“5G+”時代智能化控制在大型氣田井場站中的應用研究

唐楠（中海石油（中國）有限公司非常規油氣分公司，北京 100015）

隨著經濟的發展和城市化的推進，能源結構也在不斷調整，各項生產生活過程對天然氣的消耗越來越多，對于天然氣的需求持續增加，應用范圍也在不斷擴大。而這就給天然氣的輸送調配增加了難度，依靠傳統的調配方式難以滿足日趨增加的應用需求，因此場站需要創新的輸送調配模式。在這里，場站將自動化，大數據、云計算、遠程通信等先進技術結合到一起，與天然氣傳輸和分配控制系統相集成，以改善和改進系統中需要做到的故障分析、局部∕區域需求分析、遠程調配控制等功能的實現。其中天然氣管網SCADA 系統的應用，給5G 自動化和智能化控制提供了重要的技術指導[1]。

1 “5G+”時代大型氣田井場站智能化控制的要求

在“5G+”快速發展的形勢下，因為天然氣相關行業的應用越來越多，相關技術也在持續進步，以及客戶需求的大范圍和大量增加，有必要進一步開發、完善和提高5G 智能化控制系統。智能化控制系統是一種新的場站智能控制系統，它是在SCADA 系統的基礎上設計出的，具有更全面的硬件配置，功能開發和系統集成能力[2]。場站的傳統SCADA 系統更加注重站工況的數據采集，包括：溫度，壓力，流量等數據的收集和預警，控制功能少；新的智能系統在系統功能的基礎上集成了傳統的SCADA，借助開發鏈控制、遠程壓力調節、區域優先控制、數據采集系統、自動化計量等的集成，進行全新的功能開發，形成全面的子系統，實現場站的智能化和自動化管控[2]。基于傳統系統的智能化控制系統主要特點是：（1）不再受人員，時間，天氣，區域，距離等多種因素的限制。（2）當網絡通信正常時，可以快速根據傳輸調度的需求調整計劃（幾秒鐘內）；（3）調度中心可以快速向遠程電壓和流量調節系統發布電壓或流量控制指令；（4）電壓流量調節系統接到指令后，第一時間給出判斷，結合工作條件快速完成壓力或流量調節；（5）壓力調節系統，借助傳感器實時收集現場系統的運行參數，并遠程傳輸給調度中心，為中心進行決策制定提供可靠的關系到管道網絡狀態的實時數據支持[3]。

2 “5G+”時代大型氣田井場站智能化控制的組成

場站的智能控制系統包括順序控制系統（SCS），該系統可以完成站內的控制切換等工作[4]。調壓過程區采用監控調壓器和電控閥的設計，聯系可靠的壓力、溫度、流量等分析設備的使用，關聯SCADA 系統平臺，進行控制和管理。在該系統的支持下，場站的控制級別可以分為以下三級：一是地控制級，在場站內配置單體設備或設置子系統模塊，進行就地、獨立控制；二是站場控制級，可以實現對場站內設備運行參數、工藝狀態等數據進行實時采集、運行監控、聯鎖保護，并借助遠程傳輸系統與調控中心進行數據交換；三是調控中心級，由中心對整個場站和線路進行實時監控、調度和優化運行等操作。

3 “5G+”時代大型氣田井場站智能化控制的功能

3.1 無人值守智能化管控

智能控制系統實現了智能化管理與控制。5G 的引用可以使智能化管理具備極高的數據速率，極低的滯后性，極高的移動網絡覆蓋率，極高的網絡密度，以及無處不在的移動通信，這就會使得遠程指令可以更快速的執行[4]。

在場站運行期間，由場站控制的RTU系統自動監視和控制場站的運行狀態，包括工作狀態數據收集，電源檢測，故障報警，自動釋放，電壓和電流控制等。在正常情況下，如果需要進行場站維護或其他工作需要關閉場站的，操作人員可以利用RTU系統給出“場站正常關閉”命令，將場站關閉并退出操作平臺。智能聯鎖控制主要具備切斷和停止超壓、泄漏以及低溫熱交換等功能，以確保大型氣井井場的安全可靠運行。整個智能控制系統在硬件配置，控制功能和安全性方面完全實現了無人值守的智能管理和控制功能。

3.2 智能化高精度調壓調流功能

智能壓力調節系統進行調壓是借助監控調節器、電動調節閥來實現的。一般正常情況下是調節調節閥的開度大小來調節場站的壓力和流量，并利用遠程壓力和流量控制系統進行控制。調度人員在上層監控系統輸入需求的壓力或流量要求后，就可完成對管道壓力和流量的調整。整個過程十分精確、快速，而且操作十分方便，還可以實現自動調峰，合理供氣功能，平衡不同需求區間的天然氣供應情況。這樣就大大提高了氣田的供氣質量和運行安全性[5]。

3.3 5G智能化系統的技術特點

5G 系統雖然技術體系十分復雜，但操作比較簡單，功能便利，用途多樣，如下所示：（1）接入技術對用戶透明，可以公開了解，而且終端和業務可以實現在網絡和設備間的無縫切換。（2）無線設備之間相互關聯，有較高的兼容性，操作簡單，更好地為用戶服務。（3）多樣化的應用服務簽約簡單，賬單統一。（4）無線通信的成本降低，平均到每個用戶身上相比當前的資費水平更低。

5G 系統可以提供實時在線服務，在用戶任何時間和任何地點有需求時都能提供線上服務，包括工業控制、緊急通信等。5G的時延更低，包括用戶面時延和控制面時延，與4G相比縮短了5-10 倍，提供真正的24h 在線體驗。另外，因為部分業務的安全要求較高，所以對可靠性要求十分高，而5G系統可以提供端到端可靠性99.999%甚至100%的服務。

3.4 智能化設備管理功能

系統設計將整個閘口站的智能儀表，電力系統設備和陰極保護設備集成到監控系統中，并對設備的運行狀態進行全面管理和全面監控，包括：異地電力運行狀態，自供電發電系統運行狀態，電站UPS 系統運行狀態等。借助該系統，工作人員可以隨時掌握所有設備的運行狀態，保證場站的安全可靠運行。

4 “5G+”時代大型氣田井場站智能化控制系統的軟硬件設計

硬件設計基于天然氣場站的實際情況，并通過收集天然氣傳輸過程的關鍵參數來執行監視和預警，以確保場站的安全運行。首先使用自動化儀器收集現場工藝參數，然后使用數據通信將收集的數據上傳到實時數據庫中，并通過組態軟件開發的人機界面顯示出來，以便操作員可以監視操作實時，實時地設定工作條件參數，合理設置報警參數和預警，以達到提高工作效率、確保生產和生命安全的目的[6]。

5 結語

“5G+”與場站相結合的智能控制系統的應用將取得良好的效果并達到設計目的。天然氣場站的智能和自動化水平已得到質的提高；緊急處理能力也得到了極大提高，尤其是遠程電壓調節。“5G+”與場站相結合的智能控制系統的應用準確實現了遠程調壓（流量調節），平衡了管網內的供氣量，大大減少了人員控制。今天的天然氣行業正在蓬勃發展，5G 智能化控制系統基于自身的產品性能以及在通信技術，網絡技術，計算機技術和控制技術方面的優勢將擁有廣闊的應用前景。