物联网技术在天然气分离计量集成装置改进中的应用

张炜 粟鹏 刘启聪 李蔚熹 伍坤一

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院 2.中国石油西南油气田公司川中油气矿

国际电信联盟定义的“物联网”是指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。物联网技术在油田的应用主要是利用各种传感器对油田生产过程与环节对象进行实时数据采集，并将采集到的数据通过有线或无线网络传到控制中心进行数据处理和应用，通过分析结果再对检测对象进行实时反馈、控制[2-5]。

“十二五”期间，中国石油启动建设油气生产物联网系统(A11)项目，通过传感、射频、通信等技术，对油气水井、计量间、油气站库、油气管网等生产对象进行全面感知，实现生产数据、设备状态信息集中管理和控制[3-6]。“十三五”期间，随着我国油气勘探开发力度的加大、信息采集与智能计算技术的迅速发展、互联网与移动通信网的广泛应用以及与传感网结合的不断深入，油气田大规模运用物联网的时机日趋成熟。

1 天然气分离计量集成装置

油气田地面系统的一体化集成装置是在工艺流程优化简化的基础上，充分结合地面建设特点和规模，将设备制造、自动控制等技术有机融合，多功能高度集成，形成满足生产流程和过程控制要求的定型产品，可替代部分常规中小型站场和常规站场生产单元，其主要优势在于可工厂预制、节约用地、可拆迁利旧，在节省投资、缩短建设周期、减少劳动定员等方面效果显著。本文以立式分离计量集成装置为例介绍一种基于物联网基本概念的改进方案[7-10]。

1.1 装置简介

该装置为适应中国石油西南油气田某区块现场工况研制，除分离计量之外还具备除砂功能，适用于含砂的天然气分离计量单井站。

装置由橇座、除砂器、立式重力分离器、流量计、安全阀、液位计、压力表、电动(或气动)控制阀以及相应的管路、管件、阀门组成，并配备有RTU控制系统。该装置流程如图1所示。

1.2 装置自控系统

本方案自控系统集成于橇块之上，可实现数据采集、存储、监视、报警、控制等功能，无需依托站场建设控制室。

1.2.1检测与控制功能

装置采用气液混输工艺，主要检测和控制方案如下。

(1)分离器配置毛细管双法兰差压液位变送器及高压玻璃板液位计、气动排液球阀，实现对液位就地显示、远传；由控制系统组态设置高、低液位报警，并通过控制系统实现对气动排液球阀的闭环控制，即高液位自动打开气动排液阀，低液位自动关闭气动排液阀，实现分离器液位自动排液控制。气动排液控制阀具备阀位信号反馈功能。

(2)分离器出口天然气管线设置标准节流孔板阀和智能差压流量变送器对天然气计量，系统组态显示天然气瞬时流量和累计流量。

(3)分离器排液量计量采用容积法，即排液量由控制系统按分离器有效容积和排液次数进行计算，实现排液量的累计计量。

1.2.2主要设备选择

(1)选用一套RTU系统控制柜(箱)实现装置数据采集及与上位机通讯。控制柜(箱)选用防爆产品。

(2)天然气流量计量采用标准节流孔板阀配套智能差压流量变送器，对装置出口天然气进行计量。

(3)液位检测选用双法兰差压液位计及高压玻璃板液位计对液位进行检测。

(4)分离器液位排液控制阀采用气动高压V型球阀。

(5)选用1套气源处理装置，对分离器出口天然气进行过滤、减压等处理，达到气动球阀的气源要求。

(6)仪表的保护等级不低于IP65,仪表及电气附件防爆等级不低于Ex dⅡBT4。

1.2.3采集的主要数据

本装置的数据采集点如表1所列。

1.2.4主要设备配置

装置选用主要设备及规格如表2所列。

表2 主要设备一览表名称规格数量备注RTU不少于1路RS232、2路RS485、1路RJ45。卡件预留20%备用1AI:2DI:2DO:1RS485:1防爆控制柜(长×宽×高)600mm×250mm×800mm1触摸屏7inch(1inch=25.4mm)1含组态软件压力表10MPa1标准孔板阀10MPa,DN50mm1智能差压流量变送器10MPa1差压液位变送器800mm,10MPa1高压玻板液位计800mm,10MPa1两位式气动排液阀10MPa,DN25mm1

1.3 存在问题

上述方案技术成熟可行，但在现场应用中存在以下3个问题。

(1)因装置处于防爆区域内，只有在停产检修时才能对非防爆的触摸屏进行操作，而在生产过程中不能对非防爆的触摸屏进行触控操作。若更换成防爆型的触摸屏，则会因其购置费昂贵且可选择品牌单一，提高整个装置的制造运行成本，经济性较差。

(2)装置内的智能型仪表设备自诊断功能未能充分利用，对智能仪表健康状态的判断往往依靠操作人员的现场经验。目前，油气行业对智能仪表的使用多限于监测实时生产数据，对仪表自身属性参数数据缺乏关注，使用中往往没有采集。用户对智能仪表设备的健康状态及故障原因不能及时掌握，影响装置正常运行管理。

(3)装置的日常巡检维护记录依赖传统人工纸质记录方式，这种方式存在两个弊端：一是人工记录时有错记漏记的可能；二是人工记录没有时间戳的约束，即使巡检中出现漏检现象，也可事后人为修改记录。

2 改进方案

2.1 改进思路

针对第1.3节中提出的3个问题，可尝试利用基于物联网的基本概念确定改进思路。

(1)体现物联网M2M(Machine to Machine)的特点，将非防爆触摸屏与防爆区安全距离外的远程工控终端“物物相连”，实现触摸屏操作。

(2)发挥物联网的精细化设备管理能力，采集智能仪表设备属性参数，在系统中开发相应的智能仪表设备管理功能，监测仪表健康状态，甚至预判故障发生[11]。

(3)物联网技术不仅提升对“物”的管控水平，也可对巡检人员的行为进行监视，督促人员定期检查维护一些目前难以实现自动控制但又非常重要的环节。若将巡检记录功能集成于装置系统内，既可保证记录的准确性和及时性，客观上也实现了对巡检人员的管理，一定程度上提高了巡检工作质量。

2.2 改进方案

基于以上思路对装置进行改进，新增“就地无线网络连接及调试操作”“智能仪表设备物联管理”“装置日常巡检及检维修记录”3部分功能。

2.2.1就地无线网络连接及调试操作功能

RTU和触摸屏安装在集成于橇块之上的防爆控制箱内，正常生产时通过柜门上的玻璃观察窗查看生产实时数据。只有待停产检修才能对非防爆的触摸屏进行操作，使得触摸屏使用受限，影响其功能发挥。

为解决正常生产时无法操作的问题，更好发挥触摸屏功能，提出了以下措施。

(1)在防爆箱内加装工业级WIFI路由设备，通过网线与触摸屏连接(见图2)。

(2)将WIFI路由天线通过防爆接线孔延长至非防爆区域，实现WIFI信号覆盖。

(3)在防爆区安全距离之外的工控终端设备上安装触摸屏组态软件，并将其无线网卡IP地址设为与WIFI路由器相同网段，实现终端设备与触摸屏的网络连接。

(4)用工控终端设备上安装的触摸屏组态软件，远程等同操控触摸屏。

改进之后在工控终端上即可使用鼠标代替触摸屏完成数据修改等常规操作，满足了防爆区域安全距离要求，实现对防爆控制柜内的触摸屏实时在线操作，有效提高了设备利用率。

这样在不影响生产安全的前提下，可满足防爆区域安全距离要求，实现对防爆控制柜内的触摸屏实时在线操作，极大地提高了设备利用率。

2.2.2智能仪表设备管理功能

一体化集成装置具有可移动、可复用的特点，橇上智能仪表设备可能会因为搬迁进行更换，设备自身属性参数如出厂日期、故障信息等均发生变化，需及时更新以便跟踪该设备使用情况。智能仪表多采用HART(highway addressable remote transducer)通信协议，协议数字信号中包含了来自设备的信息，包括设备状态、诊断、计算值等。利用这些信息可实现监测仪表故障、判断健康状态、远程诊断等功能。在日益严格的设备精细化管理要求背景下，采集智能仪表设备信息拓展应用，提升设备管理水平尤为必要[11]。

具体现场实施时，在防爆控制箱内加装HART数据采集模块，实现对智能变送器的设备状态信息采集，HART数据采集模块连接拓扑图及安装图如图3和图4所示。

智能仪表设备管理功能开发采用基于Windows系统的图形化界面，主要实现以下功能。

(1)自动检测与系统相连的智能仪表，无需专门设定智能仪表地址。

(2)在线监测与系统相连的智能仪表的健康状况并报警。

(3)可在线诊断仪表故障，如仪表无反应、EEPROM故障、传感器老化/故障、导压管堵塞等。

(4)可在工控终端中快速完成回路测试、连联调试，并自动生成状态报告。

(5)可在线进行智能仪表组态修改，并在数据库中自动记录该事件；可对仪表进行预组态，当该仪表安装好时直接下载到该仪表中。

图5即为远程工控终端中对设备信息的综合解析画面。

2.2.3装置日常巡检及检维修记录功能

为了实现对装置巡检和检维修情况可追溯，落实责任人员，需增加对装置日常巡检及维修记录的功能。

利用RTU编程组态及存储可扩展的功能，新增用于巡检及检维修记录存储的数据字段，实现记录的存储、查询和显示。

触摸屏显示检维修人员的操作记录如图6所示。

远程工控终端界面显示记录如图7所示。

2.3 装置改进后功能对比

装置改造前后功能对比见表3。

从表3可看出，第13～第19项为本装置新增功能点，这些新增功能点具有物联网基本特征，如利用无线网络在远程工控终端模拟操控触摸屏上体现了物联网典型的M2M特征；智能仪表设备的信息采集及管理、操作维护记录等也是物联网概念的拓展应用。

3 结语

本改进方案已在生产现场实施，“就地无线网络连接及调试操作”功能、“智能仪表设备管理”功能和“装置日常巡检及检维修记录”功能具备物联网基本特征，经测试满足使用要求，自控系统整体运行正常，满足现场生产管理需求，提高了设备利用率及设备管理水平，保证了日常巡检工作质量，降低了员工劳动强度。

表3 装置改进前后自控功能对比表序号功能描述改进前改进后1实时数值就地显示√√2实时数值网络上传√√3就地参数设置√√4远程参数设置√√5就地手动控制√√6远程手动控制√√7计量功能及参数设置√√8自动连锁√√9用户权限控制√√10有线网络接入√√11报警显示√√12报表生成√√13利用WIFI无线进行设置√14利用WIFI无线进行显示√15利用WIFI无线进行控制√16智能仪表设备信息采集√17智能仪表设备管理√18操作历史记录√19检维修记录√

在此基础上，可在系统使用的便利性上做进一步改进完善，如除智能仪表设备之外的静设备上加装射频识别标签(radio frequency identification,RFID)，写入更多设备属性参数，如历史故障、检修情况、设备负责人等信息。同时，为巡检人员配置内置标签阅读器的防爆手持终端,可更便捷地完成日常巡检任务。