的精準(zhǔn)采集預(yù)處理[11]。前置的電壓跟隨器應(yīng)用于運(yùn)算放大器電路中，以保障天然氣傳感器采樣值更加精準(zhǔn)。采樣值被設(shè)置為下一級的驅(qū)動。采樣電壓值利用直流電壓負(fù)反饋電路進(jìn)行放大。放大后的采樣電壓值輸出至下一級模擬/數(shù)字(analog/digital,A/D)轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)技術(shù)層，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。

2.2 井口安全控制模塊

井口安全控制模塊設(shè)置于系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層。井口安全控制模塊用于保障地下儲氣庫的注采井安全運(yùn)行。智能化儲氣系統(tǒng)的井口安全控制模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 井口安全控制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of wellhead safety control module

從圖3可以看出，井口安全控制模塊包含井下安全閥、高低壓控制閥、井口液壓控制單元、地面安全閥以及易熔塞等設(shè)施。這些設(shè)施共同實(shí)現(xiàn)注采井井口的有效控制，保障注采井井口可以根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)斷控制[12]，令智能化儲氣系統(tǒng)監(jiān)控的地下儲氣庫注采井保持安全運(yùn)行狀態(tài)。注采井井口安全閥的關(guān)斷控制采用PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制算法實(shí)現(xiàn)。

井口液壓控制單元是井口安全控制模塊中的重要部分。井口液壓控制單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 井口液壓控制單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of wellhead hydraulic control unit

由圖4可知，井口液壓控制單元中設(shè)置了液壓裝置驅(qū)動。選取電-液綜合控制單元控制井口液壓控制柜。電-液綜合控制單元通過 PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制算法控制井下以及地面安全閥的關(guān)閉以及開啟。井口液壓控制單元的主體控制包括地面以及井下安全閥控制兩部分。液控閥利用先導(dǎo)壓力進(jìn)行控制[13]。動力路導(dǎo)通與關(guān)閉利用液控閥進(jìn)行控制。液控閥可控制天然氣輸氣管線，用于開啟或關(guān)閉地面以及井下安全閥。

3 軟件設(shè)計

3.1 PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的注采井井口安全閥智能控制

智能化儲氣系統(tǒng)的主要作用是保障地下儲氣庫內(nèi)存儲的天然氣可以緩解天然氣供需不平衡問題。注采井井口安全閥啟動與閉合的傳遞函數(shù)利用PID控制器的自抗擾控制方式建立，為:

(1)

式中：G1(s)與G2(s)為注采井井口安全閥的開啟以及關(guān)閉控制函數(shù)；s為注采井井口面積；e為模糊傳遞常數(shù)。

注采井井口安全閥采用PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制算法控制。注采井井口安全閥運(yùn)行的主要參數(shù)為天然氣流量以及液壓壓力。注采井井口安全閥控制的PID模糊決策輸出測量誤差為：

(2)

式中：z1為注采井井口安全閥的時滯函數(shù)；z2為注采井井口安全閥的狀態(tài)變量；β1、β2、σ、b均為可調(diào)參數(shù)。

PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制算法中，輸入層的第j個神經(jīng)元狀態(tài)為uj。依據(jù)uj值輸入注采井井口安全閥的新訓(xùn)練向量。輸入向量x(t)與神經(jīng)元netj耦合實(shí)現(xiàn)安全閥控制的級聯(lián)反饋調(diào)節(jié)。利用模糊PID決策方法自適應(yīng)處理注采井井口安全閥控制參量，則注采井井口安全閥控制函數(shù)為：

(3)

式中：Kp1為注采井井口安全閥的天然氣流量。

(4)

式中：KP2為注采井井口安全閥的液壓壓力增益。

通過優(yōu)化求解式(3)、式(4)控制函數(shù)，可以獲取注采井井口安全閥控制的最終控制律為：

(5)

式中：Qo與Qc為開啟與關(guān)閉注采井井口安全閥的流量；To與Tc為開啟與關(guān)閉注采井井口安全閥的液壓壓力；Ts與Tt為PID控制的時滯項(xiàng)。注采井井口安全閥的智能控制，通過PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制算法的自適應(yīng)參量調(diào)節(jié)與訓(xùn)練學(xué)習(xí)完成。

3.2 云平臺的虛擬機(jī)遷移控制

智能化儲氣系統(tǒng)通常運(yùn)行于未通過虛擬化的集群中。智能化儲氣系統(tǒng)的云平臺需要依據(jù)所提供和需求的物理資源，以及系統(tǒng)用戶的動態(tài)申請，實(shí)現(xiàn)其遷移和運(yùn)行。云平臺需通過虛擬機(jī)遷移或部署至物理服務(wù)器中，并通過物理服務(wù)器提升云平臺的資源利用率與服務(wù)質(zhì)量，以降低云平臺能耗?；谠破脚_的智能化儲氣系統(tǒng)的虛擬機(jī)遷移控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 虛擬機(jī)遷移控制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Virtual machine migration control structure diagram

云平臺的虛擬機(jī)需運(yùn)行于物理節(jié)點(diǎn)中。云平臺對物理節(jié)點(diǎn)中的信息進(jìn)行分析。云平臺的全局監(jiān)控器從智能化儲氣云計算集群中獲取不同物理節(jié)點(diǎn)的信息，充分考慮云平臺中虛擬機(jī)負(fù)載情況，獲取最優(yōu)云平臺部署策略，完成智能化儲氣系統(tǒng)云平臺物理服務(wù)器的資源調(diào)度。

4 應(yīng)用效果測試

為了驗(yàn)證設(shè)計系統(tǒng)的有效性，以某天然氣公司的地下儲氣庫為試驗(yàn)對象，采用本文系統(tǒng)對地下儲氣庫注采井井口安全閥進(jìn)行控制，并統(tǒng)計控制前后井口的天然氣流量變化情況。天然氣流量變化曲線如圖6所示。

圖6 天然氣流量變化曲線Fig.6 Change curves of natural gas flow

由圖6可知：本文系統(tǒng)采用基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制算法對地下儲氣庫的注采井井口安全閥進(jìn)行控制，井口安全閥動作速度較快，天然氣流量可在10 s之內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定；未采用本文系統(tǒng)智能控制的地下儲氣庫注采井井口安全閥動作速度較慢，在35 s左右才可以實(shí)現(xiàn)流量穩(wěn)定。本文系統(tǒng)采用基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制算法具有明顯的控制效果，提升了地下儲氣庫注采井井口安全閥的響應(yīng)速度。本文系統(tǒng)可在流量接近設(shè)定值時，通過高效的控制算法保障流量穩(wěn)定在設(shè)定值，令地下儲氣庫內(nèi)天然氣穩(wěn)定流動。

統(tǒng)計采用本文系統(tǒng)控制注采井井口安全閥前后，注采井井口安全閥的閥門開度。閥門開度統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。

圖7 閥門開度統(tǒng)計結(jié)果Fig.7 Statistical results of valve opening

采用本文系統(tǒng)控制地下儲氣庫儲氣后，地下儲氣庫注采井井口安全閥長周期穩(wěn)定運(yùn)行。由圖7可知，本文系統(tǒng)具有迅速、精準(zhǔn)的控制效果，令注采井井口安全閥在短時間內(nèi)到達(dá)設(shè)置的閥門開度。本文系統(tǒng)利用基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制算法，依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前饋?zhàn)饔醚a(bǔ)償PID控制器，提升PID控制器的控制性能，令PID控制器具有極高的調(diào)節(jié)速度，以實(shí)現(xiàn)地下儲氣庫注采井井口安全閥的靈活啟閉。

服務(wù)等級協(xié)議(service level agreement,SLA)違背率可以體現(xiàn)云平臺是否滿足智能化儲氣系統(tǒng)的實(shí)時性需求。不同云平臺物理節(jié)點(diǎn)數(shù)量下，本文系統(tǒng)云平臺的SLA違背率統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，伴隨系統(tǒng)運(yùn)行時間的增加，本文系統(tǒng)的SLA違背率有所下降，并均可以保持在10%以下。這表明云平臺的運(yùn)行性能有所提升。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)在不同物理節(jié)點(diǎn)數(shù)量情況下，均可以保障智能化儲氣系統(tǒng)的任務(wù)在云平臺中快速完成，具有較高的運(yùn)算速度。

圖8 SLA違背率統(tǒng)計結(jié)果Fig.8 Statistical results of SLA violation rate

云平臺的內(nèi)存、節(jié)點(diǎn)CPU以及集群帶寬在虛擬機(jī)動態(tài)遷移過程中受到影響。虛擬機(jī)動態(tài)遷移可以提升云平臺的整體能耗。系統(tǒng)云平臺需要保障在最低遷移時間以及遷移次數(shù)下完成運(yùn)行，以獲取最佳的云平臺運(yùn)行效果。智能化儲氣系統(tǒng)運(yùn)行時云平臺的遷移次數(shù)對比如圖9所示。

圖9 遷移次數(shù)對比Fig.9 Comparison of migration times

由圖9可知，在運(yùn)行100 h內(nèi)、物理節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同的情況下，本文系統(tǒng)的遷移次數(shù)均低于400次。該結(jié)果驗(yàn)證了本文系統(tǒng)運(yùn)行云平臺時，具有較少的遷移次數(shù)。本文系統(tǒng)可以有效避免無用遷移情況，通過較少的遷移次數(shù)降低云平臺能耗。本文系統(tǒng)的云平臺通過較少的遷移次數(shù)提升平臺的資源利用率，實(shí)現(xiàn)能耗的有效降低，具有良好的運(yùn)算效果，可以滿足智能化儲氣系統(tǒng)對云平臺的高運(yùn)算性能需求。

將本文系統(tǒng)應(yīng)用于天然氣公司，統(tǒng)計本文系統(tǒng)運(yùn)行過程中的系統(tǒng)操作情況。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如表1所示。由表1可知，本文系統(tǒng)可以滿足智能化儲氣系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)要求，保障地下儲氣庫維持良好的運(yùn)行狀況。智能化儲氣系統(tǒng)可以通過智能化控制方法控制地下儲氣庫注采井井口安全閥，從而保障天然氣良好地注入與采集。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計了基于云平臺的智能化儲氣系統(tǒng)，通過云平臺高效處理海量數(shù)據(jù)的性能，保障地下儲氣庫的安全運(yùn)行?；谠破脚_的智能化儲氣系統(tǒng)保障了地下儲氣庫注采井安全閥的精準(zhǔn)控制，提升了地下儲氣庫的儲氣效率。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)控地下儲氣庫注采井井口的液壓壓力。井口安全控制模塊具有緊急關(guān)斷功能，可保障注采井處于安全狀態(tài)。智能化儲氣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地下儲氣庫生產(chǎn)過程中的高效生產(chǎn)調(diào)度。