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        基于物聯(lián)網(wǎng)的油田注汽站能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

        2022-08-12 09:44:40張絢艷盛青山
        工業(yè)儀表與自動化裝置 2022年4期
        關(guān)鍵詞:能耗鍋爐管理系統(tǒng)

        張絢艷,盛青山

        (1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院南陽分院; 2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院;3.柔性制造河南省工程實(shí)驗(yàn)室,河南 南陽 473000)

        0 引言

        隨著科技快速發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到數(shù)字油田、數(shù)字醫(yī)療、智能電網(wǎng)、智能交通、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域[1-5]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過信息傳輸設(shè)備,按照約定的通訊協(xié)議,把物品與網(wǎng)絡(luò)相連接,物品信息通過信息傳播媒介進(jìn)行交換和通訊,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和信息化的有效融合的智慧化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[6]。

        在油田企業(yè)中,注汽鍋爐是稠油熱采的主要耗能設(shè)備。隨著我國巨大的能源消耗所帶來的環(huán)境問題集中爆發(fā),有效落實(shí)節(jié)能降耗,控制能源消費(fèi)總量,成為當(dāng)下我國經(jīng)濟(jì)生活的一件大事。因此,探討如何在新形勢下應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電子信息技術(shù)加強(qiáng)注汽鍋爐能耗監(jiān)測,統(tǒng)計和分析注汽鍋爐工作中的定量管理,提升能源使用效率具有重要意義。

        1 智能檢測系統(tǒng)設(shè)計的意義

        在稠油的開發(fā)中,注汽鍋爐常年連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),是稠油熱采的主要耗能設(shè)備[7]。表1所示為某油田企業(yè)2020年及2021年的注汽系統(tǒng)熱采能源消耗統(tǒng)計情況。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出,燃料成本占熱采總成本的近四分之三,造成熱采過程能源消耗總量大。另外,注汽鍋爐在工作過程中存在燃燒狀況不良、過剩空氣參數(shù)偏高、排煙溫度過高等情況。因此,為降低能源消耗、提升企業(yè)收益,對油田注汽站鍋爐的節(jié)能措施進(jìn)行探討顯得尤為主要。

        表1 2020年及2021年注汽系統(tǒng)熱采能源消耗統(tǒng)計情況表

        針對上述情況,該文設(shè)計出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田注汽鍋爐能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)。通過對注汽鍋爐能耗智能監(jiān)測所必須的功能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析,確定實(shí)施方案,并分別對數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、站控管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,完成對注汽站鍋爐能耗系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的智能實(shí)時監(jiān)測。

        2 智能監(jiān)測系統(tǒng)功能需求分析

        油田注汽站能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)集合先進(jìn)通信技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),對傳統(tǒng)工藝流程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化,信息化改造,使散布在站區(qū)各處的儀表通過改造成為網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)。因此,能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)在總體上應(yīng)能借助注汽鍋爐能源監(jiān)測和管理軟件系統(tǒng),通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表,自動記錄,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析。其具體功能需求分析如下:

        (1)注汽鍋爐能源監(jiān)測遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與儀表控制

        傳統(tǒng)注汽鍋爐能耗檢測依靠人工對統(tǒng)計抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)果,再對鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,存在滯后性。工作過程中,若能源消耗出現(xiàn)異常,鍋爐熱效率降低時不能及時被發(fā)現(xiàn),工作人員無法及時優(yōu)化鍋爐運(yùn)行參數(shù),鍋爐不能時刻保持在高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài),能耗階段性偏高,造成不必要的損失浪費(fèi)。設(shè)計智能監(jiān)測系統(tǒng),需滿足對現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,并能對異常情況在控制室實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,提升鍋爐工作效率,降低運(yùn)行能耗。

        (2)現(xiàn)場自動化儀表通訊技術(shù)的優(yōu)化組合

        構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng),除了要具有儀表等前端設(shè)備,還需要構(gòu)建傳輸系統(tǒng)。油田注汽站能耗監(jiān)測系統(tǒng)是以實(shí)際工業(yè)環(huán)境為背景,因此應(yīng)對多種儀表通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合進(jìn)行分析,選擇最優(yōu)的組合,構(gòu)建適合站區(qū)環(huán)境的自動化儀表工業(yè)以太網(wǎng)。

        (3)注汽鍋爐能源監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動處理

        為實(shí)現(xiàn)對注汽站能耗的自動監(jiān)測與處理,能耗監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)配備相應(yīng)的軟件系統(tǒng)并具備如下功能:鍋爐能耗數(shù)據(jù)和鍋爐運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時采集和傳輸、能耗數(shù)據(jù)的記錄與整合分析、自動生成數(shù)據(jù)趨勢報表以及柱狀對比圖。此外,為實(shí)現(xiàn)對能耗的有效控制,能耗監(jiān)測系統(tǒng)還應(yīng)能與事先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)單耗進(jìn)行比對,當(dāng)偏差值超過設(shè)定的閾值時應(yīng)進(jìn)行報警提示。同時,為減少不同必要的能耗損失,該系統(tǒng)應(yīng)能夠保證運(yùn)行管理人員可以及時調(diào)整鍋爐運(yùn)行工況,優(yōu)化鍋爐工藝運(yùn)行參數(shù), 確保鍋爐能處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

        3 油田注汽站能耗監(jiān)測系統(tǒng)初步設(shè)計方案

        根據(jù)上述油田注汽站能耗監(jiān)測的實(shí)際要求分析,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能耗監(jiān)測系統(tǒng)平臺具體設(shè)計目標(biāo)為以下幾個方面:

        (1)關(guān)鍵計量儀表組網(wǎng)率100%,完成現(xiàn)場一次儀表信號網(wǎng)絡(luò)傳輸;

        (2)鍋爐關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)可在上位機(jī)顯示;

        (3)鍋爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù)偏離幅度超過設(shè)定值3%時發(fā)出報警信號,偏離控制在標(biāo)準(zhǔn)值的3%以內(nèi);

        (4)數(shù)據(jù)采集頻率提高到10秒采集一次;

        (5)數(shù)據(jù)記錄分析由人工變成計算機(jī)自動進(jìn)行;

        (6)實(shí)時監(jiān)測、實(shí)時預(yù)警。

        以計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、數(shù)據(jù)采集單元為基礎(chǔ),進(jìn)行油田注汽鍋爐實(shí)時能耗檢測系統(tǒng)平臺搭建,完成注汽鍋爐運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程管理。實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場設(shè)備層組成。

        圖1 注汽站能耗監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

        分別對數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)傳輸、站控管理、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理四個子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,使系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)油田注汽能耗運(yùn)行動態(tài)參數(shù)實(shí)時監(jiān)控、信息統(tǒng)計分析、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時診斷、工藝流程智能優(yōu)化、關(guān)鍵信息報警集中表現(xiàn)、生產(chǎn)設(shè)備管理、生產(chǎn)指揮調(diào)度等應(yīng)用功能。

        3.1 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

        現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集終端、串口服務(wù)器及PLC等組成,通過工業(yè)以太網(wǎng)向工作站和數(shù)據(jù)服務(wù)器傳輸實(shí)時的鍋爐能耗數(shù)據(jù)。

        對于具有RS-232/422/485 的串口設(shè)備,如用來控制鍋爐的PLC控制器、數(shù)據(jù)顯示儀表、水表、電表、燃油表和天然氣表等設(shè)備,通過菊花鏈形式連接至串口服務(wù)器上解析成TCP/IP通信協(xié)議傳輸至控制站;對于只具有電壓或電流輸出的設(shè)備,如熱電阻、壓力變送器、流量計等設(shè)備通過接入帶有網(wǎng)絡(luò)模塊的PLC,經(jīng)PLC轉(zhuǎn)換成TCP/IP通信協(xié)議傳輸至控制站??刂乒ぷ髡旧系南到y(tǒng)軟件實(shí)時采集遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù),對需要控制的設(shè)備,通過PLC及系統(tǒng)軟件對終端設(shè)備進(jìn)行控制。

        3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

        數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)對采集到得現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并傳送至控制站的工作站和數(shù)據(jù)服務(wù)器中,同時輸出工作站發(fā)出給PLC的控制指令,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的各種控制。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸線纜、光纖以及無線通訊設(shè)備按照一定的通訊協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸工作。

        3.3 站控管理系統(tǒng)

        站控管理系統(tǒng)是人機(jī)交互的直接窗口,主要有系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備組成,如工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、打印機(jī)、UPS電源等組成[8]。

        注汽站能耗監(jiān)測系統(tǒng)主站包含監(jiān)控主機(jī)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)。其應(yīng)用軟件系統(tǒng)部分,將數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)信息集中到人機(jī)界面下,使操作人員和使用人員能夠直觀地進(jìn)行觀測并做出判斷和操作。該軟件系統(tǒng)主要由能源計量管理系統(tǒng)、能源消耗分析系統(tǒng)、能源消耗控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫幾部分組成,如圖2所示。

        圖2 注汽站能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分構(gòu)成

        3.4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理系統(tǒng)

        物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理系統(tǒng)兩部分組成[9-11]。

        物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)信道、節(jié)點(diǎn)功能配置、網(wǎng)絡(luò)時間同步、網(wǎng)絡(luò)安全等的管理[12]。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理系統(tǒng)主要對網(wǎng)絡(luò)化的溫度儀表、壓力儀表、流量計、液位計、柱塞泵、空壓機(jī)、串口服務(wù)器和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行情況的監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理系統(tǒng)的功能設(shè)計如圖3所示。

        圖3 注汽站網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理系統(tǒng)功能

        4 試驗(yàn)驗(yàn)證

        對某油田注汽工程部一區(qū)注汽站能源計量儀表進(jìn)行升級改造,構(gòu)建以計量儀表為節(jié)點(diǎn)的工業(yè)以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、儀表控制等功能。圖4為該油田注汽站能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)工藝流程畫面,該監(jiān)控畫面可以顯示柱塞泵、鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),同時可以實(shí)時顯示鍋爐的蒸汽壓力、蒸汽溫度、煙氣溫度、燃油溫度、燃油壓力、風(fēng)門開度、給水流量等主要參數(shù)。

        圖4 注汽鍋爐工藝流程畫面

        通過監(jiān)控畫面底面的“運(yùn)行參數(shù)”、“報警信息”、“報警記錄”、“點(diǎn)火控制”、“燃燒控制”、“歷史曲線”、“參數(shù)設(shè)置”、“用戶登錄”按鈕可以切換到所對應(yīng)的畫面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及數(shù)值監(jiān)控。

        圖5所示為報警信息監(jiān)控畫面,通過“參數(shù)設(shè)置”對鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行預(yù)先設(shè)定,當(dāng)檢測值超過設(shè)定值3%時發(fā)出報警信號,畫面對應(yīng)參數(shù)后指示燈由綠色變?yōu)榧t色,進(jìn)行報警提示。當(dāng)有報警發(fā)生時,鍋爐會自動停爐并發(fā)出音響報警,報警記錄記錄下報警的內(nèi)容和時間,方便查找故障原因。故障排除后,啟動時按控制柜上的“復(fù)位”按鈕,可以使解除報警的指示燈變綠色。

        圖5 注汽鍋爐報警信息畫面

        5 結(jié)論

        所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的油田注汽站能耗智能監(jiān)測系統(tǒng),通過對站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場設(shè)備層的設(shè)計,完成油田注汽站運(yùn)行情況實(shí)時智能檢測。系統(tǒng)數(shù)據(jù)偏差超出預(yù)設(shè)范圍時,系統(tǒng)可通過人機(jī)界面發(fā)出報警,操作人員及時對異常情況進(jìn)行干預(yù),可有效減少能耗,落實(shí)節(jié)能降耗,控制能源消費(fèi)總量,降低工人勞動強(qiáng)度,提高企業(yè)效益,具有較強(qiáng)的使用研究價值。

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