張絢艷，盛青山

(1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院南陽(yáng)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(yáng) 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(cè)等多個(gè)領(lǐng)域[1-5]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過(guò)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(guò)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(guó)巨大的能源消耗所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)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(guó)經(jīng)濟(jì)生活的一件大事。因此，探討如何在新形勢(shì)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(cè)，統(tǒng)計(jì)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)情況。由統(tǒng)計(jì)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(guò)程能源消耗總量大。另外，注汽鍋爐在工作過(guò)程中存在燃燒狀況不良、過(guò)?？諝鈪?shù)偏高、排煙溫度過(guò)高等情況。因此，為降低能源消耗、提升企業(yè)收益，對(duì)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(jì)情況表

針對(duì)上述情況，該文設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)注汽鍋爐能耗智能監(jiān)測(cè)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(duì)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(jì)，完成對(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)。

2 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能需求分析

油田注汽站能耗智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集合先進(jìn)通信技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)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(guò)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(cè)系統(tǒng)在總體上應(yīng)能借助注汽鍋爐能源監(jiān)測(cè)和管理軟件系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，自動(dòng)記錄，并對(duì)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(cè)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(cè)依靠人工對(duì)統(tǒng)計(jì)抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)果，再對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，存在滯后性。工作過(guò)程中，若能源消耗出現(xiàn)異常，鍋爐熱效率降低時(shí)不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，工作人員無(wú)法及時(shí)優(yōu)化鍋爐運(yùn)行參數(shù)，鍋爐不能時(shí)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(jì)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并能對(duì)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(chǎng)自動(dòng)化儀表通訊技術(shù)的優(yōu)化組合

構(gòu)建監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)是以實(shí)際工業(yè)環(huán)境為背景，因此應(yīng)對(duì)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(dòng)化儀表工業(yè)以太網(wǎng)。

(3)注汽鍋爐能源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理

為實(shí)現(xiàn)對(duì)注汽站能耗的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與處理，能耗監(jiān)測(cè)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(shí)采集和傳輸、能耗數(shù)據(jù)的記錄與整合分析、自動(dòng)生成數(shù)據(jù)趨勢(shì)報(bào)表以及柱狀對(duì)比圖。此外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的有效控制，能耗監(jiān)測(cè)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(duì)，當(dāng)偏差值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)應(yīng)進(jìn)行報(bào)警提示。同時(shí)，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(shí)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(cè)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案

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

(1)關(guān)鍵計(jì)量?jī)x表組網(wǎng)率100%，完成現(xiàn)場(chǎng)一次儀表信號(hào)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(guò)設(shè)定值3%時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行；

(6)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)警。

以計(jì)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(shí)能耗檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)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(cè)及遠(yuǎn)程管理。實(shí)時(shí)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(chǎng)設(shè)備層組成。

圖1 注汽站能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

分別對(duì)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(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)油田注汽能耗運(yùn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息統(tǒng)計(jì)分析、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)診斷、工藝流程智能優(yōu)化、關(guān)鍵信息報(bào)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(chǎng)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(guò)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(shí)的鍋爐能耗數(shù)據(jù)。

對(duì)于具有RS-232/422/485 的串口設(shè)備，如用來(lái)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(guò)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(duì)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(jì)等設(shè)備通過(guò)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(shí)采集遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)，對(duì)需要控制的設(shè)備，通過(guò)PLC及系統(tǒng)軟件對(duì)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(duì)采集到得現(xiàn)場(chǎng)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(shí)輸出工作站發(fā)出給PLC的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(wú)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(cè)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(cè)并做出判斷和操作。該軟件系統(tǒng)主要由能源計(jì)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(kù)幾部分組成，如圖2所示。

圖2 注汽站能耗監(jiān)測(cè)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(duì)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(shí)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(duì)網(wǎng)絡(luò)化的溫度儀表、壓力儀表、流量計(jì)、液位計(jì)、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(jì)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(duì)某油田注汽工程部一區(qū)注汽站能源計(jì)量?jī)x表進(jìn)行升級(jí)改造，構(gòu)建以計(jì)量?jī)x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(cè)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(shí)可以實(shí)時(shí)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(guò)監(jiān)控畫面底面的“運(yùn)行參數(shù)”、“報(bào)警信息”、“報(bào)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(duì)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(bào)警信息監(jiān)控畫面，通過(guò)“參數(shù)設(shè)置”對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定值3%時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，畫面對(duì)應(yīng)參數(shù)后指示燈由綠色變?yōu)榧t色，進(jìn)行報(bào)警提示。當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，鍋爐會(huì)自動(dòng)停爐并發(fā)出音響報(bào)警，報(bào)警記錄記錄下報(bào)警的內(nèi)容和時(shí)間，方便查找故障原因。故障排除后，啟動(dòng)時(shí)按控制柜上的“復(fù)位”按鈕，可以使解除報(bào)警的指示燈變綠色。

圖5 注汽鍋爐報(bào)警信息畫面

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的油田注汽站能耗智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的設(shè)計(jì)，完成油田注汽站運(yùn)行情況實(shí)時(shí)智能檢測(cè)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)偏差超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)人機(jī)界面發(fā)出報(bào)警，操作人員及時(shí)對(duì)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(dòng)強(qiáng)度，提高企業(yè)效益，具有較強(qiáng)的使用研究?jī)r(jià)值。