光纤传感与控制技术在油田联合站的应用

1 引言

油田联合站是原油生产过程中重要的环节之一，是集原油脱水、原油稳定、污水处理、高压注水、油井掺水拌热、原油储运等工艺于一体综合生产厂点，是油田“一级防火，甲级防爆”连续生产的要害单位，其生产过程的检测与监控不仅直接关系到成品原油的产品质量、关系到设备的能耗大小，更重要是决定着生产过程的安全平稳运行及原油生产的经济效益。

2 设计思路与技术解决方案和途径

2.1 总体设计思路

光纤传感与控制技术在油田联合站的应用研究项目，就是运用光纤传感技 术具有:

(1) 实现非电检测，真正本质安全、防爆;

(2) 实现非接触式检测，无污染、高绝缘性;

(3) 抗电磁干扰能力强、检测精度高等特点。

武汉工大光纤传感科技股份有限公司成功应用于工业生产过程参数检测光纤系列产品、及与河南油田共同研制开发的三种新型光纤传感器作为现场检测用传感器的主导，配套先进的压力、温度传感器和当今国际流行的分布式计算机实时监控技术组成先进、完整的生产过程控制系统和安全监控系统，改善全站的生产和安全管理现状、提高生产管理水平、提高本质安全，减轻工人劳动强度;为油气集输生产现代化管理创出了一条新路。

2.2 项目总目标

(1) 联合站油、水、气处理系统采用先进光纤传感技术实现生产过程多项参数自动检测、控制、显示、报警;

(2) 注水罐，原油储罐采用光纤液位计实现自动检测，高位报警;

(3) 原油外输自动检测、控制、报警;

(4) 站内实现管理、控制一体化、智能化;

(5) 建立生产控制系统和安全控制系统的快速实时通讯，利用动态数据交换技术，开发生产控制系统和安全控制系统的数据接口;

(6) 安全管理达到中石化股份公司安全管理规范要求;

(7) 实现站、厂、局计算机联网管理。

2.3 主要研究内容

(1) 原油三相分离器油、水液面自动检测、控制;

(2) 原油三相分离器天然气压力自动检测、控制;

(3) 原油稳定塔液面检测、控制、报警;

(4) 轻油罐液面自动检测;

(5) 注水罐、原油储罐液位自动检测;

(6) 原油储罐液位高位自动报警;

(7) 原油储罐温度自动检测;

(8) 油井掺水系统自动控制;

(9) 原油长输管线压力、温度自动检测报警;

(10) 原油外输平稳输油自动控制;

(11) 三相分离器温度自动检测;

(12) 井排来油温度检测;

(13) 消防系统水压检测;

(14) 联合站集中监测、显示系统:

2.4 技术方案与解决途径

(1) 将光纤传感技术引入联合站

将光纤传感技术引入联合站，就是运用光纤传感技术具有:实现非电检测，真正本质安全、防爆;实现非接触式检测，无污染、高绝缘性、抗电磁干扰能力强、检测精度高等特点，解决原油储罐液位检测和报警，解决储罐负压检测和报警，解决原油流量检测和信号远传，解决三相分离器油、水液位检测与信号远传。

(2) 研制和开发相应的光纤传感器

由于光纤传感产品进入油田联合站很晚，目前还谈不上规模化应用，因此现在成熟光纤传感器无法全面满足联合站检测的需要。要完成项目研究的技术内容，实现项目的总目标，就必须结合联合站工艺过程检测具体工况，研制和开发相应的光纤传感器。

(3) 开发光纤浮球液位变送器

开发用于油、气、水三相分离器油、水液位检测的光纤浮球液位变送器，用以替代现在用的气动仪表，解决传统气动信号在传输过程中堵、漏、冻现象，提高控制的快速性、检测和控制的可靠性。

(4) 开发光纤流量计量仪

应用容积式流量检测原理采用光纤转换和传送方式实现原油流量检测与远传，解决传统电动仪表因传送距离长抗干扰能力低的问题，避免强干扰下，检测系统的误操作。

(5) 开发储罐光纤负压报警器

解决原油储罐负压检测与报警问题，可有效预防因呼吸阀堵塞，造成负压瘪罐事故的发生。

(6) 油井掺水系统自动控制和原油外输平稳输油自动控制

运用变频器与压力检测构成闭环回路，确保机泵在高效经济区运行，实现节能降耗，降低设备维护率，提高设备使用寿命。

(7) 生产过程控制系统和安全监控系统，实现联合站生产

采用目前国际上非常流行的分布式控制技术和现代网络技术组成先进的生产过程控制系统和安全监控系统，实现联合站生产、安全实时监控与管理，并将联合站实时的生产和安全信息联入油田开发网和安全信息网，为油田经营管理层的决策工作提供及时、全面、准确的信息资源。

3 光纤传感与控制技术在联合站的应用

3.1 系统组成及特点

在系统组成上，现场一次仪表采用光纤传感器、本安型压力变送器和温度传感器，控制系统运用当今较为先进的“整体解决方案”技术，为了进一步提高增加系统全面性、可靠性、稳定性和安全性，在软件设计上运用国际上流行的MVC技术，即将表示层、控制层、及数据层相分离，三层相辅相成，在使用上很直观地体现出了现场级、监控级、工程师及操作员级、企业管理级多级工作方式，实现真正的工厂综合自动化理想平台、真正的流程工业生产过程的先进控制，优化调度和管理模式。

(1) 系统的组成

系统由外输控制站、内输控制站(三相分离和稳定控制站)、总控站、原油罐区安全监控系统、事故预案管理等几部分组成，其中外输控制系统、内输控制系统与总控部分以及原油罐区安全监控系统具有相对的独立性，又有着密切的联系构成一个有机整体。

事故预案管理在结合全站安全管理规定和以往处理事故的一些经验做法的基础上，以文本文件形式将其安装在系统画面中，用来指导和帮助操作工人在紧急状态下快速准确操作处理。

(2) 系统特点

a) 高精度测量，本安防爆;

b) 开放的体系结构，可以提供多层的开放数据接口;

c) 有较高的可靠性、稳定性、安全性，维修方便、工艺先进;

d) 丰富的全汉字图形

丰富的全汉字图形,复杂漂亮的界面，运用了动画技术、图形缩放技术、多级窗口技术、各种数据、曲线、棒图等的实时显示;

e) 支持各种生产报表和图形打印功能;

f) 丰富的历史记录、报警记录和事故追忆分析功能;

g) 强大的系统逐级自诊断功能与故障报警功能;

h) 在管理层采用标准的100Mbps以太网(TCP/IP协议)，应用局域网将联合站与油田的开发网、安全信息网直接相连。

3.2 系统主要技术指标

(1) 液位控制精度 ±5 cm;

(2) 压力控制精度 ±2kPa;

(3) 大罐液位检测 ±2mm;

(4) 温度检测 ±2℃;

(5) 历史数据保留 7天;

(6) 网络数据传输差错 ∠0.5‰。

3.3 系统设计

(1) 控制系统硬件配置

本系统下位机PLC选用日本欧姆龙株室会社的C200Hα系列机。SYSMAC α系列PLC是OMRON公司继C200H和C200HS后推出的新一代C200系列的PLC产品。其宗旨是为了满足高水平的生产自动控制需要，在不减弱PLC功能的同时提供强大的数据处理能力，改进通讯功能，优化网络结构，加速向数据化工厂的方向迈进。与传统的C200H和C200HS系列的PLC相比，SYSMAC α系列PLC除了基本性能得到提高以外，它主要在通讯和数据处理方面作了大幅度的提高和改进，为控 制与管理一体化的控制系统提供支持，代表着当今PLC的发展方向。

总之，它是一种价格适中、性价比较高的中型机，配有较强的指令系统，梯形图与语句并重，增加了许多特殊指令，极大地方便了用户的编程。此外，它还配备了丰富的特殊模块和强大的通讯模板，以实现工厂自动化的多级要求。本系统采用的C200Hα型系列PLC为机架安装型，各种I/O单元、特殊功能模块、通讯板卡、CPU、电源单元均安插在一块底板上，并根据其所占用的槽位占用不同的内存单元。它的用户程序存储区为7.2K字，I/O分配有两个I/O扩展机架，最大控制点数可达1140点，其基本指令执行时间为0.313微秒，特殊指令执行时间为1.250微秒，完全能满足过程控制的需要。它支持多种特殊I/O单元和通讯模板，可以方便地与上位机IPC、同位机PLC及远程I/O单元通讯，使用方便。本系统的PLC选型如附表所示。

(2) 控制系统软件

编程软件:SYSMAC-CPT(英文版) SYSMAC-CPT是OMRON公司开发的基于WINDOWS95/98操作平台上的梯形图编程工具。它用于在普通个人电脑上编制PLC梯形图程序，并将程序通过串口下传至PLC，在线监控PLC运行以及各寄存器的状态，对PLC进行各种参数的设置。它支持梯形图和助记符两种方式，可相互转换，使用极为方便。具体的各单元模块及地址分配见各台PLC的硬件设计和软件设计部分。

4 结束语

光纤传感与控制技术在油田联合站应用研究项目，通过研究与实施，消除了安全隐患，提高了联合站安全、自动化管理水平，节能降耗效果明显，在油气集输处理场站具有较好推广价值。

(1) 首次将光纤传感与控制技术大规模运用于油气处理和集输工艺中

利用光纤技术所独具高精度、非电非接触式检测等特点实现了魏岗联合站多点多参数全天候自动检测与监控，使站内管理控制达到一体化、智能化;

(2) 开发研制的三种新型光纤传感器

储罐负压报警器、光纤流量计量仪、光纤浮球液位计，属国内首次研究应用，其性能良好、运行可靠，大大削减易燃易爆场所安全风险，增强了联合站本质安全管理水平;

(3) 经济效益显著

该系统确保了集输设备、注水、掺水设备在高效经济区平稳运行，实现了节能降耗，系统运行平稳，改善了机泵运行工况环境，减少设备损坏率，实现多岗合一，降低了油气集输处理人工成本;

(4) 自动化程度高

生产异常及时报警，全过程参数自动采集、自动生成生产报表，降低了工人劳动强度;

(5) 引进国际互联网技术、实施远程监控

远程监控为各级决策层了解易燃易爆场所安全生产信息提供了实时依据，为生产异常情况处理分析提供依据。