基于物聯網的油田注汽站能耗智能監測系統設計

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.河南工業職業技術學院 機械工程學院；3.柔性制造河南省工程實驗室，河南 南陽 473000)

0 引言

隨著科技快速發展，物聯網技術的應用已經滲透到數字油田、數字醫療、智能電網、智能交通、生態環境監測等多個領域[1-5]。物聯網技術是指通過信息傳輸設備，按照約定的通訊協議，把物品與網絡相連接，物品信息通過信息傳播媒介進行交換和通訊，實現工業化和信息化的有效融合的智慧化網絡技術[6]。

在油田企業中，注汽鍋爐是稠油熱采的主要耗能設備。隨著我國巨大的能源消耗所帶來的環境問題集中爆發，有效落實節能降耗，控制能源消費總量，成為當下我國經濟生活的一件大事。因此，探討如何在新形勢下應用物聯網技術和電子信息技術加強注汽鍋爐能耗監測，統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 智能檢測系統設計的意義

在稠油的開發中，注汽鍋爐常年連續運轉，是稠油熱采的主要耗能設備[7]。表1所示為某油田企業2020年及2021年的注汽系統熱采能源消耗統計情況。由統計數據可以看出，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?？諝鈪灯?、排煙溫度過高等情況。因此，為降低能源消耗、提升企業收益，對油田注汽站鍋爐的節能措施進行探討顯得尤為主要。

表1 2020年及2021年注汽系統熱采能源消耗統計情況表

針對上述情況，該文設計出一種基于物聯網技術的油田注汽鍋爐能耗智能監測系統。通過對注汽鍋爐能耗智能監測所必須的功能和技術指標進行分析，確定實施方案，并分別對數據采集與控制系統、數據傳輸系統、站控管理系統、物聯網網絡及設備管理系統進行設計，完成對注汽站鍋爐能耗系統運行狀態參數的智能實時監測。

2 智能監測系統功能需求分析

油田注汽站能耗智能監測系統集合先進通信技術及物聯網技術，對傳統工藝流程進行網絡化，信息化改造，使散布在站區各處的儀表通過改造成為網絡中的終端節點。因此，能耗智能監測系統在總體上應能借助注汽鍋爐能源監測和管理軟件系統，通過網絡實現遠程抄表，自動記錄，并對數據進行智能分析。其具體功能需求分析如下：

(1)注汽鍋爐能源監測遠程數據采集與儀表控制

傳統注汽鍋爐能耗檢測依靠人工對統計抄表數據進行分析得出結果，再對鍋爐運行參數進行調整，存在滯后性。工作過程中，若能源消耗出現異常，鍋爐熱效率降低時不能及時被發現，工作人員無法及時優化鍋爐運行參數，鍋爐不能時刻保持在高效經濟運行狀態，能耗階段性偏高，造成不必要的損失浪費。設計智能監測系統，需滿足對現場運行參數的遠程監控，并能對異常情況在控制室實現遠程控制，提升鍋爐工作效率，降低運行能耗。

(2)現場自動化儀表通訊技術的優化組合

構建監測系統，除了要具有儀表等前端設備，還需要構建傳輸系統。油田注汽站能耗監測系統是以實際工業環境為背景，因此應對多種儀表通訊技術、網絡傳輸技術、網絡拓撲結構組合進行分析，選擇最優的組合，構建適合站區環境的自動化儀表工業以太網。

(3)注汽鍋爐能源監測數據的自動處理

為實現對注汽站能耗的自動監測與處理，能耗監測系統應配備相應的軟件系統并具備如下功能：鍋爐能耗數據和鍋爐運行參數的實時采集和傳輸、能耗數據的記錄與整合分析、自動生成數據趨勢報表以及柱狀對比圖。此外，為實現對能耗的有效控制，能耗監測系統還應能與事先設定的標準單耗進行比對，當偏差值超過設定的閾值時應進行報警提示。同時，為減少不同必要的能耗損失，該系統應能夠保證運行管理人員可以及時調整鍋爐運行工況，優化鍋爐工藝運行參數, 確保鍋爐能處于經濟運行狀態。

3 油田注汽站能耗監測系統初步設計方案

根據上述油田注汽站能耗監測的實際要求分析，基于物聯網技術的能耗監測系統平臺具體設計目標為以下幾個方面：

(1)關鍵計量儀表組網率100%，完成現場一次儀表信號網絡傳輸；

(2)鍋爐關鍵運行參數可在上位機顯示；

(3)鍋爐實際運行參數偏離幅度超過設定值3%時發出報警信號，偏離控制在標準值的3%以內；

(4)數據采集頻率提高到10秒采集一次；

(5)數據記錄分析由人工變成計算機自動進行；

(6)實時監測、實時預警。

以計算機、網絡通訊設備、數據采集單元為基礎，進行油田注汽鍋爐實時能耗檢測系統平臺搭建，完成注汽鍋爐運行參數的數據采集、設備運行狀態監測及遠程管理。實時監控系統網絡結構如圖1所示，主要由站控管理層、網絡通訊層和現場設備層組成。

圖1 注汽站能耗監測系統框架圖

分別對數據采集與控制、數據傳輸、站控管理、物聯網網絡及設備管理四個子系統進行設計，使系統可實現油田注汽能耗運行動態參數實時監控、信息統計分析、運行狀態實時診斷、工藝流程智能優化、關鍵信息報警集中表現、生產設備管理、生產指揮調度等應用功能。

3.1 數據采集與控制系統

現場的數據采集系統包括數據采集終端、串口服務器及PLC等組成，通過工業以太網向工作站和數據服務器傳輸實時的鍋爐能耗數據。

對于具有RS-232/422/485 的串口設備，如用來控制鍋爐的PLC控制器、數據顯示儀表、水表、電表、燃油表和天然氣表等設備，通過菊花鏈形式連接至串口服務器上解析成TCP/IP通信協議傳輸至控制站；對于只具有電壓或電流輸出的設備，如熱電阻、壓力變送器、流量計等設備通過接入帶有網絡模塊的PLC，經PLC轉換成TCP/IP通信協議傳輸至控制站?？刂乒ぷ髡旧系南到y軟件實時采集遠程設備的數據，對需要控制的設備，通過PLC及系統軟件對終端設備進行控制。

3.2 數據傳輸系統

數據傳輸系統負責對采集到得現場設備的數據進行編碼并傳送至控制站的工作站和數據服務器中，同時輸出工作站發出給PLC的控制指令，實現對現場設備的各種控制。數據傳輸系統由工業以太網交換機、數據傳輸線纜、光纖以及無線通訊設備按照一定的通訊協議完成數據傳輸工作。

3.3 站控管理系統

站控管理系統是人機交互的直接窗口，主要有系統軟件和必要的硬件設備組成，如工作站、數據服務器、打印機、UPS電源等組成[8]。

注汽站能耗監測系統主站包含監控主機和應用軟件系統。其應用軟件系統部分，將數據傳輸系統提供的數據信息集中到人機界面下，使操作人員和使用人員能夠直觀地進行觀測并做出判斷和操作。該軟件系統主要由能源計量管理系統、能源消耗分析系統、能源消耗控制系統和數據庫幾部分組成，如圖2所示。

圖2 注汽站能耗監測系統軟件部分構成

3.4 物聯網網絡及設備管理系統

物聯網網絡及設備管理系統由物聯網網絡管理系統和網絡設備管理系統兩部分組成[9-11]。

物聯網網絡管理系統實現對網絡拓撲、網絡協議、網絡狀態、網絡信道、節點功能配置、網絡時間同步、網絡安全等的管理[12]。網絡設備管理系統主要對網絡化的溫度儀表、壓力儀表、流量計、液位計、柱塞泵、空壓機、串口服務器和工業以太網交換機等物聯網終端設備的狀態和運行情況的監控。網絡及設備管理系統的功能設計如圖3所示。

圖3 注汽站網絡及設備管理系統功能

4 試驗驗證

對某油田注汽工程部一區注汽站能源計量儀表進行升級改造，構建以計量儀表為節點的工業以太網，實現遠程數據采集、儀表控制等功能。圖4為該油田注汽站能耗智能監測系統工藝流程畫面，該監控畫面可以顯示柱塞泵、鼓風機設備的運行狀態，同時可以實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、風門開度、給水流量等主要參數。

圖4 注汽鍋爐工藝流程畫面

通過監控畫面底面的“運行參數”、“報警信息”、“報警記錄”、“點火控制”、“燃燒控制”、“歷史曲線”、“參數設置”、“用戶登錄”按鈕可以切換到所對應的畫面進行參數設置及數值監控。

圖5所示為報警信息監控畫面，通過“參數設置”對鍋爐運行參數進行預先設定，當檢測值超過設定值3%時發出報警信號，畫面對應參數后指示燈由綠色變為紅色，進行報警提示。當有報警發生時，鍋爐會自動停爐并發出音響報警，報警記錄記錄下報警的內容和時間，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 結論

所設計的基于物聯網的油田注汽站能耗智能監測系統，通過對站控管理層、網絡通訊層和現場設備層的設計，完成油田注汽站運行情況實時智能檢測。系統數據偏差超出預設范圍時，系統可通過人機界面發出報警，操作人員及時對異常情況進行干預，可有效減少能耗，落實節能降耗，控制能源消費總量，降低工人勞動強度，提高企業效益，具有較強的使用研究價值。