石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)的設計與應用

陳立軍 姜其鋒 劉 超 張舒心

(東北電力大學自動化工程學院,吉林 吉林 132012)

石油是一種不可再生能源，為了能夠以最大效率生產，就需要采用先進的計量儀器和控制方法，避免造成不必要的浪費，同時對環(huán)境保護也具有重要作用。目前，國際上使用的石油壓裂液分為水基壓裂液、油基壓裂液、酸基壓裂液、泡沫壓裂液和乳化壓裂液。國內油田普遍采用配制水基壓裂液的方法，即在一個固定井場或配液站內，按照批次總量對應的比例添加水和乳化劑，充分攪拌均勻后放置一段時間，使乳化劑和水完全溶漲并保證達到粘度要求[1]。此生產工藝生產技術落后、勞動強度大，基液的混配速度慢、粘度低、殘余液量多、波動大，容易產生“水包粉”，配液質量差，浪費大且污染環(huán)境。在長時間的配制、存放和運輸過程中，由于配液池及運輸車輛等無法保證清潔，導致基液降解嚴重、豁度降低，如不能及時使用，基液將全部變質腐壞，造成極大的損失[2,3]。石油壓裂液混配車的出現(xiàn)，改變了我國目前較為落后的現(xiàn)場連續(xù)配液現(xiàn)狀。

針對某油田在石油壓裂液配置過程中存在的配液設備和技術落后，配置耗時，儲存過程中壓裂液容易變質，勞動強度大，余液排放污染環(huán)境和嚴重制約施工效率的問題，結合該廠實際情況，設計了石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)，以提高瓜爾膠液、液體添加劑的配比精度和控制速度，使連續(xù)混配、即配即壓成為可能[4]。

1 系統(tǒng)簡介①

石油壓裂液連續(xù)混配車自控系統(tǒng)采用模糊控制方式[5]，以C200HS型PLC作為主控制器，充分利用PLC配置靈活、控制方便和適應性強的優(yōu)點，同時配備了高精度的傳感器和可靠的控制單元，PLC在采集現(xiàn)場傳感器數(shù)據后，將其作為反饋信號與預設的參數(shù)進行對比計算，然后輸出信號調節(jié)控制單元，再進行對比計算，直到輸出符合要求，最終實現(xiàn)液位的自動控制。系統(tǒng)采用觸摸屏作為監(jiān)控界面，將系統(tǒng)的運行狀態(tài)直接顯示出來。上位機由一臺15英寸的觸摸屏進行人機交互控制操作，下位機控制主要由一套PLC控制系統(tǒng)柜和電氣控制柜組成。系統(tǒng)設備層之間采用I/O模塊進行采集和控制：配置了模擬量輸入模塊，用來采集液位和電子秤信號；數(shù)字量輸入模塊，用來采集輸入、輸出流量；模擬量輸出模塊，用來調節(jié)各種上料泵的轉速；數(shù)字量輸出模塊，用來控制各種原料的添加量。

2 工作原理

石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)由硬件部分、軟件部分和配套儀器組成。整套設備由工控PC機統(tǒng)一控制，各參數(shù)全部在線顯示，系統(tǒng)根據預先設定的程序自動進行配液。該自控系統(tǒng)可以根據輸入的參數(shù)自動計算基液和各種添加劑的配比比例；實現(xiàn)對管道流量及液體、固體余量等信息的采集和顯示；實現(xiàn)對混配車上水泵、閥門及給料器等設備的自動控制[6]；實現(xiàn)對整套系統(tǒng)的自動監(jiān)測，發(fā)生錯誤時進行自動報警，并自動記錄整個生產過程。

3 系統(tǒng)設計

3.1 硬件組成

系統(tǒng)控制核心采用的是C200HS型PLC，該型號PLC采用緊湊的模塊化結構，最大I/O點數(shù)為480點，而且還具有遠程I/O系統(tǒng)，可將I/O點數(shù)擴展至1 792點；雖然它屬于小型PLC，但提供了較快的指令處理速度。系統(tǒng)所需控制的數(shù)字量輸入點數(shù)為180點，數(shù)字量輸出點數(shù)為110點，模擬量輸入點數(shù)為29點，模擬量輸出點數(shù)為20點。同時還需選擇相應的通信模塊和電源模塊[7]。

系統(tǒng)的電氣結構如圖1所示。自控系統(tǒng)是石油壓裂液配液站的重要組成部分，主要完成對基液混配、添加液體、添加固體、交聯(lián)劑混配、攪拌和發(fā)液部分的自動、手動控制，完成配液和發(fā)液過程。系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、粉料系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、添液系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。自控系統(tǒng)由上位監(jiān)控級和控制級組成。監(jiān)控級的主要設備是NS觸摸屏，完成對配液流程的控制，以及對設備運行狀態(tài)和測量數(shù)據的實時顯示。控制級由PLC對各設備進行自動操作。

圖1 系統(tǒng)的電氣結構框圖

3.2 軟件設計

自控系統(tǒng)的軟件部分包括NS界面設計和PLC程序設計。本工藝采用CX-One軟件，該軟件功能齊全，如PLC梯形圖繪制、NS界面制作、在線仿真及自定義協(xié)議等。CX-Designer主要完成繪制、編輯和傳送NS觸摸屏畫面的數(shù)據。CX-Programmer主要完成數(shù)據區(qū)的設定、編輯、調試和監(jiān)控PLC程序。

3.2.1NS界面

NS操作界面主要是面向操作人員提供一個操作控制界面，它要求操作方便、簡單且直觀，并能夠提供相關工具對系統(tǒng)過程數(shù)據進行分析。同時采用面向對象的程序設計語言和可編程邏輯控制終端設計平臺NS-Designer進行程序設計，設計出操作簡單、靈活且直觀的用戶界面，并用圖形顯示的方式反映配液過程，以便用戶對配液過程和采集數(shù)據進行分析。自控系統(tǒng)的NS界面如圖2所示。

圖2 自控系統(tǒng)的NS界面

3.2.2PLC程序

PLC通過程序來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，不同型號的PLC都有屬于自己的編程語言。本系統(tǒng)采用梯形圖語言。PLC的梯形圖語言是在繼電器控制電路圖的基礎上演變而來的一種圖形語言，它在繼電器所能實現(xiàn)的功能基礎上增加了許多方便、靈活且功能強的指令，而且充分利用了計算機的特點，使程序更加清晰、直觀，方便閱讀，實現(xiàn)的功能遠遠超過了繼電器控制電路，在PLC編程語言中應用最為廣泛[8]。筆者利用CX-One配套的CX-Program軟件來制作梯形圖。

筆者主要對基液混配自控系統(tǒng)進行程序設計。在基液混配過程中需要對上料泵和電機進行啟、停控制，對閥門進行開、關控制，以及控制液體的流速，以實現(xiàn)膠粉、清水和混配部分的控制。添加液體自控系統(tǒng)是一個閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)，在程序設計時，首先打開計量泵，當電子秤上重量達到設定值后，相應的計量泵電機就會停止，直到全部液體添加完成后電動閥自動關閉。添加固體自控系統(tǒng)程序設計，根據射流器產生的負壓，帶動固體粉料、清水或基液進行混合，為了保證供粉的連續(xù)性，每個粉罐都安裝了下料電機。交聯(lián)劑配置自控系統(tǒng)程序設計，由于交聯(lián)劑易溶于水，所以只需直接將預先稱好的交聯(lián)劑到入儲液池中攪拌即可。攪拌和發(fā)液自控系統(tǒng)程序設計，需要控制攪拌電機和發(fā)液泵的啟、停，當液體添加完成時即可啟動攪拌電機，達到發(fā)液要求時停止攪拌，發(fā)液部分由發(fā)液泵和電動閥門進行控制。基液混配控制流程圖如圖3所示。

圖3 基液混配控制流程

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

通過石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)對配液的設備進行控制與信息傳輸，配液生產線自動運行實現(xiàn)的功能如下：

a. 自動或手動完成對混配車上的閥門、水泵及給料器等設備的自動控制。

b. 信息反饋功能。控制系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對設備的控制，同時還監(jiān)測設備的實時運行情況，觀察各種傳感器的參數(shù)，根據用戶輸入的參數(shù)自動計算基液和添加劑的配比比例，直接輸出，更好地完成對系統(tǒng)的自動控制。

c. 故障診斷與報警功能。對配液系統(tǒng)的電氣設備進行實時故障分析、診斷，并記錄故障原因和時間。

5 現(xiàn)場應用

石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)在某油田進行了現(xiàn)場試驗，對各項技術指標進行了驗證。

試驗方法：配液所需的水由水泵抽水提供，石油壓裂基液由車載輸液泵通過發(fā)液口直接排入用于發(fā)液的儲液罐，3min后達到粘度要求30mPa·s時對外發(fā)液，直接供生產使用。試驗按照配液站的實際生產要求進行，配液所用膠粉為瓜爾膠，配制出的壓裂基液出廠粘度要求達到30mPa·s。在現(xiàn)場試驗的調試階段出現(xiàn)了輸液泵有時走空泵的現(xiàn)象，經停泵檢查發(fā)現(xiàn)是由于攪拌的過程產生了泡沫，清潔配液以后壓裂正常。

連續(xù)實施混配壓裂液現(xiàn)場試驗1個月以來，累計配液量超過8 000m3，均取得了成功。工藝過程和自控系統(tǒng)工作可靠、運行穩(wěn)定，能夠自動完成基液的連續(xù)配制，可根據實際生產需要，隨時對系統(tǒng)參數(shù)(如配液速度及配液比等)進行調節(jié)。石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)的各項技術指標均達到設計要求，現(xiàn)場試驗達到預期指標。該混配車自控系統(tǒng)在工藝流程及自動控制等方面都具有一定的創(chuàng)新性和先進性。

6 結束語

石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)配制的壓裂液質量高，基液均勻透明，徹底避免了“水包粉”現(xiàn)象；平均出口粘度指標達到86%；保持良好的壓裂液性能的同時，實現(xiàn)了即配即壓的連續(xù)混配壓裂施工，降低了施工難度，避免了由于天氣等環(huán)境因素影響配液質量，提高了施工質量，縮短了施工周期，節(jié)約了成本，降低了耗能，保護了環(huán)境。石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)的研制成功，實現(xiàn)了壓裂液計算機自動控制批量混配和連續(xù)批量混配，改變了壓裂作業(yè)過程的傳統(tǒng)運作模式。目前，國內的大部分中小型油田生產企業(yè)都面臨著相似問題，因此該自控系統(tǒng)具有廣泛的應用前景。

[1] 張華,丁勝生,周入剛,等.CSGT-180A壓裂液自動控制混配車(橇)的研制[J].石油機械,2009,37(3):43～44.

[2] 李銘,汪義發(fā).我國油田壓裂現(xiàn)場連續(xù)配液工藝的發(fā)展方向[N].中國石油報,2005-08-30(7).

[3] 王婷婷,邵克勇.水力壓裂混合液砂密度模糊控制方法研究[J].自動化技術與應用,2007,26(10):45～46.

[4] 黃依理,杜彪,謝璇,等.長慶油氣田連續(xù)混配壓裂液[J].油田化學,2009,(4):376～378.

[5] Chen S M,Wang N Y.Fuzzy Forecasting Based on Fuzzy-Trend Logical Relationship Groups[J].IEEE Transactions on Systems,2010,40(5):1343～1358.

[6] 張彬.自動控制原理[M].北京:北京郵電大學出版社,2009:266～270.

[7] 楊艷.OMRON PLC網絡的通信技術及其應用研究[D].青島:青島大學,2009:17～22.

[8] 何獻忠,李衛(wèi)萍,劉穎慧,等.可編程控制器應用技術[M].北京:清華大學出版社,2007:5～7.