王衛(wèi)* 趙磊 阿不都拉

（中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司新疆設(shè)計(jì)院）

新疆油田天然氣集輸及處理自動(dòng)化技術(shù)

王衛(wèi)* 趙磊 阿不都拉

（中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司新疆設(shè)計(jì)院）

根據(jù)新疆油田天然氣集輸及處理工藝特點(diǎn)，闡述了其自控系統(tǒng)的總體目標(biāo)。介紹了天然氣集輸及處理自動(dòng)化技術(shù)的組成和功能，論述了天然氣處理過(guò)程中檢測(cè)儀表及控制系統(tǒng)的選擇、計(jì)量方式和主要控制回路的確定與實(shí)現(xiàn)方式，包括井口安全保護(hù)和自控、集氣站自控和計(jì)量、天然氣處理站自控、安全保護(hù)和計(jì)量等。指出：今后應(yīng)建立氣田總調(diào)度管理中心；將所屬全部氣田裝置的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)納入該調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、管理及數(shù)據(jù)分析；盡快完善天然氣交接計(jì)量規(guī)定，建設(shè)相關(guān)的計(jì)量校驗(yàn)裝置，以滿足貿(mào)易計(jì)量精度要求的不斷提高。

新疆油田；天然氣；集輸及處理；自動(dòng)化系統(tǒng)；控制；計(jì)量

近幾年新疆油田公司在準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠和南緣先后開(kāi)發(fā)和建設(shè)了盆5、莫北、莫7-11、彩31、滴西10、瑪河和克拉美麗等氣田，這些氣田地處沙漠腹地、山區(qū)或戈壁地帶，人煙稀少、自然環(huán)境差、氣候惡劣，生產(chǎn)區(qū)域分散，但生產(chǎn)裝置又彼此關(guān)聯(lián)。為確保氣田安全、平穩(wěn)地運(yùn)行和科學(xué)調(diào)度，在天然氣集輸和處理過(guò)程中采用了自動(dòng)化控制技術(shù)。

1 自控系統(tǒng)總體目標(biāo)

新疆油田天然氣集輸及處理對(duì)自控系統(tǒng)的要求：一是，能實(shí)時(shí)有效地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施全面監(jiān)控，保證氣井、集氣站和天然氣處理廠各裝置間協(xié)調(diào)、平穩(wěn)運(yùn)行，避免事故的發(fā)生和擴(kuò)大，提高整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的安全可靠性；二是，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析和處理，優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，為生產(chǎn)管理、科學(xué)決策提供依據(jù)；三是，降低對(duì)能源及生產(chǎn)用料的消耗，有效地節(jié)約資源；四是，有利于實(shí)施新的運(yùn)行管理機(jī)制，減少生產(chǎn)操作人員，降低運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 管理模式及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

新疆油田天然氣集輸及處理過(guò)程中的自動(dòng)化系統(tǒng)一般采用以計(jì)算機(jī)為核心的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）。采用常規(guī)一次儀表與采氣井場(chǎng)RTU（遠(yuǎn)程終端單元）、處理廠DCS（分散控制系統(tǒng)）或PLC（可編程控制器）以及生產(chǎn)控制中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和操作站組成，通過(guò)有線與無(wú)線相結(jié)合的通信方式組成二級(jí)控制和二級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)。二級(jí)控制為：采氣井口控制層與生產(chǎn)控制中心（集氣站和天然氣處理站）控制層；二級(jí)管理層為：氣田調(diào)度管理中心（一般設(shè)置在生產(chǎn)控制中心或作業(yè)區(qū)）和總調(diào)度中心（設(shè)置在采氣廠數(shù)據(jù)中心）。氣田SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳情見(jiàn)圖1。

3 系統(tǒng)配置及功能

3.1 井口控制系統(tǒng)

采用RTU或PLC系統(tǒng)，主要完成井口工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、處理和控制，信號(hào)可通過(guò)有線或無(wú)線通信方式接入氣田SCADA系統(tǒng)，目前常用的通信方式有光纖、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、無(wú)線局域網(wǎng)、GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)）、SCDMA（同步碼分多址）等。井口管理模式為無(wú)人值守，定期巡檢。井口控制系統(tǒng)的功能和配置要求如下。

一是，具備實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、讀取數(shù)據(jù)和控制功能，能獨(dú)立完成工作，確保通信鏈路出現(xiàn)故障時(shí)能正常運(yùn)行；二是，可接受生產(chǎn)控制中心系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)井口緊急切斷閥或加熱爐的安全聯(lián)鎖保護(hù)控制，可通過(guò)輪巡或?qū)崟r(shí)通信方式向控制中心發(fā)送采集的數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)信號(hào)；三是，在硬件上RTU的CPU卡、通信卡、電源卡宜采用冗余配置；為便于巡檢人員在現(xiàn)場(chǎng)能了解RTU有關(guān)信息和進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，RTU都配有顯示單元，并帶有現(xiàn)場(chǎng)串行通信口。

3.2 生產(chǎn)控制中心系統(tǒng)

生產(chǎn)控制中心系統(tǒng)包括集輸站場(chǎng)控制系統(tǒng)和天然氣處理站控制系統(tǒng)，由SCADA系統(tǒng)服務(wù)器、操作站、DCS系統(tǒng)和ESD（緊急停車(chē)）系統(tǒng)組成，是最關(guān)鍵的控制級(jí)，各種工藝數(shù)據(jù)采集及設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)視、控制、保護(hù)、聯(lián)鎖報(bào)警等均由生產(chǎn)控制中心完成。生產(chǎn)控制中心一般設(shè)置在天然氣處理站儀表控制室內(nèi)，實(shí)行24小時(shí)連續(xù)監(jiān)視、操作。生產(chǎn)控制中心系統(tǒng)的功能和配置要求：

一是，對(duì)工藝系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并向上一級(jí)調(diào)度管理中心發(fā)送數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，同時(shí)執(zhí)行氣田調(diào)度管理中心的生產(chǎn)調(diào)度指令，對(duì)各生產(chǎn)裝置工藝參數(shù)進(jìn)行控制操作；二是，通過(guò)動(dòng)態(tài)流程畫(huà)面和趨勢(shì)圖的顯示，對(duì)集氣站和天然氣處理廠的工藝參數(shù)、安全生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)視、控制。建立報(bào)警及事件記錄，根據(jù)各優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行各種聲光報(bào)警、顯示和即時(shí)打?。蝗?，完成單井計(jì)量和氣田外輸氣的計(jì)量，建立單井的數(shù)據(jù)庫(kù)，供氣田開(kāi)發(fā)決策；四是，可通過(guò)工程師站為DCS系統(tǒng)或井口系統(tǒng)下載組態(tài)軟件或修改軟件，同時(shí)可進(jìn)行報(bào)表數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，并按時(shí)自動(dòng)打印各種生產(chǎn)報(bào)表；五是，對(duì)于大型、復(fù)雜的天然氣處理廠，如，瑪河天然氣處理廠和克拉美麗天然氣處理廠，由于采氣井場(chǎng)、集氣站和天然氣處理站分布較散，裝置間相互關(guān)聯(lián)的設(shè)備、容器較多，為此還單獨(dú)設(shè)置氣田ESD系統(tǒng)，保證在事故狀態(tài)下能及時(shí)對(duì)整個(gè)氣田進(jìn)行緊急停車(chē)。ESD系統(tǒng)安全度等級(jí)按SIL2考慮；六是，在硬件配置上，目前新疆油田天然氣集輸及處理過(guò)程中生產(chǎn)控制系統(tǒng)一般采用DCS系統(tǒng)，設(shè)置有服務(wù)器、操作站、工程師站，數(shù)量可根據(jù)站廠規(guī)模、裝置的復(fù)雜程度合理配備。配置的服務(wù)器一般選用多CPU雙機(jī)容錯(cuò)磁盤(pán)陣列服務(wù)器，系統(tǒng)支持100Mbit/s快速冗余以太網(wǎng)。操作站、工程師站采用高性能的工業(yè)級(jí)工控計(jì)算機(jī)；七是，在軟件配置上，生產(chǎn)控制中心系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)軟件、監(jiān)控組態(tài)軟件、SCADA系統(tǒng)軟件和面向工程開(kāi)發(fā)的相關(guān)應(yīng)用軟件。

3.3 氣田調(diào)度管理中心

氣田調(diào)度管理中心執(zhí)行氣田調(diào)度管理功能，協(xié)調(diào)集輸場(chǎng)站、天然氣處理廠之間以及站、廠內(nèi)部之間關(guān)系，掌握各重要生產(chǎn)裝置及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保安全生產(chǎn)。若該管理中心下屬控制范圍屬于區(qū)域性的，系統(tǒng)規(guī)模較小，可以與氣田生產(chǎn)控制中心合建在一個(gè)控制室內(nèi)。目前，新疆油田各氣田調(diào)度管理中心基本與生產(chǎn)控制中心合建。

4 自動(dòng)控制及計(jì)量

4.1 井口裝置安全保護(hù)系統(tǒng)

在采氣井場(chǎng)設(shè)置井口安全控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由井場(chǎng)RTU和緊急切斷閥組成。緊急切斷閥一般采用液壓自力式緊急切斷閥，具備高低壓自動(dòng)切斷功能，并具有就地遠(yuǎn)程控制功能，可通過(guò)RTU執(zhí)行集氣站和天然氣處理站發(fā)出的關(guān)井命令，對(duì)井口緊急切斷閥進(jìn)行遙控關(guān)閉。

4.2 凝析氣田井口壓力控制

目前新疆油田發(fā)現(xiàn)的天然氣氣田絕大多數(shù)為凝析氣田，氣田布站方式和工藝集輸方案一般采用井口加熱節(jié)流、集氣處理站的一級(jí)布站方式；井口、集氣站（集中加熱）、天然氣處理站的二級(jí)布站方式。高壓天然氣出井口后首先加熱，然后經(jīng)調(diào)壓，將壓力降低后輸至集氣站和天然氣站，每級(jí)調(diào)壓一般采用手動(dòng)針形節(jié)流閥完成。

4.3 多井集氣站氣、水和凝析油計(jì)量

單井計(jì)量在集氣站完成，井口不設(shè)計(jì)量設(shè)施。井口天然氣進(jìn)入集氣站后，采用倒井計(jì)量方式，單井計(jì)量周期不少于24小時(shí)。對(duì)凝析氣田的計(jì)量設(shè)備可采用三相分離器將氣、油和水進(jìn)行分離，然后進(jìn)行計(jì)量。

4.3.1 天然氣的計(jì)量

由于井口來(lái)氣壓力一般在7～10MPa，單井輪井計(jì)量要求計(jì)量?jī)x表不僅能滿足高壓力工況，而且計(jì)量?jī)x表要有較寬的量程比，以適應(yīng)不同產(chǎn)量的單井。為此，單井計(jì)量?jī)x表一般采用高壓渦街流量計(jì)或孔板流量計(jì)，將差壓、壓力和溫度信號(hào)引入計(jì)算機(jī)，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行在線全補(bǔ)償計(jì)算，提高天然氣瞬時(shí)流量和累積流量的計(jì)量精度。采用孔板流量計(jì)時(shí)，量程比應(yīng)滿足3:1。由于天然氣組分的變化會(huì)造成天然氣介質(zhì)密度變化和超壓縮系數(shù)的變化，從而影響計(jì)量的準(zhǔn)確度，因此，在條件允許的情況下，可設(shè)置在線色譜分析儀在線測(cè)量天然氣組分。如果氣田天然氣密度變化不是很大，在高壓條件下，可采取定期輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)固定超壓縮系數(shù)的方法，對(duì)天然氣計(jì)量結(jié)果進(jìn)行修正，以提高其計(jì)量精度。

4.3.2 氣田水的計(jì)量

由于單井產(chǎn)水量在氣田開(kāi)發(fā)初期和后期變化很大，水量不是連續(xù)均勻的，給計(jì)量?jī)x表的選型帶來(lái)難度。因此，在氣田開(kāi)發(fā)初期，當(dāng)水量較少時(shí)，可采用在分離器上設(shè)置高低液位開(kāi)關(guān)，通過(guò)兩位式閥自動(dòng)控制水的排放，通過(guò)儲(chǔ)水容積計(jì)算和放水次數(shù)計(jì)量水量；氣田開(kāi)發(fā)后期可采用流量計(jì)連續(xù)測(cè)量，流量計(jì)要有很寬的測(cè)量范圍，一般采用速度式流量計(jì)較多。

4.3.3 凝析油的計(jì)量

凝析油的計(jì)量可采用容積式流量?jī)x表或速度式流量?jī)x表，考慮單井壓力較高，為保證儀表能可靠、穩(wěn)定的工作，目前多采用高壓渦街流量計(jì)。

4.4 天然氣處理站的自動(dòng)控制

天然氣處理站工藝一般包括天然氣高壓分離部分、低溫分離部分和凝析油或重?zé)N的穩(wěn)定處理等部分。對(duì)于凝析油氣田，如何將天然氣中的液烴在低溫操作條件下進(jìn)行分離、并在凝析油穩(wěn)定過(guò)程中保證凝析油組分的穩(wěn)定是考核一套天然氣處理裝置處理效果的重要指標(biāo)。因此，對(duì)低溫分離過(guò)程和凝析油穩(wěn)定過(guò)程的相關(guān)壓力、溫度、液位等參數(shù)控制就顯得尤為重要。

4.4.1 節(jié)流壓力控制回路

節(jié)流壓力控制一般采用大差壓節(jié)流閥，J-T閥是形成低溫的關(guān)鍵設(shè)備，為了保證天然氣中烴的分離效果，確保天然氣質(zhì)量及烴的回收率，可選擇閥后溫度或差壓為被控參數(shù)，設(shè)置溫度或差壓控制回路。當(dāng)外輸中壓管匯壓力控制穩(wěn)定后，可將J-T閥壓力控制點(diǎn)設(shè)置在閥前高壓管匯上，保持上游壓力控制穩(wěn)定，以此保證J-T閥前后差壓的穩(wěn)定。

4.4.2 低溫分離器的液位控制回路

低溫分離器的液位控制是為了保證烴分離效果； 防止高壓天然氣串入烴出口的下游低壓設(shè)備（如液烴分離器）；確保生產(chǎn)安全而設(shè)置的重要控制回路。為保證控制回路的可靠，液位儀表必須選用測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、可靠性高的儀表，一般采用浮筒液位計(jì)、耐高壓的磁浮子液位計(jì)或雙閥蘭差壓變送器。

4.4.3 閃蒸分離器的壓力、液位（界面）控制

閃蒸分離器的壓力控制是為了保證閃蒸系統(tǒng)的操作壓力穩(wěn)定，使閃蒸過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。檢測(cè)參數(shù)為閃蒸分離器的出口壓力，被調(diào)參數(shù)是控制閃蒸氣的排出量。閃蒸分離器的液位（界面）控制回路不僅能保證烴的穩(wěn)定分離、提高分離效果，而且能防止高壓天然氣串入烴出口的下游低壓設(shè)備，確保生產(chǎn)安全。設(shè)置油水界面檢測(cè)控制回路后，能實(shí)時(shí)監(jiān)視和調(diào)節(jié)油水界面的高低，避免油中帶水或者水中帶油對(duì)后續(xù)裝置產(chǎn)生影響。

4.4.4 凝析油穩(wěn)定塔的控制

為確保凝析油穩(wěn)定塔壓力和凝析油組分穩(wěn)定，確保塔底凝析油中的輕組分在重沸器加熱過(guò)程中再閃蒸出來(lái)，需要對(duì)穩(wěn)定塔設(shè)置壓力控制、塔底液位控制和重沸器出口溫度控制。穩(wěn)定塔壓力控制回路檢測(cè)參數(shù)為塔頂壓力，被調(diào)節(jié)參數(shù)是塔頂出氣；重沸器出口的溫度控制回路檢測(cè)參數(shù)為重沸器出口溫度，調(diào)節(jié)參數(shù)是進(jìn)入重沸器的加熱源熱量；塔底液位控制回路檢測(cè)參數(shù)為塔底液位，調(diào)節(jié)參數(shù)為塔底凝析油出口量。檢測(cè)控制儀表在選擇上由于介質(zhì)溫度較高，儀表需考慮耐高溫。

4.5 天然氣處理站的安全保護(hù)控制

4.5.1 高低壓火炬點(diǎn)火控制回路

為保證天然氣處理站內(nèi)高低壓放空系統(tǒng)在天然氣泄漏或事故放空時(shí)，排放的天然氣對(duì)環(huán)境不造成污染，對(duì)高低壓放空火炬應(yīng)盡量采用自動(dòng)點(diǎn)火控制。點(diǎn)火方式可以通過(guò)就地點(diǎn)火控制系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)和ESD系統(tǒng)3種方式實(shí)現(xiàn)，保證了點(diǎn)火系統(tǒng)的安全、可靠。

4.5.2 ESD緊急停車(chē)控制回路

對(duì)于大型氣田，由于井、集氣站、處理廠較為分散，且裝置關(guān)聯(lián)設(shè)備較多，一旦出現(xiàn)危害安全生產(chǎn)的危險(xiǎn)事故，一般在很短時(shí)間就會(huì)產(chǎn)生極大的危害，因此，有必要設(shè)置氣田ESD系統(tǒng)。緊急停車(chē)控制過(guò)程包括自動(dòng)停車(chē)和手動(dòng)停車(chē)兩部分，具體聯(lián)鎖過(guò)程可以根據(jù)氣田工藝處理裝置的特點(diǎn)靈活確定，以保證裝置安全和最大限度地減少對(duì)人員的傷害、對(duì)財(cái)產(chǎn)的損失以及對(duì)環(huán)境造成的危害為原則。

4.6 天然氣交接計(jì)量

天然氣交接計(jì)量?jī)x表作為天然氣商品核算的重要組成部分，其適用性、可靠性、穩(wěn)定性、計(jì)量精度將直接影響天然氣產(chǎn)出效益。因此，根據(jù)天然氣交接性質(zhì)、工況條件，選擇適合的計(jì)量?jī)x表非常重要。

目前，新疆油田公司天然氣交接計(jì)量?jī)x表及系統(tǒng)主要有孔板流量計(jì)量系統(tǒng)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)及渦輪流量計(jì)，其中以孔板流量計(jì)量系統(tǒng)為主。該系統(tǒng)采用孔板閥，配FLOBOSS103流量管理器，并進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，計(jì)量軟件符合SY 6143—2004標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)安裝的流量管理器集檢測(cè)儀表與流量計(jì)算機(jī)為一體，輸入天然氣組分，在線進(jìn)行壓縮因子修正，輸出采用總線輸出方式，保證了現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)、累積流量與上位機(jī)完全一致，計(jì)量系統(tǒng)綜合精度一般小于3%，標(biāo)定簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是孔板測(cè)量范圍較小，一般最大、最小測(cè)量范圍需控制在4:1之間，對(duì)前后安裝的直管段要求較高。

5 結(jié)語(yǔ)

新疆油田公司在天然氣集輸及處理自動(dòng)化技術(shù)方面基本上形成了自己的特點(diǎn)，隨著其采氣廠的成立，在氣田調(diào)度管理方面，如何將過(guò)去分布在不同區(qū)塊的零散的生產(chǎn)控制中心和作業(yè)區(qū)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行整合，建立氣田總調(diào)度管理中心；如何將所屬全部氣田裝置的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)納入該調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、管理及數(shù)據(jù)分析，是其今后天然氣自動(dòng)控制方面所要進(jìn)行的重要工作之一。在交接計(jì)量方面，隨著新疆油田公司在天然氣開(kāi)發(fā)力度上的不斷擴(kuò)大、對(duì)貿(mào)易計(jì)量精度要求的不斷提高，盡快完善天然氣交接計(jì)量規(guī)定、建設(shè)相關(guān)的計(jì)量校驗(yàn)裝置，是今后相關(guān)部門(mén)要做的重要工作之一。

[ 1 ]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).SY/T 0090—2006 油氣田及管道儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 石油工業(yè)出版社,2006.

[ 2 ]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).SY/T 0091—2006 油氣田及管道計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 石油工業(yè)出版社,2006.

[ 3 ]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 18603—2001 天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[ 4 ]蘇建華,許可方,宋德琦,等.天然氣礦場(chǎng)集輸與處理[M].北京: 石油工業(yè)出版社,2004.

TE86，TE978

A

1004-2970（2011）05-0038-04

王衛(wèi)等. 新疆油田天然氣集輸及處理自動(dòng)化技術(shù). 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，22（5）：38～41

* 王衛(wèi)，男，高級(jí)工程師。1991年畢業(yè)于河北輕化工學(xué)院（現(xiàn)為河北科技大學(xué)）生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)在中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司新疆設(shè)計(jì)院自動(dòng)化儀表所，從事油田自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。地址：新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市友誼路115號(hào)新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司）自動(dòng)化儀表所，834000。E-mail：wangwei-xj@petrochina.com.cn

2011-03-07

谷風(fēng)樺