Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt die faseroptische Sensortechnologie für Ölfeld-Verbundstationen vor, um Probleme im Zusammenhang mit der Füllstandserfassung und Alarmierung von Rohöltanks, der Unterdruckerfassung und Alarmierung, der Rohölflusserfassung und Fernsignalübertragung sowie der Öl- und Wasserstandserfassung und Fernsignalübertragung in Dreiphasenabscheidern zu lösen. Mithilfe von verteilter Steuerungstechnik und moderner Netzwerktechnologie werden ein fortschrittliches Produktionsprozess-Steuerungssystem und ein Sicherheitsüberwachungssystem entwickelt, um die Produktion und Sicherheit an der Verbundstation in Echtzeit zu überwachen und zu steuern. Die Echtzeit-Produktions- und Sicherheitsinformationen der Verbundstation werden mit dem Ölfeldentwicklungsnetzwerk und dem Sicherheitsinformationsnetzwerk verbunden und liefern so zeitnahe, umfassende und präzise Informationsquellen für die Entscheidungsfindung im Ölfeldmanagement. Schlüsselwörter: Faseroptische Sensortechnologie, faseroptische Sensorsteuerungstechnologie, Ölfeld-Verbundstation. 1 Einleitung: Die Ölfeld-Verbundstation ist ein entscheidendes Glied im Rohölproduktionsprozess. Sie ist eine umfassende Produktionsanlage, die Rohölentwässerung, Rohölstabilisierung, Abwasserbehandlung, Hochdruckwasserinjektion, Bohrlochwassermischung und -erwärmung sowie Rohöllagerung und -transport integriert. Es handelt sich um eine Schlüsselkomponente für die kontinuierliche Ölförderung, die Brandschutz der Stufe I und Explosionsschutz der Stufe A erfordert. Die Überwachung des Produktionsprozesses beeinflusst nicht nur die Produktqualität des Rohöls und den Energieverbrauch der Anlagen, sondern vor allem den sicheren und stabilen Betrieb des Produktionsprozesses und die Wirtschaftlichkeit der Rohölförderung. 2. Designideen, technische Lösungen und Ansätze 2.1 Allgemeine Designideen Das Forschungsprojekt zur Anwendung faseroptischer Sensor- und Steuerungstechnik in Ölfeld-Kraftwerksanlagen nutzt faseroptische Sensortechnologie mit folgenden Eigenschaften: (1) nichtelektrische Messung, hohe Sicherheit und Explosionsschutz; (2) berührungslose Messung, umweltfreundlich und hochisolierend; (3) hohe Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und hohe Messgenauigkeit. Die Wuhan University of Technology Fiber Optic Sensing Technology Co., Ltd. hat erfolgreich faseroptische Produkte für die Überwachung von Prozessparametern in industriellen Produktionsprozessen eingesetzt. Drei neue, gemeinsam mit dem Ölfeld Henan entwickelte faseroptische Sensoren dienen als Hauptsensoren für die Vor-Ort-Überwachung. Diese Anlagen sind mit hochentwickelten Druck- und Temperatursensoren sowie der international verbreiteten verteilten Echtzeit-Überwachungstechnologie ausgestattet und bilden so ein fortschrittliches und umfassendes Produktions- und Sicherheitsüberwachungssystem. Dies verbessert den aktuellen Stand des Produktions- und Sicherheitsmanagements der gesamten Anlage, erhöht das Produktionsmanagementniveau, steigert die inhärente Sicherheit und reduziert die Arbeitsbelastung der Mitarbeiter. Damit wird ein neuer Weg für die Modernisierung des Managements in der Öl- und Gasförderung und -transport eröffnet. 2.2 Gesamtprojektziele (1) Das Öl-, Wasser- und Gasaufbereitungssystem der Anlage nutzt fortschrittliche faseroptische Sensortechnologie zur automatischen Erfassung, Steuerung, Anzeige und Alarmierung mehrerer Parameter im Produktionsprozess. (2) Der Wassereinspritztank und der Rohöllagertank sind mit faseroptischen Füllstandsmessern ausgestattet, um eine automatische Füllstandsmessung und Hochpegelalarmierung zu ermöglichen. (3) Automatische Erfassung, Steuerung und Alarmierung des Rohölexports. (4) Realisierung eines integrierten und intelligenten Managements und einer Steuerung innerhalb der Anlage. (5) Einrichtung einer schnellen Echtzeitkommunikation zwischen Produktions- und Sicherheitssteuerungssystem sowie Entwicklung von Datenschnittstellen für beide Systeme mittels dynamischer Datenaustauschtechnologie. (6) Das Sicherheitsmanagement entspricht den Anforderungen der Sicherheitsmanagementstandards der Sinopec Corporation; (7) Realisierung des Computernetzwerkmanagements von Station, Werk und Büro. 2.3 Hauptforschungsinhalte (1) Automatische Erfassung und Regelung des Öl- und Wasserstands in Dreiphasenabscheidern für Rohöl; (2) Automatische Erfassung und Regelung des Erdgasdrucks in Dreiphasenabscheidern für Rohöl; (3) Erfassung, Regelung und Alarmierung des Flüssigkeitsstands im Rohölstabilisierungsturm; (4) Automatische Erfassung des Flüssigkeitsstands im Leichtöltank; (5) Automatische Erfassung des Flüssigkeitsstands im Wassereinspritztank und im Rohöllagertank; (6) Automatische Alarmierung bei hohem Flüssigkeitsstand im Rohöllagertank; (7) Automatische Temperaturerfassung im Rohöllagertank; (8) Automatische Regelung des Wassermischsystems in Ölquellen; (9) Automatische Erfassung und Alarmierung von Druck und Temperatur in Fernleitungen für Rohöl; (10) Automatische Regelung des stabilen Öltransports für den Rohölexport; (11) Automatische Temperaturerfassung in Dreiphasenabscheidern; (12) Erfassung der Öltemperatur aus dem Bohrlochablauf; (13) Wasserdruckerkennung von Brandschutzsystemen; (14) Zentrales Überwachungs- und Anzeigesystem der gemeinsamen Station: 2.4 Technische Lösungen und Ansätze [2-4> (1) Die Einführung faseroptischer Sensortechnologie in die gemeinsame Station nutzt deren Vorteile: nichtelektrische, inhärent sichere und explosionsgeschützte Messung; berührungslose, umweltfreundliche, hochisolierende und elektromagnetisch unempfindliche Messung sowie hohe Messgenauigkeit. Dadurch lassen sich Probleme der Füllstandsmessung und Alarmierung von Rohöltanks, der Unterdruckmessung und Alarmierung von Tanks, der Rohölflussmessung und Signalfernübertragung sowie der Öl- und Wasserstandsmessung und Signalfernübertragung in Dreiphasenabscheidern lösen. (2) Forschung und Entwicklung entsprechender faseroptischer Sensoren. Da faseroptische Sensorprodukte erst spät in die gemeinsame Station der Ölfeldindustrie Einzug hielten, ist eine großflächige Anwendung noch nicht möglich. Daher können die derzeit ausgereiften faseroptischen Sensoren die Anforderungen der gemeinsamen Station nicht vollständig erfüllen. Um die technischen Inhalte der Projektforschung abzuschließen und das Gesamtziel des Projekts zu erreichen, ist die Forschung und Entwicklung entsprechender faseroptischer Sensoren in Kombination mit den spezifischen Betriebsbedingungen der gemeinsamen Stations-Prozessüberwachung erforderlich. (3) Entwicklung eines faseroptischen Schwimmerpegeltransmitters. Entwicklung eines faseroptischen Schwimmerpegeltransmitters zur Öl- und Wasserstandsmessung in Öl-, Gas- und Wasser-Dreiphasenabscheidern, um die derzeit verwendeten pneumatischen Instrumente zu ersetzen, die Probleme von Verstopfung, Leckage und Einfrieren bei der Übertragung herkömmlicher pneumatischer Signale zu lösen und die Geschwindigkeit der Regelung sowie die Zuverlässigkeit der Messung und Regelung zu verbessern. (4) Entwicklung eines faseroptischen Durchflussmessers. Anwendung des volumetrischen Durchflussmessprinzips und Nutzung der faseroptischen Wandlung und Übertragung zur Realisierung der Rohöldurchflussmessung und Fernübertragung, Lösung des Problems der geringen Störfestigkeit herkömmlicher elektrischer Instrumente aufgrund großer Übertragungsdistanzen und Vermeidung von Fehlfunktionen des Messsystems bei starken Störungen. (5) Entwicklung eines faseroptischen Unterdruckalarms für Lagertanks. Lösung des Problems der Unterdruckerkennung und -alarmierung in Rohöllagertanks und wirksame Verhinderung von Unterdruck-Tankkollapsunen durch Verstopfung des Entlüftungsventils. (6) Automatische Steuerung des Ölquellen-Wasser-Mischsystems und des stabilen Öltransports. Durch den Einsatz eines Frequenzumrichters und einer Druckmessung wird ein geschlossener Regelkreis gebildet, der den Betrieb der Pumpe im hocheffizienten wirtschaftlichen Bereich gewährleistet. Dies führt zu Energieeinsparungen und reduziertem Verbrauch, verringert den Wartungsaufwand und verlängert die Lebensdauer der Anlagen. (7) Produktionsprozess- und Sicherheitsüberwachungssystem: Die Produktionsanlage nutzt international verbreitete verteilte Steuerungstechnik und moderne Netzwerktechnologie, um ein fortschrittliches Produktionsprozess- und Sicherheitsüberwachungssystem zu schaffen. Dieses System ermöglicht die Echtzeitüberwachung und -steuerung von Produktion und Sicherheit und verbindet die Produktions- und Sicherheitsinformationen der Anlage mit dem Ölfeldentwicklungs- und Sicherheitsinformationsnetzwerk. Dadurch werden zeitnahe, umfassende und präzise Informationsquellen für die Entscheidungsfindung im Ölfeldmanagement bereitgestellt. 3 Anwendung faseroptischer Sensor- und Steuerungstechnik in der Produktionsanlage 3.1 Systemzusammensetzung und -eigenschaften Die primären Feldinstrumente verwenden faseroptische Sensoren, eigensichere Druckmessumformer und Temperatursensoren. Das Steuerungssystem basiert auf modernster „Gesamtlösungstechnologie“. Um die Vollständigkeit, Zuverlässigkeit, Stabilität und Sicherheit des Systems weiter zu verbessern, nutzt das Softwaredesign die international verbreitete MVC-Architektur. Das bedeutet, dass Präsentations-, Steuerungs- und Datenschicht getrennt sind und sich gegenseitig ergänzen. In der Anwendung spiegelt es intuitiv die mehrstufige Arbeitsweise auf Feld-, Überwachungs-, Ingenieur- und Bediener- sowie Unternehmensmanagementebene wider und realisiert so die ideale Plattform für eine echte, integrierte Anlagenautomatisierung, die fortschrittliche Steuerung von Produktionsprozessen in der Prozessindustrie sowie optimierte Planungs- und Managementprozesse. (1) Systemzusammensetzung: Das System besteht aus mehreren Komponenten, darunter die externe Übertragungsleitstelle, die interne Übertragungsleitstelle (Dreiphasen-Trenn- und Stabilisierungsleitstelle), die zentrale Leitstelle, das Sicherheitsüberwachungssystem für den Rohöltankbereich und das Notfallplan-Managementsystem. Die externe Übertragungsleitstelle, die interne Übertragungsleitstelle, die zentrale Leitstelle und das Sicherheitsüberwachungssystem für den Rohöltankbereich arbeiten weitgehend unabhängig, sind aber eng miteinander verbunden und bilden ein organisches Ganzes. Das Notfallplan-Managementsystem basiert auf den Sicherheitsrichtlinien der Station und auf Erfahrungen aus der Unfallbewältigung. Es wird als Textdatei im Systembildschirm installiert, um die Bediener bei der schnellen und präzisen Bewältigung von Notfällen zu unterstützen [5]. (2) Systemmerkmale: a) Hochpräzise Messung, eigensicher und explosionsgeschützt; b) Offene Architektur mit mehrschichtigen, offenen Datenschnittstellen; c) Hohe Zuverlässigkeit, Stabilität und Sicherheit, wartungsfreundlich und fortschrittliche Technologie; d) Umfangreiche Grafiken in chinesischen Schriftzeichen, komplexe und ansprechende Benutzeroberfläche mit Animations-, Skalierungs- und Mehrebenenfenstertechnologie sowie Echtzeitdarstellung verschiedener Daten, Kurven, Balkendiagramme usw.; e) Unterstützung verschiedener Produktionsberichte und Grafikdruckfunktionen; f) Umfangreiche Funktionen zur Protokollierung von Historien, Alarmen und Unfallereignissen; g) Leistungsstarke System-Selbstdiagnose und Fehleralarmfunktion; h) Die Managementebene nutzt Standard-100-Mbit/s-Ethernet (TCP/IP-Protokoll), und die Anwendung eines lokalen Netzwerks verbindet die gemeinsame Station direkt mit dem Entwicklungsnetzwerk und dem Sicherheitsinformationsnetzwerk des Ölfelds. 3.2 Wichtigste technische Systemkennwerte (1) Genauigkeit der Flüssigkeitsstandregelung ±5 cm; (2) Genauigkeit der Druckregelung ±2 kPa; (3) Flüssigkeitsstanderkennung in großen Behältern ±2 mm; (4) Temperaturerkennung ±2 °C; (5) Speicherung historischer Daten für 7 Tage; (6) Netzwerk-Datenübertragungsfehler ∠0,5 ‰. 3.3 Systemdesign (1) Hardwarekonfiguration des Steuerungssystems Die untergeordnete SPS dieses Systems ist die C200Hα-Serie der Omron Corporation, Japan. Die SYSMAC α-Serie ist eine neue Generation von SPS-Produkten der C200-Serie, die von OMRON nach C200H und C200HS eingeführt wurde. Sie dient dazu, die Anforderungen der automatisierten Produktionssteuerung auf hohem Niveau zu erfüllen, leistungsstarke Datenverarbeitungsfunktionen bereitzustellen, ohne die SPS-Funktionalität einzuschränken, Kommunikationsfunktionen zu verbessern, die Netzwerkstruktur zu optimieren und den Übergang zur datengesteuerten Fabrik zu beschleunigen. Im Vergleich zu den herkömmlichen SPS-Serien C200H und C200HS bietet die SYSMAC α-Serie neben verbesserter Basisleistung auch signifikante Verbesserungen in der Kommunikation und Datenverarbeitung. Sie unterstützt integrierte Steuerungs- und Managementsysteme und repräsentiert die aktuelle Entwicklungsrichtung von SPS. Kurz gesagt: Es handelt sich um eine preisgünstige, kosteneffiziente SPS der Mittelklasse mit einem robusten Befehlssystem, das sowohl Kontaktpläne als auch Anweisungen unterstützt und zahlreiche Sonderbefehle bietet, was die Programmierung für Anwender erheblich vereinfacht. Darüber hinaus ist sie mit einer Vielzahl von Spezialmodulen und leistungsstarken Kommunikationsmodulen ausgestattet, um die vielfältigen Anforderungen der Fabrikautomation zu erfüllen. Die in diesem System verwendete SPS der Serie C200Hα ist ein Rackmount-Gerät. Verschiedene E/A-Einheiten, Funktionsmodule, Kommunikationskarten, CPU und Netzteile sind auf einer einzigen Grundplatte montiert und belegen je nach Steckplatz unterschiedliche Speichereinheiten. Der Benutzerprogrammspeicher umfasst 7,2 KB, und die E/A-Anbindung verfügt über zwei E/A-Erweiterungsschienen. Die maximale Anzahl an Steuerpunkten beträgt 1140. Die Ausführungszeit der Basisbefehle beträgt 0,313 Mikrosekunden, die der Spezialbefehle 1,250 Mikrosekunden. Damit werden die Anforderungen der Prozesssteuerung vollumfänglich erfüllt. Das System unterstützt diverse spezielle E/A-Einheiten und Kommunikationsvorlagen und kommuniziert problemlos mit dem Host-PC (IPC), der SPS im selben System und entfernten E/A-Einheiten. Die Bedienung ist einfach. Die SPS-Auswahl für dieses System ist in der beigefügten Tabelle dargestellt. (2) Programmiersoftware für das Steuerungssystem: SYSMAC-CPT (englische Version). SYSMAC-CPT ist ein von OMRON entwickeltes Kontaktplan-Programmierwerkzeug für die Betriebssysteme Windows 95/98. Es dient zum Kompilieren von SPS-Kontaktplanprogrammen auf herkömmlichen PCs und zum Übertragen des Programms über die serielle Schnittstelle auf die SPS. Das Programm überwacht den Betrieb der SPS und den Status der einzelnen Register online und ermöglicht die Einstellung verschiedener SPS-Parameter. Es unterstützt sowohl den Kontaktplan- als auch den mnemonischen Modus, die ineinander konvertiert werden können, und ist äußerst benutzerfreundlich. Spezifische Details zu den einzelnen Modulen und der Adresszuordnung finden sich in den Hardware- und Software-Designabschnitten der jeweiligen SPS. 4. Fazit: Das Forschungsprojekt zur Anwendung faseroptischer Sensor- und Steuerungstechnik in Ölfeld-Verbundstationen hat durch Forschung und Implementierung Sicherheitsrisiken beseitigt, das Sicherheits- und Automatisierungsniveau der Verbundstationen verbessert und signifikante Energieeinsparungen und Verbrauchsreduzierungen erzielt. Es bietet einen hohen Mehrwert für Öl- und Gasförder-, Transport- und Verarbeitungsanlagen. (1) Erstmals wurde faseroptische Sensor- und Steuerungstechnik in großem Umfang für die Öl- und Gasverarbeitung sowie den Transport eingesetzt. Die hohe Präzision, die nichtelektrische und berührungslose Detektionscharakteristik der Faseroptik ermöglichte der Weigang-Verbundstation eine wetterunabhängige, automatische Mehrpunkt- und Mehrparameter-Detektion und -Überwachung, wodurch das Stationsmanagement integriert und intelligent gestaltet wurde. (2) Drei neue Arten von faseroptischen Sensoren – ein Tank-Unterdruckalarm, ein faseroptischer Durchflussmesser und ein faseroptischer Schwimmerfüllstandsmesser – wurden entwickelt und hergestellt. Dies sind die ersten Forschungsarbeiten und Anwendungen dieser Art in China. Sie zeichnen sich durch hohe Leistung und zuverlässigen Betrieb aus, wodurch die Sicherheitsrisiken in explosionsgefährdeten Bereichen deutlich reduziert und das inhärente Sicherheitsmanagement der gemeinsamen Anlage verbessert wird; (3) Erhebliche wirtschaftliche Vorteile. Das System gewährleistet den stabilen Betrieb der Sammel- und Transportanlagen sowie der Wassereinspritz- und Wassermischanlagen im Hocheffizienzbereich und erzielt so Energieeinsparungen und Verbrauchsreduzierungen. Das System arbeitet stabil, verbessert die Betriebsbedingungen von Pumpen und Motoren, reduziert die Ausfallrate der Anlagen, ermöglicht die Integration mehrerer Standorte und senkt die Arbeitskosten für die Öl- und Gasgewinnung und den -transport; (4) Hoher Automatisierungsgrad. Produktionsanomalien werden umgehend gemeldet. Die Parameter des gesamten Prozesses werden automatisch erfasst und Produktionsberichte automatisch generiert, wodurch die Arbeitsbelastung der Mitarbeiter reduziert wird; (5) Die Einführung internationaler Internettechnologie und die Implementierung der Fernüberwachung liefern Entscheidungsträgern auf allen Ebenen Echtzeitinformationen zum Verständnis der sicherheitsrelevanten Produktionsdaten in explosionsgefährdeten Bereichen und bilden die Grundlage für die Bearbeitung und Analyse von Produktionsanomalien.