川渝地區天然氣生產井站強弱電橇裝一體化方案的研究與設計

李強 任彬 羅愛琳

1四川科宏石油天然氣工程有限公司

2中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

隨著油氣田勘探開發和地面建設逐漸向偏、遠、散、小和低滲透油氣田發展，地面工程的優化簡化顯得越來越重要[1]。近年來，油氣田地面工藝技術不斷進步，地面工程建設領域在工藝與技術、功能與構成、生產方式及管理體系等方面也在發生變化，一體化集成裝置就是在油氣田開發和建設新形勢下應運而生的。川渝地區油氣田分布廣泛，大多地處偏遠、環境惡劣。傳統的現場施工方式還存在施工作業面大、交叉作業多、高空作業等安全風險，以及現場施工占地大、施工作業人員多等對現場環境造成較嚴重污染的風險。油氣田地面工程一體化集成裝置是一種將多種功能進行集成，以功能劃分模塊的橇裝裝置[2]。因而，一體化集成裝置具有功能模塊化、工藝集成化、控制自動化和設備橇裝化的特點，以及節約用地、節省投資、工廠預制、建設迅速、運維方便、調用靈活的應用優勢。本文重點研究站場供配電系統和信息化系統兩個方面，結合“鉆前工程一體化”的理念和要求，最終提出了一個較完整的天然氣生產井站強弱電橇裝一體化方案，為川渝地區天然氣生產井站建設一體化、模塊化提供一些參考[3]。

1 成橇背景

1.1 供配電系統

根據《西南油氣田分公司站場一體化箱式變電站標準化設計》和目前川渝地區天然氣生產井站生產運行模式，現階段川渝地區天然氣生產井站新建站場供電外電電壓等級大部分為10 kV，變壓器容量為20、30、50、80 kVA 以及125 kVA 不等，且無高壓電動機的各類生產站場，箱變尺寸3 200 mm×2 500 mm 至3 700 mm×2 500 mm 不等。與常規變配電相比，箱式變電站優點為：設備布局緊湊，占地面積小；安裝調式在工廠內完場，建設周期短；可根據工程需要進行整體搬遷；廠家負責運行維護，運行單位維護工作量小；變壓器和配電設備均布置在箱體內，布局美觀。目前川渝地區外電大多數為10 kV電壓等級電源，且大部分為石油內部專線，普遍存在于山地，具有線路故障多、故障跳閘頻率較高以及線路維護困難等特點。

隨著中石油天然氣生產站場橇裝化理念的逐步深化，結合現有川渝地區天然氣生產站場建設和生產運行情況，目前箱式變電站出現以下問題：采用底部進線方式，需預制地面基礎，建設周期加長，箱式變電站內設檢查井，箱體內部剩余空間較大；箱式變電站整體搬遷時，預埋電纜重復利用率較低，造成資源浪費，增加工程項目建設隱形投資；現有《西南油氣田分公司站場一體化箱式變電站標準化設計》中箱式變電站缺乏電能管理系統，無供配電系統運行狀態監測和電能管理相關功能[4]。

1.2 站場信息化

根據《西南油氣田分公司站場信息化標準化設計》和《西南油氣田站場一體化活動房設計手冊》，目前采用站場信息化標準化設計的有中心站〔集氣站、集氣站（含增壓）、集氣站（含脫水）、輸氣站、配氣站〕、單井采氣站、無人值守單井采氣站、氣田水處理（回注）站、閥室(監控閥室、監視閥室)，在站場設置數據采集系統，連續采集現場數據和閥門狀態等信號，并將數據信息及時上傳，實現對站場生產過程的集中監視、記錄和報警。

結合現有川渝地區天然氣生產站場建設和生產運行情況，目前“站場信息化標準化”和“一體化活動房（橇裝）”出現以下問題：無站內供配電系統（含UPS）的信息采集和電能管理，若增加此功能，需在后期物聯網建設時對站內信息化系統和箱式變電站進行大修整改，增加工程項目二次投資；所有“一體化活動房（橇裝）”采用底部進線方式，需預制地面基礎，站內電纜采用直埋方式敷設，對“鉆前工程一體化”硬化后的地面進行二次開挖，增加工程投資，后期搬遷預埋電纜重復利用率較低，造成資源浪費，增加工程項目建設隱形投資[5]。

2 方案研究

2.1 需求分析

根據川渝地區天然氣生產站場建設和生產運行需求，將強電供配電系統和弱電自動控制信息化系統整體成橇需解決以下問題：

（1）優化箱變布局，縮減整體成橇后占地面積。

（2）考慮站場信息化一體化橇裝房物聯網接入功能。

（3）結合“鉆前工程一體化”，優化供電系統和弱電自動化控制系統整體成橇后的進出線方式，避免“硬化”后的站場地坪開挖，實現無基礎化安裝，減少工程不必要投資。

（4）結合目前川渝地區頁巖氣勘探開發實際情況，綜合考慮頁巖氣開發周期短的特點，成橇后站內電纜均需采用地面橋架和穿管敷設，便于拆除和再利用，提高站場設備重復利用率。

（5）結合國家“三供一業”具體要求，為國有企業減輕負擔，集中精力發展主營業務，現階段新增天然氣生產站場供電均采用地方電網，逐步減少、取消10 kV 及以上電壓等級的石油內網建設，因此，強弱電整體成橇后，用電信息采集和電能管理系統是必不可少的一部分[6]。

2.2 成橇方案

2.2.1 布局

根據現場調研和成橇需求分析，本強弱電成橇方案布局主要分為兩個部分：供配電系統和信息化系統。

供配電系統主要包括高壓進線柜、變壓器以及低壓柜（含保護系統）等設備。按照國家“三供一業”具體要求，生產井站10 kV供電電源從地方10 kV架空線路“T”接而來，在距井站圍墻1.5倍桿高處采用鎧裝電纜直埋入站，進站后采用地面橋架或鋼管的方式敷設至強弱電橇，并采用插接裝置，通過橇上強電接線窗口從橇側面進入橇內。

信息化系統主要包括UPS 柜、RTU 柜、通信柜、物聯網柜、操作臺、手提式二氧化碳滅火器以及用于橇內環境監測控制的溫感、煙感以及壁掛式空調等，現場設備和站外信息化電纜同供配電系統一樣，采用地面橋架或鋼管的方式敷設至強弱電橇，采用密封接頭通過橇上弱電接線窗口從橇側面進入橇內，其平面布置如圖1所示[4]。

2.2.2 數據傳輸

川渝地區控制系統網絡架構按照區域調度控制中心（DCC）、區域控制中心（RCC）、場站控制系統（SCS）三級設置，生產數據按場站控制系統（SCS）—>區域控制中心（RCC）—>區域調度控制中心（DCC）依次逐級傳輸。

強弱電橇內設置RTU 系統，完成供配電系統運行狀態監測、UPS 運行狀態監測、繼電保護控制、工藝過程控制、氣體泄漏檢測報警、安全聯鎖以及橇內環境監測和控制等功能，其系統框圖如圖2所示[7]。

圖1 強弱電整體橇裝平面布置Fig.1 Overall skid-mounted plane layout of strong and weak electricity

圖2 強弱電整體成橇后系統框圖Fig.2 System diagram after the strong and weak electricity is integrated into the skid

2.2.3 數據列表

通過現場調研和分析成橇需求具體問題，強弱電成橇后需管理的主要數據如表1和表2所示。

表1 強電數據Tab.1 Strong electricity data

表2 弱電數據Tab.2 Weak electricity data

此外，數據組態從下到上，共分為五級，各級組態數據內容如下：

（1）站場：常規數據+物聯網動態數據。常規數據在RTU 系統中編程組態，物聯網動態數據在物聯網網關中編程組態；物聯網網關讀取RTU 系統中的常規數據，寫入RTU物聯網動態數據；RTU報警連鎖邏輯應將物聯網動態數據納入。

（2）中心站（SCS）：常規數據+物聯網動態數據+物聯網靜態數據。常規數據（RTU 系統）和物聯網動態數據（物聯網網關）進入I/O 數據庫，并擴容組態顯示畫面，實現控制功能；物聯網靜態數據（物聯網網關，指設備屬性等變化不明顯或不變的數據）不進入I/O 數據庫，僅增加組態畫面，展示所有靜態數據，包括歷史和事件紀錄查詢，以及根據數據分析要求的曲線展示等[4]。

（3）區域控制中心（RCC）：常規數據。接入RCC系統，并擴容組態畫面。

（4）區域調度管理中心（DCC）：常規數據+物聯網數據。區域調度管理中心常規數據接入區域數據，并擴容組態畫面；區域OPC 服務器物聯網數據從站場物聯網關采集并上傳到物聯網OPC 服務器，再上傳到生產數據平臺。

（5）生產數據平臺：常規數據+物聯網動態數據。從區域調度管理中心（DCC）采集常規數據，從區域OPC服務器采集物聯網動態數據。

2.2.4 三維視圖

為更加凸顯強弱電成橇優勢，給出了本方案的三維視圖，從視覺上顯現出了強弱電成橇后的特點，如圖3所示。

2.2.5 主要特點

（1）接線簡單，施工周期短。橇體地面無基礎化安裝，配合地面電纜敷設方式，電纜采用側面進線，大大減少了現場工作量和安裝時間。

圖3 強弱電整體成橇透視圖Fig.3 Overall skid-mounted perspective drawing of strong and weak electricity

（2）室內作業，節約成本。大部分工作在工廠完成，現場只需將橇體放置在“鉆前工程一體化”硬化后的地面便可使用。

（3）零開挖，結合“鉆前工程一體化”和電纜內部敷設，實現站場零開挖施工建設。

（4）結構緊湊，節約空間。橇體采用密集型布局，布局緊湊，可大大減少占地。

（5）搬遷方便，便于流動。無基礎化安裝，搬遷重復利用率高。

（6）集成度高，綜合考慮供配電、自控、通信以及物聯網技術在天然氣生產井站的應用。

3 結束語

本文提出的強弱電成橇方案，能有效地解決現場施工周期短、施工現場交叉作業面多、鉆前工程一體化后重復施工現象嚴重以及“三供一業”后外電存在盲區等問題。通過合理布置橇內設備，即減少了地面工程建設可視化設備數量，又減少了工程投資，并簡化了地面工程建設流程，具有較高的實際應用價值[8]。