發布日期：2022-04-26 點擊率：161
關鍵詞： 智能 WirelessHART 增效
摘要：克拉美麗氣田位于古爾班通古特沙漠，是新疆油田公司發現的首個千億方儲量規模的火山巖氣田。氣田單井數量多、分布廣、產量波動頻繁、管理難度大，過去大部分氣井井口參數無法遠程監控。采用人工巡檢勞動強度大，難以及時處理突發緊急情況，為氣井正常生產埋下隱患。
本項目根據氣井生產能力，選取8口氣井作為改造對象，使用先進的WirelessHART智能無線技術，采集井口的工藝參數，并通過無線電通訊的方式，將井口監控數據傳送至位于集氣站的上位控制系統中。實現了對井口的遠程監測,降低了人工巡檢的勞動強度,提高了井口生產的可靠性。
本項目在實現滴西18井區生產氣井的全面監控的同時，也為克拉美麗氣田整體數字化建設提供了技術支撐。未來可以方便地通過智能化的井口監測、RTU、SCADA系統以及分布式RTU網絡，實現氣田的整體數字化。
一、項目概述
克拉美麗氣田位于古爾班通古特沙漠，是新疆油田公司發現的首個千億方儲量規模的火山巖氣田，針對氣田各井區井數多、井距遠、冬季環境溫度低的特點，集輸系統布站采用“單井→集氣站→處理廠”的模式，以減少管道投資并保障單井在低溫環境下長距離集輸。
為提高克拉美麗氣田井口地面工程管理效率，全面實現對氣井生產動態在線實時監控，本工程項目以克拉美麗氣田滴西18井區單井為試點，將該井區接入系統單井進行分類，選取合適單井作為試驗對象，通過采用無線儀表和無線數傳電臺方式傳輸信號，實現井場參數的遠程監測，最終實現滴西18井區生產氣井全面監控。
二、自動化狀況
數字化工程實施前，滴西18井區各單井中，2口水平井井口參數（壓力、溫度）采用壓力、溫度變送器，通過井口RTU實現單井數據遠程采集,數據傳輸采用光纖傳輸；其余16口直井井口參數（壓力、溫度）為就地顯示：壓力儀表采用彈簧管式壓力表，溫度儀表采用雙金屬式溫度計，各儀表均不具備數據遠傳功能。
三、存在問題
針對氣田單井數量多、分布廣、產量波動頻繁、管理難度大、大部分氣井井口參數無法遠程監控等特點，作業區成立4個巡井班，每班10人管理氣田單井。管理制度為：生產氣井一天兩班（白班、夜班）、每班巡檢2次，長關氣井、邊緣井每班每周二巡檢1次。主要記錄井口油壓、套壓、井口溫度、節流前后壓力和溫度，實時掌握氣井生產動態及設施設備完整性，保證氣井正常生產。
由于改造前單井自動化水平低，RTU遠傳、UPS覆蓋面較小，僅有2口單井井口配有RTU及UPS，大多數氣井無法實現遠程監控及操作，員工巡檢勞動強度大（見表1）。此外，一旦單井井口出現突發緊急情況時，員工無法第一時間及時掌握現場狀況并解決問題，且處理問題時間較長，員工勞動效率低下，為氣井正常生產埋下隱患。
表1 2013年6~8月巡井情況統計
時間 | 巡井處理問題平均用時h/d | 備注 |
2013年6月 | 4.3 | 每天巡井4次，正常巡井無問題時，平均每個井區每次巡檢需3小時 |
2013年7月 | 2.1 | |
2013年8月 | 2.8 |
因此，需將滴西18井區接入系統單井進行分類，選取合適單井作為試驗對象，通過采用無線儀表與數傳電臺相結合的方式傳輸信號，實現井場參數的遠程監測，最終實現滴西18井區生產氣井全面監控，為克拉美麗氣田整體數字化建設提供技術支撐。
四、傳輸參數確定
根據所選單井工藝，井口采用加熱節流單井需采集參數共計4個：油壓、一級節流前溫度、井場外輸壓力、井場外輸溫度，表2。數據采集頻率應小于5分鐘。
表2 加熱節流單井井口參數傳輸確定
井口參數 | 油壓 | 一級節流前溫度 | 外輸壓力 | 外輸溫度 |
確定因素 | 結合套壓判斷井筒積液、地層壓力變化 | 判斷節流前至采氣樹管線積液或凍堵 | 判斷井口至集氣站管線積液或凍堵 | 判斷井口至集氣站管線積液或凍堵 |
五、WirelessHART智能無線儀表技術優勢
本項目現場無線網絡WFN采用WirelessHART協議。WirelessHART作為HART 7.0規范中的一部分，是一種針對過程自動化應用的無線網狀網絡通訊協議。其目的是讓用戶在保持現有設備、工具和系統已執行的基礎上，為HART協議增加無線功能。
WirelessHART無線設備組成的現場通訊網絡，采用全網格拓撲結構（Mesh Topology），集成工業級的安全措施，通過高度可靠的冗余路徑進行通訊。這個無線網絡可以自我組織、自我適應、自我愈合，可靠性超過99%。即使通訊路徑受到干擾，無線設備也能夠自動重新選擇其它最優冗余路徑進行通訊。
WirelessHART現場無線設備包括測量溫度、壓力、無線控制等過程參數的無線儀表以及無線網關等。這些設備配備無線發射裝置，設備和微波發射部件無縫式地集成于一體，無線儀表通過工業級本安認證的鋰電池供電，考慮安全性該電池不可充電，電池壽命在60秒鐘刷新速度下可以用10年以上。
● 通用性
WirelessHART符合IEC 62591以及GB/T 29910.1～6-2013標準，大量的安裝基礎和相當數量的HART 產品提供商的存在，加上HART 通信基金會（HCF）的大力推廣，為該協議的使用提供了保障。
事實上，如今每一個過程自動化需求都有相應的有線HART 產品支持和滿足。無線HART 為HART 設備的通信提供了另一種簡單途徑。
● 可靠性
WirelessHART網狀拓撲的自組織和自愈特性使網絡長期擁有自主可靠性和魯棒性。當有干擾或者其他物體阻隔通信線路時，該網絡立即自動路由傳送數據以保持暢通。由于WirelessHART采用了冗余網狀拓撲的優化路徑，所以可以在整個網絡實現可靠性。
與其他使用2.4GHz 頻段的技術一樣，WirelessHART也會受到來自其他網絡信號源的干擾。為解決這一問題，WirelessHART協議實現了IEEE 802.15.4頻率標準下16個信道之間的跳頻，靈活地解決了干擾的問題而不是進行暴力破解。同時，還可以采用每次發送前的空閑信道評估（CCA）技術和信道"黑名單"技術避免特定區域的干擾，也同時將對其他網絡的干擾降到最低。
● 時間同步通信
所有設備間的通信在一個預設時間窗內進行，實現了高可靠（無碰撞）、高能效和可伸縮通信，增強了互操作性和易用性。每條報文都有一個優先級定義以保證合適的服務質量QoS 傳輸要求。固定的時間片劃分也可以讓網絡管理者為任何應用創建一個無需用戶干預的優化網絡。相對的，如果采用可變時間片或者非同步通信方式，則會造成復雜的用戶配置、低質量的QoS、高能耗和不可靠的通信結果。
● 安全性
WirelessHART采用了強健的安全網絡技術保證網絡和數據始終處于保護之下。這些技術包括：
√ 加密--128位加密手段保護數據不被截獲
√ 驗證--信息完整性檢測碼驗證每個數據包
√ 魯棒運作--跳頻和網狀基礎結構可以減緩網絡擁堵和拒絕服務（DoS）攻擊的情況
√ 密鑰管理--旋轉密鑰可以避免未認證設備加入網絡通信
√ 認證--未經認證的裝置不允許進入網絡中
● 豐富的診斷數據
HART裝置帶有豐富的儀表診斷數據，包括儀表故障信息、電池電量、傳感器故障信息、儀表參數設置、過程值報警等，WirelessHART的適配器功能提供了一種與資產管理系統、歷史數據庫等其他工具的通信機制，從而讓這些診斷數據發揮作用。
● 與上位系統靈活集成
WirelessHART設備的數據通過無線網關1420集成到上位系統（如RTU或HMI工作站）中。網關可安裝在戶外，也可以安裝在室內而采用延伸天線至室外的方法；可提供多種通訊接口和不同主機系統連接。
√ 通訊接口支持以太網通訊標準（Ethernet 10/100M），以實現與主機系統的OPC、Modbus TCP的通訊；
√ 網關預置了Modbus RTU兩線制RS-485串口通訊口，支持多點連接（Multidrop Connections），波特率設置從9600至 57600bps可選，電纜距離最遠不超過1200米。
現場可以同時安裝多個無線網絡，分別由各自的網關管理。每個網關管理的單個無線網絡連接最多100臺設備。
安裝方式方面，無線現場設備同有線傳統設備相同，無需額外專門培訓。
六、井口無線方案
滴西18區塊井口分布見圖1所示：
圖1 滴西18區塊井口分布
在滴西區塊，要求9個井口溫度及壓力監測數據以無線方式進入集氣站PLC系統實現監控，由艾默生公司采用RTU+智能無線網關+智能無線變送器實現井口數據信號無線監控。
依據滴西區塊平面布置圖及測點安裝位置，現場無線網絡包含滴西18、滴西1835二個網絡。網絡結構圖及功能說明如下：
√ 滴西18共計5口井，每口井分別有2臺壓力變送器、2臺溫度變送器，無線監測點共計20點，按照井口地理位置分布，構建可靠性無線網絡需要配置4臺無線中繼儀表，因此無線設備共計24臺。
√ GW1420智能無線網關+RTU+AP無線接入熱點安裝在滴西18井場，每個GW1420無線網關采用24VDC/0.5A供電。GW1420遠程天線配有防浪涌保護器，可有效防止雷電對網關的影響。GW1420采用Modbus TCP/IP網線連接RTU。
√ 滴西1835共計3口井，每口井分別有2臺壓力變送器、2臺溫度變送器，無線監測點共計12點，按照井口地理位置分布，構建可靠性無線網絡需要配置1臺無線中繼儀表，因此無線設備共計13臺。
√ GW1420智能無線網關+RTU+AP安裝在滴西1835與1824井場之間，GW1420無線網關采用24VDC/0.5A供電。GW1420遠程天線配有防浪涌保護器，可有效防止雷電對網關的影響。GW1420采用Modbus TCP/IP網線連接RTU。
√ 對無線設備的管理視同有線HART設備管理，由網關附帶AMS 設備管理軟件完成。
√ 滴西185井口有電力線，可供就近RTU及數傳電臺使用。井口數據采用普通有線測量及通訊方式。
根據現場井場地理分布，艾默生技術人員在2014年4月20日完成對滴西18區域無線網絡測試，4月21日完成對滴西1835區域無線網絡測試，部分測試數據如下圖所示，表中相關無線網路通訊數據分別為數據傳輸可靠性、無線路徑穩定性、無線信號強度RSSI 、儀表測試數據等。儀表無線網絡通訊均顯示正常，網絡狀態穩定可靠。
圖2 無線網絡通訊狀態Part1（上部紅色為未上電儀表，648黃色報警指示未接傳感器）
圖3 無線網絡通訊狀態Part2
圖4 無線網絡通訊狀態Part3
七、RTU系統集成
RTU系統采用艾默生的ControlWave RTU系統，通過電臺將井口監測數據傳送至集氣站上位系統。
艾默生ControlWave RTU的無線接口卡IEC62591直接安裝于RAS 控制器機架內，無線現場連接模塊(Field link)作為天線通過饋線接入IEC62591卡件。通過這種一體化的接入方式，WirelessHART智能無線儀表無縫集成入RTU內，就如RTU自帶的I/O模塊，并且可以通過控制器的轉送，連接AMS。現場數據進入RTU控制器，就像其他本地數據點一樣被訪問和讀取,這些數據可用于：
√ 控制應用
√ 測量應用
√ 歷史數據存儲
√ ControlWave 網頁
√ 分配MODBUS地址
√ SCADA 讀取
本工程項目數據傳輸只考慮單井到滴西18集氣站，采用無線方式。
通過調研和比較，確定采用目前市場上主流的無線電臺傳輸方式：在井口設置無線電臺發射端，滴西18集氣站設置電臺接收端，電臺帶RS485接口和RJ45接口,電臺接收端需安裝在高處盡量與發射端可視。
八、供電系統
井口無線壓力、溫度變送器采用自帶電池供電（電池供電時間5~10年）；滴西185井口有電力線，可供就近RTU及數傳電臺使用；集氣站數傳電臺及客戶端電腦由集氣站提供；處理站客戶端電腦由處理站提供；另外2臺RTU（每臺功耗最大25W、正常20W）及數傳電臺（功耗20W）選用太陽能電池板+蓄電池方式供電，新疆地區緯度高，冬季有效日照短（只有3.5小時），在系統設計時充分考慮了這些因素，本項目按連續陰天3天也可完成系統的正常供電來進行設計。該項目現場施工量少，投資較低。
2臺太陽能蓄電池采用直埋沙地的方式保溫，人工挖坑填埋
九、整體方案總結
本項目井口數據采集及傳輸采用無線儀表。現場無線儀表之間的通訊網絡，采用WirelessHART無線技術，具有自組織全網格拓撲結構（mesh topology），集成工業級的安全措施，采用功能強大的冗余通訊方式。無線網絡自我組織、自我適應、自我修復，數據傳輸可靠性大于99%。由于采用 Mesh 結構，無線網關具備網絡管理功能，因此，在通訊路徑被干擾時，網絡無線設備能夠自動重新選擇其它冗余路徑進行通訊。現場設備之間的無線通訊的物理層協議，采用 2.4GHz 的 ISM 公用頻段，應用直接序列擴頻技術（DSSS）克服無線網絡干擾，無線通訊的鏈路層（link Layer）符合 IEEE 802.15.4 工業無線通訊標準，在應用層符合WirelessHART協議，數據包采用 AES-128 位的行業標準加密技術，以保證現場設備之間的通訊安全。
在滴西18井區試驗單井新增無線壓力、溫度等儀器儀表，通過無線儀表互相通訊的特性接入無線RTU，RTU接受完所有無線儀表的數據后，通過數傳電臺將數據傳輸至滴西18集氣站客戶端，利用該集氣站已建光纖將數據傳輸至處理站客戶端。處理站預留數據接口，以便后期將單井數據傳輸至廠生產運行集中監控中心。
圖5 井口數據傳輸方式示意圖
測量儀表及通訊設備采用無線壓力變送器、無線溫度變送器和無線RTU（均為進口儀表設備）；通訊采用WirelessHART無線通訊協議，單臺儀表數據傳輸距離為800m，各單井的無線數據如果無法被無線RTU所接收，可在合適位置選擇無線離散變送器作為信號中繼，穩定可靠，精度高。
圖7 9口氣井、RTU、中繼GPS衛星定位
綜合考慮以上情況，采用無線儀表通訊方式可以滿足現場數據的采集和監控，整套方案不用布線、穿管、接線端子，操作簡單易行。節省了安裝的時間和資金成本。
實施單井數字化工程后，可降低巡井人數和巡井頻次，巡井班39人可減至8人，巡井頻次從一天4次逐漸減少至一周1次，極大的降低了員工工作量，提高氣田自動化程度，降低了氣田運行成本，為氣田智能運行管理水平打下良好基礎。具體將帶來以下效益：
1、經濟效益：
（1）人員勞動成本。巡井班39人改為8人，按每人每年勞動成本20萬元計算，可節省費用：200000×31=6200000元/年。
（2）車輛成本。巡井車輛4輛，每輛車每小時38元，每天10小時。可節省費用：
38×10×4×365=554800元/年。
經濟效益總計：6754800元人民幣/年
2、環境效益。減少車輛出行，降低安全風險，減少尾氣排放，低碳環保。
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