基于物联网技术下的数字化油气田设计与实现.pdf

自动化与仪器仪表 2014年第1期 （总第171期） 基于物联网技术下的数字化油气田设计与实现基于物联网技术下的数字化油气田设计与实现 梁福波 （湖南百利科技股份有限公司成都分公司成都，610041） 摘要数字化油气田建设是我国油气企业发展的方向，本文介绍了一种基于物联网数字化油气田系统，通过传感 器、射频识别（RFID） 、通信网络、云计算等新技术建立一套覆盖油气生产、处理等全过程的物联网系统，实现生产数据 自动采集、关键流程连锁控制，工艺流程可视化展示、生产过程实时监测的综合信息平台，实现人与物理系统的“智能” 整合，实现工业化与信息化的融合。 关键词数字化油气田；物联网；系统 AbstractAbstract The digital construction of oil and gas field is the developing direction of oil and gas enterprises in our country, This paper presents a system based on Internet of digital gas fields, Through the sensor, The radio frequency identification RFID, Com- munication network, Cloud computing and other new technology to establish a set cover the whole process such as oil and gas pro- duction, The processing system of Internet of things, To realize automatic production data collection, Key chain process control, Pro- cess visualization display, Real-time monitoring of production process integrated ination plat, Realizes the person and the physical system “smart“ integration, Realize the fusion of industrialization and inationization. Key wordsKey words Digital oil and gas fields; The Internet of things; System 中图分类号TP272文献标识码B文章编号1001-9227（2014）01-0155-03 收稿日期2013-10-21 作者简介梁福波（1963-） ，男，本科。现任湖南百利科 技股份有限公司成都分公司副总工程师，高级工程师，注册咨 询工程师、注册监理工程师、注册自动化系统工程师，已发表 4篇论文。 0引言 基于物联网技术的“数字化油气田”是集油气勘探开发生 产信息的采集、传输、存储、分析、发布、管理和应用于一 体，是统一规范、安全高效的生产经营综合数据一体化管理应 用平台。以满足油气田生产运行、生产管理、生产监控、设备 管理、成果展示的要求。 数字化油气田建设是企业适应市场经济快速变化的迫切需 要,是实现管理高效化的有效途径,有助于提高企业的智能管理 和增强企业的竞争能力,数字化油气田建设结构图如图1所示。 图1数字化油气田建设结构图 1数字化油气田要达到的目标 （1）采用自动化数据采集设备（如传感器、采集器）进行 井场、站库等油气田生产现场数据采集。 （2）通过局域光纤、GPRS/CDMA、3G、无线网桥等传 输数据和视频。 （3）将相关的生产数据和设备的运行状态、介质的属性等 海量数据实时采集进入信息管理中心的数据库。 （4）通过智能识别、数据融合、移动计算、云计算等技术 的应用，支持油气田的勘探开发等科学研究和在线模拟、完成 生产实时诊断和优化。 （5）其成果最终服务于油气田生产的综合决策，决策信息 反馈到生产现场，进而完成环境监测、单元集合、过程模拟工 艺参数优化等。 2数字化油气田系统设计与实现 2.1建立完备的控制系统 该系统具有成本低、开放性、可扩展性、兼容性和灵活性 等一系列特点，应该具备以下几条特征 （1）随需自助服务； （2）随时随地用任何网络设备访问； （3）多人共享资源池； （4）快速重新部署灵活性； （5）可被监控与量测的服务； （6）基于虚拟化技术快速部署资源或获得服务； （7）减少用户终端的处理负担； （8）降低了用户对于IT专业知识的依赖。 2.1.1数字化油气田设置的思路 数字化油气田从网络上分为生产信息网和办公网，生产信 息网采用专网，办公网采用公网;数字化气田包括SCADA（Su⁃ pervisoryControlAndDataAcquisition）系统和生产信息 化，SCADA系统与生产信息化均实现生产数据的采集、传 输。SCADA系统主要针对重要的生产井、站、库，建设标准 较高，设置远程控制功能，而生产信息化建设主要覆盖SCA⁃ DA系统所未能覆盖的其余场站，覆盖面较大，主要实现生产 155 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于物联网技术下的数字化油气田设计与实现 梁福波 数据的自动采集上传，不设置远程控制功能，凡SCADA系统 以外的场站建设统称为生产信息化建设。数字化油气田建设的 目标是建设覆盖油气田企业全部现役场站的自动化数据采 集、控制、视频监控传输系统，整合SCADA、非SCADA的数 据以及手工上报的各类生产动态数据，实现数据统一存储、实 时发布，建立企业统一的生产数据整合、汇聚、存储、应用平 台，提高企业生产数据的实时采集、存储和应用水平。数字化 油气田业务示意图2所示。 图2数字化油气田业务示意图 2.1.2控制系统结构框图 上传自动化系统数据和视频监控图片，监控中心按要求的 时间间隔进行实时历史数据库服务器写入生产数据和视频图 片。控制系统结构框示意图如图3所示。 图3控制系统结构框示意图 主要配置设备包括操作工业计算机、网络交换设备、电 视墙、关系数据服务器、实时历史数据服务器、打印机、通讯 处理机、视频矩阵等。 2.1.3控制系统的功能 生产信息化控制系统是油气田日常生产的决策机构，具有 管理和指挥的职能。其基本功能包括但不限于 （1）接受上级调度管理中心的指令，制定油气田的整体配 产方案，下达配产调度指令，对油气田各井站、站场等生产单 位进行生产调度； （2）监视、控制油气田装置、生产设备的参数和运行状 态，做到油气田安全平稳生产； （3）对油气田的主要开发参数（采输量、压力等）进行处 理，建立数据库，形成各类生产报表； （4）油气田的输量预测和计划，输气过程优化，运行优 化； （5）实时监控主要生产参数，采集各远端检测的主要过程 数据和进行数据处理； （6）远程控制生产设备的运行、启动、停运，远程控制开 关井等动作； （7）以图形方式模拟显示各远端各装置和设备的状态，动 态显示工艺流程； （8）报警显示、报警管理以及事件的查询、打印； （9）实时历史数据和视频图片的采集、归档、管理以及趋 势图显示； （10）标准组态应用软件和用户生成的应用软件的执行； （11）故障诊断和分析，安全保护，紧急切断； （12）与上级或办公网计算机系统通信，支持工程开发； （13）与现场实现双向语音通信，可进行远程指挥。 2.1.4控制系统的实现 现场仪表的测量数据，通过标准信号或通讯方式进入实时 数据服务器，而数据采集轮询流程则是实现周期性数据采集的 核心。它包括采集周期控制流程与数据采集流程两部分，其系 统流程框图如图4所示。 图4系统流程框图 2.2选择正确的现场仪表 现场测量仪表种类很多，而同一种工况往往可以采用不同 工作原理的仪表进行测量，要使选用的仪表在工程中能如实反 应过程参数，自控设计人员除了详细了解仪表的性能、特点、 使用条件外，还应知晓生产过程中所涉及的物料和操作条件的 本质（如超压、超温、泄漏、爆炸、火灾等发生的可能性） ， 根据项目特征、类似工程经验进行抉择，对关键的控制系统、 价值较高的测量设备要进行经济技术比选，从中选择经济价值 比价高的方案。以下是笔者在油气田工程设计与仪表选型方面 的几点体会。 （1）流量测量 以长输管道工程中天然气计量为例加以说明，天然气流量 计量是天然气管道工程中最重要的测量环节，它是企业进行贸 易交接、经济分析、成本核算的主要依据，将直接影响到输气 管道供需双方的经济利益。要求计量仪表应具有较高的可靠性 和稳定性、较少的维护量及较长的使用寿命。 156 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表 2014年第1期 （总第171期） 当前国内外输气管道采用的用于贸易计量的流量计主要有 三种类型孔板流量计，气体涡轮流量计和气体超声流量计。 孔板流量计有价格比较低，结构简单的优点。其缺点是 准确度较低，量程比小；直管段较长，占地面积大；在直接对 用户进行分输计量时，因流量波动大，测量准确度随之降低； 对气体清洁度要求高，需定期检查、维护、更换；压力损失 大，噪声大等。 气体涡轮流量计的应用历史较长，技术较为成熟，目前在 国际天然气计量领域应用也较为普遍。特点是准确度较高 （0.5级） ，稳定性较好，量程比较宽，所需的直管段较短。由 于涡轮流量计具有可动部件，故障率较高，使用中、后期维护 量较大。此外，气体涡轮流量计对被测介质的清洁度要求较 高，投运操作上也有要求，同时在流量计前要求安装过滤器。 气体超声波流量计的特点是准确度高（0.5级） ，满足天 然气贸易计量的要求；适用的流量范围大；无压力损失，节省 能源；无运动部件，维护量小，可节省大量的人力和物力。但 投资大，高准确度的气体超声流量计在近年新建的长输管道有 广泛的应用。 根据长输管道工程具有高压、大流量、流量变化范围大等 特点，流量计量系统应采用较高准确度（0.5级）的流量计量 仪表，以保证贸易双方的经济利益。采用高准确度、高性能的 流量检测与计量系统，从管道运行管理来说，有着显著的经济 效益。 长输管道工程流量计的选型原则流量计口径在DN100 以下时采用气体涡轮流量计，流量计口径DN100及以上时采 用气体超声流量计。 （2）控制阀的选择 我们还是以长输管道工程为例来说明，控制阀的选型和尺 寸应根据操作条件和设计的参数来计算，设计参数指压力、 温度、允许压降、流量、流体的成份、允许的渗漏量要求和最 大噪音等级等。所有的计算应符合ISA标准。 控制阀的尺寸应允许在最大的流量条件下，阀的开度 85，最小的流量条件下，阀的开度不低于5。 a）球阀 球阀可以考虑为在节流或者关断条件下使用，用全球式球 体或者近似全球式球体的球阀，使用双密封环结构的球阀，应 满足双向密封的要求。 出站压力控制、中低压差（≤3.0MPa、压差比（△P/ P1）≤0.6）工况下应选用调节球阀。 对于差压≥3.0MPa、压差比（△P/P1）≥0.6的工况下的 控制阀宜选用多级减压阀芯的控制阀。 b）轴流控制阀 介质通过多级笼套，达到分级减压和控制流速的效果。 多级降压工况，轴流控制阀应审慎使用,使用时应经业 主批准。 c）直通式控制阀 出站压力控制和中低压差（≤3.0MPa）工况，宜选用单级 阀笼。在大压差（≥3.0MPa）工况，为避免堵塞，应使用免堵 型结构阀笼，宜选用迷宫式阀笼或多级减压阀笼的直通式控制 阀。 d）其它 其它类型的控制阀需经业主批准方可采用。在特大压差 （≥5.0MPa） 、高流速、高冲击和大落差的工况下，推荐使用串 连式多段逐级减压阀芯。 3结束语 建立一套覆盖油气田生产、处理等全过程的物联网系统， 实现生产数据自动采集、关键过程连锁控制、工艺流程可视化 展示、生产过程实时监测的综合信息平台，达到强化安全管 理、突出过程监控、优化管理模式，优化组织结构、提高效益 的目的。 参考文献 [1] 李人杰,蒋 健,李艳芹,陈 伟.基于云服务的分布式流量积算系统设计 与实现[J].自动化信息,2013.827. 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