石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳立軍 姜其鋒 劉 超 張舒心

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

石油是一種不可再生能源，為了能夠以最大效率生產(chǎn)，就需要采用先進(jìn)的計(jì)量?jī)x器和控制方法，避免造成不必要的浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)也具有重要作用。目前，國(guó)際上使用的石油壓裂液分為水基壓裂液、油基壓裂液、酸基壓裂液、泡沫壓裂液和乳化壓裂液。國(guó)內(nèi)油田普遍采用配制水基壓裂液的方法，即在一個(gè)固定井場(chǎng)或配液站內(nèi)，按照批次總量對(duì)應(yīng)的比例添加水和乳化劑，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠓胖靡欢螘r(shí)間，使乳化劑和水完全溶漲并保證達(dá)到粘度要求[1]。此生產(chǎn)工藝生產(chǎn)技術(shù)落后、勞動(dòng)強(qiáng)度大，基液的混配速度慢、粘度低、殘余液量多、波動(dòng)大，容易產(chǎn)生“水包粉”，配液質(zhì)量差，浪費(fèi)大且污染環(huán)境。在長(zhǎng)時(shí)間的配制、存放和運(yùn)輸過(guò)程中，由于配液池及運(yùn)輸車輛等無(wú)法保證清潔，導(dǎo)致基液降解嚴(yán)重、豁度降低，如不能及時(shí)使用，基液將全部變質(zhì)腐壞，造成極大的損失[2,3]。石油壓裂液混配車的出現(xiàn)，改變了我國(guó)目前較為落后的現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)配液現(xiàn)狀。

針對(duì)某油田在石油壓裂液配置過(guò)程中存在的配液設(shè)備和技術(shù)落后，配置耗時(shí)，儲(chǔ)存過(guò)程中壓裂液容易變質(zhì)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，余液排放污染環(huán)境和嚴(yán)重制約施工效率的問(wèn)題，結(jié)合該廠實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)，以提高瓜爾膠液、液體添加劑的配比精度和控制速度，使連續(xù)混配、即配即壓成為可能[4]。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介①

石油壓裂液連續(xù)混配車自控系統(tǒng)采用模糊控制方式[5]，以C200HS型PLC作為主控制器，充分利用PLC配置靈活、控制方便和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)配備了高精度的傳感器和可靠的控制單元，PLC在采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)后，將其作為反饋信號(hào)與預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，然后輸出信號(hào)調(diào)節(jié)控制單元，再進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，直到輸出符合要求，最終實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制。系統(tǒng)采用觸摸屏作為監(jiān)控界面，將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接顯示出來(lái)。上位機(jī)由一臺(tái)15英寸的觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互控制操作，下位機(jī)控制主要由一套PLC控制系統(tǒng)柜和電氣控制柜組成。系統(tǒng)設(shè)備層之間采用I/O模塊進(jìn)行采集和控制：配置了模擬量輸入模塊，用來(lái)采集液位和電子秤信號(hào)；數(shù)字量輸入模塊，用來(lái)采集輸入、輸出流量；模擬量輸出模塊，用來(lái)調(diào)節(jié)各種上料泵的轉(zhuǎn)速；數(shù)字量輸出模塊，用來(lái)控制各種原料的添加量。

2 工作原理

石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)由硬件部分、軟件部分和配套儀器組成。整套設(shè)備由工控PC機(jī)統(tǒng)一控制，各參數(shù)全部在線顯示，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序自動(dòng)進(jìn)行配液。該自控系統(tǒng)可以根據(jù)輸入的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算基液和各種添加劑的配比比例；實(shí)現(xiàn)對(duì)管道流量及液體、固體余量等信息的采集和顯示；實(shí)現(xiàn)對(duì)混配車上水泵、閥門及給料器等設(shè)備的自動(dòng)控制[6]；實(shí)現(xiàn)對(duì)整套系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，并自動(dòng)記錄整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件組成

系統(tǒng)控制核心采用的是C200HS型PLC，該型號(hào)PLC采用緊湊的模塊化結(jié)構(gòu)，最大I/O點(diǎn)數(shù)為480點(diǎn)，而且還具有遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，可將I/O點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展至1 792點(diǎn)；雖然它屬于小型PLC，但提供了較快的指令處理速度。系統(tǒng)所需控制的數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)為180點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)為110點(diǎn)，模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為29點(diǎn)，模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)。同時(shí)還需選擇相應(yīng)的通信模塊和電源模塊[7]。

系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。自控系統(tǒng)是石油壓裂液配液站的重要組成部分，主要完成對(duì)基液混配、添加液體、添加固體、交聯(lián)劑混配、攪拌和發(fā)液部分的自動(dòng)、手動(dòng)控制，完成配液和發(fā)液過(guò)程。系統(tǒng)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、粉料系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、添液系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。自控系統(tǒng)由上位監(jiān)控級(jí)和控制級(jí)組成。監(jiān)控級(jí)的主要設(shè)備是NS觸摸屏，完成對(duì)配液流程的控制，以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。控制級(jí)由PLC對(duì)各設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)操作。

圖1 系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)框圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

自控系統(tǒng)的軟件部分包括NS界面設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)。本工藝采用CX-One軟件，該軟件功能齊全，如PLC梯形圖繪制、NS界面制作、在線仿真及自定義協(xié)議等。CX-Designer主要完成繪制、編輯和傳送NS觸摸屏畫面的數(shù)據(jù)。CX-Programmer主要完成數(shù)據(jù)區(qū)的設(shè)定、編輯、調(diào)試和監(jiān)控PLC程序。

3.2.1NS界面

NS操作界面主要是面向操作人員提供一個(gè)操作控制界面，它要求操作方便、簡(jiǎn)單且直觀，并能夠提供相關(guān)工具對(duì)系統(tǒng)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同時(shí)采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言和可編程邏輯控制終端設(shè)計(jì)平臺(tái)NS-Designer進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出操作簡(jiǎn)單、靈活且直觀的用戶界面，并用圖形顯示的方式反映配液過(guò)程，以便用戶對(duì)配液過(guò)程和采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。自控系統(tǒng)的NS界面如圖2所示。

圖2 自控系統(tǒng)的NS界面

3.2.2PLC程序

PLC通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，不同型號(hào)的PLC都有屬于自己的編程語(yǔ)言。本系統(tǒng)采用梯形圖語(yǔ)言。PLC的梯形圖語(yǔ)言是在繼電器控制電路圖的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的一種圖形語(yǔ)言，它在繼電器所能實(shí)現(xiàn)的功能基礎(chǔ)上增加了許多方便、靈活且功能強(qiáng)的指令，而且充分利用了計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，使程序更加清晰、直觀，方便閱讀，實(shí)現(xiàn)的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了繼電器控制電路，在PLC編程語(yǔ)言中應(yīng)用最為廣泛[8]。筆者利用CX-One配套的CX-Program軟件來(lái)制作梯形圖。

筆者主要對(duì)基液混配自控系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。在基液混配過(guò)程中需要對(duì)上料泵和電機(jī)進(jìn)行啟、停控制，對(duì)閥門進(jìn)行開(kāi)、關(guān)控制，以及控制液體的流速，以實(shí)現(xiàn)膠粉、清水和混配部分的控制。添加液體自控系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先打開(kāi)計(jì)量泵，當(dāng)電子秤上重量達(dá)到設(shè)定值后，相應(yīng)的計(jì)量泵電機(jī)就會(huì)停止，直到全部液體添加完成后電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉。添加固體自控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，根據(jù)射流器產(chǎn)生的負(fù)壓，帶動(dòng)固體粉料、清水或基液進(jìn)行混合，為了保證供粉的連續(xù)性，每個(gè)粉罐都安裝了下料電機(jī)。交聯(lián)劑配置自控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，由于交聯(lián)劑易溶于水，所以只需直接將預(yù)先稱好的交聯(lián)劑到入儲(chǔ)液池中攪拌即可。攪拌和發(fā)液自控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，需要控制攪拌電機(jī)和發(fā)液泵的啟、停，當(dāng)液體添加完成時(shí)即可啟動(dòng)攪拌電機(jī)，達(dá)到發(fā)液要求時(shí)停止攪拌，發(fā)液部分由發(fā)液泵和電動(dòng)閥門進(jìn)行控制。基液混配控制流程圖如圖3所示。

圖3 基液混配控制流程

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

通過(guò)石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)對(duì)配液的設(shè)備進(jìn)行控制與信息傳輸，配液生產(chǎn)線自動(dòng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)的功能如下：

a. 自動(dòng)或手動(dòng)完成對(duì)混配車上的閥門、水泵及給料器等設(shè)備的自動(dòng)控制。

b. 信息反饋功能。控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的控制，同時(shí)還監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，觀察各種傳感器的參數(shù)，根據(jù)用戶輸入的參數(shù)自動(dòng)計(jì)算基液和添加劑的配比比例，直接輸出，更好地完成對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

c. 故障診斷與報(bào)警功能。對(duì)配液系統(tǒng)的電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)故障分析、診斷，并記錄故障原因和時(shí)間。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)在某油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。

試驗(yàn)方法：配液所需的水由水泵抽水提供，石油壓裂基液由車載輸液泵通過(guò)發(fā)液口直接排入用于發(fā)液的儲(chǔ)液罐，3min后達(dá)到粘度要求30mPa·s時(shí)對(duì)外發(fā)液，直接供生產(chǎn)使用。試驗(yàn)按照配液站的實(shí)際生產(chǎn)要求進(jìn)行，配液所用膠粉為瓜爾膠，配制出的壓裂基液出廠粘度要求達(dá)到30mPa·s。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的調(diào)試階段出現(xiàn)了輸液泵有時(shí)走空泵的現(xiàn)象，經(jīng)停泵檢查發(fā)現(xiàn)是由于攪拌的過(guò)程產(chǎn)生了泡沫，清潔配液以后壓裂正常。

連續(xù)實(shí)施混配壓裂液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1個(gè)月以來(lái)，累計(jì)配液量超過(guò)8 000m3，均取得了成功。工藝過(guò)程和自控系統(tǒng)工作可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠自動(dòng)完成基液的連續(xù)配制，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)(如配液速度及配液比等)進(jìn)行調(diào)節(jié)。石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。該混配車自控系統(tǒng)在工藝流程及自動(dòng)控制等方面都具有一定的創(chuàng)新性和先進(jìn)性。

6 結(jié)束語(yǔ)

石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)配制的壓裂液質(zhì)量高，基液均勻透明，徹底避免了“水包粉”現(xiàn)象；平均出口粘度指標(biāo)達(dá)到86%；保持良好的壓裂液性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了即配即壓的連續(xù)混配壓裂施工，降低了施工難度，避免了由于天氣等環(huán)境因素影響配液質(zhì)量，提高了施工質(zhì)量，縮短了施工周期，節(jié)約了成本，降低了耗能，保護(hù)了環(huán)境。石油壓裂液混配車自控系統(tǒng)的研制成功，實(shí)現(xiàn)了壓裂液計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制批量混配和連續(xù)批量混配，改變了壓裂作業(yè)過(guò)程的傳統(tǒng)運(yùn)作模式。目前，國(guó)內(nèi)的大部分中小型油田生產(chǎn)企業(yè)都面臨著相似問(wèn)題，因此該自控系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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