基于物聯(lián)網(wǎng)的油田注汽站能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

張絢艷，盛青山

(1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院南陽分院； 2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 機械工程學院；3.柔性制造河南省工程實驗室，河南 南陽 473000)

0 引言

隨著科技快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用已經(jīng)滲透到數(shù)字油田、數(shù)字醫(yī)療、智能電網(wǎng)、智能交通、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域[1-5]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過信息傳輸設備，按照約定的通訊協(xié)議，把物品與網(wǎng)絡相連接，物品信息通過信息傳播媒介進行交換和通訊，實現(xiàn)工業(yè)化和信息化的有效融合的智慧化網(wǎng)絡技術(shù)[6]。

在油田企業(yè)中，注汽鍋爐是稠油熱采的主要耗能設備。隨著我國巨大的能源消耗所帶來的環(huán)境問題集中爆發(fā)，有效落實節(jié)能降耗，控制能源消費總量，成為當下我國經(jīng)濟生活的一件大事。因此，探討如何在新形勢下應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電子信息技術(shù)加強注汽鍋爐能耗監(jiān)測，統(tǒng)計和分析注汽鍋爐工作中的定量管理，提升能源使用效率具有重要意義。

1 智能檢測系統(tǒng)設計的意義

在稠油的開發(fā)中，注汽鍋爐常年連續(xù)運轉(zhuǎn)，是稠油熱采的主要耗能設備[7]。表1所示為某油田企業(yè)2020年及2021年的注汽系統(tǒng)熱采能源消耗統(tǒng)計情況。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，燃料成本占熱采總成本的近四分之三，造成熱采過程能源消耗總量大。另外，注汽鍋爐在工作過程中存在燃燒狀況不良、過?？諝鈪?shù)偏高、排煙溫度過高等情況。因此，為降低能源消耗、提升企業(yè)收益，對油田注汽站鍋爐的節(jié)能措施進行探討顯得尤為主要。

表1 2020年及2021年注汽系統(tǒng)熱采能源消耗統(tǒng)計情況表

針對上述情況，該文設計出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注汽鍋爐能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)。通過對注汽鍋爐能耗智能監(jiān)測所必須的功能和技術(shù)指標進行分析，確定實施方案，并分別對數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、站控管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡及設備管理系統(tǒng)進行設計，完成對注汽站鍋爐能耗系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)的智能實時監(jiān)測。

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)功能需求分析

油田注汽站能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)集合先進通信技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對傳統(tǒng)工藝流程進行網(wǎng)絡化，信息化改造，使散布在站區(qū)各處的儀表通過改造成為網(wǎng)絡中的終端節(jié)點。因此，能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)在總體上應能借助注汽鍋爐能源監(jiān)測和管理軟件系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程抄表，自動記錄，并對數(shù)據(jù)進行智能分析。其具體功能需求分析如下：

(1)注汽鍋爐能源監(jiān)測遠程數(shù)據(jù)采集與儀表控制

傳統(tǒng)注汽鍋爐能耗檢測依靠人工對統(tǒng)計抄表數(shù)據(jù)進行分析得出結(jié)果，再對鍋爐運行參數(shù)進行調(diào)整，存在滯后性。工作過程中，若能源消耗出現(xiàn)異常，鍋爐熱效率降低時不能及時被發(fā)現(xiàn)，工作人員無法及時優(yōu)化鍋爐運行參數(shù)，鍋爐不能時刻保持在高效經(jīng)濟運行狀態(tài)，能耗階段性偏高，造成不必要的損失浪費。設計智能監(jiān)測系統(tǒng)，需滿足對現(xiàn)場運行參數(shù)的遠程監(jiān)控，并能對異常情況在控制室實現(xiàn)遠程控制，提升鍋爐工作效率，降低運行能耗。

(2)現(xiàn)場自動化儀表通訊技術(shù)的優(yōu)化組合

構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)，除了要具有儀表等前端設備，還需要構(gòu)建傳輸系統(tǒng)。油田注汽站能耗監(jiān)測系統(tǒng)是以實際工業(yè)環(huán)境為背景，因此應對多種儀表通訊技術(shù)、網(wǎng)絡傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)組合進行分析，選擇最優(yōu)的組合，構(gòu)建適合站區(qū)環(huán)境的自動化儀表工業(yè)以太網(wǎng)。

(3)注汽鍋爐能源監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動處理

為實現(xiàn)對注汽站能耗的自動監(jiān)測與處理，能耗監(jiān)測系統(tǒng)應配備相應的軟件系統(tǒng)并具備如下功能：鍋爐能耗數(shù)據(jù)和鍋爐運行參數(shù)的實時采集和傳輸、能耗數(shù)據(jù)的記錄與整合分析、自動生成數(shù)據(jù)趨勢報表以及柱狀對比圖。此外，為實現(xiàn)對能耗的有效控制，能耗監(jiān)測系統(tǒng)還應能與事先設定的標準單耗進行比對，當偏差值超過設定的閾值時應進行報警提示。同時，為減少不同必要的能耗損失，該系統(tǒng)應能夠保證運行管理人員可以及時調(diào)整鍋爐運行工況，優(yōu)化鍋爐工藝運行參數(shù), 確保鍋爐能處于經(jīng)濟運行狀態(tài)。

3 油田注汽站能耗監(jiān)測系統(tǒng)初步設計方案

根據(jù)上述油田注汽站能耗監(jiān)測的實際要求分析，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能耗監(jiān)測系統(tǒng)平臺具體設計目標為以下幾個方面：

(1)關(guān)鍵計量儀表組網(wǎng)率100%，完成現(xiàn)場一次儀表信號網(wǎng)絡傳輸；

(2)鍋爐關(guān)鍵運行參數(shù)可在上位機顯示；

(3)鍋爐實際運行參數(shù)偏離幅度超過設定值3%時發(fā)出報警信號，偏離控制在標準值的3%以內(nèi)；

(4)數(shù)據(jù)采集頻率提高到10秒采集一次；

(5)數(shù)據(jù)記錄分析由人工變成計算機自動進行；

(6)實時監(jiān)測、實時預警。

以計算機、網(wǎng)絡通訊設備、數(shù)據(jù)采集單元為基礎(chǔ)，進行油田注汽鍋爐實時能耗檢測系統(tǒng)平臺搭建，完成注汽鍋爐運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、設備運行狀態(tài)監(jiān)測及遠程管理。實時監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由站控管理層、網(wǎng)絡通訊層和現(xiàn)場設備層組成。

圖1 注汽站能耗監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

分別對數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)傳輸、站控管理、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡及設備管理四個子系統(tǒng)進行設計，使系統(tǒng)可實現(xiàn)油田注汽能耗運行動態(tài)參數(shù)實時監(jiān)控、信息統(tǒng)計分析、運行狀態(tài)實時診斷、工藝流程智能優(yōu)化、關(guān)鍵信息報警集中表現(xiàn)、生產(chǎn)設備管理、生產(chǎn)指揮調(diào)度等應用功能。

3.1 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集終端、串口服務器及PLC等組成，通過工業(yè)以太網(wǎng)向工作站和數(shù)據(jù)服務器傳輸實時的鍋爐能耗數(shù)據(jù)。

對于具有RS-232/422/485 的串口設備，如用來控制鍋爐的PLC控制器、數(shù)據(jù)顯示儀表、水表、電表、燃油表和天然氣表等設備，通過菊花鏈形式連接至串口服務器上解析成TCP/IP通信協(xié)議傳輸至控制站；對于只具有電壓或電流輸出的設備，如熱電阻、壓力變送器、流量計等設備通過接入帶有網(wǎng)絡模塊的PLC，經(jīng)PLC轉(zhuǎn)換成TCP/IP通信協(xié)議傳輸至控制站?？刂乒ぷ髡旧系南到y(tǒng)軟件實時采集遠程設備的數(shù)據(jù)，對需要控制的設備，通過PLC及系統(tǒng)軟件對終端設備進行控制。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負責對采集到得現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)進行編碼并傳送至控制站的工作站和數(shù)據(jù)服務器中，同時輸出工作站發(fā)出給PLC的控制指令，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的各種控制。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由工業(yè)以太網(wǎng)交換機、數(shù)據(jù)傳輸線纜、光纖以及無線通訊設備按照一定的通訊協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸工作。

3.3 站控管理系統(tǒng)

站控管理系統(tǒng)是人機交互的直接窗口，主要有系統(tǒng)軟件和必要的硬件設備組成，如工作站、數(shù)據(jù)服務器、打印機、UPS電源等組成[8]。

注汽站能耗監(jiān)測系統(tǒng)主站包含監(jiān)控主機和應用軟件系統(tǒng)。其應用軟件系統(tǒng)部分，將數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)信息集中到人機界面下，使操作人員和使用人員能夠直觀地進行觀測并做出判斷和操作。該軟件系統(tǒng)主要由能源計量管理系統(tǒng)、能源消耗分析系統(tǒng)、能源消耗控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫幾部分組成，如圖2所示。

圖2 注汽站能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分構(gòu)成

3.4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡及設備管理系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡及設備管理系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡設備管理系統(tǒng)兩部分組成[9-11]。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡管理系統(tǒng)實現(xiàn)對網(wǎng)絡拓撲、網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡狀態(tài)、網(wǎng)絡信道、節(jié)點功能配置、網(wǎng)絡時間同步、網(wǎng)絡安全等的管理[12]。網(wǎng)絡設備管理系統(tǒng)主要對網(wǎng)絡化的溫度儀表、壓力儀表、流量計、液位計、柱塞泵、空壓機、串口服務器和工業(yè)以太網(wǎng)交換機等物聯(lián)網(wǎng)終端設備的狀態(tài)和運行情況的監(jiān)控。網(wǎng)絡及設備管理系統(tǒng)的功能設計如圖3所示。

圖3 注汽站網(wǎng)絡及設備管理系統(tǒng)功能

4 試驗驗證

對某油田注汽工程部一區(qū)注汽站能源計量儀表進行升級改造，構(gòu)建以計量儀表為節(jié)點的工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集、儀表控制等功能。圖4為該油田注汽站能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)工藝流程畫面，該監(jiān)控畫面可以顯示柱塞泵、鼓風機設備的運行狀態(tài)，同時可以實時顯示鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、煙氣溫度、燃油溫度、燃油壓力、風門開度、給水流量等主要參數(shù)。

圖4 注汽鍋爐工藝流程畫面

通過監(jiān)控畫面底面的“運行參數(shù)”、“報警信息”、“報警記錄”、“點火控制”、“燃燒控制”、“歷史曲線”、“參數(shù)設置”、“用戶登錄”按鈕可以切換到所對應的畫面進行參數(shù)設置及數(shù)值監(jiān)控。

圖5所示為報警信息監(jiān)控畫面，通過“參數(shù)設置”對鍋爐運行參數(shù)進行預先設定，當檢測值超過設定值3%時發(fā)出報警信號，畫面對應參數(shù)后指示燈由綠色變?yōu)榧t色，進行報警提示。當有報警發(fā)生時，鍋爐會自動停爐并發(fā)出音響報警，報警記錄記錄下報警的內(nèi)容和時間，方便查找故障原因。故障排除后，啟動時按控制柜上的“復位”按鈕，可以使解除報警的指示燈變綠色。

圖5 注汽鍋爐報警信息畫面

5 結(jié)論

所設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的油田注汽站能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過對站控管理層、網(wǎng)絡通訊層和現(xiàn)場設備層的設計，完成油田注汽站運行情況實時智能檢測。系統(tǒng)數(shù)據(jù)偏差超出預設范圍時，系統(tǒng)可通過人機界面發(fā)出報警，操作人員及時對異常情況進行干預，可有效減少能耗，落實節(jié)能降耗，控制能源消費總量，降低工人勞動強度，提高企業(yè)效益，具有較強的使用研究價值。