氣田站場無人值守檢測監(jiān)控儀器儀表應(yīng)用

周海川,賀圣桓,龔云洋

(中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司 采氣三廠,四川 德陽 618100)

隨著遠(yuǎn)傳儀表及通信技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的“人工采集-巡檢上報”模式已經(jīng)無法滿足無人值守場站的生產(chǎn)管理需求,需要通過“自控儀表+數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳”的改造模式來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程傳輸,并在此基礎(chǔ)上加以優(yōu)化和質(zhì)量提升。

與此同時,現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)傳能夠精簡用工、細(xì)化措施、落實異常管理,為進(jìn)一步提高中江氣田精細(xì)化生產(chǎn)管理、可視化生產(chǎn)運行及決策管理提供強力支撐。

1 需求分析

1.1 集輸模式分析

中江氣田為致密砂巖氣田,采出的天然氣通過加熱節(jié)流、分離后外輸,站場內(nèi)工藝流程較少,生產(chǎn)設(shè)備主要包括采氣樹、水套爐、分離器、儲液罐等(圖1)。目前生產(chǎn)站場主要的生產(chǎn)流程有以下三類:

圖1 常規(guī)采氣站場示意圖

模式Ⅰ(采氣站場):井口—水套爐—計量分離器—出站閥組;

模式Ⅱ(采氣站場):井口—分離計量井口—計量分離器—出站閥組;

模式Ⅲ(采氣井口):井口—出站閥組。

模式Ⅰ為目前常規(guī)氣井生產(chǎn)流程,天然氣通過地面油嘴節(jié)流后經(jīng)水套爐加熱、計量分離后外輸。模式Ⅱ采用井下節(jié)流器對天然氣進(jìn)行節(jié)流后經(jīng)地面計量分離外輸。模式Ⅲ采用井下節(jié)流后經(jīng)帶液計量撬計量后直接外輸。模式Ⅰ和模式Ⅱ在站內(nèi)都有儲液罐,模式Ⅲ站內(nèi)無儲液罐。

1.2 梳理采集需求

站場及氣井的信息化源點項目的優(yōu)選是信息化建設(shè)的基礎(chǔ)[1-3]。通過梳理站場、氣井關(guān)鍵數(shù)據(jù)點情況,常規(guī)站場現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點有21項。

依據(jù)中石化《油氣生產(chǎn)管理信息化建設(shè)指導(dǎo)意見》,通過數(shù)據(jù)源點優(yōu)化,站場的信息化采集點為15項(表1)。采用模式Ⅰ生產(chǎn)的站場一般包括采氣樹、水套爐、分離器、儲液罐等設(shè)備,采集壓力、溫度、流量、液位等數(shù)據(jù),模式Ⅱ相較模式Ⅰ沒有水套爐,而模式Ⅲ一般僅有井口裝置,只采集井口壓力數(shù)據(jù)。氣田無人值守氣田站場檢測監(jiān)控主要包括壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)。

2 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計與實踐

2.1 儀表傳輸方式

生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場工控主要設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸方式主要分為有線傳輸和無線傳輸兩種。

2.1.1 有線傳輸

有線傳輸類型分為兩線制模擬量傳輸、兩線制開關(guān)量傳輸、三線制模擬量傳輸、兩線制RS-485通信傳輸、三線制RS-232通信傳輸?shù)?在中江氣田,使用的有線數(shù)據(jù)傳輸主要是兩線制的模擬量、開關(guān)量、RS-485的傳輸方式進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸。

目前使用的各類有線傳輸方式的適用場景和特點:

1)兩線制模擬量傳輸:兩線制模擬量是現(xiàn)場變送器在工作電壓下將現(xiàn)場數(shù)據(jù)以電流大小即信號電流的形式反饋給采集終端的傳輸方式,即建立了儀表本身量程與信號電流的對應(yīng)關(guān)系,通常來說,目前現(xiàn)場工控儀表本身信號電流范圍為4～20 mA,其中4 mA對應(yīng)儀表最低量程值表示該儀表目前測量數(shù)據(jù)為該儀表測量范圍的下限,20 mA對應(yīng)儀表最高量程值表示該儀表目前測量數(shù)據(jù)為該儀表測量范圍的上限,采集終端對收到儀表返回的信號電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算,最終采集到儀表當(dāng)前測量的數(shù)據(jù);該類采集方式由于是由變送器一直持續(xù)提供一個信號電流,因此數(shù)據(jù)采集是連續(xù)不間斷的、且電流不會因為傳輸線本身具有的電阻值分流,因此也具有傳輸準(zhǔn)確的特點。

2)兩線制開關(guān)量傳輸:兩線制開關(guān)量是采集終端監(jiān)測目標(biāo)回路是否連通的傳輸方式,主要應(yīng)用在用于監(jiān)測現(xiàn)場狀態(tài)是否發(fā)生改變的情況;其特點是采集量非連續(xù),只有0、1量變化。

3)兩線制RS-485傳輸:RS-485是一種現(xiàn)場設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn),它只定義了傳輸所要提供A、B端的電器特征,即正電平在2～6 V,負(fù)電平在-2～-6 V,其中A、B端之間按照邏輯1、0來對應(yīng),其特點為傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、在采氣現(xiàn)場,電器干擾較少,傳輸數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定,加之其通信方式為差分通信,通過0、1值便可以以二進(jìn)制的方式來傳遞信息,由于RS-485只是在電器特征上做規(guī)定,其實際電路承載的數(shù)據(jù)流在工控領(lǐng)域使用的較為廣泛的通信協(xié)議為Modbus通信協(xié)議,中江氣田也不例外。

有線傳輸最大的特點是穩(wěn)定性強,響應(yīng)速度更快,但是由于采輸氣現(xiàn)場各項安全規(guī)定導(dǎo)致設(shè)備部署效率會極大地降低,特別是在滾動開發(fā)模式下,隨時都有新井部署,大量有線設(shè)備可能會因此停用,并且隨著新設(shè)備設(shè)施的加入,RTU隨時都有擴(kuò)容的需求,此時原有的RTU機柜可能會因此無法滿足擴(kuò)容需求,從而導(dǎo)致新設(shè)備數(shù)據(jù)無法及時采集;因此,目前現(xiàn)場有線傳輸方式主要應(yīng)用于現(xiàn)場自控設(shè)備的控制、現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)(開關(guān)量)檢測,極少使用兩線制模擬量傳輸。

2.1.2 無線傳輸

1)Zigbee傳輸是一種無線傳輸,在國內(nèi)其工作頻段通常為2.4 GHz,屬于高頻信號,穿透能力強,空曠地帶單點傳輸半徑約70 m,傳輸速率最高支持32 kB/s,因此適用于傳輸數(shù)據(jù)量較少的場景,其次還具有功耗低、通信建立時間短的特點,但是在中江氣田,現(xiàn)場需部署一個Zigbee主站,通常為遠(yuǎn)程采集終端(以下統(tǒng)稱RTU)來接收現(xiàn)場Zigbee數(shù)據(jù)。

2)4G物聯(lián)網(wǎng)卡借助國內(nèi)通信運營商搭建的物聯(lián)網(wǎng)專屬通道進(jìn)行傳輸,其主要有數(shù)據(jù)傳輸速率高、信號穩(wěn)定性強、數(shù)據(jù)安全性強等特點。

對于有RTU采集的現(xiàn)場,主要使用的是Zigbee傳輸,使用類傳輸方式的設(shè)備部署效率極高,由于該類傳輸方式的特點,無線設(shè)備始終會有電池電量的限制,因此我們要求對該類無線設(shè)備周期性巡檢,及時對低電量設(shè)備電池進(jìn)行更換,從而保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集率,并且一個RTU(Zigbee主站)理論上可與65 535個Zigbee設(shè)備建立通信,而采輸氣現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量遠(yuǎn)不會達(dá)到理論上限,因此RTU也不會存在擴(kuò)容需求,但是對于無線設(shè)備本身的特點以及其電量的限制,通常不會使用無線設(shè)備數(shù)據(jù)來作為自控設(shè)備的數(shù)據(jù)來源;對于沒有RTU采集的現(xiàn)場,主要使用4G傳輸,中江氣田使用此方式傳輸?shù)默F(xiàn)場多為外井幾乎沒有生產(chǎn)流程,4G采集主要采集的是外井井口數(shù)據(jù),極少數(shù)使用4G傳輸流量數(shù)據(jù),此類傳輸方式主要用于保證生產(chǎn)部門能準(zhǔn)確掌握對氣井生產(chǎn)動態(tài)。Zigbee傳輸方式數(shù)據(jù)采集傳遞示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集傳遞示意圖(Zigbee傳輸方式)

2.1.3 傳輸方式優(yōu)化

對于復(fù)雜多變的生產(chǎn)現(xiàn)場,基于監(jiān)控需求,合理使用上述傳輸方式可以極大地提高現(xiàn)場信息化設(shè)備部署效率,優(yōu)化設(shè)備使用成本。中江氣田各類現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸方式見表2。

表2 中江氣田各類現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸方式

2.2 檢測監(jiān)控儀表選型

基于以上站場數(shù)據(jù)采集需求和傳輸方式的合理優(yōu)化,對壓力、溫度、流量、液位和可燃?xì)怏w等檢測監(jiān)控儀表開展選型,最終實現(xiàn)精確、即時、穩(wěn)定、可升級可替換的功能功效。選型分為兩個步驟:一是對儀表本體的防護(hù)性能、測量精度、傳輸功能等開展供貨前測試;二是基于場站數(shù)據(jù)傳輸方式,對儀表采集—傳輸周期進(jìn)行確定,輔以機械儀表進(jìn)行巡檢比對,以確保數(shù)據(jù)真實性。

2.2.1 儀表測評

2.2.1.1 測評意義及目的

流量監(jiān)控儀表是評價采集輸場站運行情況的直接數(shù)據(jù),是進(jìn)行產(chǎn)能評價、措施動態(tài)、集輸優(yōu)化的重要依據(jù),流量儀表的精確性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性和可視性是決定場站能否實現(xiàn)無人值守的決定性因素。通過開展流量儀表在生產(chǎn)現(xiàn)場的實際應(yīng)用測試,檢驗被測試儀表精度、數(shù)據(jù)傳輸、存儲等性能及對實際工藝條件的適應(yīng)性,選出無人值守場站內(nèi)各項指標(biāo)合格的產(chǎn)品。

2.2.1.2 測試要求及評價標(biāo)準(zhǔn)

以差壓式流量積算儀為例(表3),測試項目包括但不限于:防護(hù)和密封性、傳感器穩(wěn)定性和重復(fù)性、參數(shù)精確度、采集傳輸功能、顯示存儲查詢功能等5個方面的要求。

2.2.1.3 測試方式及周期

在2個及以上的不同生產(chǎn)現(xiàn)場安裝測試,周期通常為1～3個月,其間開展不少于3次的檢查與復(fù)核,通過3次及更多的測試記錄來綜合評價流量儀表在無人值守場站的適應(yīng)性。

2.2.1.4 測評成果及經(jīng)驗

現(xiàn)場開展一級表(商貿(mào)交接用)、二級表(內(nèi)部監(jiān)控用)流量儀表測評,測評后供貨儀表全部自帶Zigbee/4G傳輸模塊,在有/無RTU的場站實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,同時為滿足1 min/次上傳要求,流量儀表均自帶太陽能板以滿足高頻傳輸要求下的電量供應(yīng)。

除此之外,還對壓力、溫度、液位等儀表開展了供貨前測評,以現(xiàn)場投用占比最大的壓力儀表為例:

1)測評內(nèi)容的異同及原因:壓力、溫度、液位等監(jiān)控儀表,其本身定位是精確、及時地反饋當(dāng)前情況,因此測評內(nèi)容相對流量儀表進(jìn)行簡化,測評重點在于測試運行期間的穩(wěn)定性和采集-傳輸?shù)某掷m(xù)性。

2)以壓力變送器為例(表4),測試項目包括但不限于:防護(hù)和密封性、傳感器穩(wěn)定性和重復(fù)性、采集傳輸功能等3個方面的要求。

3)測試方式及周期:在5個及以上的不同生產(chǎn)現(xiàn)場安裝測試,周期為1個月,其間開展不少于3次的檢查與復(fù)核,通過3次及更多的測試記錄來綜合評價壓力儀表在無人值守場站的適應(yīng)性。

4)測評成果及經(jīng)驗:測評后供貨儀表全部自帶Zigbee/4G傳輸模塊,在有/無RTU的場站實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。井口套管、環(huán)空壓力儀表在雨水天氣容易因采氣樹方井池積液而導(dǎo)致儀表浸泡在水中,影響正常運行和數(shù)據(jù)傳輸,在此基礎(chǔ)上開展了套管、環(huán)空壓力儀表接口升高短節(jié)改造,改造后的儀表正常穩(wěn)定運行(圖3)。

圖3 無人值守站套管壓力儀表接口升高

2.2.2 傳輸周期差異與比對監(jiān)控

2.2.2.1 傳輸方式與周期的差異

采用有線傳輸?shù)膬x表通常應(yīng)用于中大型固定撬塊上,比如增壓機、制氮撬、除砂器等,同時給儀表提供電源支撐。傳輸周期通常根據(jù)配套的軟件及系統(tǒng)確定,周期在1～10 min/次。對于擁有RTU(Zigbee主站)裝置的場站,壓力、溫度、液位、流量、可燃?xì)怏w值等監(jiān)控儀表通常采用1 min/次的傳輸周期,考慮到電池電量的持續(xù)消耗,將剩余電量值納入采集-傳輸參數(shù)中,并在PCS系統(tǒng)上設(shè)置低電預(yù)警(閾值為10%～25%)以確保及時更換電源,穩(wěn)定傳輸;對于沒有RTU采集的現(xiàn)場,對溫度、壓力、流量、液位等儀表加裝或者改裝4G模塊,采用4G傳輸,實現(xiàn)10～30 min/次的傳輸周期(圖4)。

圖4 舊流量計加裝4G遠(yuǎn)傳模塊

2.2.2.2 安裝機械儀表在線比對

針對因儀表的傳輸周期始終存在,而導(dǎo)致遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)真實性存在一定失效風(fēng)險的問題,可以在壓力、溫度、液位等遠(yuǎn)傳儀表安裝位置或就近流程加裝(或保留)機械儀表,人員在巡檢期間可以通過機械儀表與遠(yuǎn)傳儀表的示值比對進(jìn)行確認(rèn)(圖5)。

圖5 井口壓力在線比對

若巡檢人員無法對遠(yuǎn)傳儀表的示值進(jìn)行判斷,則由計量檢定人員通過高精度的數(shù)字壓力校驗儀開展進(jìn)一步核驗,對出現(xiàn)故障的儀表進(jìn)行檢修更換(圖6)。

圖6 壓力變送器現(xiàn)場核驗

3 實施效果

3.1 數(shù)據(jù)采集傳輸效率提升

多井多設(shè)備集輸站工藝監(jiān)控圖如圖7所示。

圖7 多井多設(shè)備集輸站工藝監(jiān)控圖

在遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控儀表及上位系統(tǒng)應(yīng)用之前,生產(chǎn)數(shù)據(jù)只能通過站場員工定期現(xiàn)場巡檢查看現(xiàn)場儀表,每日生產(chǎn)數(shù)據(jù)需要手動錄入管理平臺,重復(fù)大量簡單機械工作,并且數(shù)據(jù)采集效率較低、誤差大、數(shù)據(jù)采集間隔大。在壓力、溫度、液位、流量等監(jiān)測監(jiān)控儀表應(yīng)用后,系統(tǒng)自動集成各個站場生產(chǎn)數(shù)據(jù),并且以圖表形式直觀展示,自動生成生產(chǎn)報表,做到現(xiàn)場“可視化”,生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時獲取,采集效率由2 h/次提升至1 min/次,有效地監(jiān)控了站場現(xiàn)場生產(chǎn),大大提高技術(shù)人員動態(tài)跟蹤生產(chǎn)情況的工作效率。

截至2022年7月,中江氣田已實現(xiàn)115座場站、315口氣井和1座閥室的生產(chǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳,綜合覆蓋率100%,見表5。

表5 中江氣田場站、氣井遠(yuǎn)傳覆蓋情況

3.2 數(shù)據(jù)有效上線質(zhì)量提升

截至2022年7月,中江氣田共投用672塊壓力遠(yuǎn)傳監(jiān)控儀表、217塊溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)控儀表、99臺液位遠(yuǎn)傳監(jiān)控儀表、210臺流量遠(yuǎn)傳監(jiān)控儀表。采用上線率和上線有效率兩個指標(biāo)進(jìn)行評價,其中:上線有效率=(上線數(shù)據(jù)中的有效個數(shù)/上線個數(shù)) ×100%,綜合上線率為95.3%,綜合上線有效率為96.5%,總體達(dá)到無人值守場站數(shù)據(jù)采集要求,見表6和圖8、9。

表6 各類儀表及傳輸類型的上線、有效情況

圖8 按儀表類型統(tǒng)計的應(yīng)用情況

圖9 按傳輸類型統(tǒng)計的應(yīng)用情況

從圖表可得知:無人值守信息化場站的壓力儀表應(yīng)超過一半(56.09%),上線率和上線有效率均在96%以上;流量儀表和溫度儀表占比在15%～20%左右,液位儀表不到10%且上線率相對較低;以Zigbee傳輸協(xié)議為主導(dǎo)(73.12%),根據(jù)站場建設(shè)和儀表通訊性能輔以4G、RS485傳輸,實現(xiàn)絕大部分儀表數(shù)據(jù)上線且有效率相對穩(wěn)定、可靠,有良好的推廣前景。

綜上所述,從傳輸方式、儀表選型兩個方面分別得出以下結(jié)論:

1)儀表傳輸方式的優(yōu)選:對于沒有RTU的場站,監(jiān)控儀表優(yōu)先采用RS485傳輸方式來實現(xiàn)穩(wěn)定監(jiān)控;對于有RTU的場站,監(jiān)控儀表盡可能地采用Zigbee傳輸方式來實現(xiàn)高效、穩(wěn)定監(jiān)控;對于沒有RTU的邊遠(yuǎn)場站,監(jiān)控儀表優(yōu)選采用4G傳輸方式來實現(xiàn)場站管理。

2)儀表性能選型的側(cè)重點:由于遠(yuǎn)傳儀表耗電較快,選型時除了通訊方式要求外,一是必須測試無外電源條件下的儀表在1 min/次傳輸條件下的自持能力,測評周期至少1個月,一般周期3個月左右為宜,以1年/次電池更換頻率為標(biāo)準(zhǔn);二是儀表可設(shè)置休眠狀態(tài),在遠(yuǎn)傳儀表停用或者拆卸備用時調(diào)整為休眠狀態(tài)不再采集傳輸,以避免數(shù)據(jù)差錯和電量損耗。

4 結(jié)論

1)通過分析場站組成部分、梳理數(shù)據(jù)采集需求,確定無人值守條件下的標(biāo)準(zhǔn)全流程場站監(jiān)測監(jiān)控儀表的配置數(shù)量。

2)通過傳輸方式篩選、儀表選型測評,形成了不同傳輸方式場站下的“自控儀表+數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳”的最佳解決方案。

3)結(jié)合信息系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用,有效提高了生產(chǎn)效率,降低對異常情況處理的響應(yīng)時間,實現(xiàn)提高氣井的管理效率,實現(xiàn)了管理機構(gòu)、流程優(yōu)化及人力資源優(yōu)化,實現(xiàn)了氣井精細(xì)化運行及生產(chǎn)運行可視化管理,達(dá)到了提高開發(fā)效益的目標(biāo)。