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1、第一章 概 述1.1 课题概述本课题来源于延长油田股份有限公司靖边采油厂十一号联合站油田监控系统的研究项目，目的是通过对该站监控系统的可靠性研究，确保监控系统正常工作,保证原油平稳集输和安全生产，有效控制生产技术指标，减轻工人劳动强度,提高工人的工作效率和安全系数使联合站的自动化水平得到较大提高，达到良好的经济效益和社会意义。1.2 课题背景随着我国加入 WTO 组织，中国能源市场的竞争将日趋激烈，油田企业要适应这种变化，除不断提高原油产量外，加快生产管理自动化和安全监控设备的建设，也是提高竞争力的有效手段。在油田地面工程，特别是具有综合处理能力的联合站原油生产，油、气、水处理、原油集输装置技
2、术改造相比一般总是相对滞后，如生产过程参数的监测和生产过程控制装置技术陈旧，设备老化等诸多影响安全生产的问题都亟待解决。我国油田采油厂联合站大多是在 70 年代所建，因为当时原油产量低，集输处理量小，靠人工测量、手动操作即可完成。但是随着生产规模的扩大、原油产量的提高，使联合站的集输处理量不断增加，原有工艺和系统出现了很多问题。由于监测参数量多，靠人工检测化验数据误差大，计量原油不准确，人工检测储油罐液面、油水界面不精确;控制系统落后、安全性低等。这些因素给联合站生产操作和管理带来很大困难。日前，国内一些油田地面联合站都作了较大的技术改造，以适应安全生产和现代化管理的要求。如新疆塔里木油田三塘
3、湖联合站，建立了生产过程监控系统，站内控制室将全站工艺流程、生产参数等统一监控，减少了安全隐患，减少了每天上岗操作工人的数量，减轻了工人劳动强度，提高了生产率。但是国内大多数中小油田联合站依然没有建立生产监控系统，检测方式落后，控制系统采用气动仪表甚至是手动控制。因此，研制开发油田企业的生产过程实时监控系统，对生产装置的关键回路及主要工艺参数进行实时采集和动态跟踪监视，同时将生产过程系统与管理系统紧密结合起来，实现生产过程实时信息与管理信息的集成，为管理决策层提供可靠的决策依据，具有很大的实际意义和明显的经济效益。第二章 国内外油田集输联合展监控系统研究现状2.1 国外研究现状国外油田自动化监
4、控工作起步较早.早在五十年代，美国海湾公司就建成了第一套自动化监控输送系统（Ledge Automatic Control Transmission System，简称 LACT）装置，解决了原油的自动收集、处理、计量和输送问题。六十年代，Arco 油气公司的 Iatan East Howard 油田将 PLC（可编程序逻辑控制器）用于注水控制，并很快发展到报警、泵控、橇装试井装置等其它领域。国外油田在二十世纪八十年代就达到了分布式监控阶段。目前国外油田更是建立了从原油生产、储存、销售全面监控的自动化系统，将自动化系统上升到了现代管理的高度。目前国外油田更是建立了从原油开采、存储、加工、销售全
5、面监控的自动化系统，将自动化监控系统上升到了现代管理的高度。如：英国石油公司建立的自动化监控系统可以根据监测到的地质情况自动控制油井的产量，保证地层原油达到最大采收率。美国 LUFKIN 公司最近推出的 PRC 油井自动控制系统功能齐全，完全能够满足对油田抽油机井进行全方位测控的需要。而且，美国油田甚至将原油销售过程中温度影响体积导致的销售差额都考虑、设置到自动化管理系统中，代表了当前世界的最高水平。2.2 国内研究现状国内油田联合站在监控系统领域起步较晚，初期发展比较缓慢.。九十年代以来在长输管道方面、西部油田、海洋采油平台引进了一些比较先进的自动化设备和技术，在经过近十年的发展应用后也达到
6、了集中分布式监控阶段，正向着网络化、智能化的现代企业自动化方向发展。新疆彩南油田是我国投入开发的第一个百万吨级自动化沙漠整装油田，它位于新疆准噶尔盆地东部，自然条件极为恶劣。该油田建成一个两级 SCADA 计算机监控系统。系统硬件全部采用贝克公司（美国 BAKER CAC）的产品。实现了采油井、采注计量站定时巡检、自动倒井计量、集中处理站数据监控、油气采集、信息采集及处理的全面自动化。被誉为“世界一流，国内领先” ，是陆上油田开发的典范” ，效益好、成本低的“高效开发油气田” 。吐哈油田从 1992 年开始相继建立了鄯善、温吉桑、丘陵三大主力油田的自动化监控系统。该系统配套油藏工程、采油工程、
7、油气集输工程、轻烃回收工程和水、电、通信、公路、消防等工程，系统复杂，功能齐全，在国内陆上油田尚无先例。该油田地处人口稀少，环境恶劣，且系统的测控点多而分散，覆盖区域广，工艺过程参数的多样性且不稳定，形成的控制子系统多，为此在油气水集中处理的联合站采用大型 TDC-3000 或大型 PLC（可编程序逻辑控制器）集散控制系统，与分散的井站采用 RTU“三遥”的远程终端装置构成分布式数据采集和就地控制的方法，通过无线或有线传输的结合融于 NOVELL 网中，而形成一体的合成系统。系统内连接着 27 家国内外厂商的一万多台智能仪表，实现了井口计配站无人值守，自动监视生产状态并报警。该系统目前运行安全
8、可靠，年稳产原油 300 万吨，日处理天然气 210 万立方米，日产轻烃 660 吨，日产干气 160 万立方米，日注水 22 万立方米，日处理污水 0.6 万立方米，这些均由自动化系统控管，实现了产量连续三年翻番。该项自动化工程投资 3200 万元，创效益 2.9 亿元，其投入产出比为 19，并锻炼出一支高水平的自动化开发应用队伍，被中国石油天然气总公司列为新技术推广示范工程。虽然近年来，自动化监控技术早己不再局限于管道和海上平台，而是开始迅速向陆上石油生产业延伸，但目前在全国油田范围内，安装了此类自动化设备进行油田生产自动化监控的井、站仍不到 5%。就现有的种种监控系统来看，它们分别使用了
9、不同的仪表检测现场数据；硬件部分则有的全部采用国外的成套产品，有的利用不同型号的单片机或 PC 机及多种模块芯片组装而成；上位机的 HMI 管理系统就更是通过各种应用软件编写实现，完成各自所需的监视管理功能。但它们也或多或少存在着诸如对生产过程和设备状态参数的选择不合理；检测方法误差严重，检测次数少，不利于及时发现现场设备存在的问题；下位机采集速度慢，达不到实时要求；上位机分析处理手段欠缺，很多情况下，不能对数据进行局部细微的分析，难以让工程技术人员准确的掌握第一手资料。从国内油田监控系统的发展过程和今后的发展趋势来看，远程监控技术越来越多的应用到油田监控系统当中，而且必将向油田的网络化和数字
10、化方向发展。第三章 十一号联合站监控系统简介3.1 十一号联合站工艺流程十一号联合站主要完成油气生产过程中原油及天然气的收集和输送任务，是油气生产的关键过程。十一号联合站的主要工艺流程包括有来车卸油、管输进站、油气分离、原油沉降脱水、存储和汽车拉油外销等。联合站内设有卸油鹤位和两个装车鹤位，同时配备有 2400m3/d 注水能力和 2800m3/d 的污水处理能力。现在油站正在逐步发展，各方面逐渐趋于成熟。下图 3-1 为十一号联合站主要工艺流程简图。油田生产管理运作情况描述：换热器油气分离器沉降罐计量站来油天然气分离器污水接收罐净化油罐燃料气或放空装车或外输计量排污卸油罐汽车拉油 图 3-1
11、 十一号联合站的工艺流程简图3.1.1 十一号联合站原油生产工艺流程分析计量站来油首先经过换热器进行加热，经过加热以后进入油气分离器，油气分离器可以将原油进行油、气、水三相分离。分离出来的天然气经过天然气分离器与天然气分水器进入锅炉房或供生活用气，或者经过放空管被排放出去。从油气分离器出来的原油进入到沉降罐，再一次进行油水分离。经过这次沉降，进入到净化罐进行原油净化，便可以进行原油外销。另外还有汽车拉油到卸油池，在经过卸油罐进入到进站管线。图 3-1-1 是十一号联合站的工艺流程图。图 3-1-1 十一号联合站工艺流程图3.1.2 十一号联合站水流工艺分析水流工艺在联合站正常生产中起着重要的作
12、用。从下图 3-1-2 中，我们可以了解到水路图中包括有注水泵房、锅炉间、水处理间。污水池中的污水经过污水回收泵进入到污水缓冲罐，经过提升泵提升后进入注水罐，最后进入到注水泵房中通过注水泵注入注水井中。在水处理间中将水进行软化处理后进入锅炉进行加热。锅炉中经过加热以后的水是用来加热原油的，即要进入换热器。消防水罐中的水是在出现火灾时用来灭火的。十一号联合站的水流工艺如下图3-1-2 所示。卸 油 罐 和 储油 罐 区 工 控 计 算 机现 场 仪 表 和执 行 机 构 可 编 程 逻 辑 控 制 器 （ PLC）CRT污 水 处 理现 场 仪 表 和执 行 机 构 油 气 分离 器现 场 仪
13、表 和执 行 机 构 装 卸 车 泵 房注 水 、 药 剂 泵 房现 场 仪 表 和执 行 机 构图 3-1-2 十一号联合站水路图3.2 十一号联合站监控系统简介十一号联合站自动监控系统采用 PLC(可编程逻辑控制器),实现站内的工艺流程监控，保障工艺流程的安全，可靠，平稳的运行，实现工艺系统参数的显示，数据处理，报警和数据归档。控制室设在仪表间，全站的仪表信号全部引到控制室。监控系统是由硬件和软件两大部分组成的。如下图 3-2 所示。图 3-2 监控系统组成结构图3.2.1 系统硬件介绍（1）系统硬件介绍十一号油田联合站控制系统采用 2 台工控机(IPC)作上位机 ,1 台可编程控制器 S
14、7-300（PLC ）作为下位机，构成 IPC+PLC+Profibus 的集散控制系统，实现了油田联合站生产过程中各工艺参数的自动检测与控制。综 合 考 虑 控 制 要 求 的 指 标 ， 系 统 可 靠 性 、 安 全 性 、 扩 展 性 ， 以 及 系 统 的性 能 价 格 比 ， 还 有 系 统 应 具 有 一 定 的 先 进 性 ， 进 行 系 统 硬 件 的 选 择 与 配 置 。 根据十一号联合站的工艺特点和工艺设备的技术要求，系统的整体设计分为显示器、工控机、PLC 、模拟量与数字量输入输出模块。系统的通讯连接采用Profibus 总线与 MPI 通讯协议将系统有机地结合在一起
15、，使系统具有充分的开放性、准确性，同时保障了系统具有较先进的监测、控制水平。本次监控系统的 I/O 点数统计如表 3-2-1 所示：控制信号 类别 监测自动 手动顺控安全机泵运行 总计AI 420mA 两线制 44 44输入信号 DI 无源触点 2 2AO 420mA 2 2输出信号 DO继电器触点220V AC/10A 15 15CIO RS185（MODBUS）表 3-2-1 十一号联合站监控系统 I/O 变量表监控系统的硬件设备如表 3-2-2 所示：序号 名称 型号 技术要求 数量1 工控机主机 研华 IPC610IPC-610H/PCA-60006LV/P4、2.4G512M/80G
16、/1.44M/52X2 台2 三星显示器 22 寸 CRT 22 寸三星显示器 2 台3 彩色打印机 HP-5100SE 彩色喷墨打印机 1 台4 CPU CPU 313C-2 DP16 个数字量输入(均可用于报警处理)和 16 个数字量输出1 块5 模拟量输入 模块 西门子SM331 16 路模拟量输入 5 块6 模拟量输入 输出模块 西门子SM334 1 块7 数字量输入 模块 西门子SM321 1 块8 数字量输出 模块 西门子SM322 1 块9 可编程逻辑 控制器 PLC S7-300 1 块10 网卡 CP5611 网卡 2 块表 3-2-2 联合站监控系统设备清单十一号联合站监控系统硬件配置如下图3-2-1所示。图 3-2-1 十一号监控系统硬件配置图（2）系统硬件功能简介研华工控机简介1.研华工控机 IPC-610HIPC-610-H 是 4U 高 14 槽机架安装工业整机，带 PFC（功率因数补偿）电源的高效 300WATX 和易于维护的双冷却风扇。机箱
