智能儀表數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)在撬裝化設(shè)備上的應(yīng)用

胡 朋

(中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司,湖北,武漢 430223)

頁巖氣田標(biāo)準(zhǔn)化集氣站均按無人值守設(shè)計，為了提高設(shè)計、采辦和施工效率，集氣站處理設(shè)備采用撬裝化。撬裝化設(shè)備配置高性能的智能儀表，根據(jù)撬裝設(shè)備不同工藝生產(chǎn)處理要求配置高性能監(jiān)測、控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)撬裝設(shè)備生產(chǎn)過程參數(shù)實時采集控制，撬裝設(shè)備安全系統(tǒng)可實現(xiàn)緊急聯(lián)鎖關(guān)斷功能，保證現(xiàn)場撬裝設(shè)備精確的監(jiān)測、控制，以及系統(tǒng)整體運行的穩(wěn)定、可靠。

智能儀表作為頁巖氣田底層框架的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集部分，撬裝設(shè)備智能儀表數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃员容^重要。在滿足頁巖氣田安全生產(chǎn)的前提下，智能儀表數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)在撬裝設(shè)備上的應(yīng)用，可提升撬裝設(shè)備的模塊化程度，在線實時采集撬裝設(shè)備的生產(chǎn)運行狀態(tài)參數(shù)和智能儀表設(shè)備有關(guān)"健康狀態(tài)"數(shù)據(jù)信息，確保撬裝設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，優(yōu)化并提高氣田管理水平和開采效率，實現(xiàn)建成安全、節(jié)能、環(huán)保的智能氣田。美國能源部的研究估計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會為工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)節(jié)能10%，降低排放或泄漏15%的目標(biāo)提供良好的手段[1]。

1 無人值守集氣站

1.1 標(biāo)準(zhǔn)工藝模塊劃分

標(biāo)準(zhǔn)化無人值守集氣站流程圖如下圖1所示，根據(jù)井口及集氣站標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)分離器、防凍劑加注、燃?xì)庹{(diào)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?xì)庹{(diào)壓等模塊采用撬裝化，標(biāo)準(zhǔn)工藝模塊劃分的模塊名稱及規(guī)格見下表1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化集氣站流程圖 表1 標(biāo)準(zhǔn)工藝模塊劃分

表1(續(xù))

1.2 自動控制水平

撬裝化設(shè)備上智能儀表信號需進就地控制系統(tǒng)監(jiān)控的可通過電纜硬接線接入控制系統(tǒng)，應(yīng)在控制室顯示的有關(guān)信息可經(jīng)就地控制系統(tǒng)采取RS-485通訊方式接入。

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

標(biāo)準(zhǔn)化無人值守集氣站控制系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器PLC，對整個站場撬裝化設(shè)備和撬外工藝生產(chǎn)設(shè)施進行監(jiān)視和控制。集氣站撬裝化設(shè)備工藝生產(chǎn)參數(shù)采集上傳到集氣站過程控制系統(tǒng)PLC和ESD系統(tǒng)PLC顯示及報警，并通過通信系統(tǒng)接入調(diào)度控制中心進行統(tǒng)一管理和監(jiān)控，集氣站實現(xiàn)無人值守。

2 撬裝化設(shè)備智能儀表無線傳輸原理

在集氣站撬裝化設(shè)備上針對除了涉及安全連鎖的儀表外，智能儀表數(shù)據(jù)采取無線傳輸技術(shù)。無線設(shè)備中繼器與智能無線儀表集成于一體，撬裝化設(shè)備上智能無線儀表除能傳輸自身數(shù)據(jù)外，同時能兼作無線網(wǎng)絡(luò)中繼器。在集氣站控制室設(shè)置智能無線網(wǎng)關(guān)，撬裝化設(shè)備智能無線儀表和智能無線網(wǎng)關(guān)組成現(xiàn)場自適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)，覆蓋所有撬裝化設(shè)備智能無線儀表。智能無線網(wǎng)關(guān)與集氣站控制系統(tǒng)組成更高層級傳輸網(wǎng)絡(luò)，形成撬裝化設(shè)備智能無線儀表數(shù)據(jù)經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄軣o線網(wǎng)關(guān)，智能無線網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通訊協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳到集氣站控制系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸通路。在集氣站無人值守情況下，滿足撬裝化設(shè)備數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)墓δ芤蟆＜瘹庹厩搜b化智能儀表數(shù)據(jù)無線傳輸原理圖如下圖2所示。

圖2 撬裝化設(shè)備智能儀表數(shù)據(jù)無線傳輸原理圖

2.1 無線傳輸測控點選擇

按照過程工業(yè)為無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及對應(yīng)信息傳輸速度重要性[2]，同時結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化集氣站不同類型撬裝化設(shè)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(xiàn)場控制系統(tǒng)，加熱爐撬本體涉及安全連鎖的溫度遠(yuǎn)傳信號和緊急停爐信號采用有線傳輸方式進ESD系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，采用有線傳輸方式進過程控制系統(tǒng)PLC內(nèi)置計量模塊，進行溫壓補償計算。集氣站撬裝化設(shè)備除上述功能之外的智能儀表數(shù)據(jù)采用無線方式傳輸。

集氣站撬裝化設(shè)備智能無線儀表現(xiàn)場應(yīng)用過程中采用Wireless HART技術(shù)，符合IEC62591標(biāo)準(zhǔn)，為當(dāng)前流程行業(yè)中符合國際標(biāo)準(zhǔn)和中國國家標(biāo)準(zhǔn)的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。無線設(shè)備中繼器與智能無線儀表集成于一體，供電方式采用內(nèi)置鋰電池。標(biāo)準(zhǔn)化無人值守集氣站撬裝化設(shè)備智能無線儀表應(yīng)用統(tǒng)計表如下表2所示。

標(biāo)準(zhǔn)化無人值守集氣站撬裝化設(shè)備加熱爐撬、集氣匯管撬、分離器撬、燃?xì)庹{(diào)壓撬等智能無線儀表安裝應(yīng)用如下圖3所示。

表2 撬裝化設(shè)備智能無線儀表應(yīng)用統(tǒng)計表

圖3 撬裝化設(shè)備智能無線儀表現(xiàn)場安裝圖

2.2 智能儀表數(shù)據(jù)無線傳輸特點

撬裝化設(shè)備智能無線儀表除了將工藝生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到控制系統(tǒng)外，智能無線儀表數(shù)據(jù)傳輸信號疊加有HART協(xié)議信息。智能無線儀表的相關(guān)HART“健康狀態(tài)”信息同時通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到控制室AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)，智能無線儀表的工藝生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和設(shè)備"健康狀態(tài)"數(shù)據(jù)能夠很好地結(jié)合并集成在同一數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境下，如上圖2所示。

同時在撬裝化設(shè)備智能有線儀表上增加智能無線適配器,智能有線儀表設(shè)備的相關(guān)HART"健康狀態(tài)"數(shù)據(jù)經(jīng)智能無線適配器通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到控制室。在控制室，AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)可以采集到撬裝化設(shè)備智能儀表有關(guān)“健康狀態(tài)”數(shù)據(jù)信息。

集氣站控制室設(shè)置Rosemount 1420智能無線網(wǎng)關(guān)2臺，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋集氣站撬裝化設(shè)備所有智能無線儀表和無線適配器。在控制室實現(xiàn)對撬裝化設(shè)備所有智能儀表的在線監(jiān)測、在線診斷、在線維護和在線管理，并可在智能設(shè)備管理系統(tǒng)中建立設(shè)備資產(chǎn)檔案、提前預(yù)警，減少現(xiàn)場巡檢維護工作量。

3 撬裝化智能儀表數(shù)據(jù)無線傳輸應(yīng)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(fù)雜地形條件, 智能儀表數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)在撬裝化設(shè)備上的應(yīng)用，降低了現(xiàn)場投運期間的工作強度，加快了項目投運時間，節(jié)省了工程項目成本。

在滿足安全生產(chǎn)的前提下，智能儀表數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)，提高了撬裝化設(shè)備的投用速度，提升了撬裝化設(shè)備的模塊化程度，推動了撬裝化設(shè)備設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化。

撬裝化設(shè)備上智能儀表"健康狀態(tài)"數(shù)據(jù)通過無線采集傳輸，實現(xiàn)對智能儀表在線監(jiān)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(chǎn)維護成本并使撬裝化設(shè)備操作更安全、方便和有效，提高了撬裝化設(shè)備智能化程度。

4 結(jié)論

根據(jù)頁巖氣田滾動開發(fā)特點，智能儀表數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)可實現(xiàn)撬裝化設(shè)備的快速安裝與拆卸，靈活組合，能夠適應(yīng)頁巖氣產(chǎn)量變化。特別是在生產(chǎn)開發(fā)后期，需在集氣站增加開發(fā)加密井，而集氣站已投產(chǎn)不便于大面積施工開挖的情況下，智能儀表數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)在撬裝化設(shè)備上的應(yīng)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(shè)周期，提高氣田開發(fā)效率。

[1] 曹慶年，曹 蕾，孟開元．基于無線短程網(wǎng)絡(luò)的HART協(xié)議概述[J]．軟件導(dǎo)刊，2010，9(4)：132-134．

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