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抽油機(jī)井摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)研究

2020-10-27 13:45:56史慧大慶油田國(guó)際勘探開發(fā)公司
石油石化節(jié)能 2020年10期
關(guān)鍵詞:球閥抽油機(jī)控制器

史慧(大慶油田國(guó)際勘探開發(fā)公司)

鑒于目前北方的油田,為了保證冬季油氣的正常生產(chǎn),需對(duì)部分機(jī)采井采用摻水伴熱生產(chǎn)流程[1],而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)摻水流量、壓力難于科學(xué)控制。當(dāng)參數(shù)設(shè)置過(guò)低時(shí),容易發(fā)生地面管線凍堵,影響正常生產(chǎn);過(guò)高時(shí),相應(yīng)中轉(zhuǎn)站站點(diǎn)的能耗就會(huì)增大,造成能源浪費(fèi)。通過(guò)開展抽油機(jī)井摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)研究,對(duì)于降低抽油機(jī)井及油田轉(zhuǎn)油站的運(yùn)行成本具有重要意義[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

首先對(duì)抽油機(jī)井摻水流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),然后以STC 單片機(jī)為主控制器[3],利用PT100 溫度傳感器監(jiān)測(cè)井口管內(nèi)流體的實(shí)時(shí)溫度,并與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較;由主控制器通過(guò)調(diào)節(jié)球閥的開度來(lái)控制摻水管流量,從而達(dá)到溫度監(jiān)控的目的。最后由GPRS 通訊模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行墓芾硐到y(tǒng),數(shù)據(jù)傳輸時(shí)遵循TCP/IP協(xié)議[4]。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí),及時(shí)短信報(bào)警,由此實(shí)現(xiàn)井口摻水流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。

抽油機(jī)井摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)的、高度自動(dòng)化的智能監(jiān)控系統(tǒng)。利用與抽油機(jī)井井口管線接觸的PT100溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管內(nèi)流體溫度,由主控制器讀取溫度值并且與溫度設(shè)定值相比較,給出4~20 mA 的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)球閥開度,從而實(shí)現(xiàn)管內(nèi)流體溫度的動(dòng)態(tài)保持。

同時(shí),由主控制器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通訊模塊傳輸?shù)娇刂浦行墓芾硐到y(tǒng)[5],出現(xiàn)異常情況時(shí),及時(shí)報(bào)警并將報(bào)警信息發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的負(fù)責(zé)人手機(jī)中。抽油機(jī)井相應(yīng)的管理人員,可以根據(jù)溫度曲線并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際設(shè)定合理的摻水參數(shù),從而達(dá)到保穩(wěn)產(chǎn)、降能耗的目的。摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)硬件

1.1.1 主控制器模塊

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主控芯片, STC12C5A60S2 單片機(jī)包含中央處理器(CPU)、程序存儲(chǔ)器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART 串口、串口2、I/O接口、PCA、看門狗、片內(nèi)R/C 振蕩器和外部振蕩電路等模塊。此單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊,可稱為一個(gè)片上系統(tǒng)[6]。

1.1.2 流量監(jiān)控模塊

流量監(jiān)控模塊由QHZ型電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥組成。通過(guò)接收主控制器給出的4~20 mA控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門,以改變閥芯和閥座之間的截面積大小,從而控制摻水管內(nèi)介質(zhì)的流量參數(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)功能。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),通過(guò)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn),由三接頭的滑動(dòng)變阻器輸出閥門的4~20 mA反饋信號(hào),將反饋信號(hào)引入1 個(gè)250 Ω 的電阻并轉(zhuǎn)化為1~5 V 電壓信號(hào),而主控制器對(duì)此信號(hào)做A/D轉(zhuǎn)化。由對(duì)應(yīng)的數(shù)字量可知閥門開度,再根據(jù)目前的管線介質(zhì)溫度對(duì)調(diào)節(jié)球閥[7]做出下一步的執(zhí)行操作。

球閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接采用直連方式,具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、質(zhì)量輕、阻力小、動(dòng)作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。球閥的關(guān)閉件是一個(gè)帶孔的球體,球體隨閥桿轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)閥門的開啟或關(guān)閉。調(diào)節(jié)球閥旋轉(zhuǎn)90°即可全關(guān)全開,與相同規(guī)格的閘閥、截止閥比較,球閥體積小、質(zhì)量輕,便于管道安裝。

針對(duì)本系統(tǒng)的具體應(yīng)用環(huán)境,選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥[8]主要有以下優(yōu)勢(shì):

1)無(wú)需特殊的氣源和空氣凈化等裝置,即使電源失電時(shí),也能保持原執(zhí)行位置。

2)可遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào),電纜敷設(shè)比氣體、液體管道敷設(shè)方便得多,且便于線路檢查。

3)與計(jì)算機(jī)連接方便簡(jiǎn)潔,更適應(yīng)采用電子信息新技術(shù)。

1.1.3 溫度監(jiān)測(cè)模塊

溫度監(jiān)測(cè)模塊主要由PT100 溫度變送器組成。PT100 是鉑熱電阻,它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT 后的100 即表示它在0 時(shí)阻值為100 Ω,在100 ℃時(shí)它的阻值約為138.5 Ω。其工作原理是:在0 時(shí)它的阻值為100 Ω,且會(huì)隨著溫度上升而成近似勻速增長(zhǎng);但它們之間的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系,而更應(yīng)該趨近于1條拋物線。

PT100 溫度變送器直接安裝于PT100 接線盒內(nèi)(與不同結(jié)構(gòu)形式的鉑電阻構(gòu)成熱電阻一體化溫度變送器),將PT100 信號(hào)轉(zhuǎn)化為二線制4~20 mA輸出。

1.1.4 GPRS通訊模塊

通過(guò)GPRS 通訊模塊將主控制器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到特定公網(wǎng)IP的設(shè)定端口上,即控制中心管理系統(tǒng)的監(jiān)聽端口,并在發(fā)生故障時(shí)向控制中心發(fā)送遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)。GPRS 通訊模塊與主控制器的串行口2進(jìn)行全雙工通信,向控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)遵循TCP/IP通信協(xié)議,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好,可靠性高。

1.1.5 供電電源模塊

本系統(tǒng)通過(guò)UPS 電源模塊將220 V 交流電轉(zhuǎn)換成24 V 和5 V 直流電給系統(tǒng)供電,且配有后備電池。由UPS 電源模塊同時(shí)給出220 V 掉電和電池低電壓2路TTL電平報(bào)警信號(hào)。正常工作狀態(tài)下,備用電瓶處于充電狀態(tài),一旦220 V 突然掉電,在0 時(shí)間內(nèi)切換到電瓶供電模式,同時(shí)發(fā)出220 V 掉電報(bào)警信號(hào)。電池獨(dú)立供電時(shí)間可達(dá)1 周左右.在電瓶電量即將耗盡時(shí),還會(huì)發(fā)出電瓶電壓過(guò)低的報(bào)警信號(hào),報(bào)警狀態(tài)由GPRS通訊模塊實(shí)時(shí)發(fā)出。

整套系統(tǒng)都放在密閉的防爆殼體內(nèi),各個(gè)箱體之間的接線通過(guò)防爆軟管密封,系統(tǒng)工作時(shí)具有較高的可靠性。

1.2 系統(tǒng)軟件流程

本系統(tǒng)的總體軟件流程主要包括:

1)判斷220 V是否掉電,備用電池是否電壓低并做相應(yīng)的處理。

2)讀取監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度信號(hào),通過(guò)控制器A/D 轉(zhuǎn)換將所得溫度值與設(shè)定溫度值相比較,判斷溫差是否在精度允許范圍內(nèi),由比較結(jié)果決定對(duì)球閥的操作。

3)讀取閥門的反饋信號(hào),判斷球閥的開度,閥門開大或關(guān)小后,再次讀取溫度傳感器值,由溫差變化來(lái)決定下一步執(zhí)行操作。摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)流程

4)通過(guò)定時(shí)器定時(shí),以固定的時(shí)間間隔由GPRS 通訊模塊將相應(yīng)的數(shù)據(jù)按規(guī)定格式發(fā)送到計(jì)算機(jī)控制中心系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

某采油隊(duì)共有帶摻水生產(chǎn)流程抽油機(jī)井49口,配套摻水爐1 臺(tái),摻水泵2 臺(tái)(運(yùn)行1 臺(tái),備用1 臺(tái))。每年摻水生產(chǎn)階段為10 月初至次年4 月初,約180天。

在抽油機(jī)井口安裝摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)[9],記錄未投用前相應(yīng)的回油溫度、摻水壓力、摻水泵排量、摻水爐耗氣值。利用摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)逐漸調(diào)小回油溫度設(shè)定值,并記錄其他參數(shù)變化情況(表1)。

表1 回油溫度、摻水壓力等參數(shù)的設(shè)定

以摻水爐、摻水泵均運(yùn)行在合理范圍為參數(shù)設(shè)定依據(jù)[10],選取回油溫度為40 ℃的相應(yīng)參數(shù),并更換46 m3/h的摻水泵1臺(tái)。

某采油隊(duì)?wèi)?yīng)用摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)后,摻水爐日節(jié)氣900 m3,年節(jié)氣約16.2×104m3;摻水泵日節(jié)電1 560 kWh,年節(jié)電約28.08×104kWh;年度摻水周期內(nèi)減少處理地面管線凍堵2次;年節(jié)省運(yùn)行成本約58.9萬(wàn)元。

3 結(jié)論

應(yīng)用摻水流量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)摻水流量的智能監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié),簡(jiǎn)化操作流程,降低冬季巡檢的勞動(dòng)強(qiáng)度,還能對(duì)冬季摻水伴熱生產(chǎn)流程進(jìn)行24 h監(jiān)控。當(dāng)管線中油氣介質(zhì)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)及時(shí)報(bào)警,管理人員可對(duì)潛在的生產(chǎn)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)判,并采取相應(yīng)的處理措施。在實(shí)時(shí)摻水溫度、流量數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的支撐下,可以更科學(xué)合理地制定摻水壓力、溫度、流量等參數(shù),達(dá)到節(jié)能降耗的目的,具有一定的推廣前景。

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