油田數字化在壓力容器類設備中的應用
發布時間：2019-05-23 發布作者：
摘 要：探討了油田數字化管理，分析了數字化系統軟硬件設施應用，以壓力容器中的緩沖罐安全預警技術建設為例介紹數字化建設思路、內容、過程及實現的功能。通過建立壓力容器類設備安全預警技術體系，提高了設備安全運行防范水平。
引言
油田數字化是指在油田利用傳感器、儀表，以及PLC、DCS、SCADA 等技術，對油井、管道等實現三維可視化，而且形成完整的數據采集、數據傳輸、數據管理、數據應用的油田物聯網體系建設，如油井功圖傳感器、RTU、無線網絡、數據中心、數據分析等。油田實施數字化建設管理以來，無論是在生產工藝改造、生產組織方式變革、生產效率提高、保障人員、設備安全等方面都發揮了巨大作用。只有具備這樣的條件，我們才能開啟智能油田，運用數字化在線監測技術和智能判識技術，建立壓力容器類設備安全預警技術體系，通過技術保障，提高設備的安全運行防范水平。
1 油田數字化管理
油田數字化管理是指利用計算機網絡技術、自動控制技術、油氣開采工藝技術、油藏管理技術、數據整合技術、數據預警和數據智能分析技術，實現生產過程的自動化控制與管理。壓力容器類設備是油田生產應用的主要設備之一，其安全預警技術的應用，增強了對重點業務、重點環節、重點時段操作的實時監控和處置能力，建立了生產管理和生產過程的預警機制，提高了生產效率，降低了安全風險。數字化技術主要包括遙測技術，可視化技術，智能分析、判斷技術，自動化技術，數據集成、管理與挖掘技術。在油田開發過程中大力建設和推廣應用數字化技術，特別是數字化安全預警管理體系的建設與應用，為各級生產管理的決策者提供了強有力的技術支撐。
2 數字化系統軟硬件設施應用
2.1遠程控制終端PTU
RTU 是一種遠端測控單元裝置，負責對現場信號、工業設備的檢測和控制。RTU 是安裝在遠程現場的電子設備，是 SCADA 系統的基本組成單元，具有通信距離較長、模塊化、可編程控制、試用于惡劣現場等特點。RTU 已設定的速率實時采集在線檢測設備，如壓力、溫度、流量計設備運行狀況等實時數據。其中，采集器通過 RS232 端口采集流量數據；通過4~20 mA 模擬量輸入端口，或 RS232 端口采集含水率數據；通過開關量輸入端口采集設備運行狀況實時數據。RTU 定時將以上數據存儲，定期上傳至上位機。當采集器采集到報警數據時，采集器立即向上位機報警，并同時傳送報警信息 [1] 。
2.2可編程控制器PLC
可編程控制器 PLC 是一種用于數字運算的電子系統和一種專為工業應用而設計的工業控制器，它使用可編程存儲器，存儲用于執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，具有數據采集、存儲處理、通信聯網、人機界面互動等功能，并通過數字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型工業自動化生產過程。PLC 的系統結構由硬件和軟件組成。PLC 具有可靠性高、使用方便、編程簡單、系統構成靈活、擴展容易等特點。
2.3組態及組態軟件
所謂組態，就是使用應用軟件中提供的工具和方法來完成項目中特定任務的過程。組態軟件是一種面向工業自動化的通用數據采集和監控軟件，即SCADA 軟件，亦稱人機界面或 HMI/MMI 軟件。組態軟件的工作過程由站控系統來實現，是一個集數據采集、自動控制和智能分析于一體的綜合管理系統。站控系統由負責數據采集的硬件部分和負責分析管理的軟件部分構成。靈活的組態方法為用戶提供了通用級別的軟件工具，可以快速構建工業自動控制系統監控功能。組態軟件具有延續性、可擴充性、封裝性和通用性等特點。
2.4視頻監控系統
視頻監控系統依靠網絡，以數字視頻的壓縮、傳輸、存儲和播放為核心，利用計算機視覺計數分析和處理視頻信號。通過自動分析序列圖像來監視、識別和跟蹤場景中的變化，并在此基礎上分析和判斷目標的行為，當發生異常情況時，它可以及時發出警報信息。視頻監控系統包括圖像采集部分、輸出控制部分、報警收集部分、圖像壓縮部分、信號傳輸系統、報警和圖像接收、遠程控制系統。根據每個部分的功能，整個系統分為表示層、控制層、處理層、傳輸層、執行層、支持層和獲取層。視頻監控系統分為模擬視頻監控系統 （CCTV）、 “模擬 - 數字”監控系統（DVR）、網絡視頻監控系統（IPVS）。
3 油田壓力容器類設備數字化建設
本節以壓力容器中的緩沖罐安全預警技術建設為例介紹建設思路、內容、過程及實現的功能 [2] 。
1）安裝一臺防爆電熱液位計；
2）安裝一臺壓力變送器；
3）安裝一臺溫度變送器；
4）在緩沖罐生產區域安裝一臺可燃氣體報警測試儀；
5）安裝一套防爆視頻監控系統。
按照“儀表安裝 + 布線 + 接線 +PLC 編程 + 組態”的工作流程建設緩沖罐的數字化預警技術，從安裝在緩沖罐上面的液位計、
壓力變送器采集液位信號和壓力信號；從緩沖罐進口管線上安裝的
溫度變送器，生產區域安裝的可燃氣體報警儀上采集溫度信號和可燃氣體濃度信號；以上信號經過 PLC 處理后以網絡信號的方式傳遞給上位機顯示，根據采集到的數據進行智能分析判斷、實時監控，異常情況出現后及時發布預警信息。
1）根據油田建設數字化的設計方案，在緩沖罐上規定位置安裝壓力變送器和防爆電熱液位計，在緩沖罐附近場地安裝一臺可燃氣體報警儀；
2）在機房安裝一臺 PLC，PLC 包括 CPU 模塊、I/O 模塊、通信接口模塊和電源模塊；3）選擇合適位置（能拍攝到緩沖罐生產區域）安裝一套防爆攝像機和一臺視頻服務器；
4）使用帶屏蔽專用通信電纜從緩沖罐壓力變送器、防爆電熱液位計、可燃氣體報警儀到機房 PLC機柜敷設電纜，為攝像機敷設 1 根 220 V 電源線、1根視頻線、1 根 RS485 控制線和 1 根鎧裝屏蔽雙絞線，并把相應電纜連接起來；
5）在中央控制室的電腦上安裝一套組態軟件，并在監控機上安裝視頻監控客戶端軟件；
6）根據命名規則設置變量，建立數據庫，實時監控系統組態，監測緩沖罐的壓力和液位數據，以及可燃氣報警儀數據；
7）在實時監控系統報警單位中設置實際生產過程中各個參數報警的上下限，實現超限報警；
8）調試視頻監控系統并將視頻畫面顯示在監控機上，進行緩沖罐數字化預警系統聯調 [3] 。
4 油田壓力容器類設備數字化應用
油田壓力容器類設備安全預警技術主要通過中控工控系統、數字化生產指揮系統和油田應急預警三大系統實現功能運用。通過對緩沖罐安全預警系統的建設，運用的實際中安全應急預警處置實現自動控制，即緩沖罐液位超限時，通過將緩沖罐采集液位信號與 PLC 控制輸油泵變頻柜關聯，實現緩沖罐高液位時自動啟動輸油，低液位時自動停止輸油泵，確保緩沖罐液位在設定限值內。如果緩沖罐液位超上下限時，輸油泵未自動啟動或停止輸油，則需人工緊急干預，先手動進行輸油泵啟停操作，再檢查線路、變送器或 PLC 編程器，進行維修。
5 結語
通過以上論述可以看出，數字化安全生產預警管理主要通過數字化前段生產管理系統、中端生產運行指揮系統和后段安全應急預警系統完成。利用預測理論，建立數學模型，預測未來安全生產趨勢，形成安全生產預警信息，通過文字、聲音、圖像向生產操作人員、技術人員和管理人員警示與報警。
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