“5G+”時代智能化控制在大型氣田井場站中的應用研究

唐楠（中海石油（中國）有限公司非常規(guī)油氣分公司，北京 100015）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化的推進，能源結(jié)構(gòu)也在不斷調(diào)整，各項生產(chǎn)生活過程對天然氣的消耗越來越多，對于天然氣的需求持續(xù)增加，應用范圍也在不斷擴大。而這就給天然氣的輸送調(diào)配增加了難度，依靠傳統(tǒng)的調(diào)配方式難以滿足日趨增加的應用需求，因此場站需要創(chuàng)新的輸送調(diào)配模式。在這里，場站將自動化，大數(shù)據(jù)、云計算、遠程通信等先進技術(shù)結(jié)合到一起，與天然氣傳輸和分配控制系統(tǒng)相集成，以改善和改進系統(tǒng)中需要做到的故障分析、局部∕區(qū)域需求分析、遠程調(diào)配控制等功能的實現(xiàn)。其中天然氣管網(wǎng)SCADA 系統(tǒng)的應用，給5G 自動化和智能化控制提供了重要的技術(shù)指導[1]。

1 “5G+”時代大型氣田井場站智能化控制的要求

在“5G+”快速發(fā)展的形勢下，因為天然氣相關(guān)行業(yè)的應用越來越多，相關(guān)技術(shù)也在持續(xù)進步，以及客戶需求的大范圍和大量增加，有必要進一步開發(fā)、完善和提高5G 智能化控制系統(tǒng)。智能化控制系統(tǒng)是一種新的場站智能控制系統(tǒng)，它是在SCADA 系統(tǒng)的基礎上設計出的，具有更全面的硬件配置，功能開發(fā)和系統(tǒng)集成能力[2]。場站的傳統(tǒng)SCADA 系統(tǒng)更加注重站工況的數(shù)據(jù)采集，包括：溫度，壓力，流量等數(shù)據(jù)的收集和預警，控制功能少；新的智能系統(tǒng)在系統(tǒng)功能的基礎上集成了傳統(tǒng)的SCADA，借助開發(fā)鏈控制、遠程壓力調(diào)節(jié)、區(qū)域優(yōu)先控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動化計量等的集成，進行全新的功能開發(fā)，形成全面的子系統(tǒng)，實現(xiàn)場站的智能化和自動化管控[2]。基于傳統(tǒng)系統(tǒng)的智能化控制系統(tǒng)主要特點是：（1）不再受人員，時間，天氣，區(qū)域，距離等多種因素的限制。（2）當網(wǎng)絡通信正常時，可以快速根據(jù)傳輸調(diào)度的需求調(diào)整計劃（幾秒鐘內(nèi)）；（3）調(diào)度中心可以快速向遠程電壓和流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)布電壓或流量控制指令；（4）電壓流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)接到指令后，第一時間給出判斷，結(jié)合工作條件快速完成壓力或流量調(diào)節(jié)；（5）壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，借助傳感器實時收集現(xiàn)場系統(tǒng)的運行參數(shù)，并遠程傳輸給調(diào)度中心，為中心進行決策制定提供可靠的關(guān)系到管道網(wǎng)絡狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)支持[3]。

2 “5G+”時代大型氣田井場站智能化控制的組成

場站的智能控制系統(tǒng)包括順序控制系統(tǒng)（SCS），該系統(tǒng)可以完成站內(nèi)的控制切換等工作[4]。調(diào)壓過程區(qū)采用監(jiān)控調(diào)壓器和電控閥的設計，聯(lián)系可靠的壓力、溫度、流量等分析設備的使用，關(guān)聯(lián)SCADA 系統(tǒng)平臺，進行控制和管理。在該系統(tǒng)的支持下，場站的控制級別可以分為以下三級：一是地控制級，在場站內(nèi)配置單體設備或設置子系統(tǒng)模塊，進行就地、獨立控制；二是站場控制級，可以實現(xiàn)對場站內(nèi)設備運行參數(shù)、工藝狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行實時采集、運行監(jiān)控、聯(lián)鎖保護，并借助遠程傳輸系統(tǒng)與調(diào)控中心進行數(shù)據(jù)交換；三是調(diào)控中心級，由中心對整個場站和線路進行實時監(jiān)控、調(diào)度和優(yōu)化運行等操作。

3 “5G+”時代大型氣田井場站智能化控制的功能

3.1 無人值守智能化管控

智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了智能化管理與控制。5G 的引用可以使智能化管理具備極高的數(shù)據(jù)速率，極低的滯后性，極高的移動網(wǎng)絡覆蓋率，極高的網(wǎng)絡密度，以及無處不在的移動通信，這就會使得遠程指令可以更快速的執(zhí)行[4]。

在場站運行期間，由場站控制的RTU系統(tǒng)自動監(jiān)視和控制場站的運行狀態(tài)，包括工作狀態(tài)數(shù)據(jù)收集，電源檢測，故障報警，自動釋放，電壓和電流控制等。在正常情況下，如果需要進行場站維護或其他工作需要關(guān)閉場站的，操作人員可以利用RTU系統(tǒng)給出“場站正常關(guān)閉”命令，將場站關(guān)閉并退出操作平臺。智能聯(lián)鎖控制主要具備切斷和停止超壓、泄漏以及低溫熱交換等功能，以確保大型氣井井場的安全可靠運行。整個智能控制系統(tǒng)在硬件配置，控制功能和安全性方面完全實現(xiàn)了無人值守的智能管理和控制功能。

3.2 智能化高精度調(diào)壓調(diào)流功能

智能壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行調(diào)壓是借助監(jiān)控調(diào)節(jié)器、電動調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)的。一般正常情況下是調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度大小來調(diào)節(jié)場站的壓力和流量，并利用遠程壓力和流量控制系統(tǒng)進行控制。調(diào)度人員在上層監(jiān)控系統(tǒng)輸入需求的壓力或流量要求后，就可完成對管道壓力和流量的調(diào)整。整個過程十分精確、快速，而且操作十分方便，還可以實現(xiàn)自動調(diào)峰，合理供氣功能，平衡不同需求區(qū)間的天然氣供應情況。這樣就大大提高了氣田的供氣質(zhì)量和運行安全性[5]。

3.3 5G智能化系統(tǒng)的技術(shù)特點

5G 系統(tǒng)雖然技術(shù)體系十分復雜，但操作比較簡單，功能便利，用途多樣，如下所示：（1）接入技術(shù)對用戶透明，可以公開了解，而且終端和業(yè)務可以實現(xiàn)在網(wǎng)絡和設備間的無縫切換。（2）無線設備之間相互關(guān)聯(lián)，有較高的兼容性，操作簡單，更好地為用戶服務。（3）多樣化的應用服務簽約簡單，賬單統(tǒng)一。（4）無線通信的成本降低，平均到每個用戶身上相比當前的資費水平更低。

5G 系統(tǒng)可以提供實時在線服務，在用戶任何時間和任何地點有需求時都能提供線上服務，包括工業(yè)控制、緊急通信等。5G的時延更低，包括用戶面時延和控制面時延，與4G相比縮短了5-10 倍，提供真正的24h 在線體驗。另外，因為部分業(yè)務的安全要求較高，所以對可靠性要求十分高，而5G系統(tǒng)可以提供端到端可靠性99.999%甚至100%的服務。

3.4 智能化設備管理功能

系統(tǒng)設計將整個閘口站的智能儀表，電力系統(tǒng)設備和陰極保護設備集成到監(jiān)控系統(tǒng)中，并對設備的運行狀態(tài)進行全面管理和全面監(jiān)控，包括：異地電力運行狀態(tài)，自供電發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)，電站UPS 系統(tǒng)運行狀態(tài)等。借助該系統(tǒng)，工作人員可以隨時掌握所有設備的運行狀態(tài)，保證場站的安全可靠運行。

4 “5G+”時代大型氣田井場站智能化控制系統(tǒng)的軟硬件設計

硬件設計基于天然氣場站的實際情況，并通過收集天然氣傳輸過程的關(guān)鍵參數(shù)來執(zhí)行監(jiān)視和預警，以確保場站的安全運行。首先使用自動化儀器收集現(xiàn)場工藝參數(shù)，然后使用數(shù)據(jù)通信將收集的數(shù)據(jù)上傳到實時數(shù)據(jù)庫中，并通過組態(tài)軟件開發(fā)的人機界面顯示出來，以便操作員可以監(jiān)視操作實時，實時地設定工作條件參數(shù)，合理設置報警參數(shù)和預警，以達到提高工作效率、確保生產(chǎn)和生命安全的目的[6]。

5 結(jié)語

“5G+”與場站相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)的應用將取得良好的效果并達到設計目的。天然氣場站的智能和自動化水平已得到質(zhì)的提高；緊急處理能力也得到了極大提高，尤其是遠程電壓調(diào)節(jié)。“5G+”與場站相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)的應用準確實現(xiàn)了遠程調(diào)壓（流量調(diào)節(jié)），平衡了管網(wǎng)內(nèi)的供氣量，大大減少了人員控制。今天的天然氣行業(yè)正在蓬勃發(fā)展，5G 智能化控制系統(tǒng)基于自身的產(chǎn)品性能以及在通信技術(shù)，網(wǎng)絡技術(shù)，計算機技術(shù)和控制技術(shù)方面的優(yōu)勢將擁有廣闊的應用前景。