大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

一、前言

在油氣田開發(fā)進程中，大型站庫作為油氣集輸?shù)年P(guān)鍵樞紐，承擔(dān)著油氣集中處理、增壓外輸?shù)戎匾蝿?wù)，其運行效率與穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個油氣生產(chǎn)鏈的效益與安全。隨著油氣田開采規(guī)模的持續(xù)擴大和開采年限的增長，油井產(chǎn)量、井口壓力等生產(chǎn)參數(shù)的波動愈發(fā)顯著，傳統(tǒng)輸油控制系統(tǒng)在應(yīng)對復(fù)雜多變的工況時，暴露出諸多弊端。在此背景下，開展大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究，通過算法計算、自動調(diào)參控制站點外輸油量的相對穩(wěn)定，從而解決下游站點來液量波動大的問題，實現(xiàn)區(qū)域轉(zhuǎn)油站平穩(wěn)運行。

二、大型站庫智能均衡輸油算法模型構(gòu)建

（一）站間外輸平衡分析模型

站間外輸平衡分析模型以轉(zhuǎn)油站處理能力和來液波動為約束構(gòu)建。在計算順序輸送策略時，綜合考慮上游各站的來液情況、轉(zhuǎn)油站自身處理能力及設(shè)備運行狀態(tài)，對各上游站來液進行優(yōu)先級劃分，確定合理輸送順序，從而在生產(chǎn)環(huán)節(jié)避免來液過度集中或不足。在調(diào)控外輸泵參數(shù)方面，依據(jù)轉(zhuǎn)油站處理能力上限和來液波動允許范圍，結(jié)合實時來液量與泵當(dāng)前運行參數(shù)，通過數(shù)學(xué)算法精確計算外輸泵的轉(zhuǎn)速、流量等調(diào)控參數(shù)。

該模型通過優(yōu)化輸送策略和精準(zhǔn)調(diào)控外輸泵參數(shù)，有效降低來液波動幅度。在保障轉(zhuǎn)油站處理能力不超限的同時，使來液量保持在相對穩(wěn)定水平，減少因來液大幅波動對轉(zhuǎn)油站設(shè)備造成的沖擊，提升設(shè)備使用壽命，進而提升站間來液穩(wěn)定性，保障整個集輸系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

（二）站內(nèi)平衡模型

站內(nèi)平衡模型依據(jù)三相分離器處理能力和效果匹配來液處理工藝流程。模型首先獲取三相分離器實時處理能力數(shù)據(jù)，結(jié)合來液的流量、成分等參數(shù)，利用數(shù)學(xué)計算和邏輯判斷，確定最適配的來液處理路徑。當(dāng)來液量在三相分離器處理能力范圍內(nèi)時，根據(jù)來液性質(zhì)選擇合適的預(yù)處理環(huán)節(jié)，再引導(dǎo)至分離器進行高效油氣水分離。若來液量超出處理能力，模型則將部分來液合理分配至事故存儲罐或調(diào)整輸送節(jié)奏，避免分離器過載。通過精準(zhǔn)匹配來液處理流程，可使三相分離器始終在適宜工況下運行，減少設(shè)備磨損和發(fā)生故障概率，延長設(shè)備使用壽命。同時，合理處理超量來液，避免因來液沖擊導(dǎo)致設(shè)備振動、變形等問題，維持站內(nèi)其他相關(guān)設(shè)備（如泵、管道等）的穩(wěn)定運行，確保整個站內(nèi)處理系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，為集輸生產(chǎn)提供堅實保障。

（三）算法邏輯與計算規(guī)則

算法輸入?yún)?shù)分為上游站和下游轉(zhuǎn)油站數(shù)據(jù)。上游站數(shù)據(jù)中，預(yù)計進液量為最近2小時外輸累積量平均值，通過算法生成時自動采集外輸流量計數(shù)據(jù)計算得到。輸油泵最小排量由人工設(shè)定，后續(xù)算法配置自動引入且可修改。緩沖罐當(dāng)前液位高度、輸油泵運行狀態(tài)等通過自動采集獲取。下游轉(zhuǎn)油站數(shù)據(jù)里，均衡進液量是接收的上游增壓點來液量24小時平均值，經(jīng)自動采集計算得出，三相分離器最大處理能力等由人工設(shè)定。算法生成時，依據(jù)實時數(shù)據(jù)判斷緩沖罐液位是否達到啟/停泵或調(diào)頻液位，確定間輸站、長輸站。動態(tài)調(diào)節(jié)時，計算轉(zhuǎn)油站均衡進液量浮動區(qū)間和預(yù)計外輸總量，根據(jù)兩者關(guān)系進行排量調(diào)整。動態(tài)更新采取周期完整執(zhí)行完間隔2分鐘策略，按算法生成規(guī)則生成新方案，自動運行規(guī)則為每隔1分鐘判斷是否到達預(yù)計結(jié)束時間，若到達則生成新算法[。

圖1大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三、大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)總體架構(gòu)

大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控層、動態(tài)模型與算法層、執(zhí)行與反饋層的分層架構(gòu)，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控層借助SCADA系統(tǒng)集成各類傳感器（如流量計、液位計、壓力變送器等），收集二轉(zhuǎn)實時進液量、預(yù)計進液量，以及上游站泵實際外輸量、運行狀態(tài)、緩沖罐液位等參數(shù)，并實時傳輸至麥杰庫，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。動態(tài)模型與算法層基于采集數(shù)據(jù)，運用時間序列預(yù)測模型（ARIMA）預(yù)判進液趨勢，通過緩沖罐液位控制模型調(diào)整泵組外輸量，依據(jù)設(shè)定的啟停和調(diào)頻邏輯生成控制策略。執(zhí)行與反饋層的PLC控制模塊接收指令，下發(fā)至上游站泵組執(zhí)行啟停、調(diào)頻操作，同時安全保護機制監(jiān)測閥故障、緩沖罐高液位等異常情況并報警，實現(xiàn)對輸油過程的閉環(huán)控制，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行[2。

（二）軟件系統(tǒng)設(shè)計

基于算法計算分析邏輯，構(gòu)建均衡輸油控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)看板、算法管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測、系統(tǒng)管理四個功能模塊，18個子功能。通過軟件系統(tǒng)設(shè)計將生產(chǎn)參數(shù)代入算法程序中，不斷迭代、優(yōu)化算法模型，提高其適應(yīng)性和預(yù)測能力。

四、大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)實現(xiàn)

（一）數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)

在大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)中，借助SCADA系統(tǒng)集成傳感器采集數(shù)據(jù)。各類傳感器（如流量計、液位計、壓力變送器等）被合理部署于鎮(zhèn)二轉(zhuǎn)及上游站相關(guān)位置，用于精準(zhǔn)感知輸油過程中的實時參數(shù)，鎮(zhèn)二轉(zhuǎn)的實時進液量、上游站泵的實際外輸量、緩沖罐液位等數(shù)據(jù)均能被快速捕獲。SCADA系統(tǒng)憑借其強大的兼容性和接口適配能力，將這些分散的傳感器數(shù)據(jù)進行整合，構(gòu)建起統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。

采集的數(shù)據(jù)需實時傳輸至數(shù)據(jù)庫，為此采用工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信等多種傳輸方式，依據(jù)站庫現(xiàn)場環(huán)境和數(shù)據(jù)傳輸需求進行靈活選擇。這些傳輸方式以高速穩(wěn)定的通信協(xié)議為支撐，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。數(shù)據(jù)在傳輸過程中，通過冗余校驗、糾錯編碼等技術(shù)手段對數(shù)據(jù)進行完整性和準(zhǔn)確性校驗，確保到達數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)能真實反映輸油系統(tǒng)運行狀態(tài)，為后續(xù)系統(tǒng)的分析決策提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[]。

（二）算法驅(qū)動的均衡輸油控制系統(tǒng)

1.可視化看板

可視化看板由集輸拓?fù)鋱D、來液分析圖等構(gòu)成。集輸拓?fù)鋱D呈現(xiàn)各上游站與目標(biāo)轉(zhuǎn)油站的布局關(guān)系，實時展示站點間來液與外輸數(shù)據(jù)。來液分析圖聚焦24小時內(nèi)轉(zhuǎn)油站來液情況，清晰展示各上游站外輸油量及其占比，便于操作人員直觀掌握來液構(gòu)成，分析不同上游站對轉(zhuǎn)油站來液的貢獻程度，及時發(fā)現(xiàn)來液量的異常波動點。

2.算法管理

在大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)的算法管理中，算法配置是基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。操作人員通過專門的配置頁面，對上游站和轉(zhuǎn)油站相關(guān)數(shù)據(jù)進行設(shè)定，涵蓋輸油泵技術(shù)參數(shù)、緩沖罐液位閾值、三相分離器處理能力等關(guān)鍵信息，還可設(shè)置算法自動優(yōu)化頻率。完成配置后，系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定參數(shù)以及采集的實時數(shù)據(jù)，按照既定規(guī)則生成算法。

生成算法時，系統(tǒng)綜合考慮各方面因素，依據(jù)來液量、泵排量等數(shù)據(jù)確定間輸站和長輸站，并規(guī)劃輸送策略和泵調(diào)控參數(shù)。算法生成后即可執(zhí)行，操作人員確認(rèn)算法結(jié)果無誤后下達執(zhí)行指令，系統(tǒng)將算法計算結(jié)果下發(fā)至工控系統(tǒng)，驅(qū)動外輸泵、電動三通閥等設(shè)備。

3.應(yīng)急策略

在大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)的應(yīng)急策略中，工藝配置方面針對緩沖罐液位異常制定了詳細(xì)方案。系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定緩沖罐高啟低停點位，當(dāng)液位到達規(guī)定點位，算法暫停運行，現(xiàn)場人員優(yōu)先處理緩沖罐液量，使液量恢復(fù)正常值。之后，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先選擇的“繼續(xù)執(zhí)行”或“重新執(zhí)行”指令，決定算法是延續(xù)暫停前狀態(tài)還是重新生成并執(zhí)行，以此確保在液位異常時能合理調(diào)整輸油策略，避免事故發(fā)生。

網(wǎng)絡(luò)配置方面，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題（如離線、數(shù)據(jù)異常等）時，系統(tǒng)會展示數(shù)據(jù)中斷時正在執(zhí)行的算法，現(xiàn)場人員可手動維護因網(wǎng)絡(luò)問題無法獲取的來液量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時，通過在辦公網(wǎng)與工控網(wǎng)進行物理隔離、在工控網(wǎng)內(nèi)設(shè)置白名單、拆除或封閉工業(yè)主機不必要接口、強化設(shè)備登錄賬戶密碼管理，以及部署網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測設(shè)備等措施，多管齊下保障網(wǎng)絡(luò)安全，維持系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)故障時的基本運行能力，最大限度降低網(wǎng)絡(luò)問題對輸油過程的影響，保障系統(tǒng)在突發(fā)情況下穩(wěn)定運行。

4.參數(shù)監(jiān)測

大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測功能依托于對上游站和轉(zhuǎn)油站的數(shù)據(jù)監(jiān)測臺賬。該臺賬記錄了各站算法相關(guān)參數(shù)，包括時間段、來液累積、外輸累積、外輸預(yù)計、外輸預(yù)計偏差以及當(dāng)前泵頻等信息。通過對這些數(shù)據(jù)的整合與管理，可精確追溯各站在不同時段的輸油情況，為分析系統(tǒng)運行趨勢提供翔實依據(jù)。

數(shù)據(jù)曲線的展示則進一步增強了數(shù)據(jù)的可視化效果。以時間為橫軸，將各類型數(shù)據(jù)繪制成曲線，能夠直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢。操作人員可通過觀察來液量曲線，快速發(fā)現(xiàn)來液量的波動情況。通過外輸量曲線，分析外輸穩(wěn)定性。依據(jù)這些曲線，能更精準(zhǔn)地評估系統(tǒng)運行狀態(tài)，及時察覺潛在問題

（三）系統(tǒng)安全保障措施

1.工藝安全措施

在大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)中，針對設(shè)備故障和進液量激增等風(fēng)險，采取巡檢管理和聯(lián)鎖控制等工藝安全措施降低火災(zāi)爆炸等事故風(fēng)險。巡檢管理借助智能場站少人化設(shè)備巡檢模式，運用視頻設(shè)備進行實時遠程監(jiān)控，同時定期安排人工現(xiàn)場巡檢，對輸油泵、緩沖罐等設(shè)備的運行狀態(tài)，以及周邊環(huán)境進行全面細(xì)致檢查，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備密封不良、維修保養(yǎng)不到位等潛在安全隱患，以便盡早處理，避免原油泄漏或油蒸氣散發(fā)引發(fā)事故。聯(lián)鎖控制則圍繞關(guān)鍵設(shè)備和工藝環(huán)節(jié)展開，在緩沖罐處，當(dāng)上游井場進液量激增，緩沖罐液位達到高液位時，系統(tǒng)會聯(lián)鎖電動三通閥，自動將原油輸送、儲存至事故罐內(nèi)，防止冒罐和原油泄漏。

2.軟硬件安全措施

軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護采用多種策略。辦公網(wǎng)與工控網(wǎng)進行物理隔離，阻斷外部非法網(wǎng)絡(luò)訪問工控網(wǎng)路徑。在工控網(wǎng)內(nèi)，對節(jié)點內(nèi)工作站、服務(wù)器設(shè)置白名單，僅允許可信任的設(shè)備和軟件運行。拆除或封閉工業(yè)主機上不必要的USB、光驅(qū)、無線等接口，若確需使用則實施嚴(yán)格訪問控制。強化工業(yè)控制設(shè)備、SCADA軟件、工業(yè)通信設(shè)備等登錄賬戶及密碼管理，定期更新口令，避免使用默認(rèn)或弱口令。

五、結(jié)語

綜上所述，大型站庫智能均衡輸油控制系統(tǒng)通過分層架構(gòu)、精準(zhǔn)算法模型及多元功能模塊，有效解決傳統(tǒng)輸油系統(tǒng)輸差波動大的問題。在算法層面，站間外輸平衡和站內(nèi)平衡模型優(yōu)化輸油策略。軟件系統(tǒng)中，可視化看板、算法管理等模塊提升管控水平。安全保障措施為系統(tǒng)穩(wěn)定運行筑牢防線。未來應(yīng)持續(xù)優(yōu)化算法準(zhǔn)確性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，算法模型應(yīng)用成熟、穩(wěn)定時可考慮將轉(zhuǎn)油站區(qū)域應(yīng)用范圍延伸至下游區(qū)域聯(lián)合站，為油氣行業(yè)智能化發(fā)展提供更強有力的支持。

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作者單位：長慶油田分公司第十一采油廠

責(zé)任編輯：王穎振鄭凱津