胡永和

中海油信息科技有限公司天津分公司 天津 300452

引言

海油總提出渤海2019年實現(xiàn)5000～6500萬m的宏偉目標，其中開發(fā)邊際油氣田是非常重要的組成部分。為了降低海洋石油工程開發(fā)成本，有效開發(fā)海洋石油邊際油氣田，探索低成本的簡易設施設計技術是必由之路，這便對邊際油氣田的總體開發(fā)方案優(yōu)化設計提出了很高的要求。

1 海上油氣田監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

海上油氣田自動控制的基本內(nèi)容一般是采用合適的自動化機械對生產(chǎn)過程進行檢測、分析和操縱。包括原油處理終端、油氣集輸、天然氣污水處理、油氣儲運等項目[1]。這種操作過程首先要安裝在油深水井、注水計量站、轉(zhuǎn)運站、脫干站、含油廢水站、油穩(wěn)定站、氣溶站、石化站。但是，要有效地執(zhí)行制造的日常任務，僅靠這種工藝技術可能還不夠。必須有各種自動化機械，及其制造方法和管理人員。工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在海洋石油化工領域的應用具有以下特點：①海上平臺之間的距離一般比較大（多少公里到幾十公里），所以規(guī)定了遠距離傳輸；②井站無人遠程作業(yè)決策以具備應對極端天氣和自然環(huán)境的能力；③整個系統(tǒng)龐大，檢測井站總數(shù)多，通信系統(tǒng)要強，循環(huán)響應速度快；④作為我國不可或缺的資源，其所選擇的工業(yè)系統(tǒng)具有極強先進性以及可靠性的設備，故而為核心部分，確保通信鏈路穩(wěn)定性。伴隨油氣田現(xiàn)代化管理進程不斷深入，現(xiàn)階段繼續(xù)一種能夠?qū)崿F(xiàn)全天候無人值守的監(jiān)管方式，從而確保此類復雜工作得以簡化，避免不必要的損失[2]。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)的確定

第一是安全生產(chǎn)必備：溫度、工作壓力、液位計限位報警、潛水泵停機報警、遙控潛水泵啟停、遙控緊急停機、火災事故、易燃氣體檢測報警、消防安全等。第二類是企業(yè)生產(chǎn)管理所必需的：溫度、壓力、流量、液位、應用程序運行的主要參數(shù)、燃氣和水計量驗證等，以及海底管道的干溫、干壓、總流量和相對密度[3]。

2.2 控制系統(tǒng)操作方式需求

①全自動步進法。自動步進法是指通過將計算機鍵盤或鼠標按鍵置于電子計算機監(jiān)控屏幕上，自動啟動和自動終止步進，它是操作系統(tǒng)的一種特定方法。②現(xiàn)場手工法。該方法是指現(xiàn)場根據(jù)現(xiàn)場的電源開關或按鈕對設備進行實際操作，關鍵是用于機器設備的校準和維護，在系統(tǒng)調(diào)整和資金投入之前，檢查安裝設備和接線是否合適，投入運行后，檢查儀器的常見故障。

3 油氣田的傳輸系統(tǒng)研究思路

現(xiàn)階段，隨著我國海上油氣田開發(fā)設計的快速發(fā)展，我國深海已基本建成一批智能水油氣田，邊界油氣田散布在這組油氣田周圍領域，因此，油氣田的開發(fā)設計可以附加在原有油氣田的基礎設施建設上[4]。如何在無人井筒平臺上采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和信息，并在中心平臺上完成實時監(jiān)控，對保障生產(chǎn)安全具有重要意義。這就規(guī)定了數(shù)字通信系統(tǒng)可以具有安全可靠的安全系數(shù)。某海上油氣田連續(xù)多年保持百萬噸以上的產(chǎn)量，是一個具有良好開發(fā)設計前景的海上油氣田。在無人井筒簡易設備設計的研究中，應用通信系統(tǒng)，選用新型先進設備和實時設備。在設備規(guī)劃方案中，不可避免地要考慮監(jiān)控系統(tǒng)進行合理的數(shù)據(jù)采集和調(diào)整，中心平臺進行全自動遠程控制生產(chǎn)監(jiān)控，尤其是無人井平臺ESD和PLC系統(tǒng)，安全等級非常高，有數(shù)以千計的溝通方式。根據(jù)海上油氣田的特點，有兩種傳輸技術用于科學研究，一種是無線通信系統(tǒng)的傳輸技術，另一種是光纖線路系統(tǒng)的傳輸技術。新建的海上采油廠平臺采用無人值守采油廠方式，具有世界其他海上采油廠無可比擬的優(yōu)勢。

4 無線數(shù)字傳輸方式

4.1 基本工作原理

在每個子站（即小型平臺或無人專職的簡易平臺）上配備無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)微波裝置，然后按照技術標準配備PLC（可編程控制器）分站和現(xiàn)場信息的需求。并使用標準化的數(shù)據(jù)信息端口號與PLC連接，然后根據(jù)分站內(nèi)置的發(fā)送無線天線，將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息以藍牙傳輸?shù)男问絺鬏數(shù)街行钠脚_。典型的結構體系架構圖有兩種：一種是點對點通信；另一種是點對多通信。該無線通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)易于安裝、易于維護、可擴展性好、成本低。點對點通信使互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)更快更安全，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更高；選擇這種結構并不容易。使用這種類型的通信并不容易，由于Serve通信板短，網(wǎng)絡通信受阻，一對一的通訊方式合理的防止了互聯(lián)網(wǎng)服務器的宕機。

4.2 主要技術指標

X710系列的主要性能指標如下：發(fā)送頻率220～240MHz 330～512MHz 800～960MHz信道帶寬12.5(X710A) 25kHz(X710C)，步進電機頻率6.25KHz，接收頻率220～240MHz～123MHz，800～960MHz。信號規(guī)格RS～232，api接口DB～25母。數(shù)據(jù)信息特性：api接口速度（多線程）：110/300hps～38.4kbps，包括1200、2400、4800、9600bps。MODEM傳輸速度：9600/19200bps傳輸數(shù)據(jù)延遲：最大7-10ms。調(diào)頻發(fā)射機部署類型：二進制連續(xù)相位差頻移鍵控（CPFSK）載波通信輸出功率：0.1～5W（可調(diào)）。工作時循環(huán)系統(tǒng)：連續(xù)輸出阻抗：50Ω，頻率穩(wěn)定度：±1.5×10-6。接收機類型：超外差雙變頻，靈敏度更高；-111/105dBm（BER10-6）。頻率穩(wěn)定性：±1.55×10-6，網(wǎng)絡帶寬：12.5/25kHz，電源直流工作電壓：額定值13.8V（10.5～16V），TX電源系統(tǒng)電流容量：2.5A，RX電源系統(tǒng)電流容量：125mA，儲備（睡眠質(zhì)量法）電流：15mA，保險絲：4A，工作溫度范圍：-30°～60°（所有特性）-40°～70°（工作條件），環(huán)境濕度：40°時95%，物理插座，無線天線插座：N型，母數(shù)據(jù)信息端口號：DB-25母頭連接器，診斷端口號：RJ-11。

4.3 PLC數(shù)據(jù)采集控制

生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)由三個關鍵部分組成；通信部分、數(shù)據(jù)采集與操作部分（RTU）、上位機軟件部分，數(shù)據(jù)采集與運行部分（RTU）可根據(jù)油氣田的具體信息量進行配置，選擇適合室外廠區(qū)安裝水平標準的設備。中央平臺主控室與簡易無人平臺之間，可采用數(shù)傳電臺完成無人平臺的測控技術數(shù)據(jù)信息、工作電壓、電流、運行、終止及常見故障信號井筒電潛泵和輸油管道的工作壓力根據(jù)PLC（RTU）采集溫度、溫度等信息，根據(jù)RS-232接口與數(shù)據(jù)廣播站相連，傳輸至中央平臺主控室，主控室顯示、報警、打??；主控室對井筒平臺的控制信號也將通過數(shù)據(jù)廣播站傳輸給PLC控制潛水電泵和閥門；同時，PLC還可以按照相應的標準對潛水電泵和閥門進行自動控制。中央平臺主控室和簡易無人平臺還可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸站完成對講系統(tǒng)的語音通信，配置多路復用器和多串口卡，完成數(shù)據(jù)、電話、圖像綜合傳輸。

4.4 太陽能供電方案

對于簡易無人平臺設備供電方供電系統(tǒng)形式，可采用海底電纜輸送220V50Hz交流電源。如果沒有開關電源，可以采用光伏供電系統(tǒng)的方法。太陽能供電系統(tǒng)利用太陽能發(fā)電技術，將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電磁能，可以說是取之不盡，用之不竭。一方面，采用該技術制造的太陽能電池（太陽能電池板）使用方便，尤其是近年來微型半導體逆變電源的超速發(fā)展趨勢，促進了太陽能供電系統(tǒng)的簡單化和應用的便利性。太陽能電源開關電源提供全天候UPS電源，可為輸電系統(tǒng)提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的開關電源。在簡單的無人平臺上，為了更好地降低風險，減少資金投入。可以考慮選擇太陽能作為通信和傳輸數(shù)據(jù)系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，并選擇一組最重要的設備——太陽能光伏發(fā)電板、蓄電池充電控制板、逆變電源和蓄電池。即使在連續(xù)多日陰雨天氣的情況下，太陽能發(fā)電系統(tǒng)仍能維持設施的正常運行。對于簡單的無人平臺，如果發(fā)射數(shù)據(jù)電臺的功能是30W，數(shù)據(jù)采集PLC的功能是100W，那么12V50W和24V100W的太陽能電池板就可以滿足要求。

5 實例分析

海上平臺明確提出了非常高的安全生產(chǎn)規(guī)定。也就是說，對機械設備穩(wěn)定性的要求非常高，不能有誤操作，否則會影響生產(chǎn)，甚至導致油田停產(chǎn)?，F(xiàn)階段，絕大多數(shù)中海油海上油田采用深海復合電纜（電力電纜和光纜）配置光端機械設備，傳輸制造、應急等數(shù)據(jù)信息操縱信號。在新建的水上平臺上最常見的用途是配備SDH同步數(shù)字通信系統(tǒng)設備的深海復合電纜，用于傳輸制造控制信號、視頻監(jiān)控信號、電話、廣播節(jié)目等通信信號。緊急停機是作為干接點信號傳輸?shù)?，它?guī)定了SDH專用卡供電電路中的各個電路必須完全隔離和保護。DTT卡中傳輸干接點信號的4種電路原理必須完全隔離和保護，協(xié)調(diào)器只有在收到完全合理的96位幀時才會發(fā)出預定的姿勢信號。正常傳輸下，誤操作的概率優(yōu)于10-72，這也是具體應用中的最低值。同時，即使連續(xù)0.1的誤差（最壞情況），誤操作的概率也只有10-16，也就是每30000年一次。一般來說，A平臺向B平臺傳輸合閘信號的關鍵延遲來自機械設備本身的延遲（海底光纜上的信號傳輸速率為5μs/km，可以忽略不計），以及專業(yè)設備卡的端到端延遲為3ms，可以滿足最嚴格的關機信號延遲規(guī)定。項目為例，該項目有7個簡易平臺，于2017年建成投產(chǎn)，使用專用的DTT設備，以及FPSO應急柴油發(fā)電機，運行時，需在10ms內(nèi)斷開超載（甩負荷，即發(fā)射干接點信號），并保證電潛泵的正常運行。原因是因其開關電源是50Hz，一個周期是20ms，在負載較大之前，即半個周期以上，從A平臺到B平臺的信號需要在10ms內(nèi)完成?，F(xiàn)階段，多個海上油田已經(jīng)使用該系統(tǒng)進行遠距離傳輸和監(jiān)管，例如； BZ28-2S油田、JZ21-1油田、JZ9-3油田及東海部分海上油氣田群。

6 結束語

①從系統(tǒng)的需求分析報告考慮，為實現(xiàn)中心平臺對無人平臺的監(jiān)控，應明確系統(tǒng)作用，將中心平臺采油技術及其無線網(wǎng)絡實時化在監(jiān)控系統(tǒng)的基本概念上，明確提出了基于無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸模塊技術的監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構。②利用無線網(wǎng)絡微波加熱數(shù)據(jù)傳輸模塊技術，制定海上采油平臺監(jiān)控系統(tǒng)設計方案。選擇工業(yè)控制計算機和可編程控制器作為監(jiān)管系統(tǒng)的所有關鍵設備，構建監(jiān)管系統(tǒng)的硬件配置互聯(lián)網(wǎng)。③針對海上采油平臺周邊環(huán)境的特點和監(jiān)管系統(tǒng)的一些獨特規(guī)定，系統(tǒng)分析了系統(tǒng)可能存在的弱點，并在系統(tǒng)軟硬件設計中采取了相關的抗干擾對策方案。④監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件配置創(chuàng)建后，對系統(tǒng)進行組裝和調(diào)整，對數(shù)據(jù)監(jiān)控和報警顯示功能進行了全方位的實驗考察。