油氣集輸仿真系統(tǒng)設(shè)計

·開發(fā)設(shè)計·

油氣集輸仿真系統(tǒng)設(shè)計

時強(qiáng)1孔祥敏1邱海峰1趙毅1石明江2

(1.中石化西北油田分公司新疆烏魯木齊830011；2.西南石油大學(xué)電信院四川成都610500)

摘要：油氣集輸是石油開發(fā)工程的重要組成部分，在油田生產(chǎn)中占領(lǐng)著主導(dǎo)作用。仿真系統(tǒng)以水的集輸模擬油氣集輸，實現(xiàn)中轉(zhuǎn)油罐給用戶供油的手動/自動控制和監(jiān)控，在儀表盤上可顯示重要的檢測數(shù)據(jù)、啟停按鈕、報警器、狀態(tài)指示燈等；PLC控制器實現(xiàn)溫度、壓力、流量的采集，實現(xiàn)對系統(tǒng)的補(bǔ)油、流量等進(jìn)行自動控制；監(jiān)控界面具備監(jiān)控狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、報警、PID控制參數(shù)設(shè)置等功能。

關(guān)鍵詞：集輸；PLC；組態(tài)；監(jiān)控

作者簡介：第一時強(qiáng)，男，1981年生，高級工程師，2004年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，目前在中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院從事油氣地面工程技術(shù)工作，研究方向：油田地面工程規(guī)劃。E-mail:swpushi@126.com

文章編號：中圖法分類號：TE832.2

收稿日期：(2014-08-16編輯：姜婷)

Design of Oil and Gas Gathering Simulation SystemSHI Qiang1KONG Xiangmin1QIU Haifeng1ZHAO Yi1SHI Mingjiang2

(1.SinopecNorthwestOilFieldCompany，Wulumuqi,Xinjiang830001,China;

2.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

Abstract：Oil and gas gathering and transportation are an important part of oil development project, occupying a leading role in oil production. Simulation system used water to simulate oil and gas gathering and transportation. It achieved transit oil tank to the user's manual / automatic control and monitoring. The important test data, start and stop buttons, alarms, status indicators etc. can be displayed on the dashboard. PLC controllers collected temperature, pressure, flow, and realized the automatic control of oil supplement and oil flow to the system. The monitoring interface has the function of monitoring status, parameter settings, alarm, and PID control parameter settings.

Key word： gathering and transportation, PLC, configuration, monitoring

0引言

油氣集輸系統(tǒng)作為油氣田開發(fā)工程中的一個重要組成部分，對其各個參數(shù)進(jìn)行自動監(jiān)測控制對提高油氣田能源的利用率有著重要意義。油氣集輸主要負(fù)責(zé)的任務(wù)有四個方面：將開采出來的油氣混合物傳輸?shù)教幚碚?，將油氣進(jìn)行分離以及脫水，使原油達(dá)到國家要求標(biāo)準(zhǔn)；將合格的原油通過管道輸送到原油儲存庫進(jìn)行儲存；將分離出來的天然氣輸送到再加工車間，進(jìn)行進(jìn)一步的脫水，脫酸，脫氫等處理；分別把經(jīng)過處理，可以使用的原油和天然氣輸送給客戶[1]。

隨著油田大規(guī)模擴(kuò)展，油氣集輸系統(tǒng)在工業(yè)中趨于完善，利用先進(jìn)的傳感設(shè)備以及智能化的控制，再加上實時監(jiān)測和管理，不僅可以生產(chǎn)利益最大化，而且降低了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。目前，廣泛應(yīng)用PLC實現(xiàn)油氣集輸?shù)淖詣颖O(jiān)控[2]。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)利用傳感器與變送器將被控對象的物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號，再將這些電信號經(jīng)信號處理模塊轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以識別的數(shù)字量。并且在計算機(jī)上以數(shù)字、曲線或圖形的方式顯示，從而使操作人員能夠直觀地了解被監(jiān)控對象的變化過程；同時，計算機(jī)還能儲存采集的數(shù)據(jù)，隨時進(jìn)行分析、統(tǒng)計和生成各種報表。計算機(jī)還能夠根據(jù)控制算法在輸出裝置中輸出相應(yīng)電信號對被監(jiān)控對象壓力和流量進(jìn)行控制[3]。

系統(tǒng)由上位機(jī)(包含工業(yè)組態(tài)軟件和人機(jī)界面)、PLC(西門子S7-300)以及現(xiàn)場儀表(包括超聲波流量計、渦輪流量計、工業(yè)熱電阻、液位傳感器、壓力變送器、調(diào)節(jié)閥、電磁閥和水泵)組成，框圖如圖1所示。

圖1　油氣集輸監(jiān)控系統(tǒng)框圖

1.2系統(tǒng)功能

系統(tǒng)以PLC控制器為核心，可以實現(xiàn)手動與自動控制。通過儀表盤盤面按鈕實現(xiàn)對總儲油罐補(bǔ)油、中轉(zhuǎn)儲油罐加油、用戶泵供油的手動啟停控制；通過手操器對用戶泵的運轉(zhuǎn)速度和調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行調(diào)整，其中可實現(xiàn)當(dāng)總儲油罐和中轉(zhuǎn)油箱到高液位報警時連鎖停機(jī)，中轉(zhuǎn)油箱加油時，為保障安全，需要加油泵延時停機(jī)，即在中轉(zhuǎn)油箱加油啟動時，同時計時，時間達(dá)到設(shè)定值時連鎖停止中轉(zhuǎn)油箱加油。

總儲油罐出現(xiàn)低液位報警時自動啟動補(bǔ)油，在監(jiān)控畫面可以選擇不同管路組合，出現(xiàn)高液位報警時自動停止補(bǔ)油，中轉(zhuǎn)油箱液位出現(xiàn)低液位加油點時自動啟動加油，當(dāng)出現(xiàn)中轉(zhuǎn)油箱高液位報警或加油延時停機(jī)到時自動停止加油，關(guān)斷油庫電磁閥和泵，延時停機(jī)報警需人工解除，才能進(jìn)行下次加油?？們τ凸蕹霈F(xiàn)低液位報警時連鎖停止加油。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)工藝主要包括三方面：由總儲油罐液位(高報、低報)控制自來水管(模擬煉油廠油氣輸送管道)向總儲油罐輸送自來水；由總儲油罐液位(高報、低報)和中轉(zhuǎn)油罐液位(高報、低報)來控制泵給中轉(zhuǎn)儲油罐進(jìn)行遠(yuǎn)程加水；中轉(zhuǎn)儲油罐將水輸送給用戶(用戶A由流量控制、用戶B由壓力控制)，中轉(zhuǎn)油罐低報時停止供水；系統(tǒng)工藝流程圖如2所示。

圖2　油氣集輸監(jiān)控系統(tǒng)工藝流程圖

圖2中，TI101、TI102、TI103為溫度傳感器(工業(yè)熱電阻)；PI102、PI106為壓力傳感器；LI101為投入式壓力變送器；LI103為磁翻板變送器；FI102、FE102分別為孔板流量計的檢測和顯示部分；FI104、FE104分別為渦輪流量計的檢測和顯示部分；FI105、FE105分別為超聲波流量計的檢測和顯示部分；FV104為電磁閥；FV105為調(diào)節(jié)閥；PV106為變頻器控制的壓力泵；LV107為總儲油罐和中轉(zhuǎn)儲油罐液位控制的離心泵。

2.1超聲波流量計

系統(tǒng)采用AFV系列超聲波流量計，用來測量用戶A流量。AFV系列超聲波流量計采用時差法測量原理、非接觸測量，采用了先進(jìn)的多脈沖和信號處理技術(shù)，具有超強(qiáng)的糾錯功能和極高的抗干擾能力；可進(jìn)行定時數(shù)據(jù)存儲，具有多種輸出。誤差小于1.0%，測量范圍：流速范圍0～30 m/s[4]。

2.2渦輪流量計

用于檢測用戶B瞬時流量和總的積算流量，測量精度為0.5級，流量范圍在1.6 m3/h～10.0 m3/h，使用條件要求環(huán)境溫度在-20 ℃～+50 ℃、介質(zhì)溫度在0 ℃～+120 ℃、相對濕度在5%～95%。

2.3壓力變送器

用于測量加油管道壓力和用戶B管道壓力。其工作原理是：被測介質(zhì)的壓力直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號。

2.4投入式壓力變送器

用于測量總儲油罐壓力與液位，測量范圍為0～12 kPa，可測量儲罐水位0～1.2 m，輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號4 mA～20 mA(兩線制)，精度為0.5級。

2.5一體化孔板流量計

系統(tǒng)采用的一體化孔板流量計，用于測量加油管道流量。一體化孔板流量計是將標(biāo)準(zhǔn)孔板與多參數(shù)差壓變送器(或差壓變送器、溫度變送器及壓力變送器)配套組成的高量程比差壓流量裝置，可測量氣體、蒸汽、液體及天然氣的流量。

2.6磁翻板液位計

用于測量中轉(zhuǎn)油罐液位，工作壓力為1.6 MPa，工作溫度為80 ℃，介質(zhì)密度為1.0 g/cm3，測量范圍為0～600 mm，液位指示誤差為±10 mm。

2.7溫度傳感器

系統(tǒng)采用的是工業(yè)熱電阻Pt100溫度傳感器，用于測量總儲油罐溫度、中轉(zhuǎn)油罐溫度、加油管道溫度。

2.8調(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥又叫控制閥，系統(tǒng)采用電動控制氣開閥，用于控制用戶的流量。公稱直徑為25 mm，公稱壓力為1.6 MPa，采用4 mA～20 mA DC標(biāo)準(zhǔn)電流信號控制。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC作為控制器。該控制器采用模塊化設(shè)計，各種單獨模塊之間可以進(jìn)行廣泛的組合和擴(kuò)展。它的主要組成部分有機(jī)架、電源模塊、中央處理單元(CPU)模塊、接口模塊(IM)、信號模塊(SM)、功能模塊(FM)和通信處理(CP)模塊等[5]。PLC控制器主要完成集輸管線的控制，自動/手動補(bǔ)油操作；完成總儲油罐、中轉(zhuǎn)油罐的溫度液位檢測，實現(xiàn)高低限報警，并自動/手動啟停補(bǔ)油；完成輸油管線流量、溫度壓力的測量；完成用戶管線溫度、流量、壓力的測量，實現(xiàn)對用戶流量的PID調(diào)節(jié)。完成測量參數(shù)的顯示，并實現(xiàn)與PC機(jī)通信。

PLC監(jiān)控參數(shù)采集程序框圖如圖3所示。由于液位(溫度、壓力)變送器輸出的是4 mA~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，信號采集模塊將采集到的電流(溫度、壓力)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號過后，通過數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，使得采集到的數(shù)據(jù)變成標(biāo)準(zhǔn)的液位(溫度、壓力)數(shù)據(jù)信號，方便識別。同時采集到的數(shù)值也需要轉(zhuǎn)化成符合PLC的PID運算要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型，實現(xiàn)PID控制。

圖3　PLC監(jiān)控參數(shù)采集程序框圖

上位機(jī)采用力控組態(tài)軟件實現(xiàn)動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工程報表、數(shù)據(jù)與曲線等功能。

圖4為組態(tài)繪制的油氣集輸系統(tǒng)監(jiān)控畫面，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控整個工藝狀態(tài)，配合各種現(xiàn)場儀表，能夠?qū)崟r地顯示液位、流量、溫度、壓力等參數(shù)；除此之外，還可以動態(tài)顯示回路中水的流向以及各個泵的工作狀態(tài)、水箱的報警狀態(tài)；還可以進(jìn)行歷史趨勢、壓力控制、流量控制、參數(shù)設(shè)置、報表查詢、報警設(shè)置等畫面之間的切換翻頁按鈕。

圖4　油氣集輸監(jiān)控總界面

4結(jié)論

整個油氣集輸仿真系統(tǒng)可以測量總儲油罐的溫度、液位，實現(xiàn)高低限報警，并根據(jù)液位高度實現(xiàn)不同補(bǔ)油通道的自動/手動啟停補(bǔ)油；實現(xiàn)對運輸管線溫度、流量、壓力的實時檢測；對中轉(zhuǎn)油罐的溫度、液位高度實現(xiàn)實時檢測，并實現(xiàn)高低限報警和自動/手動啟停補(bǔ)油控制；對用戶A、B管線的流量、壓力、溫度實現(xiàn)實時檢測，并根據(jù)控制要求實現(xiàn)對各用戶管線的流量控制；利用電磁閥、手動閥設(shè)計保護(hù)管線，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的保護(hù)；人機(jī)界面能夠?qū)崿F(xiàn)圖形監(jiān)控畫面、歷史趨勢圖、超限報警、報表生成、控制參數(shù)設(shè)定等功能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 薛二麗.油氣集輸工藝流程探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2012,12(4):140-142.

[2] 黃輝.油氣集輸技術(shù)進(jìn)展 [J].油氣田地面工程,2011,32(6):1-2.

[3] 張靜.天然氣集輸系統(tǒng)數(shù)字化[J].油氣田地面工程,2008,27(2):10-12.

[4] 何道清.儀表自動化技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2013:32-52.

[5] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:85-110.