CN113467385A - 工业无线油田井口加热炉动态自控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业无线网络及油气开采自动化控制领域，具体地说是一种基于工业无线技术的油田加热炉动态自控系统。本发明包括：远程分析控制服务器，用于根据基础数据服务器发送的现场基础数据建立加热炉热平衡模型，加热炉热平衡模型根据生产过程数据对加热炉进行远程控制，生成控制指令；智能无线网关设备，用于将加热炉生产过程数据发送给远程分析控制服务器以及将控制指令进行协议转换，将转换后的控制指令发送给远程控制设备；远程采集设备，用于采集加热炉生产过程数据；远程控制设备，用于控制指令以及加热炉生产过程数据的转发、根据控制指令控制加热炉。本系统能够可靠、安全、智能、实时管理油田井口加热炉装置。

Description

工业无线油田井口加热炉动态自控系统

技术领域

本发明涉及工业无线网络及油气开采自动化控制领域，具体地说是一种基于工业无线技术的油田加热炉动态自控系统。

背景技术

在油气生产过程中，通常采用保持固定的原油温度来保证原油流动性实现原油输送，为了保持油井开采上来的原油温度，每个井口会配备一台加热炉装置，该装置将补充原油从地下开采到地面及原油输送至计量站过程中的热量损失，从而避免了原油温度过低而导致流动性差引起的管道堵塞及管道泄漏问题。目前石油开采过程中井口加热炉的管理方式仍为人工管理，人工判断回油温度，手动开关炉的工作模式。这种工作模式下加热炉对回油温度控制精度低、控制时效较差，通常控制存在滞后问题，这也不可避免的带来了关炉不及时而导致的能源损失。

目前油气生产过程采用的加热炉种类繁多，其中包括火筒式直接加热炉、火筒式间接加热炉，火筒式间接加热炉又包括水套炉、真空炉、相变加热炉、超导加热炉等。而目前加热炉自动控制系统普遍存在问题有三点：一、系统采用的采集仪表为有线数据传输，项目实施成本高、实施周期长、维护工作量大；二、系统没有建立基础分析模型、没有加热炉基础数据支撑，不能适配多种类型加热炉装置；三、系统安全性考虑不周、没有安全保障机制，导致使用者存在安全顾虑，很难实现规模应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供工业无线油田井口加热炉动态自控系统，远程采集设备与远程控制设备通过采用无线网络传输的方式，实现仪表即插即用有效节省布线及后期维护成本、缩短实施周期。通过远程分析控制服务器对基础数据服务器内的加热炉、输油管线基础信息调用，获取特征性基础信息，动态建立专有热平衡模型，实现系统兼容多类型加热炉装置。通过增加远程控制设备的工作状态检测机制，以确保系统内任何设备出现异常时均不会影响系统的安全稳定运行。本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

工业无线油田井口加热炉动态自控系统，包括：

远程分析控制服务器，用于根据基础数据服务器发送的现场基础数据建立加热炉热平衡模型，加热炉热平衡模型根据远程采集设备采集的生产过程数据对加热炉进行远程控制，生成控制指令；

智能无线网关设备，用于将远程采集设备采集的加热炉生产过程数据发送给远程分析控制服务器以及将远程分析控制服务器发送的控制指令进行协议转换，将转换后的控制指令发送给远程控制设备；

远程采集设备，用于采集加热炉生产过程数据；

远程控制设备，用于控制指令以及加热炉生产过程数据的转发、根据控制指令控制加热炉。

当现场出现可燃气体泄漏、远程采集设备与远程控制设备通讯中断、远程分析控制服务器与远程控制设备通讯中断的异常情况时，远程控制设备主动识别出异常状况，并自动调整工作状态，同时向远程分析控制服务器发送异常报警信息。

远程分析控制服务器根据现场基础数据以及生产过程数据建立加热炉热平衡模型，得到理论原油进站温度；加热炉启动后远程采集设备实时采集原油进站温度并通过远程分析控制服务器绘制升温曲线，根据升温曲线与理论原油进站温度得到加热炉热平衡模型的回油温度控制偏差和回油温度控制时效，并通过三次样条插值法对加热炉热平衡模型进行动态更新修正。

生成控制指令的过程为：

热炉热平衡模型将远程采集设备采集到的原油进站温度与设定好的阈值进行比较，若原油进站温度小于阈值，则启动加热；反之，关闭加热；

热炉热平衡模型将远程采集设备采集到的可燃气体浓度值与设定好的安全值进行比较，若可燃气体浓度值超过安全值上限，则关闭阀门。

所述生产过程数据包括：井口油温、加热炉进口油温、导热介质温度、炉内压力、导热介质液面、环境温度、加热炉出口温度、原油进站温度、可燃气体浓度。

所述现场基础数据包括：加热炉供热能力数据、输油管线长度、输油管线直径、单井产液量。

所述控制指令包括：点火指令、关火指令、开阀指令、关阀指令。

工业无线油田井口加热炉动态自控方法，包括：

采集数据上传：

远程采集设备采集加热炉生产过程数据，并将采集的加热炉生产过程数据发送给远程控制设备；

远程控制设备将检测到的点火状态、阀门状态以及远程采集设备发送的加热炉生产过程数据通过智能无线网关设备发送给远程分析控制服务器；

远程分析控制服务器通过现场基础数据建立加热炉热平衡模型，热炉热平衡模型根据加热炉生产过程数据对加热炉的进行远程控制，生成控制指令；

控制指令下发：

远程分析控制服务器将控制命令下发给智能无线网关设备；

智能无线网关设备将接收到的控制指令进行协议转换，将转换后的控制指令下发给远程控制设备；

远程控制设备根据控制指令控制加热炉。

本发明具有以下有益效果及优点：

实现油田井口加热炉装置的全自动远程控制与管理，加热炉、输油管线生产过程远程实时监测，系统中通过应用无线采集与控制设备减少实施、维护费用，缩短项目部署周期。通过引入动态的热平衡模型建立及实时修正功能，满足系统对多种不同炉型的兼容性，可快速实现油田已建成的各种类型传统加热炉的智能化改造，降低项目新建成本投入。远程控制设备具备多重安全运行检测机制，保证系统在任何工作状态下的安全稳定运行。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明的采集数据上传流程图；

图3是本发明的控制指令下发流程图；

图4是本发明的远程分析控制服务器工作流程图；

图5是本发明的远程控制设备工作模式切换流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

为使本发明的上述目的、特征和有点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

为了实现本发明专利的油井加热炉动态自动控制功能，需要在油田已有加热炉装置增加具有符合系统无线通信协议的智能无线仪表，用于对井口油温(T_y1)、加热炉进口油温(T_y2)、导热介质温度(T_s1)、炉内压力(P_s1)、导热介质液面(L_s1)、环境温度(T_k1)、加热炉出口温度(T_y3)、原油进站温度(T_y4)、点火状态(DI₁)、阀门状态(DI₂)数据、可燃气体浓度(LEL_q)等生产过程数据进行实时采集。

如图1所示为本发明的整体结构图。

工业无线油田井口加热炉动态自控系统，以加热炉为单位，每台加热炉通过部署多种类无线变送器采集加热炉与输油管线的生产过程数据，无线仪表以星型组网方式将数据汇聚到远程控制设备，远程控制设备再将其所汇聚得数据上传给智能无线网关设备，所有加热炉上部署的远程控制设备与网关设备之间组成MESH网络，以满足数据传输的可靠性。智能无线网关经过协议转换将射频接口接收到的数据通过以太网口转发给远程分析控制服务器。

如图2所示为本发明的采集数据上传流程图。

井口油温(T_y1)、加热炉进口油温(T_y2)、导热介质温度(T_s1)、炉内压力(P_s1)、导热介质液面(L_s1)、环境温度(T_k1)、加热炉出口温度(T_y3)、原油进站温度(T_y4)、可燃气体浓度(LEL_q)数据通过在装置上增加无线传感器实现数据采集，通过无线传输方式将数据传输到远程控制设备，远程控制设备通过有线连接的方式监测点火状态(DI₁)、阀门状态(DI₂)，并将上述数据打包通过无线传输方式上传到智能无线网关设备。

智能无线网关经过协议转换将射频端接收的数据通过以太网口转发给远程分析控制服务器。

如图3所示为本发明的控制指令下发流程图。

远程控制分析服务器根据系统分析结论向网关下达下行控制指令，下行控制指令分为点火指令(DO₁)、关火指令(DO₂)、开阀指令(DO₃)、关阀指令(DO₄)，网关接收到下行控制指令后，通过Modbus映射表索引目的远程控制设备，并将指令下发到目的远程控制设备，远程控制设备通过本地DO口的输出执行下行控制指令。

如图4所示为本发明的远程分析控制服务器工作流程图；

远程分析控制服务器通过以太网口与基础数据服务器、智能无线网关设备进行数据交互，上位机软件可通过ModbusTCP协议与远程分析控制服务器通信实现人机交互。

远程分析控制服务器在基础数据服务器端调用加热炉、输油管线基础数据，在智能无线网关端调用生产过程实时数据，上位机操作界面向远程分析控制服务器写入所需回油温度(T_y4)及各仪表门限范围等人机数据。

远程分析控制服务器通过基础数据、生产过程数据、人机数据动态建立热平衡模型，并根据模型输出结果下发加热炉开关控制策略。

在远程分析控制服务器指令下达后，远程控制设备先检测其自身的运行状态，再执行远程分析控制服务器指令。

远程分析控制服务器通过分析指令下达后的实时数据，确认操作处理动作是否生效，统计回油温度控制时效及校队模型准确度。

远程分析控制服务器可以通过对加热炉的控制时效、回油温度控制精度，实时动态修正热平衡模型，以提高系统回油温度控制精度及控制时效。

其中远程控制设备检测到非正常运行工作模式的情况时，会立即向上报告警，上位机操作界面将显示相关的告警故障信息。

如图5所示为本发明的远程控制设备工作模式切换流程图。

远程控制设备对其工作模式的检测有两种触发方式，方式一为周期性检测，方式二为下行控制指令到达远程控制设备时触发检测。其中触发方式二具备较高的优先级，通过方式二触发的检测将中断目前正在执行的检测工作，重新开始检测。

远程控制设备工作模式检测是按照三级进行逐级检测的原则，首先检测第一优先级。

第一优先级检测，是出于安全考虑避免可燃气体泄漏的一种响应机制，对加热炉周围可燃气体浓度检测项为最高优先级检测项目，当可燃气体浓度超过安全门限时，很大可能性出现了加热炉停火但是阀门开启状态，可燃气体将会持续泄漏，为现场安全带来隐患；远程控制设备接收到可燃气体浓度超限信息后立即进入紧急关炉状态，联动关闭燃料阀门，上报全部采集点的当前生产过程数据，部署在远程分析控制服务器上的上位机软件将会显示加热炉紧急关断告警，操作人员可及时发现告警并做好故障排查。

第二优先级检测，是出于安全考虑，在远程控制设备无法获取被控加热炉仪表实时生产过程数据的情况下的关断操作，并立即上报实时数据异常告警，部署在远程分析控制服务器上的上位机软件将会显示数据异常告警，操作人员可及时发现告警并做好故障排查。为了保证系统持续稳定运行，该检测部分用户也可以根据实际生产需要设置远程控制设备在该种工作状态下不进行关断操作，只进行告警上传。

第三优先级检测，是当远程控制设备与远程分析控制服务器通信失效时的一种能够满足系统短期无故障运行的临时工作模式。远程控制设备触发进入本地控制状态后，将接替远程分析控制服务器的分析管理工作，远程控制设备接收实时生产过程数据，并根据T_y4≤T_下门限时启动加热，当T_y4≥T_上门限时关闭加热的操作，实现简单的本地闭环控制，智能无线网关设备检测到远程控制设备离线后，通过上位机软件立即上报关键设备离线告警，操作人员可及时发现告警并做好故障排查。通过此种运行机制以保证在系统运行中远程控制设备与远程分析控制服务器脱机情况下也可无故障运行。

当三种检测均通过的条件下，远程控制设备进入正常运行状态，并执行远程分析控制服务器的远程控制指令。

工业无线油田井口加热炉动态自控系统，包括远程分析控制服务器、智能无线网关设备、远程采集设备及远程控制设备。其中远程分析控制服务器通过以太网口连接基础数据服务器与智能无线网关设备；远程分析控制服务器通过与上述两类设备的实时通讯，获取现场基础数据与生产过程数据，进而动态建立加热炉热平衡模型，再以该热平衡模型为基础实施对加热炉的远程控制，最终实现计量站的回油温度能够保持在一个恒定的区间；远程采集设备负责采集加热炉生产过程数据，并通过无线的方式将采集到的数据汇聚到智能无线网关设备，智能无线网关设备将数据转发给远程分析控制服务器，此过程为数据上传过程；远程分析控制服务器将控制命令下发给智能无线网关设备进，智能无线网关设备将接收到的控制指令进行协议转换，以无线的方式下发给远程控制设备，远程控制设备通过对继电器开关的控制实现下行控制指令的执行，此过程为下行控制指令的执行过程。当现场出现可燃气体泄漏、远程采集设备与远程控制设备通讯中断、远程分析控制服务器与远程控制设备通讯中断等异常状况时，远程控制设备会主动识别出异常状况，并自动调整其工作状态，同时向远程分析控制服务器发送异常报警信息，以此确保系统在任何异常工况下的安全运行。

所述远程分析控制服务器可同时与基础数据服务器、智能无线网关设备、人机界面实现实时数据交互，动态获取加热炉/输油管线基础数据、生产过程数据及人机交互数据，并以上述数据为基础快速建立加热炉热平衡模型，通过系统建立的热平衡模型完成加热炉的自动控制管理，实现被加热的原油保持一个稳定的温度区间输送到计量站。

远程分析控制服务器与基础数据服务器建立连接并动态获取加热炉、输油管线的基础数据，远程分析控制服务器自动识别加热装置类型，并对每个加热装置建立专用热平衡模型，远程分析控制服务器对该热平衡模型可进行动态自修正。

远程分析控制服务器可根据从智能无线网关设备获取的生产过程数据，统计出热平衡模型的回油温度控制偏差、回油温度控制时效，以此来动态修正热平衡模型，保证加热炉的温度控制精度与时效。

系统可远程无线采集井口油温(T_y1)、加热炉进口油温(T_y2)、导热介质温度(T_s1)、炉内压力(P_s1)、导热介质液面(L_s1)、环境温度(T_k1)、加热炉出口温度(T_y3)、原油进站温度(T_y4)、点火状态(DI₁)、阀门状态(DI₂)、可燃气体浓度(LEL_q)，且上述数据通过无线网络采集。

远程分析控制服务器可通过无线网络对远程控制设备发送下行控制指令，实现加热炉的点停火、开关阀控制。

当现场检测到可燃气体浓度值(LEL_q)超出安全值上限的异常状况时，远程控制设备会主动识别出异常状况，并立即执行关闭阀门操作。

所述远程采集设备、远程控制设备当出现网络异常无法与智能无线网关设备建立可靠通信的时，远程控制设备接管智能无线网关对无线设备的管理工作，并接收远程采集设备上传的生产过程数据，远程控制设备直接对原油进站温度(T_y4)进行判断，当T_y4≤T_下门限(阈值温度下门限)时启动加热，当T_y4≥T_上门限(阈值温度上门限)时关闭加热，实现远程控制设备的脱机本地控制。

所述远程控制设备无法获取远程采集设备的实时数据时，将远程控制设备将进入数据异常停炉状态，进行关闭阀门，关闭点火装置的操作，以确保远程控制设备对加热装置控制过程中的安全性。

系统进入上述紧急关炉状态、本地控制状态及数据异常停炉状态时，远程分析控制服务器需要显示告警信息，以确保操作人员能够及时发现并排查故障。

工业无线油田井口加热炉动态自控系统，包括远程分析控制服务器、智能无线网关设备、远程采集设备及远程控制设备，其中远程分析控制服务器与基础数据服务器及智能无线网关设备通过以太网建立连接；远程分析控制服务器基于加热炉、输油管线基础数据、生产过程实时数据及人机交互数据动态建立热平衡模型，根据模型计算结果对加热炉实施远程控制，进而达到自动控制计量站回油温度的目的；远程采集设备负责采集加热炉的生产过程数据，并通过无线传输方式将数据汇聚到智能无线网关设备，智能无线网关设备完成协议转换并将数据转发给远程分析控制服务器；远程分析控制服务器根据其热平衡模型动态发送下行控制指令，智能无线网关将远程分析控制服务器的下行控制指令无线转发给远程控制设备，远程控制设备接收到下行控制指令后执行对加热炉的控制操作。考虑到系统为多设备联动的工作模式，在远程控制设备部分增加了设备工作状态检测机制，以确保系统内任何设备出现异常时均不会影响系统的安全稳定运行。

所述生产过程数据采集与下行控制指令执行的传输方案包括

智能无线网关设备为数据采集部分的汇聚端，同时也为整个无线网络的管理者，负责管理网络内的全部远程采集设备；

智能无线网关设备通过射频接口接收远程采集设备上传的数据，经过协议转换把接收到的数据通过以太网接口转发给远程分析控制服务器；

远程分析控制服务器将控制指令通过以太网口发送给智能无线网关设备，智能无线网关设备经过协议转换将指令通过射频接口转发给远程控制设备，远程控制设备执行接收到的控制指令；

智能无线网关设备负责整个无线网络的组建、通信时隙的分配、远程设备的管理，当远程采集设备或远程控制设备与智能无线网关设备通信中断时，智能无线网关将通讯异常设备的故障信息上报给远程分析控制服务器，远程分析控制服务器启动设备通讯异常报警。

所述远程分析控制服务器分析处理数据来源包括：

远程分析控制服务器与基础数据服务器通过以太网口连接，获取加热炉及输油管线的基础信息数据，此数据将为建立热平衡模型使用；

远程分析控制服务器与智能无线网关设备通过以太网口连接，获取实时生产过程数据，此数据将为建立热平衡模型、修正热平衡模型使用；

远程分析控制服务器通过安装在服务器上的上位机软件实现人机交互，可实现计量站回油温度预设、告警门限设置、远程开关炉指令下发、显示加热炉实时运行状态，显示生产过程数据等功能，其中部分数据将为建立热平衡模型使用。

所述系统安全运行保障措施包括：

整个系统安全保障措施的重点在于系统出现异常运行状态时远程控制设备对异常运行状态的快速识别，以及系统异常运行发生时远程控制设备能够保持输出正确安全的控制指令；在系统安全保障措施中，将远程控制设备定义四种工作状态，分别为紧急关炉状态、数据异常停炉状态、本地控制状态及正常运行状态；

紧急关炉状态为最高优先级运行状态，点火装置上方部署的可燃气体探测器实时监测周围可燃气体浓度，当可燃气体浓度超过安全门限范围时，触发远程控制设备进入紧急关炉状态，远程控制设备关闭燃料阀门，并向远程分析控制服务器端上报泄漏状态告警；

数据异常停炉状态为远程控制设备无法获取加热炉生产运行实时数据或获取的加热炉生产运行实时数据超出预设门限时，触发远程控制设备进入数据异常停炉状态，远程控制设备关闭燃料阀门，并向远程分析控制服务器端上报数据异常停炉状态告警；

本地控制状态为远程控制设备与智能无线网关设备无法建立连接时，触发远程控制设备进入本地控制状态，进入该状态后远程控制设备接管远程采集设备的管理工作，并根据T_y4≤T_下门限时启动加热，当T_y4≥T_上门限时关闭加热，实现简单的本地闭环控制，远程分析控制服务器能够检测到远程控制设备脱网，并在上位机软件中显示脱网告警信息；

正常运行状态为远程控制设备的工作常态，在该运行状态下由远程分析控制服务器根据热平衡模型实施对加热炉的动态远程控制操作。

Claims (8)

1.工业无线油田井口加热炉动态自控系统，其特征在于，包括：

远程分析控制服务器，用于根据基础数据服务器发送的现场基础数据建立加热炉热平衡模型，加热炉热平衡模型根据远程采集设备采集的生产过程数据对加热炉进行远程控制，生成控制指令；

智能无线网关设备，用于将远程采集设备采集的加热炉生产过程数据发送给远程分析控制服务器以及将远程分析控制服务器发送的控制指令进行协议转换，将转换后的控制指令发送给远程控制设备；

远程采集设备，用于采集加热炉生产过程数据；

远程控制设备，用于控制指令以及加热炉生产过程数据的转发、根据控制指令控制加热炉。

2.根据权利要求1所述的工业无线油田井口加热炉动态自控系统，其特征在于，当现场出现可燃气体泄漏、远程采集设备与远程控制设备通讯中断、远程分析控制服务器与远程控制设备通讯中断的异常情况时，远程控制设备主动识别出异常状况，并自动调整工作状态，同时向远程分析控制服务器发送异常报警信息。

3.根据权利要求1所述的工业无线油田井口加热炉动态自控系统，其特征在于，远程分析控制服务器根据现场基础数据以及生产过程数据建立加热炉热平衡模型，得到理论原油进站温度；加热炉启动后远程采集设备实时采集原油进站温度并通过远程分析控制服务器绘制升温曲线，根据升温曲线与理论原油进站温度得到加热炉热平衡模型的回油温度控制偏差和回油温度控制时效，并通过三次样条插值法对加热炉热平衡模型进行动态更新修正。

4.根据权利要求3所述的工业无线油田井口加热炉动态自控系统，其特征在于，生成控制指令的过程为：

热炉热平衡模型将远程采集设备采集到的原油进站温度与设定好的阈值进行比较，若原油进站温度小于阈值，则启动加热；反之，关闭加热；

热炉热平衡模型将远程采集设备采集到的可燃气体浓度值与设定好的安全值进行比较，若可燃气体浓度值超过安全值上限，则关闭阀门。

5.根据权利要求1所述的工业无线油田井口加热炉动态自控系统，其特征在于，所述生产过程数据包括：井口油温、加热炉进口油温、导热介质温度、炉内压力、导热介质液面、环境温度、加热炉出口温度、原油进站温度、可燃气体浓度。

6.根据权利要求1所述的工业无线油田井口加热炉动态自控系统，其特征在于，所述现场基础数据包括：加热炉供热能力数据、输油管线长度、输油管线直径、单井产液量。

7.根据权利要求1所述的工业无线油田井口加热炉动态自控系统，其特征在于，所述控制指令包括：点火指令、关火指令、开阀指令、关阀指令。

8.工业无线油田井口加热炉动态自控方法，其特征在于，包括：

采集数据上传：

远程采集设备采集加热炉生产过程数据，并将采集的加热炉生产过程数据发送给远程控制设备；

远程控制设备将检测到的点火状态、阀门状态以及远程采集设备发送的加热炉生产过程数据通过智能无线网关设备发送给远程分析控制服务器；

远程分析控制服务器通过现场基础数据建立加热炉热平衡模型，热炉热平衡模型根据加热炉生产过程数据对加热炉的进行远程控制，生成控制指令；

控制指令下发：

远程分析控制服务器将控制命令下发给智能无线网关设备；

智能无线网关设备将接收到的控制指令进行协议转换，将转换后的控制指令下发给远程控制设备；

远程控制设备根据控制指令控制加热炉。

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