《自动化博览》

     摘要：微生物驱注聚装置是为了适应吉林油田特殊需求而研制的注聚成套设备，特别适合小区块、短时间、需要频繁移动的区块使用。本文简要介绍了该注聚装置的构成、功能及工艺流程；重点介绍自动控制系统及软件编程方法。该设备具有撬块化、模块化、系列化及可移动性等特点。控制系统稳定可靠、易于扩展、便于维护、操作简单、界面友好、自动化程度高。

   关键词：微生物；注聚装置；自控系统

   1 项目概况

    目前各油田已普遍进入高含水期，产量递减加速，稳产难度加大。为实现稳产、增产的目标，应用三次采油技术提高采收率，经实践证明降水增油效果明显。

    吉林油田扶余采油厂根据地质情况采用“微生物驱”注聚模式（清水、菌液、营养基），由胜利油田胜机石油装备有限公司三采中心提供成套设备。微生物是生命体，注入时要确保生命安全，避免其他细菌的滋生。微生物驱注入的是三种物理性质不同的液体（不能现场混合），三种液体要同时、按恒压自动闭环同比例控制方式喂入到注入泵的入口，由注聚泵增压后按井组注入。

    因“微生物驱”注聚周期为几个月至一年左右，注聚井为3~8口，因此该设备需频繁移动。为此，此装置全部采用撬装式高强度彩钢板房构成、工艺流程管线配装标准接头、电气连接采用重载快换接插件。各控制柜面板安装触摸屏以方便就地操作，值班室监控计算机与各撬块PLC组网连接，对设备运行流程实时监控，完成工艺流程动态显示、数据监测、设置与修改各种参数、故障报警提示、数据库实时记录、动态趋势图及报表打印等功能。

    2 主要技术参数及自控要求

    （1）清水由现场水源井供水、水罐储存；菌液及营养基由罐车输送。

    （2）菌液、营养基、清水配比比例为1:1:1；1:2:3；1:3:6三种方式。配比方案1：总流量可调但配比比例不变。配比方案2：总流量不变可调整配比比例。

   （3）提供注聚泵两台，注聚井3~8口，单台注聚泵排量3~7m3/h。

    （4）喂入工作压力0.6Mpa，极限压力1Mpa；恒压闭环按配比比例配注，过压及低流量停泵保护。

    （5）注入工作压力12Mpa，极限压力20Mpa；恒压闭环一泵多井注入，过压停泵保护。
         
                   
                                          图1 工艺流程示意图

    3 工艺流程简介

    根据“微生物驱”注聚工艺要求，整个流程可分为4部分。

    （1）罐区部分主要由清水罐、菌液罐及营养基罐构成。

    （2）喂入部分主要由三台喂入螺杆泵、各泵流量计及出口压力传感器构成。

    （3）注入部分主要由两台注聚泵、各泵出口压力传感器及汇管流量计构成。

    （4）井口部分主要由各井口压力表、流量计、调节阀等构成。

    4 控制系统方案

    4.1 系统方案

    “微生物驱”成套设备采用三套撬装板块结构形式，由喂入撬块、注入撬块、罐区部分及监控值班室组成。各部分既相对独立、又构成一个整体。

    4.2 硬件组成

   自动控制系统本着安全、经济、高效的原则，要求具备高可靠性和较高的自动化水平。可编程控制器（PLC）采用日本松下电工的FPG-C32TH，具有性能先进、指令丰富、组网功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、编程灵活等优点。监控计算机采用台湾研华工业控制计算机，具有防尘、防震、防潮、可连续使用及高可靠性。监控软件采用北京亚控科技发展有限公司的《组态王6.52》版，界面友好、功能强大、驱动程序丰富、运行稳定可靠。
        
                          
                                       图2  控制方案示意图


    5 控制程序要求

    5.1 根据工艺流程特点及控制要求，控制程序必须要解决以下几个问题

    （1）三种液体同时喂入时的恒压闭环自动调节控制；

    （2）在恒压条件下的按比例喂入；

    （3）比例值根据需要可随时调整（总喂入量不变、比例系数改变；总喂入量改变、比例系数不变）；

    （4）井组汇管恒压闭环自动调节注入控制；

    （5）完善的系统保护控制（如注入高压报警停泵、喂入出口低流量报警停泵、某种液体低流量检测控制等）。

    5.2 控制的难点

    （1）因菌液、营养基在注入现场不能储存，必须在流程中实现比例混合，三种物理性质差别较大、流量范围差别较大的液体同时喂入到注入泵的前端，并保持恒定的喂入压力和流量比例并随机可调，控制实现极其困难，即三泵并联恒压闭环自动调节并按比例输出的控制要求是本装置设计的最大技术难题，也是必须解决的难题。

   （2）对控制的精度、可靠性、响应时间要求很高。以恒压为主、比例为附控制的关键是压力要稳、流量要准，因流程较短、电磁干扰、液体波动等因素的影响，喂入出口压力值是瞬时变量值，极难保持稳定，给闭环调节控制带来极大的难度。

    （3）喂入系统与注入系统的响应配合问题。在初始设计时喂入泵出口安装有回流管线，启动时打开回流等喂入泵闭环正常后再启动注入泵；但厂家根据液体性质要求在运行过程中不允许开回流，因此造成现场使用时出现下列问题：

    喂入系统启动快、注入系统启动慢时，会造成喂入出口憋压，导致安全阀动作，控制失败。

    喂入系统启动慢、注入系统启动快时，会造成喂入欠流量，注入泵缺液工作导致异响并损伤泵。

    （4）喂入系统不能连续配液。菌液、营养基都是从培养站用罐车拉来，由于一罐液体注完后需人工换液，造成某一种液体供液中断的问题，在这种情况下，会形成其他液体回灌和喂入、注入泵进气、使泵产生排量下降和异常响声的问题。另外，因为菌液的特殊要求，避免杂菌滋生（罐设计工作压力0.3MPa；管内粗糙度0.4；工作温度120℃；能够蒸汽灭菌），罐车上不能安装压力传感器或磁翻转液位计，罐体液位不能监控也不能目测。

    （5）井组母液汇管注入时各井口相互影响的问题。井组母液汇管连通的井口数在3~8口之间，各井的井压高低不同、所需流量大小不一，对汇管压力影响很大，故对井组汇管压力实现恒压闭环自动调节输出也很困难。

    （6）井组作业时间短，设备移动频繁。

    5.3 解决的方法

   （1）对问题1，采用对清水恒压闭环控制；对菌液、营养基恒流量闭环控制的方法来实现“三泵并联恒压闭环自动调节并按比例输出的控制”。

   （2）对问题2，采用对压力、流量信号在单位时间内计算累计平均值，并在累计过程中删除瞬时最大值与最小值，可有效的“滤除”干扰及波动信号，使出口压力采集值真实、正确、可靠。

   （3）对问题3，一是加装喂入及注入泵连锁启动控制功能；二是合理设置喂入（螺杆）泵、注入（三缸柱塞）泵的变频启动时间；三是在闭环控制程序中加入抑制超调控制子程序。

   （4）对问题4，对清水、菌液、营养基的流量设定流量下限报警值及停泵值，当某一液体流量报警时，监控微机会出现报警画面、原因提示及蜂鸣器报警，供值班人员参考，当流量低于停泵值时，控制程序会将喂入泵、注入泵全部停机，以防止液体回灌及喂入、注入泵进气。

   （5）精心合理的匹配闭环调节P、I、D参数值，使其兼顾稳定性和响应性。

   5.4 控制柜功能

   （1）各控制柜面板均安装有液晶触摸屏，既可对各种控制参数进行设置和修改；也可显示各种运行参数值，现场操作十分方便、快捷。

   （2）运行方式有工频、变频选择；调节方式有手动调频、自动调频选择；工作方式有手动、自动选择。

   （3）低压电器与仪表均选用优质产品。如E+H的防震高精度压力传感器、横河双频抗干扰流量计、富士高性能变频器、松下高可靠性PLC、和泉继电器、LG空开及接触器等，以保障设备在恶劣环境下及频繁移动中的可靠性。

   （4）撬块上安装有电源接线箱，箱内安装有相序报警及指示灯，防止电源相序错误；各控制柜侧板安装西霸士重载连接器，可快速连接与拆卸。

    6 系统通讯

   在分布式控制系统中普遍采用串行数据通讯。在本系统中，上位机在值班室，通讯接口为RS485、1:N的通讯方式。各控制柜被设为不同的站号，通讯中由《组态王》运行系统启动通讯功能并通过各站号与之交换数据，上位机接收到数据后，进行刷新显示。

   上位机与各控制系统既互相通讯，构成一个完整的控制系统；又能彼此相对独立工作，上位机或通讯系统出现故障时，各控制柜仍能够正常工作；某一控制柜出现问题时，上位机和其余控制柜也能工作，确保现场设备安全、可靠的运行。

   7 监控系统画面

   运用组态王开发环境开发监控显示画面，主要内容包括设备流程主画面、喂入装置画面、罐区画面、注入画面、数据库及参数报表等。运行Touchvew实时运行软件进入动态画面，首先进入流程主画面，如图3所示，显示聚合物分散溶解的工艺流程全貌，各设备的状态以动画的形式形象地表示出来；通过主菜单或各画面的软功能键，可方便地切换各画面，获得各画面更详细、具体的监控数据。值班人员在值班室就能对设备的总体运行情况一目了然。
        
                     
                                     图3  监控流程主画图

   8 结语

   微生物驱是三次采油技术研发的一项新工艺，无论是注聚工艺、控制要求、液体性质等都与聚合物驱有很大的区别，要针对其特点采取相应的方法才能满足厂家的使用要求。

   采用丰富的应用软件和良好的人机接口，将PLC、工控机、触摸屏进行有机的结合，采用优质的低压电器元件及规范标准的配线工艺，组成了高性价比和高可靠性的硬件控制系统；控制软件程序经过与用户工艺技术人员协调后，经过两周的现场调试、功能优化、参数匹配，最终经用户验收合格，完全满足所需的控制需求和功能，实现了生产过程的实时监控系统和控制管理。


   图3 监控流程主画面图

   设备撬装化、功能模块化、安装便捷化、工作可靠化，是此套设备最大的优点，也是用户的最终评价。

   参考文献：

   [1] 常斗南等.可编程序控制器原理、应用、实验[M]. 北京：机械工业出版社, 1998.

   [2] 汪晓光等.可编程序控制器原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社,1995.

   [3] FPΣ用户手册[Z].松下电工株式会社.
 
   [4] FP系列编程手册[Z].松下电工株式会社.

   [5] 组态王用户手册[Z].北京亚控科技发展有限公司.

   杨新泉（1962-）

   男，山东苍山人，本科，工程师，现就职于胜利油田胜机石油装备有限公司三采中心，主要从事三次采油装备自动化设计与开发工作。  

  摘自《自动化博览》2011年第十二期