摘要：微生物驅(qū)注聚裝置是為了適應(yīng)吉林油田特殊需求而研制的注聚成套設(shè)備，特別適合小區(qū)塊、短時(shí)間、需要頻繁移動(dòng)的區(qū)塊使用。本文簡要介紹了該注聚裝置的構(gòu)成、功能及工藝流程；重點(diǎn)介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)及軟件編程方法。該設(shè)備具有撬塊化、模塊化、系列化及可移動(dòng)性等特點(diǎn)。控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、易于擴(kuò)展、便于維護(hù)、操作簡單、界面友好、自動(dòng)化程度高。

   關(guān)鍵詞：微生物；注聚裝置；自控系統(tǒng)

   1 項(xiàng)目概況

    目前各油田已普遍進(jìn)入高含水期，產(chǎn)量遞減加速，穩(wěn)產(chǎn)難度加大。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的目標(biāo)，應(yīng)用三次采油技術(shù)提高采收率，經(jīng)實(shí)踐證明降水增油效果明顯。

    吉林油田扶余采油廠根據(jù)地質(zhì)情況采用“微生物驅(qū)”注聚模式（清水、菌液、營養(yǎng)基），由勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司三采中心提供成套設(shè)備。微生物是生命體，注入時(shí)要確保生命安全，避免其他細(xì)菌的滋生。微生物驅(qū)注入的是三種物理性質(zhì)不同的液體（不能現(xiàn)場混合），三種液體要同時(shí)、按恒壓自動(dòng)閉環(huán)同比例控制方式喂入到注入泵的入口，由注聚泵增壓后按井組注入。

    因“微生物驅(qū)”注聚周期為幾個(gè)月至一年左右，注聚井為3~8口，因此該設(shè)備需頻繁移動(dòng)。為此，此裝置全部采用撬裝式高強(qiáng)度彩鋼板房構(gòu)成、工藝流程管線配裝標(biāo)準(zhǔn)接頭、電氣連接采用重載快換接插件。各控制柜面板安裝觸摸屏以方便就地操作，值班室監(jiān)控計(jì)算機(jī)與各撬塊PLC組網(wǎng)連接，對(duì)設(shè)備運(yùn)行流程實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成工藝流程動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、設(shè)置與修改各種參數(shù)、故障報(bào)警提示、數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)記錄、動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖及報(bào)表打印等功能。

    2 主要技術(shù)參數(shù)及自控要求

    （1）清水由現(xiàn)場水源井供水、水罐儲(chǔ)存；菌液及營養(yǎng)基由罐車輸送。

    （2）菌液、營養(yǎng)基、清水配比比例為1:1:1；1:2:3；1:3:6三種方式。配比方案1：總流量可調(diào)但配比比例不變。配比方案2：總流量不變可調(diào)整配比比例。

   （3）提供注聚泵兩臺(tái)，注聚井3~8口，單臺(tái)注聚泵排量3~7m3/h。

    （4）喂入工作壓力0.6Mpa，極限壓力1Mpa；恒壓閉環(huán)按配比比例配注，過壓及低流量停泵保護(hù)。

    （5）注入工作壓力12Mpa，極限壓力20Mpa；恒壓閉環(huán)一泵多井注入，過壓停泵保護(hù)。
         
                   
                                          圖1 工藝流程示意圖

    3 工藝流程簡介

    根據(jù)“微生物驅(qū)”注聚工藝要求，整個(gè)流程可分為4部分。

    （1）罐區(qū)部分主要由清水罐、菌液罐及營養(yǎng)基罐構(gòu)成。

    （2）喂入部分主要由三臺(tái)喂入螺桿泵、各泵流量計(jì)及出口壓力傳感器構(gòu)成。

    （3）注入部分主要由兩臺(tái)注聚泵、各泵出口壓力傳感器及匯管流量計(jì)構(gòu)成。

    （4）井口部分主要由各井口壓力表、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成。

    4 控制系統(tǒng)方案

    4.1 系統(tǒng)方案

    “微生物驅(qū)”成套設(shè)備采用三套撬裝板塊結(jié)構(gòu)形式，由喂入撬塊、注入撬塊、罐區(qū)部分及監(jiān)控值班室組成。各部分既相對(duì)獨(dú)立、又構(gòu)成一個(gè)整體。

    4.2 硬件組成

   自動(dòng)控制系統(tǒng)本著安全、經(jīng)濟(jì)、高效的原則，要求具備高可靠性和較高的自動(dòng)化水平。可編程控制器（PLC）采用日本松下電工的FPG-C32TH，具有性能先進(jìn)、指令豐富、組網(wǎng)功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、編程靈活等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用臺(tái)灣研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有防塵、防震、防潮、可連續(xù)使用及高可靠性。監(jiān)控軟件采用北京亞控科技發(fā)展有限公司的《組態(tài)王6.52》版，界面友好、功能強(qiáng)大、驅(qū)動(dòng)程序豐富、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
        
                          
                                       圖2  控制方案示意圖


    5 控制程序要求

    5.1 根據(jù)工藝流程特點(diǎn)及控制要求，控制程序必須要解決以下幾個(gè)問題

    （1）三種液體同時(shí)喂入時(shí)的恒壓閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制；

    （2）在恒壓條件下的按比例喂入；

    （3）比例值根據(jù)需要可隨時(shí)調(diào)整（總喂入量不變、比例系數(shù)改變；總喂入量改變、比例系數(shù)不變）；

    （4）井組匯管恒壓閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)注入控制；

    （5）完善的系統(tǒng)保護(hù)控制（如注入高壓報(bào)警停泵、喂入出口低流量報(bào)警停泵、某種液體低流量檢測(cè)控制等）。

    5.2 控制的難點(diǎn)

    （1）因菌液、營養(yǎng)基在注入現(xiàn)場不能儲(chǔ)存，必須在流程中實(shí)現(xiàn)比例混合，三種物理性質(zhì)差別較大、流量范圍差別較大的液體同時(shí)喂入到注入泵的前端，并保持恒定的喂入壓力和流量比例并隨機(jī)可調(diào)，控制實(shí)現(xiàn)極其困難，即三泵并聯(lián)恒壓閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)并按比例輸出的控制要求是本裝置設(shè)計(jì)的最大技術(shù)難題，也是必須解決的難題。

   （2）對(duì)控制的精度、可靠性、響應(yīng)時(shí)間要求很高。以恒壓為主、比例為附控制的關(guān)鍵是壓力要穩(wěn)、流量要準(zhǔn)，因流程較短、電磁干擾、液體波動(dòng)等因素的影響，喂入出口壓力值是瞬時(shí)變量值，極難保持穩(wěn)定，給閉環(huán)調(diào)節(jié)控制帶來極大的難度。

    （3）喂入系統(tǒng)與注入系統(tǒng)的響應(yīng)配合問題。在初始設(shè)計(jì)時(shí)喂入泵出口安裝有回流管線，啟動(dòng)時(shí)打開回流等喂入泵閉環(huán)正常后再啟動(dòng)注入泵；但廠家根據(jù)液體性質(zhì)要求在運(yùn)行過程中不允許開回流，因此造成現(xiàn)場使用時(shí)出現(xiàn)下列問題：

    喂入系統(tǒng)啟動(dòng)快、注入系統(tǒng)啟動(dòng)慢時(shí)，會(huì)造成喂入出口憋壓，導(dǎo)致安全閥動(dòng)作，控制失敗。

    喂入系統(tǒng)啟動(dòng)慢、注入系統(tǒng)啟動(dòng)快時(shí)，會(huì)造成喂入欠流量，注入泵缺液工作導(dǎo)致異響并損傷泵。

    （4）喂入系統(tǒng)不能連續(xù)配液。菌液、營養(yǎng)基都是從培養(yǎng)站用罐車?yán)瓉恚捎谝还抟后w注完后需人工換液，造成某一種液體供液中斷的問題，在這種情況下，會(huì)形成其他液體回灌和喂入、注入泵進(jìn)氣、使泵產(chǎn)生排量下降和異常響聲的問題。另外，因?yàn)榫旱奶厥庖螅苊怆s菌滋生（罐設(shè)計(jì)工作壓力0.3MPa；管內(nèi)粗糙度0.4；工作溫度120℃；能夠蒸汽滅菌），罐車上不能安裝壓力傳感器或磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì)，罐體液位不能監(jiān)控也不能目測(cè)。

    （5）井組母液匯管注入時(shí)各井口相互影響的問題。井組母液匯管連通的井口數(shù)在3~8口之間，各井的井壓高低不同、所需流量大小不一，對(duì)匯管壓力影響很大，故對(duì)井組匯管壓力實(shí)現(xiàn)恒壓閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出也很困難。

    （6）井組作業(yè)時(shí)間短，設(shè)備移動(dòng)頻繁。

    5.3 解決的方法

   （1）對(duì)問題1，采用對(duì)清水恒壓閉環(huán)控制；對(duì)菌液、營養(yǎng)基恒流量閉環(huán)控制的方法來實(shí)現(xiàn)“三泵并聯(lián)恒壓閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)并按比例輸出的控制”。

   （2）對(duì)問題2，采用對(duì)壓力、流量信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)算累計(jì)平均值，并在累計(jì)過程中刪除瞬時(shí)最大值與最小值，可有效的“濾除”干擾及波動(dòng)信號(hào)，使出口壓力采集值真實(shí)、正確、可靠。

   （3）對(duì)問題3，一是加裝喂入及注入泵連鎖啟動(dòng)控制功能；二是合理設(shè)置喂入（螺桿）泵、注入（三缸柱塞）泵的變頻啟動(dòng)時(shí)間；三是在閉環(huán)控制程序中加入抑制超調(diào)控制子程序。

   （4）對(duì)問題4，對(duì)清水、菌液、營養(yǎng)基的流量設(shè)定流量下限報(bào)警值及停泵值，當(dāng)某一液體流量報(bào)警時(shí)，監(jiān)控微機(jī)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警畫面、原因提示及蜂鳴器報(bào)警，供值班人員參考，當(dāng)流量低于停泵值時(shí)，控制程序會(huì)將喂入泵、注入泵全部停機(jī)，以防止液體回灌及喂入、注入泵進(jìn)氣。

   （5）精心合理的匹配閉環(huán)調(diào)節(jié)P、I、D參數(shù)值，使其兼顧穩(wěn)定性和響應(yīng)性。

   5.4 控制柜功能

   （1）各控制柜面板均安裝有液晶觸摸屏，既可對(duì)各種控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改；也可顯示各種運(yùn)行參數(shù)值，現(xiàn)場操作十分方便、快捷。

   （2）運(yùn)行方式有工頻、變頻選擇；調(diào)節(jié)方式有手動(dòng)調(diào)頻、自動(dòng)調(diào)頻選擇；工作方式有手動(dòng)、自動(dòng)選擇。

   （3）低壓電器與儀表均選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。如E+H的防震高精度壓力傳感器、橫河雙頻抗干擾流量計(jì)、富士高性能變頻器、松下高可靠性PLC、和泉繼電器、LG空開及接觸器等，以保障設(shè)備在惡劣環(huán)境下及頻繁移動(dòng)中的可靠性。

   （4）撬塊上安裝有電源接線箱，箱內(nèi)安裝有相序報(bào)警及指示燈，防止電源相序錯(cuò)誤；各控制柜側(cè)板安裝西霸士重載連接器，可快速連接與拆卸。

    6 系統(tǒng)通訊

   在分布式控制系統(tǒng)中普遍采用串行數(shù)據(jù)通訊。在本系統(tǒng)中，上位機(jī)在值班室，通訊接口為RS485、1:N的通訊方式。各控制柜被設(shè)為不同的站號(hào)，通訊中由《組態(tài)王》運(yùn)行系統(tǒng)啟動(dòng)通訊功能并通過各站號(hào)與之交換數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行刷新顯示。

   上位機(jī)與各控制系統(tǒng)既互相通訊，構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)；又能彼此相對(duì)獨(dú)立工作，上位機(jī)或通訊系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，各控制柜仍能夠正常工作；某一控制柜出現(xiàn)問題時(shí)，上位機(jī)和其余控制柜也能工作，確保現(xiàn)場設(shè)備安全、可靠的運(yùn)行。

   7 監(jiān)控系統(tǒng)畫面

   運(yùn)用組態(tài)王開發(fā)環(huán)境開發(fā)監(jiān)控顯示畫面，主要內(nèi)容包括設(shè)備流程主畫面、喂入裝置畫面、罐區(qū)畫面、注入畫面、數(shù)據(jù)庫及參數(shù)報(bào)表等。運(yùn)行Touchvew實(shí)時(shí)運(yùn)行軟件進(jìn)入動(dòng)態(tài)畫面，首先進(jìn)入流程主畫面，如圖3所示，顯示聚合物分散溶解的工藝流程全貌，各設(shè)備的狀態(tài)以動(dòng)畫的形式形象地表示出來；通過主菜單或各畫面的軟功能鍵，可方便地切換各畫面，獲得各畫面更詳細(xì)、具體的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。值班人員在值班室就能對(duì)設(shè)備的總體運(yùn)行情況一目了然。
        
                     
                                     圖3  監(jiān)控流程主畫圖

   8 結(jié)語

   微生物驅(qū)是三次采油技術(shù)研發(fā)的一項(xiàng)新工藝，無論是注聚工藝、控制要求、液體性質(zhì)等都與聚合物驅(qū)有很大的區(qū)別，要針對(duì)其特點(diǎn)采取相應(yīng)的方法才能滿足廠家的使用要求。

   采用豐富的應(yīng)用軟件和良好的人機(jī)接口，將PLC、工控機(jī)、觸摸屏進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，采用優(yōu)質(zhì)的低壓電器元件及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的配線工藝，組成了高性價(jià)比和高可靠性的硬件控制系統(tǒng)；控制軟件程序經(jīng)過與用戶工藝技術(shù)人員協(xié)調(diào)后，經(jīng)過兩周的現(xiàn)場調(diào)試、功能優(yōu)化、參數(shù)匹配，最終經(jīng)用戶驗(yàn)收合格，完全滿足所需的控制需求和功能，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和控制管理。


   圖3 監(jiān)控流程主畫面圖

   設(shè)備撬裝化、功能模塊化、安裝便捷化、工作可靠化，是此套設(shè)備最大的優(yōu)點(diǎn)，也是用戶的最終評(píng)價(jià)。

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   [4] FP系列編程手冊(cè)[Z].松下電工株式會(huì)社.

   [5] 組態(tài)王用戶手冊(cè)[Z].北京亞控科技發(fā)展有限公司.

   楊新泉（1962-）

   男，山東蒼山人，本科，工程師，現(xiàn)就職于勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司三采中心，主要從事三次采油裝備自動(dòng)化設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。  

  摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十二期