稠油处理节点控制分析诊断系统设计

韩菲 蒋能记 谢光华 郑金风

[摘 要] 稠油处理是油田原油生产的重要环节，处理工艺复杂，运用DCS系统监控原油处理过程，有实时报警和数据查询功能。为了提高原油处理过程精细调控水平，本文以某油田稠油处理站为例，设计了一套稠油处理节点控制分析诊断系统，通过简化处理流程建立节点控制模型，分析生产问题建立原油处理规则知识库，与生产流程、设备、参数结合，以交互报警方式实时诊断原油处理过程，保障生产安全平稳运行，提供优选决策依据，有一定的推广应用前景。

[关键词] 稠油处理；实时；节点控制；诊断

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 03. 014

[中图分类号] F270.7；TP315 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）03- 0025- 03

1 引 言

稠油集输处理工艺主要包括原油脱水和污水脱油两方面。采出液进入系统后通过计量、除砂、加药、沉降、掺热等工艺得到合格油品的过程为原油处理，从原油中分离出的污水经过后期加药、排泥、过滤、软化等工艺后回用锅炉的过程为污水处理。采出液具有乳化严重，胶质、沥青质含量高，原油黏度高，污水黏滞性大，油水密度差较小，水包油、油包水和多重乳液并存的物性[1]，处理过程需要加入大量药剂，药剂对现场远传仪表的腐蚀性较强，容易造成仪表数据传输故障，对自动化数据的真实性产生影响。

为了降低风险伤害，保障原油处理系统安全、平稳运行，通过共享技师、工程师的生产管理经验提高一线员工的操作水平，减轻劳动强度，提升生产管理水平，本文运用DCS监控系统数据，设计了一种基于实时数据库的稠油处理节点控制分析诊断系统。

2 诊断系统整体结构设计

系统整体结构见图1，利用实时数据库数据延迟小、密度大的特性，实时采集处理站DCS自动化数据，及时为诊断分析提供高密度原始数据；关系数据库存储报警规则及模型，保存报警结果记录，提供查询统计。系统以C/S结构为主进行组态，提高处理速度；以B/S结构灵活部署客户端，实时发布数据，展示流程，及时反映当前生产状态。同时与事故处理规则库结合计算分析，发现早期异常，给出处理建议。

系统采用人机交互方式，以用户为核心，“会话”分析诊断，及时处理预警信息，及时采用处理过程结果，保证诊断结构的准确性和及时性。交互式处理（Interactive Processing ）是操作人员和系统之间存在交互作用的信息处理方式。操作人员可以根据处理结果进一步输入信息和操作命令[2-3]。对于非专业的操作人员，系统能提供提示信息，逐步引导操作者完成所需的操作，得出处理结果。相对于非交互式处理，它具有灵活、直观、便于控制等优点。系统运行过程中，当有报警信息产生时，自动弹出子窗口，直观地向操作人员展示具体的报警流程系统、设备、参数、名称等信息，同时支持流程图和处理连接，操作人员可及时掌握报警区域和处理措施，实现人机对话。

系统功能结构见图2，分为数据采集发布、数据诊断分析、诊断模型管理、系统管理4个部分，本文仅介绍诊断模型设计。

3 诊断模型设计

稠油处理流程系统是一个多循环、紧密耦合的复杂系统，分析各设备功能和系统结构，寻找输入量、输出量和设备状态间的函数关系，建立对应的复杂系统模型。通过模型数据分析，找出系统的稳定状态，如果输入、输出和状态变量的变化超出系统所能容忍的范围，整个系统就会偏离稳定状态，产生故障诊断[4]报警。实现诊断的重要前提是结合稠油处理流程特点，建立原油处理规则库和正确的诊断模型。

3.1 原油处理规则库

系统规则库[5]采用树型结构逐级建立，根据处理对象涉及数据点及逻辑关系的不同，按流程、设备、参数3个层次分别建立诊断规则。每个处理站有多个生产流程，每个流程中有多个待检测设备，每个设备有多个检测关键参数，对于关键参数按照一定的诊断条件，判断出有可能出现的故障，每个关键参数所能检测到的故障有一个或多个（如缓冲罐液位超高、超低、不变都可能预示有不同的故障），一个故障有可能是由一个或多个原因引起的，对应不同的原因有不同的处理方法。

3.2 节点控制模型

稠油处理系统不同于稀油，稀油处理工艺技术已经比较成熟且技术参数稳定，稠油处理的报警存在以下几个难点：①工艺还在不断优化，辅助工艺不断增加。②由于网络异构的存在，难以保证信息正确地、高效地共享和交换，自成体系的控制系统存在信息孤岛。③从处理站DCS系统中采集的自动化数据量大，对所有数据同时监控达不到预期效果，本系统通过建立节点控制可有效避免以上缺点。

节点控制方法是对稠油生产过程中的流程的关键参数点进行准确定位，关键点工作质量决定了流程整体质量，控制关键点的工作，就能对工作流程进行控制，对关键环节实施重点管理。根据目标采取自下而上与自上而下相结合的方法，分层逐级对流程进行节点识别、分析、确认，建立完整的节点管理体系[6-7]，节点诊断结果在流程画面中直观显示。

节点控制模型简化处理流程，运用节点控制方法，减少人工关注参数点数，并借助数据接口实现自动化数据共享和交换。

以原油处理为例，介绍节点的选取及其功能。原油处理简化流程见图3，原油处理最终目的是获取含水合格的净化油，稠油脱水的关键因素是温度和药剂，沉降罐油厚直接影响原油含水率，管汇流量和压力的变化趋势直接影响沉降罐油层厚度。所以在原油处理工艺流程，选取管汇压力、管汇流量、沉降罐油厚和掺热温度作为关键节点，管理控制节点能管理监控原油处理的全过程，有效提高原油净化合格率。

节点控制功能根据规则库的三级建立原则分为：参数超限值报警及曲线查询、设备状态报警及设置、流程状态监控。

3.3 模型算法及实例

系统采用正向推理完成知识匹配，为了提高实用性，对传统正向推理作了改进，通过在事实和规则之间建立尽可能多的映射关系来提高冲突解决的效率。当规则缺失或规则不明确时，允许用户执行人工干预（学习功能），增加知识获取途径，提高系统自学习能力和实际使用价值[8]。

以分线计量来液线压力升高为例，报警机制采用多叉树遍历方式完成。当任一条来液线的计量压力升高时，在节点处，如有规则判断则自动执行，如无判断规则则人工干预，推理过程见图4。

3.3.1 诊断算法

算法是节点控制模型实现的基础。系统主要采用扰动、缺失、斜率、振幅、标准偏差、稳态、阈值、锯齿波、边界连接等基本算法实现对参数的诊断和分析，定义抽象过程，实现基本的诊断功能。以处理站净化油罐关注数据为例，一般情况下工作人员比较关心净化油罐的液位是否超高，是否满罐外溢，变化速率是否过快，温度是否符合原油沉降要求，综合采用以下几种算法进行判断。

（1）利用最小二乘法计算净化油罐进油液位变化速率，保证速率运算的平稳性。

（2）利用方差计算净化油罐液位、温度不变。方差即偏离平方的均值，称为标准差或均方差，方差描述波动程度。方差计算对计算样板的数值不变具有显著效果。在报警系统中存在大量的数据不变的检测。参数因传输故障，或传感器故障而发生数据不变是非常常见的仪表现象，不变持续时间过长，会导致操作人员无法观察到发生的变化或隐患，如果单纯使用数据比较容易发生漏判。方差计算可以反映样本的离散程度，正确判定参数不变，系统结合其他统计方法，联合计算系统的不变、稳态和非稳态，准确地识别出参数和设备的状态。

（3）利用稳态判断净化油罐的运行状态是否稳定，系统选取n个历史数据，利用下面稳态公式计算，当数据没有大的变化时，计算的结果是稳定的，当有一个异常出现的时候，计算的结果将为不稳定，并且，这种结果将持续一段时间，直到用来计算的时间窗的数据没有异常时，系统恢复稳定。

δT2=C=常量（容忍度）

稳态计算公式：σ2=■

δ2=Average（（xn-xn-1），（xn-1-xn-2）……）

Steady=Max（δ2/σ2，δT2/σ2）>C

式中，n为采集数据的点数，x为采集的数据值，Steady为稳态，δ2，σ2为方差。

3.3.2 模型实例

运用诊断模型，可以快速开发出满足需要，又具有一定的可扩充性的系统。系统嵌入Python脚本引擎，用户可以编写脚本实现报警，与系统交互完成功能。以下是当出现超高、超低报警时使用的程序段。

ret，realValue = self.GetTagValue（self.TagNameSrc）//#通过位号名称获取当前位号实时数据值#

if（realValue.dblVal > self.High）//#用实时值与超高报警上限值做比较#

self.SetWarning（"超高"，True）//#实时值大于报警上限值，设置为超高报警状态#

else：

self.SetWarning（"超高"，False）//#实时值小于报警上限值，把超高报警状态设置正常#

if（realValue.dblVal < self.Low）//#用实时值与超低报警下限值做比较#

self.SetWarning（"超低"，True）//#实时值小于报警下限值，设置为超低报警状态#

else：

self.SetWarning（"超低"，False）//#实时值大于报警下限值，超低报警状态设置正常#

4 应用效果与结论

稠油处理站节点控制分析诊断系统在线投用效果见图5，提供直接的装置报警服务，操作人员也可以通过点击异常设备查看报警模型实例，通过模型实例可查看关联参数曲线，定制曲线时间，对特定时段内的数据进行分析，可根据掌握的知识经验参与系统参量设定、调整过程反馈，同时为相关管理部门提供在线分析诊断信息服务，对操作水平的提高、设备故障的预防、故障的报警起到了积极作用。

对稠油流程进行合理简化，运用关键参数设计节点控制模型，建立节点分析诊断系统是对控制系统有益的补充，保障稠油处理全流程高效平稳运行。本系统诊断方法可以作为其他原油处理分析系统建设的参考，同时作为传统工业领域的一种信息化应用，在有连续作业的石油、石化等流程工业，都可以发挥作用。

主要参考文献

[1]王迪，周庆，王亮，霍进，等.风城超稠油O/W降黏体系评价研究[J].精细石油化工，2013，30（1）：24-27.

[2]邱丽丽，俞烽.异构数据动态交互平台设计与实现[J].计算机应用与软件，2013，30（3）：183-185.

[3]胡昌平，蔡青，万琳.基于信息交互的集成服务平台构建分析[J].图书情报工作，2008，52（9）：82-85.

[4]吴明强，史慧，等.故障诊断专家系统研究的现状与展望[J].计算机测量与控制，2005，13（12）：1301-1304.

[5]王万森.面向对象规则库设计的研究[J].计算机研究与发展，1996，33（1）：70-73.

[6]曹在雷，李志强，周天福，等.节点控制法在注聚质量体系中的应用[J].中国科技信息，2010（16）：30-32.

[7]梁铁玲.全过程节点控制实现污水达标处理[J].油气田地面工程 ，2010，29（8）：65-66.

[8]蒋能记，韩力，张亚顺，等.基于实时数据库的油气处理预警系统设计[J].石油规划设计，2011，22（4）.