智能仪表数据无线传输技术在撬装化设备上的应用

胡 朋

(中石化节能环保工程科技有限公司,湖北,武汉 430223)

页岩气田标准化集气站均按无人值守设计，为了提高设计、采办和施工效率，集气站处理设备采用撬装化。撬装化设备配置高性能的智能仪表，根据撬装设备不同工艺生产处理要求配置高性能监测、控制系统，可实现撬装设备生产过程参数实时采集控制，撬装设备安全系统可实现紧急联锁关断功能，保证现场撬装设备精确的监测、控制，以及系统整体运行的稳定、可靠。

智能仪表作为页岩气田底层框架的基础数据采集部分，撬装设备智能仪表数据传输的安全性、可靠性比较重要。在满足页岩气田安全生产的前提下，智能仪表数据无线传输技术在撬装设备上的应用，可提升撬装设备的模块化程度，在线实时采集撬装设备的生产运行状态参数和智能仪表设备有关"健康状态"数据信息，确保撬装设备的安全稳定运行，优化并提高气田管理水平和开采效率，实现建成安全、节能、环保的智能气田。美国能源部的研究估计，无线传感器网络会为工业现场实现节能10%，降低排放或泄漏15%的目标提供良好的手段[1]。

1 无人值守集气站

1.1 标准工艺模块划分

标准化无人值守集气站流程图如下图1所示，根据井口及集气站标准化流程，将井口及集气站中相同的部分划分为模块，划分的模块具有通用性。井口及集气站部分共划分为井口安装、除砂器、加热炉、集气汇管、计量分离器、生产分离器、防冻剂加注、燃气调压、污水罐、放空立管等10个模块，其中除砂器、加热炉、集气汇管、分离器、防冻剂加注、燃气调压等模块采用撬装化，标准工艺模块划分的模块名称及规格见下表1所示。

图1 标准化集气站流程图 表1 标准工艺模块划分

表1(续)

1.2 自动控制水平

撬装化设备上智能仪表信号需进就地控制系统监控的可通过电缆硬接线接入控制系统，应在控制室显示的有关信息可经就地控制系统采取RS-485通讯方式接入。

撬装化设备上智能仪表信号参与紧急连锁关断的须通过电缆硬接线接入控制室ESD系统PLC进行连锁关断。集气站撬装化设备仅加热炉撬配置就地控制系统进行监控，并可实现熄火保护、故障连锁，在无人值守条件下实现安全生产。

标准化无人值守集气站控制系统采用可编程逻辑控制器PLC，对整个站场撬装化设备和撬外工艺生产设施进行监视和控制。集气站撬装化设备工艺生产参数采集上传到集气站过程控制系统PLC和ESD系统PLC显示及报警，并通过通信系统接入调度控制中心进行统一管理和监控，集气站实现无人值守。

2 撬装化设备智能仪表无线传输原理

在集气站撬装化设备上针对除了涉及安全连锁的仪表外，智能仪表数据采取无线传输技术。无线设备中继器与智能无线仪表集成于一体，撬装化设备上智能无线仪表除能传输自身数据外，同时能兼作无线网络中继器。在集气站控制室设置智能无线网关，撬装化设备智能无线仪表和智能无线网关组成现场自适应无线网络，覆盖所有撬装化设备智能无线仪表。智能无线网关与集气站控制系统组成更高层级传输网络，形成撬装化设备智能无线仪表数据经无线网络传输到智能无线网关，智能无线网关通过标准的工业通讯协议将采集的数据上传到集气站控制系统的无线数据传输通路。在集气站无人值守情况下，满足撬装化设备数据采集传输的功能要求。集气站撬装化智能仪表数据无线传输原理图如下图2所示。

图2 撬装化设备智能仪表数据无线传输原理图

2.1 无线传输测控点选择

按照过程工业为无线网络设定的参数标准以及对应信息传输速度重要性[2]，同时结合标准化集气站不同类型撬装化设备的情况，加热炉撬本体仪表采用有线传输方式进自带的现场控制系统，加热炉撬本体涉及安全连锁的温度远传信号和紧急停炉信号采用有线传输方式进ESD系统PLC；分离器撬用于计算气田各站输差的孔板流量计和温度、压力变送器，考虑数据传输的安全性和稳定性，采用有线传输方式进过程控制系统PLC内置计量模块，进行温压补偿计算。集气站撬装化设备除上述功能之外的智能仪表数据采用无线方式传输。

集气站撬装化设备智能无线仪表现场应用过程中采用Wireless HART技术，符合IEC62591标准，为当前流程行业中符合国际标准和中国国家标准的无线通讯标准。无线设备中继器与智能无线仪表集成于一体，供电方式采用内置锂电池。标准化无人值守集气站撬装化设备智能无线仪表应用统计表如下表2所示。

标准化无人值守集气站撬装化设备加热炉撬、集气汇管撬、分离器撬、燃气调压撬等智能无线仪表安装应用如下图3所示。

表2 撬装化设备智能无线仪表应用统计表

图3 撬装化设备智能无线仪表现场安装图

2.2 智能仪表数据无线传输特点

撬装化设备智能无线仪表除了将工艺生产过程数据通过无线网络上传到控制系统外，智能无线仪表数据传输信号叠加有HART协议信息。智能无线仪表的相关HART“健康状态”信息同时通过无线网络上传到控制室AMS智能设备管理系统，智能无线仪表的工艺生产过程数据和设备"健康状态"数据能够很好地结合并集成在同一数据传输环境下，如上图2所示。

同时在撬装化设备智能有线仪表上增加智能无线适配器,智能有线仪表设备的相关HART"健康状态"数据经智能无线适配器通过无线网络上传到控制室。在控制室，AMS智能设备管理系统可以采集到撬装化设备智能仪表有关“健康状态”数据信息。

集气站控制室设置Rosemount 1420智能无线网关2台，无线网络覆盖集气站撬装化设备所有智能无线仪表和无线适配器。在控制室实现对撬装化设备所有智能仪表的在线监测、在线诊断、在线维护和在线管理，并可在智能设备管理系统中建立设备资产档案、提前预警，减少现场巡检维护工作量。

3 撬装化智能仪表数据无线传输应用效果

针对页岩气田喀斯特地貌，施工过程中电缆沟开挖不方便、工程量大的山地复杂地形条件, 智能仪表数据无线传输技术在撬装化设备上的应用，降低了现场投运期间的工作强度，加快了项目投运时间，节省了工程项目成本。

在满足安全生产的前提下，智能仪表数据无线传输技术，提高了撬装化设备的投用速度，提升了撬装化设备的模块化程度，推动了撬装化设备设计的标准化。

撬装化设备上智能仪表"健康状态"数据通过无线采集传输，实现对智能仪表在线监测、在线诊断、在线维护和在线管理，减少了大量的巡检时间，降低了生产维护成本并使撬装化设备操作更安全、方便和有效，提高了撬装化设备智能化程度。

4 结论

根据页岩气田滚动开发特点，智能仪表数据无线传输技术可实现撬装化设备的快速安装与拆卸，灵活组合，能够适应页岩气产量变化。特别是在生产开发后期，需在集气站增加开发加密井，而集气站已投产不便于大面积施工开挖的情况下，智能仪表数据无线传输技术在撬装化设备上的应用，提升了智能仪表安装和扩展的方便性，可缩短地面工程建设周期，提高气田开发效率。

[1] 曹庆年，曹 蕾，孟开元．基于无线短程网络的HART协议概述[J]．软件导刊，2010，9(4)：132-134．

[2] 方原柏．Wireless HART无线系统工程设计探讨[J]．石油化工自动化，2011,47(4):10-13．