孤東油田年產(chǎn)原油273萬噸,天然氣4940余萬立方米,總含油面積達(dá)75平方公里。目前共有注水站9座,其中離心泵注水站6座,柱塞泵注水站3座,安裝著DF200-150,DF300-150×9,DF350-150×9,DF400-150×9,159ZS,5D-WS59/25,3DS-28/26等七種型號的注水泵,裝機(jī)容量為67480 kW,設(shè)計(jì)供水能力為19.08×104m3/d。多年來,該油田各注水站一直采用人工錄取數(shù)據(jù)資料和設(shè)備巡檢制度,各注水泵機(jī)組及其輔助設(shè)備未能做到運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控,設(shè)備預(yù)知性修保能力差,對機(jī)組的振動、效率、泵的噪音未能開展檢測和有效控制,由此造成注水泵站系統(tǒng)效率不高,能耗大,故障率高,信息反饋速度慢等問題。為此,我們于2000年引進(jìn)應(yīng)用了MCS集散控制系統(tǒng)于各注水站,為油田提高注水系統(tǒng)效率和自動化水平起到了良好的促進(jìn)作用。
1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境
1.1工控機(jī)
硬件:
?。?)硬盤lGB以上;(2)內(nèi)存16MB以上;(3)主機(jī)P166以上;(4)顯示器選用大屏幕觸摸式顯示屏;(5)打印機(jī)一臺(24針寬帶打印機(jī))。
軟件:
系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為中文Window NT 4.0;開發(fā)應(yīng)用軟件采用MCS系統(tǒng)工控組態(tài)軟件。
1.2網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器
硬件:(1)P166MHZ以上CPU;(2)32MB以上內(nèi)存。
軟件:系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為中文Window NT 4.0+Service PACk 4.0或更高版本、IE 4.01或更高版本;應(yīng)用軟件采用SQL Server 7.0、 IIS 4.0和Excel 2000。
2 工作原理
2.1 基本原理
該系統(tǒng)通過智能傳感器組對現(xiàn)場各注水泵機(jī)組的壓力、溫度、流量、電流、電壓、用電量、振動量、水位、油位、噪聲等物理量進(jìn)行自動監(jiān)測,并將監(jiān)測結(jié)果由一根數(shù)據(jù)總線傳輸給可編程控制器PLC,經(jīng)可編程控制器數(shù)據(jù)計(jì)算以及注水站生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化處理后,第一路送至變頻器組去控制各泵出口電動閥門,通過電機(jī)的無級調(diào)速來控制各泵的排量;第二路送至監(jiān)控系統(tǒng)(工控機(jī)),操作、顯示各泵及整個站系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并將測試結(jié)果存入磁盤,打印輸出班報(bào)、日報(bào)、月報(bào)、年報(bào)及效率分析表等;第三路送至異常處理(保護(hù)、報(bào)警)系統(tǒng),確保注水站各部分的正常安全運(yùn)行;最后一路是數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng),通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)各注水站系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理和遠(yuǎn)距離調(diào)控操作。根據(jù)有關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算出泵干壓差、泵效、單耗、各機(jī)組單臺系統(tǒng)效率及整個注水站的平均系統(tǒng)效率等參數(shù)。同時根據(jù)注水站生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化參數(shù)需要,若遇超限參數(shù),則發(fā)出聲光報(bào)警和操作提示信號。該系統(tǒng)通過對各注水泵出口電動閥的自動調(diào)節(jié),使各注水泵處于安全、高效工作區(qū)內(nèi)運(yùn)行。
2.2 現(xiàn)場各物理量監(jiān)測
(1)壓力和液位檢測。采用意大利的TSK霍爾壓力傳感器將現(xiàn)場各壓力(液位)信號轉(zhuǎn)換成4~20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號輸入至PLC,由PLC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,計(jì)算實(shí)際的壓力(液位)值,存入PLC中CPU數(shù)據(jù)存儲區(qū),由程序?qū)崟r調(diào)用。
(2)溫度檢測。采用美國的DS1820溫度傳感器,將各點(diǎn)溫度信號按地址編碼由一根數(shù)據(jù)總線通過集線器直接與PLC通訊,將各溫度值存入PLC中CPU數(shù)據(jù)存儲區(qū),由程序?qū)崟r調(diào)用。
?。?)流量檢測。選用具有485通訊接口的電磁流量計(jì),將瞬時流量和累計(jì)流量采用讀取儀表內(nèi)存的方法,經(jīng)485通訊接口直接送入PLC數(shù)據(jù)存儲區(qū),由程序?qū)崟r調(diào)用。
?。?)用電量檢測。選用具有485通訊接口的智能電能表,將電機(jī)用電量采用讀取儀表內(nèi)存的方法,經(jīng)485通訊接口直接送入PLC數(shù)據(jù)存儲區(qū),由程序?qū)崟r調(diào)用。
?。?)電壓、電流的檢測。通過安裝在強(qiáng)電柜中的變送器將各電量信號轉(zhuǎn)換成4-20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號給PLC,經(jīng)PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入數(shù)據(jù)存儲區(qū),由程序?qū)崟r調(diào)用。
?。?)振動量和噪聲的檢測。通過安裝在泵房中的震動傳感器和噪聲檢測器將檢測信號轉(zhuǎn)換成4-20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號給PLC,經(jīng)PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入數(shù)據(jù)存儲區(qū),由程序?qū)崟r調(diào)用。
2.3閥門控制
經(jīng)過上述現(xiàn)場各物理量的監(jiān)測和計(jì)算,得出各機(jī)組的電流、單耗和效率,根據(jù)其各系統(tǒng)運(yùn)行期望值的要求,PLC的調(diào)控控制程序通過實(shí)時控制變頻調(diào)速器的運(yùn)行頻率和正反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對機(jī)泵電動閥門自動調(diào)控,并將調(diào)控結(jié)果反饋給PLC,使注水泵始終處于安全、高效的運(yùn)行狀態(tài);同時有效實(shí)現(xiàn)閥門電機(jī)在啟動和運(yùn)行過程中的過電流和過電壓保護(hù)。
2.4提示操作
通過對泵出口壓力與注水管網(wǎng)干線壓力的檢測,計(jì)算出泵干壓差。當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化調(diào)控措施后泵干壓差仍超出上限時,微機(jī)屏幕發(fā)出“申請減泵”提示;反之則發(fā)出“申請加泵”提示;當(dāng)單臺機(jī)組系統(tǒng)效率低于下限時,發(fā)出“申請換泵”提示;每次提示操作均同時發(fā)出聲光報(bào)警信號。
2.5保護(hù)及報(bào)警
當(dāng)注水系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)突發(fā)性故障和嚴(yán)重超出調(diào)控值時,系統(tǒng)能及時發(fā)出聲光報(bào)警,并給予提示,以及自動緊急跳閘斷電停機(jī)保護(hù)等措施,同時工控機(jī)能自動彈出報(bào)警窗口,顯示報(bào)警畫面。在沒有操作人員按下報(bào)警應(yīng)答指令前,無論是否執(zhí)行停機(jī)命令,系統(tǒng)一直保持報(bào)警提示狀態(tài),確保注水系統(tǒng)在高效安全狀態(tài)下運(yùn)行。
2.6網(wǎng)絡(luò)操作
通過一臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將各注水站工業(yè)現(xiàn)場的集散控制系統(tǒng)與企業(yè)的局域網(wǎng)有效地連接起來,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。各客戶端通過聯(lián)網(wǎng)操作,可查看各泵站的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史報(bào)表和曲線、動態(tài)實(shí)時畫面、數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)、報(bào)警信息,以及可遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)機(jī)泵啟停、調(diào)控參數(shù)設(shè)置、保護(hù)參數(shù)設(shè)置和緊急故障處理等。
3 系統(tǒng)組成及主要技術(shù)指標(biāo)
3.1 系統(tǒng)組成
圖1為系統(tǒng)組成信號流程框圖。
3.2主要技術(shù)指標(biāo)
?。╨)各種傳感器的測量準(zhǔn)確度,±1.0%;
?。?)A/D變換分辨率,12位;
(3) 工控機(jī)及控制柜工作電壓:220(1±0.1)V;
?。?)閥門控制器工作電壓:380(1±0.1)V;
(5) 5000 m3儲水罐液位控制在5-11m之間;
?。?)注水泵前、后軸瓦溫度控制在70℃以下;
?。?) 電機(jī)前、后軸瓦溫度控制在70℃以下;
?。?)2000kW電機(jī)定子溫度控制在110℃以下;
?。?) 注水泵冷卻水管線壓力控制在0.15MPa以下;
(10)注水泵和電機(jī)軸瓦前、后的潤滑油壓力控制在0.06-0.13MPa之間,壓力低于0.05MPa時,啟動備用油泵;
?。?1)注水泵、電機(jī)的前后軸瓦處的振動量控制在0.5mm以下;
(12)注水站單臺泵效達(dá)到78%以上;
(13)循環(huán)水池液位控制在0.4m以上;
?。?4)微機(jī)自動啟泵(包括加載)時間小于8秒;微機(jī)自動停泵(包括卸載)時間小于10秒;
?。?5)當(dāng)注水系統(tǒng)發(fā)生故障時,微機(jī)發(fā)出自動停機(jī)保護(hù)、報(bào)警、故障顯示并記錄時間小于10秒;
?。?6)泵的出口壓力波動量控制在±0.1MPa之內(nèi);
?。?7)泵房噪聲控制在95dB以下;
?。?8)網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸速率10Mbps。
4 系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)
4.1 功能
?。?)具有泵站工藝現(xiàn)場工況流程圖、每臺機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)模擬圖、儲水罐液位模擬圖、設(shè)備潤滑流程圖、設(shè)備冷卻流程圖等動態(tài)顯示,動態(tài)測量控制數(shù)據(jù)的功能。
(2)具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能。通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)控操作,查看各注水站每臺泵的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置調(diào)控參數(shù)和保護(hù)參數(shù),以及緊急故障處理等。
?。?)具有巡視功能。能循環(huán)顯示各個顯示窗口,包括注水泵圖、電機(jī)圖、泵效趨勢圖、數(shù)據(jù)表和各種報(bào)表等
(4)具有顯示并打印輸出設(shè)備報(bào)警及停機(jī)參數(shù)、各機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、歷史資料、特性曲線和數(shù)據(jù)分析報(bào)表等。既能定時編制打印各種生產(chǎn)報(bào)表,又能根據(jù)生產(chǎn)需要隨時打印某一時刻某臺機(jī)組的監(jiān)測資料。
?。?)自動采集處理數(shù)據(jù),對監(jiān)測處理的數(shù)據(jù)資料具有記憶、再顯和遠(yuǎn)傳功能。
?。?)系統(tǒng)具有三種啟停泵操作方式。即現(xiàn)場手動操作方式、微機(jī)啟停操作方式和網(wǎng)絡(luò)客戶端的遠(yuǎn)距離啟停操作方式,滿足了企業(yè)集成化管理和安全生產(chǎn)的要求。
4.2 特點(diǎn)
?。?)采用大屏幕觸摸式顯示屏,操作簡單、省時、方便。
?。?)采用直觀的彩色圖形顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)和報(bào)警,界面美觀,具有良好的人機(jī)界面接口。
(3)系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。在遇到全站停電等故障狀態(tài)時,具有自行關(guān)閉和保護(hù)報(bào)警功能,并提示現(xiàn)場值班人員采取應(yīng)急措施,有效確保注水系統(tǒng)的安全正常生產(chǎn)。網(wǎng)絡(luò)操作采用分層認(rèn)證方式,擁有完整的安全保障機(jī)制,充分保證運(yùn)行設(shè)備和信息系統(tǒng)的安全可靠性。
(4)監(jiān)控實(shí)時性好,自動化程度高。采用變頻調(diào)速器進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)控,控制效果好,實(shí)現(xiàn)了電動閥開閉度的無級閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)采集及時準(zhǔn)確,能根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測情況自動優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),及時提出修改或調(diào)整運(yùn)行參數(shù)的指令要求。
(5)具有良好的抗干擾能力。由于注水泵機(jī)組均為6 kV的大功率高壓交流電機(jī),現(xiàn)場電信號干擾較大,為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,在軟、硬件上采取了多種防干擾措施。
5 現(xiàn)場應(yīng)用效果
本系統(tǒng)于2001年5月在孤東油田投入運(yùn)行。經(jīng)過二年多時間的現(xiàn)場運(yùn)行,實(shí)踐證明該系統(tǒng)性能優(yōu)越,可靠性好,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。它的應(yīng)用,既提高了注水泵站的現(xiàn)代化管理水平,減緩了機(jī)泵的磨損,延長了設(shè)備的使用壽命,使設(shè)備的預(yù)知性修保能力大大增強(qiáng);同時還進(jìn)一步改進(jìn)了職工的生產(chǎn)工作條件,降低了油田大型泵站的工業(yè)噪聲污染,減輕了職工的勞動強(qiáng)度,提高了油田注水站的系統(tǒng)效率和自動化水平,達(dá)到了平穩(wěn)注水,節(jié)能降耗的目的。