油田数字化在压力容器类设备中的应用
发布时间：2019-05-23 发布作者：
摘 要：探讨了油田数字化管理，分析了数字化系统软硬件设施应用，以压力容器中的缓冲罐安全预警技术建设为例介绍数字化建设思路、内容、过程及实现的功能。通过建立压力容器类设备安全预警技术体系，提高了设备安全运行防范水平。
引言
油田数字化是指在油田利用传感器、仪表，以及PLC、DCS、SCADA 等技术，对油井、管道等实现三维可视化，而且形成完整的数据采集、数据传输、数据管理、数据应用的油田物联网体系建设，如油井功图传感器、RTU、无线网络、数据中心、数据分析等。油田实施数字化建设管理以来，无论是在生产工艺改造、生产组织方式变革、生产效率提高、保障人员、设备安全等方面都发挥了巨大作用。只有具备这样的条件，我们才能开启智能油田，运用数字化在线监测技术和智能判识技术，建立压力容器类设备安全预警技术体系，通过技术保障，提高设备的安全运行防范水平。
1 油田数字化管理
油田数字化管理是指利用计算机网络技术、自动控制技术、油气开采工艺技术、油藏管理技术、数据整合技术、数据预警和数据智能分析技术，实现生产过程的自动化控制与管理。压力容器类设备是油田生产应用的主要设备之一，其安全预警技术的应用，增强了对重点业务、重点环节、重点时段操作的实时监控和处置能力，建立了生产管理和生产过程的预警机制，提高了生产效率，降低了安全风险。数字化技术主要包括遥测技术，可视化技术，智能分析、判断技术，自动化技术，数据集成、管理与挖掘技术。在油田开发过程中大力建设和推广应用数字化技术，特别是数字化安全预警管理体系的建设与应用，为各级生产管理的决策者提供了强有力的技术支撑。
2 数字化系统软硬件设施应用
2.1远程控制终端PTU
RTU 是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的检测和控制。RTU 是安装在远程现场的电子设备，是 SCADA 系统的基本组成单元，具有通信距离较长、模块化、可编程控制、试用于恶劣现场等特点。RTU 已设定的速率实时采集在线检测设备，如压力、温度、流量计设备运行状况等实时数据。其中，采集器通过 RS232 端口采集流量数据；通过4~20 mA 模拟量输入端口，或 RS232 端口采集含水率数据；通过开关量输入端口采集设备运行状况实时数据。RTU 定时将以上数据存储，定期上传至上位机。当采集器采集到报警数据时，采集器立即向上位机报警，并同时传送报警信息 [1] 。
2.2可编程控制器PLC
可编程控制器 PLC 是一种用于数字运算的电子系统和一种专为工业应用而设计的工业控制器，它使用可编程存储器，存储用于执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，具有数据采集、存储处理、通信联网、人机界面互动等功能，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型工业自动化生产过程。PLC 的系统结构由硬件和软件组成。PLC 具有可靠性高、使用方便、编程简单、系统构成灵活、扩展容易等特点。
2.3组态及组态软件
所谓组态，就是使用应用软件中提供的工具和方法来完成项目中特定任务的过程。组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控软件，即SCADA 软件，亦称人机界面或 HMI/MMI 软件。组态软件的工作过程由站控系统来实现，是一个集数据采集、自动控制和智能分析于一体的综合管理系统。站控系统由负责数据采集的硬件部分和负责分析管理的软件部分构成。灵活的组态方法为用户提供了通用级别的软件工具，可以快速构建工业自动控制系统监控功能。组态软件具有延续性、可扩充性、封装性和通用性等特点。
2.4视频监控系统
视频监控系统依靠网络，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，利用计算机视觉计数分析和处理视频信号。通过自动分析序列图像来监视、识别和跟踪场景中的变化，并在此基础上分析和判断目标的行为，当发生异常情况时，它可以及时发出警报信息。视频监控系统包括图像采集部分、输出控制部分、报警收集部分、图像压缩部分、信号传输系统、报警和图像接收、远程控制系统。根据每个部分的功能，整个系统分为表示层、控制层、处理层、传输层、执行层、支持层和获取层。视频监控系统分为模拟视频监控系统 （CCTV）、 “模拟 - 数字”监控系统（DVR）、网络视频监控系统（IPVS）。
3 油田压力容器类设备数字化建设
本节以压力容器中的缓冲罐安全预警技术建设为例介绍建设思路、内容、过程及实现的功能 [2] 。
1）安装一台防爆电热液位计；
2）安装一台压力变送器；
3）安装一台温度变送器；
4）在缓冲罐生产区域安装一台可燃气体报警测试仪；
5）安装一套防爆视频监控系统。
按照“仪表安装 + 布线 + 接线 +PLC 编程 + 组态”的工作流程建设缓冲罐的数字化预警技术，从安装在缓冲罐上面的液位计、
压力变送器采集液位信号和压力信号；从缓冲罐进口管线上安装的
温度变送器，生产区域安装的可燃气体报警仪上采集温度信号和可燃气体浓度信号；以上信号经过 PLC 处理后以网络信号的方式传递给上位机显示，根据采集到的数据进行智能分析判断、实时监控，异常情况出现后及时发布预警信息。
1）根据油田建设数字化的设计方案，在缓冲罐上规定位置安装压力变送器和防爆电热液位计，在缓冲罐附近场地安装一台可燃气体报警仪；
2）在机房安装一台 PLC，PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、通信接口模块和电源模块；3）选择合适位置（能拍摄到缓冲罐生产区域）安装一套防爆摄像机和一台视频服务器；
4）使用带屏蔽专用通信电缆从缓冲罐压力变送器、防爆电热液位计、可燃气体报警仪到机房 PLC机柜敷设电缆，为摄像机敷设 1 根 220 V 电源线、1根视频线、1 根 RS485 控制线和 1 根铠装屏蔽双绞线，并把相应电缆连接起来；
5）在中央控制室的电脑上安装一套组态软件，并在监控机上安装视频监控客户端软件；
6）根据命名规则设置变量，建立数据库，实时监控系统组态，监测缓冲罐的压力和液位数据，以及可燃气报警仪数据；
7）在实时监控系统报警单位中设置实际生产过程中各个参数报警的上下限，实现超限报警；
8）调试视频监控系统并将视频画面显示在监控机上，进行缓冲罐数字化预警系统联调 [3] 。
4 油田压力容器类设备数字化应用
油田压力容器类设备安全预警技术主要通过中控工控系统、数字化生产指挥系统和油田应急预警三大系统实现功能运用。通过对缓冲罐安全预警系统的建设，运用的实际中安全应急预警处置实现自动控制，即缓冲罐液位超限时，通过将缓冲罐采集液位信号与 PLC 控制输油泵变频柜关联，实现缓冲罐高液位时自动启动输油，低液位时自动停止输油泵，确保缓冲罐液位在设定限值内。如果缓冲罐液位超上下限时，输油泵未自动启动或停止输油，则需人工紧急干预，先手动进行输油泵启停操作，再检查线路、变送器或 PLC 编程器，进行维修。
5 结语
通过以上论述可以看出，数字化安全生产预警管理主要通过数字化前段生产管理系统、中端生产运行指挥系统和后段安全应急预警系统完成。利用预测理论，建立数学模型，预测未来安全生产趋势，形成安全生产预警信息，通过文字、声音、图像向生产操作人员、技术人员和管理人员警示与报警。
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