光纖傳感與控制技術(shù)在油田聯(lián)合站的應(yīng)用

1 引言

油田聯(lián)合站是原油生產(chǎn)過程中重要的環(huán)節(jié)之一，是集原油脫水、原油穩(wěn)定、污水處理、高壓注水、油井摻水拌熱、原油儲運(yùn)等工藝于一體綜合生產(chǎn)廠點(diǎn)，是油田“一級防火，甲級防爆”連續(xù)生產(chǎn)的要害單位，其生產(chǎn)過程的檢測與監(jiān)控不僅直接關(guān)系到成品原油的產(chǎn)品質(zhì)量、關(guān)系到設(shè)備的能耗大小，更重要是決定著生產(chǎn)過程的安全平穩(wěn)運(yùn)行及原油生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 設(shè)計思路與技術(shù)解決方案和途徑

2.1 總體設(shè)計思路

光纖傳感與控制技術(shù)在油田聯(lián)合站的應(yīng)用研究項目，就是運(yùn)用光纖傳感技 術(shù)具有:

(1) 實(shí)現(xiàn)非電檢測，真正本質(zhì)安全、防爆;

(2) 實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測，無污染、高絕緣性;

(3) 抗電磁干擾能力強(qiáng)、檢測精度高等特點(diǎn)。

武漢工大光纖傳感科技股份有限公司成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)檢測光纖系列產(chǎn)品、及與河南油田共同研制開發(fā)的三種新型光纖傳感器作為現(xiàn)場檢測用傳感器的主導(dǎo)，配套先進(jìn)的壓力、溫度傳感器和當(dāng)今國際流行的分布式計算機(jī)實(shí)時監(jiān)控技術(shù)組成先進(jìn)、完整的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)，改善全站的生產(chǎn)和安全管理現(xiàn)狀、提高生產(chǎn)管理水平、提高本質(zhì)安全，減輕工人勞動強(qiáng)度;為油氣集輸生產(chǎn)現(xiàn)代化管理創(chuàng)出了一條新路。

2.2 項目總目標(biāo)

(1) 聯(lián)合站油、水、氣處理系統(tǒng)采用先進(jìn)光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程多項參數(shù)自動檢測、控制、顯示、報警;

(2) 注水罐，原油儲罐采用光纖液位計實(shí)現(xiàn)自動檢測，高位報警;

(3) 原油外輸自動檢測、控制、報警;

(4) 站內(nèi)實(shí)現(xiàn)管理、控制一體化、智能化;

(5) 建立生產(chǎn)控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)的快速實(shí)時通訊，利用動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，開發(fā)生產(chǎn)控制系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口;

(6) 安全管理達(dá)到中石化股份公司安全管理規(guī)范要求;

(7) 實(shí)現(xiàn)站、廠、局計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)管理。

2.3 主要研究內(nèi)容

(1) 原油三相分離器油、水液面自動檢測、控制;

(2) 原油三相分離器天然氣壓力自動檢測、控制;

(3) 原油穩(wěn)定塔液面檢測、控制、報警;

(4) 輕油罐液面自動檢測;

(5) 注水罐、原油儲罐液位自動檢測;

(6) 原油儲罐液位高位自動報警;

(7) 原油儲罐溫度自動檢測;

(8) 油井摻水系統(tǒng)自動控制;

(9) 原油長輸管線壓力、溫度自動檢測報警;

(10) 原油外輸平穩(wěn)輸油自動控制;

(11) 三相分離器溫度自動檢測;

(12) 井排來油溫度檢測;

(13) 消防系統(tǒng)水壓檢測;

(14) 聯(lián)合站集中監(jiān)測、顯示系統(tǒng):

2.4 技術(shù)方案與解決途徑

(1) 將光纖傳感技術(shù)引入聯(lián)合站

將光纖傳感技術(shù)引入聯(lián)合站，就是運(yùn)用光纖傳感技術(shù)具有:實(shí)現(xiàn)非電檢測，真正本質(zhì)安全、防爆;實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測，無污染、高絕緣性、抗電磁干擾能力強(qiáng)、檢測精度高等特點(diǎn)，解決原油儲罐液位檢測和報警，解決儲罐負(fù)壓檢測和報警，解決原油流量檢測和信號遠(yuǎn)傳，解決三相分離器油、水液位檢測與信號遠(yuǎn)傳。

(2) 研制和開發(fā)相應(yīng)的光纖傳感器

由于光纖傳感產(chǎn)品進(jìn)入油田聯(lián)合站很晚，目前還談不上規(guī)?；瘧?yīng)用，因此現(xiàn)在成熟光纖傳感器無法全面滿足聯(lián)合站檢測的需要。要完成項目研究的技術(shù)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)項目的總目標(biāo)，就必須結(jié)合聯(lián)合站工藝過程檢測具體工況，研制和開發(fā)相應(yīng)的光纖傳感器。

(3) 開發(fā)光纖浮球液位變送器

開發(fā)用于油、氣、水三相分離器油、水液位檢測的光纖浮球液位變送器，用以替代現(xiàn)在用的氣動儀表，解決傳統(tǒng)氣動信號在傳輸過程中堵、漏、凍現(xiàn)象，提高控制的快速性、檢測和控制的可靠性。

(4) 開發(fā)光纖流量計量儀

應(yīng)用容積式流量檢測原理采用光纖轉(zhuǎn)換和傳送方式實(shí)現(xiàn)原油流量檢測與遠(yuǎn)傳，解決傳統(tǒng)電動儀表因傳送距離長抗干擾能力低的問題，避免強(qiáng)干擾下，檢測系統(tǒng)的誤操作。

(5) 開發(fā)儲罐光纖負(fù)壓報警器

解決原油儲罐負(fù)壓檢測與報警問題，可有效預(yù)防因呼吸閥堵塞，造成負(fù)壓癟罐事故的發(fā)生。

(6) 油井摻水系統(tǒng)自動控制和原油外輸平穩(wěn)輸油自動控制

運(yùn)用變頻器與壓力檢測構(gòu)成閉環(huán)回路，確保機(jī)泵在高效經(jīng)濟(jì)區(qū)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低設(shè)備維護(hù)率，提高設(shè)備使用壽命。

(7) 生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合站生產(chǎn)

采用目前國際上非常流行的分布式控制技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成先進(jìn)的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合站生產(chǎn)、安全實(shí)時監(jiān)控與管理，并將聯(lián)合站實(shí)時的生產(chǎn)和安全信息聯(lián)入油田開發(fā)網(wǎng)和安全信息網(wǎng)，為油田經(jīng)營管理層的決策工作提供及時、全面、準(zhǔn)確的信息資源。

3 光纖傳感與控制技術(shù)在聯(lián)合站的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

在系統(tǒng)組成上，現(xiàn)場一次儀表采用光纖傳感器、本安型壓力變送器和溫度傳感器，控制系統(tǒng)運(yùn)用當(dāng)今較為先進(jìn)的“整體解決方案”技術(shù)，為了進(jìn)一步提高增加系統(tǒng)全面性、可靠性、穩(wěn)定性和安全性，在軟件設(shè)計上運(yùn)用國際上流行的MVC技術(shù)，即將表示層、控制層、及數(shù)據(jù)層相分離，三層相輔相成，在使用上很直觀地體現(xiàn)出了現(xiàn)場級、監(jiān)控級、工程師及操作員級、企業(yè)管理級多級工作方式，實(shí)現(xiàn)真正的工廠綜合自動化理想平臺、真正的流程工業(yè)生產(chǎn)過程的先進(jìn)控制，優(yōu)化調(diào)度和管理模式。

(1) 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由外輸控制站、內(nèi)輸控制站(三相分離和穩(wěn)定控制站)、總控站、原油罐區(qū)安全監(jiān)控系統(tǒng)、事故預(yù)案管理等幾部分組成，其中外輸控制系統(tǒng)、內(nèi)輸控制系統(tǒng)與總控部分以及原油罐區(qū)安全監(jiān)控系統(tǒng)具有相對的獨(dú)立性，又有著密切的聯(lián)系構(gòu)成一個有機(jī)整體。

事故預(yù)案管理在結(jié)合全站安全管理規(guī)定和以往處理事故的一些經(jīng)驗做法的基礎(chǔ)上，以文本文件形式將其安裝在系統(tǒng)畫面中，用來指導(dǎo)和幫助操作工人在緊急狀態(tài)下快速準(zhǔn)確操作處理。

(2) 系統(tǒng)特點(diǎn)

a) 高精度測量，本安防爆;

b) 開放的體系結(jié)構(gòu)，可以提供多層的開放數(shù)據(jù)接口;

c) 有較高的可靠性、穩(wěn)定性、安全性，維修方便、工藝先進(jìn);

d) 豐富的全漢字圖形

豐富的全漢字圖形,復(fù)雜漂亮的界面，運(yùn)用了動畫技術(shù)、圖形縮放技術(shù)、多級窗口技術(shù)、各種數(shù)據(jù)、曲線、棒圖等的實(shí)時顯示;

e) 支持各種生產(chǎn)報表和圖形打印功能;

f) 豐富的歷史記錄、報警記錄和事故追憶分析功能;

g) 強(qiáng)大的系統(tǒng)逐級自診斷功能與故障報警功能;

h) 在管理層采用標(biāo)準(zhǔn)的100Mbps以太網(wǎng)(TCP/IP協(xié)議)，應(yīng)用局域網(wǎng)將聯(lián)合站與油田的開發(fā)網(wǎng)、安全信息網(wǎng)直接相連。

3.2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

(1) 液位控制精度 ±5 cm;

(2) 壓力控制精度 ±2kPa;

(3) 大罐液位檢測 ±2mm;

(4) 溫度檢測 ±2℃;

(5) 歷史數(shù)據(jù)保留 7天;

(6) 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸差錯 ∠0.5‰。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計

(1) 控制系統(tǒng)硬件配置

本系統(tǒng)下位機(jī)PLC選用日本歐姆龍株室會社的C200Hα系列機(jī)。SYSMAC α系列PLC是OMRON公司繼C200H和C200HS后推出的新一代C200系列的PLC產(chǎn)品。其宗旨是為了滿足高水平的生產(chǎn)自動控制需要，在不減弱PLC功能的同時提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，改進(jìn)通訊功能，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加速向數(shù)據(jù)化工廠的方向邁進(jìn)。與傳統(tǒng)的C200H和C200HS系列的PLC相比，SYSMAC α系列PLC除了基本性能得到提高以外，它主要在通訊和數(shù)據(jù)處理方面作了大幅度的提高和改進(jìn)，為控 制與管理一體化的控制系統(tǒng)提供支持，代表著當(dāng)今PLC的發(fā)展方向。

總之，它是一種價格適中、性價比較高的中型機(jī)，配有較強(qiáng)的指令系統(tǒng)，梯形圖與語句并重，增加了許多特殊指令，極大地方便了用戶的編程。此外，它還配備了豐富的特殊模塊和強(qiáng)大的通訊模板，以實(shí)現(xiàn)工廠自動化的多級要求。本系統(tǒng)采用的C200Hα型系列PLC為機(jī)架安裝型，各種I/O單元、特殊功能模塊、通訊板卡、CPU、電源單元均安插在一塊底板上，并根據(jù)其所占用的槽位占用不同的內(nèi)存單元。它的用戶程序存儲區(qū)為7.2K字，I/O分配有兩個I/O擴(kuò)展機(jī)架，最大控制點(diǎn)數(shù)可達(dá)1140點(diǎn)，其基本指令執(zhí)行時間為0.313微秒，特殊指令執(zhí)行時間為1.250微秒，完全能滿足過程控制的需要。它支持多種特殊I/O單元和通訊模板，可以方便地與上位機(jī)IPC、同位機(jī)PLC及遠(yuǎn)程I/O單元通訊，使用方便。本系統(tǒng)的PLC選型如附表所示。

(2) 控制系統(tǒng)軟件

編程軟件:SYSMAC-CPT(英文版) SYSMAC-CPT是OMRON公司開發(fā)的基于WINDOWS95/98操作平臺上的梯形圖編程工具。它用于在普通個人電腦上編制PLC梯形圖程序，并將程序通過串口下傳至PLC，在線監(jiān)控PLC運(yùn)行以及各寄存器的狀態(tài)，對PLC進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置。它支持梯形圖和助記符兩種方式，可相互轉(zhuǎn)換，使用極為方便。具體的各單元模塊及地址分配見各臺PLC的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計部分。

4 結(jié)束語

光纖傳感與控制技術(shù)在油田聯(lián)合站應(yīng)用研究項目，通過研究與實(shí)施，消除了安全隱患，提高了聯(lián)合站安全、自動化管理水平，節(jié)能降耗效果明顯，在油氣集輸處理場站具有較好推廣價值。

(1) 首次將光纖傳感與控制技術(shù)大規(guī)模運(yùn)用于油氣處理和集輸工藝中

利用光纖技術(shù)所獨(dú)具高精度、非電非接觸式檢測等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了魏崗聯(lián)合站多點(diǎn)多參數(shù)全天候自動檢測與監(jiān)控，使站內(nèi)管理控制達(dá)到一體化、智能化;

(2) 開發(fā)研制的三種新型光纖傳感器

儲罐負(fù)壓報警器、光纖流量計量儀、光纖浮球液位計，屬國內(nèi)首次研究應(yīng)用，其性能良好、運(yùn)行可靠，大大削減易燃易爆場所安全風(fēng)險，增強(qiáng)了聯(lián)合站本質(zhì)安全管理水平;

(3) 經(jīng)濟(jì)效益顯著

該系統(tǒng)確保了集輸設(shè)備、注水、摻水設(shè)備在高效經(jīng)濟(jì)區(qū)平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，改善了機(jī)泵運(yùn)行工況環(huán)境，減少設(shè)備損壞率，實(shí)現(xiàn)多崗合一，降低了油氣集輸處理人工成本;

(4) 自動化程度高

生產(chǎn)異常及時報警，全過程參數(shù)自動采集、自動生成生產(chǎn)報表，降低了工人勞動強(qiáng)度;

(5) 引進(jìn)國際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控為各級決策層了解易燃易爆場所安全生產(chǎn)信息提供了實(shí)時依據(jù)，為生產(chǎn)異常情況處理分析提供依據(jù)。