智能儀表數據無線傳輸技術在撬裝化設備上的應用

胡 朋

(中石化節能環保工程科技有限公司,湖北,武漢 430223)

頁巖氣田標準化集氣站均按無人值守設計，為了提高設計、采辦和施工效率，集氣站處理設備采用撬裝化。撬裝化設備配置高性能的智能儀表，根據撬裝設備不同工藝生產處理要求配置高性能監測、控制系統，可實現撬裝設備生產過程參數實時采集控制，撬裝設備安全系統可實現緊急聯鎖關斷功能，保證現場撬裝設備精確的監測、控制，以及系統整體運行的穩定、可靠。

智能儀表作為頁巖氣田底層框架的基礎數據采集部分，撬裝設備智能儀表數據傳輸的安全性、可靠性比較重要。在滿足頁巖氣田安全生產的前提下，智能儀表數據無線傳輸技術在撬裝設備上的應用，可提升撬裝設備的模塊化程度，在線實時采集撬裝設備的生產運行狀態參數和智能儀表設備有關"健康狀態"數據信息，確保撬裝設備的安全穩定運行，優化并提高氣田管理水平和開采效率，實現建成安全、節能、環保的智能氣田。美國能源部的研究估計，無線傳感器網絡會為工業現場實現節能10%，降低排放或泄漏15%的目標提供良好的手段[1]。

1 無人值守集氣站

1.1 標準工藝模塊劃分

標準化無人值守集氣站流程圖如下圖1所示，根據井口及集氣站標準化流程，將井口及集氣站中相同的部分劃分為模塊，劃分的模塊具有通用性。井口及集氣站部分共劃分為井口安裝、除砂器、加熱爐、集氣匯管、計量分離器、生產分離器、防凍劑加注、燃氣調壓、污水罐、放空立管等10個模塊，其中除砂器、加熱爐、集氣匯管、分離器、防凍劑加注、燃氣調壓等模塊采用撬裝化，標準工藝模塊劃分的模塊名稱及規格見下表1所示。

圖1 標準化集氣站流程圖 表1 標準工藝模塊劃分

表1(續)

1.2 自動控制水平

撬裝化設備上智能儀表信號需進就地控制系統監控的可通過電纜硬接線接入控制系統，應在控制室顯示的有關信息可經就地控制系統采取RS-485通訊方式接入。

撬裝化設備上智能儀表信號參與緊急連鎖關斷的須通過電纜硬接線接入控制室ESD系統PLC進行連鎖關斷。集氣站撬裝化設備僅加熱爐撬配置就地控制系統進行監控，并可實現熄火保護、故障連鎖，在無人值守條件下實現安全生產。

標準化無人值守集氣站控制系統采用可編程邏輯控制器PLC，對整個站場撬裝化設備和撬外工藝生產設施進行監視和控制。集氣站撬裝化設備工藝生產參數采集上傳到集氣站過程控制系統PLC和ESD系統PLC顯示及報警，并通過通信系統接入調度控制中心進行統一管理和監控，集氣站實現無人值守。

2 撬裝化設備智能儀表無線傳輸原理

在集氣站撬裝化設備上針對除了涉及安全連鎖的儀表外，智能儀表數據采取無線傳輸技術。無線設備中繼器與智能無線儀表集成于一體，撬裝化設備上智能無線儀表除能傳輸自身數據外，同時能兼作無線網絡中繼器。在集氣站控制室設置智能無線網關，撬裝化設備智能無線儀表和智能無線網關組成現場自適應無線網絡，覆蓋所有撬裝化設備智能無線儀表。智能無線網關與集氣站控制系統組成更高層級傳輸網絡，形成撬裝化設備智能無線儀表數據經無線網絡傳輸到智能無線網關，智能無線網關通過標準的工業通訊協議將采集的數據上傳到集氣站控制系統的無線數據傳輸通路。在集氣站無人值守情況下，滿足撬裝化設備數據采集傳輸的功能要求。集氣站撬裝化智能儀表數據無線傳輸原理圖如下圖2所示。

圖2 撬裝化設備智能儀表數據無線傳輸原理圖

2.1 無線傳輸測控點選擇

按照過程工業為無線網絡設定的參數標準以及對應信息傳輸速度重要性[2]，同時結合標準化集氣站不同類型撬裝化設備的情況，加熱爐撬本體儀表采用有線傳輸方式進自帶的現場控制系統，加熱爐撬本體涉及安全連鎖的溫度遠傳信號和緊急停爐信號采用有線傳輸方式進ESD系統PLC；分離器撬用于計算氣田各站輸差的孔板流量計和溫度、壓力變送器，考慮數據傳輸的安全性和穩定性，采用有線傳輸方式進過程控制系統PLC內置計量模塊，進行溫壓補償計算。集氣站撬裝化設備除上述功能之外的智能儀表數據采用無線方式傳輸。

集氣站撬裝化設備智能無線儀表現場應用過程中采用Wireless HART技術，符合IEC62591標準，為當前流程行業中符合國際標準和中國國家標準的無線通訊標準。無線設備中繼器與智能無線儀表集成于一體，供電方式采用內置鋰電池。標準化無人值守集氣站撬裝化設備智能無線儀表應用統計表如下表2所示。

標準化無人值守集氣站撬裝化設備加熱爐撬、集氣匯管撬、分離器撬、燃氣調壓撬等智能無線儀表安裝應用如下圖3所示。

表2 撬裝化設備智能無線儀表應用統計表

圖3 撬裝化設備智能無線儀表現場安裝圖

2.2 智能儀表數據無線傳輸特點

撬裝化設備智能無線儀表除了將工藝生產過程數據通過無線網絡上傳到控制系統外，智能無線儀表數據傳輸信號疊加有HART協議信息。智能無線儀表的相關HART“健康狀態”信息同時通過無線網絡上傳到控制室AMS智能設備管理系統，智能無線儀表的工藝生產過程數據和設備"健康狀態"數據能夠很好地結合并集成在同一數據傳輸環境下，如上圖2所示。

同時在撬裝化設備智能有線儀表上增加智能無線適配器,智能有線儀表設備的相關HART"健康狀態"數據經智能無線適配器通過無線網絡上傳到控制室。在控制室，AMS智能設備管理系統可以采集到撬裝化設備智能儀表有關“健康狀態”數據信息。

集氣站控制室設置Rosemount 1420智能無線網關2臺，無線網絡覆蓋集氣站撬裝化設備所有智能無線儀表和無線適配器。在控制室實現對撬裝化設備所有智能儀表的在線監測、在線診斷、在線維護和在線管理，并可在智能設備管理系統中建立設備資產檔案、提前預警，減少現場巡檢維護工作量。

3 撬裝化智能儀表數據無線傳輸應用效果

針對頁巖氣田喀斯特地貌，施工過程中電纜溝開挖不方便、工程量大的山地復雜地形條件, 智能儀表數據無線傳輸技術在撬裝化設備上的應用，降低了現場投運期間的工作強度，加快了項目投運時間，節省了工程項目成本。

在滿足安全生產的前提下，智能儀表數據無線傳輸技術，提高了撬裝化設備的投用速度，提升了撬裝化設備的模塊化程度，推動了撬裝化設備設計的標準化。

撬裝化設備上智能儀表"健康狀態"數據通過無線采集傳輸，實現對智能儀表在線監測、在線診斷、在線維護和在線管理，減少了大量的巡檢時間，降低了生產維護成本并使撬裝化設備操作更安全、方便和有效，提高了撬裝化設備智能化程度。

4 結論

根據頁巖氣田滾動開發特點，智能儀表數據無線傳輸技術可實現撬裝化設備的快速安裝與拆卸，靈活組合，能夠適應頁巖氣產量變化。特別是在生產開發后期，需在集氣站增加開發加密井，而集氣站已投產不便于大面積施工開挖的情況下，智能儀表數據無線傳輸技術在撬裝化設備上的應用，提升了智能儀表安裝和擴展的方便性，可縮短地面工程建設周期，提高氣田開發效率。

[1] 曹慶年，曹 蕾，孟開元．基于無線短程網絡的HART協議概述[J]．軟件導刊，2010，9(4)：132-134．

[2] 方原柏．Wireless HART無線系統工程設計探討[J]．石油化工自動化，2011,47(4):10-13．