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案例頻道 摘要：微生物驅注聚裝置是為了適應吉林油田特殊需求而研制的注聚成套設備，特別適合小區塊、短時間、需要頻繁移動的區塊使用。本文簡要介紹了該注聚裝置的構成、功能及工藝流程；重點介紹自動控制系統及軟件編程方法。該設備具有撬塊化、模塊化、系列化及可移動性等特點。控制系統穩定可靠、易于擴展、便于維護、操作簡單、界面友好、自動化程度高。
關鍵詞：微生物；注聚裝置；自控系統
1 項目概況
目前各油田已普遍進入高含水期，產量遞減加速，穩產難度加大。為實現穩產、增產的目標，應用三次采油技術提高采收率，經實踐證明降水增油效果明顯。
吉林油田扶余采油廠根據地質情況采用“微生物驅”注聚模式（清水、菌液、營養基），由勝利油田勝機石油裝備有限公司三采中心提供成套設備。微生物是生命體，注入時要確保生命安全，避免其他細菌的滋生。微生物驅注入的是三種物理性質不同的液體（不能現場混合），三種液體要同時、按恒壓自動閉環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”注聚周期為幾個月至一年左右，注聚井為3~8口，因此該設備需頻繁移動。為此，此裝置全部采用撬裝式高強度彩鋼板房構成、工藝流程管線配裝標準接頭、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，值班室監控計算機與各撬塊PLC組網連接，對設備運行流程實時監控，完成工藝流程動態顯示、數據監測、設置與修改各種參數、故障報警提示、數據庫實時記錄、動態趨勢圖及報表打印等功能。
2 主要技術參數及自控要求
（1）清水由現場水源井供水、水罐儲存；菌液及營養基由罐車輸送。
（2）菌液、營養基、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：總流量可調但配比比例不變。配比方案2：總流量不變可調整配比比例。
（3）提供注聚泵兩臺，注聚井3~8口，單臺注聚泵排量3~7m3/h。
（4）喂入工作壓力0.6Mpa，極限壓力1Mpa；恒壓閉環按配比比例配注，過壓及低流量停泵保護。
（5）注入工作壓力12Mpa，極限壓力20Mpa；恒壓閉環一泵多井注入，過壓停泵保護。
圖1 工藝流程示意圖
3 工藝流程簡介
根據“微生物驅”注聚工藝要求，整個流程可分為4部分。
（1）罐區部分主要由清水罐、菌液罐及營養基罐構成。
（2）喂入部分主要由三臺喂入螺桿泵、各泵流量計及出口壓力傳感器構成。
（3）注入部分主要由兩臺注聚泵、各泵出口壓力傳感器及匯管流量計構成。
（4）井口部分主要由各井口壓力表、流量計、調節閥等構成。
4 控制系統方案
4.1 系統方案
“微生物驅”成套設備采用三套撬裝板塊結構形式，由喂入撬塊、注入撬塊、罐區部分及監控值班室組成。各部分既相對獨立、又構成一個整體。
4.2 硬件組成
自動控制系統本著安全、經濟、高效的原則，要求具備高可靠性和較高的自動化水平。可編程控制器（PLC）采用日本松下電工的FPG-C32TH，具有性能先進、指令豐富、組網功能強大、抗干擾能力強、可靠性高、編程靈活等優點。監控計算機采用臺灣研華工業控制計算機，具有防塵、防震、防潮、可連續使用及高可靠性。監控軟件采用北京亞控科技發展有限公司的《組態王6.52》版，界面友好、功能強大、驅動程序豐富、運行穩定可靠。
圖2 控制方案示意圖
5 控制程序要求
5.1 根據工藝流程特點及控制要求，控制程序必須要解決以下幾個問題
（1）三種液體同時喂入時的恒壓閉環自動調節控制；
（2）在恒壓條件下的按比例喂入；
（3）比例值根據需要可隨時調整（總喂入量不變、比例系數改變；總喂入量改變、比例系數不變）；
（4）井組匯管恒壓閉環自動調節注入控制；
（5）完善的系統保護控制（如注入高壓報警停泵、喂入出口低流量報警停泵、某種液體低流量檢測控制等）。
5.2 控制的難點
（1）因菌液、營養基在注入現場不能儲存，必須在流程中實現比例混合，三種物理性質差別較大、流量范圍差別較大的液體同時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可調，控制實現極其困難，即三泵并聯恒壓閉環自動調節并按比例輸出的控制要求是本裝置設計的最大技術難題，也是必須解決的難題。
（2）對控制的精度、可靠性、響應時間要求很高。以恒壓為主、比例為附控制的關鍵是壓力要穩、流量要準，因流程較短、電磁干擾、液體波動等因素的影響，喂入出口壓力值是瞬時變量值，極難保持穩定，給閉環調節控制帶來極大的難度。
（3）喂入系統與注入系統的響應配合問題。在初始設計時喂入泵出口安裝有回流管線，啟動時打開回流等喂入泵閉環正常后再啟動注入泵；但廠家根據液體性質要求在運行過程中不允許開回流，因此造成現場使用時出現下列問題：
喂入系統啟動快、注入系統啟動慢時，會造成喂入出口憋壓，導致安全閥動作，控制失敗。
喂入系統啟動慢、注入系統啟動快時，會造成喂入欠流量，注入泵缺液工作導致異響并損傷泵。
（4）喂入系統不能連續配液。菌液、營養基都是從培養站用罐車拉來，由于一罐液體注完后需人工換液，造成某一種液體供液中斷的問題，在這種情況下，會形成其他液體回灌和喂入、注入泵進氣、使泵產生排量下降和異常響聲的問題。另外，因為菌液的特殊要求，避免雜菌滋生（罐設計工作壓力0.3MPa；管內粗糙度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液位計，罐體液位不能監控也不能目測。
（5）井組母液匯管注入時各井口相互影響的問題。井組母液匯管連通的井口數在3~8口之間，各井的井壓高低不同、所需流量大小不一，對匯管壓力影響很大，故對井組匯管壓力實現恒壓閉環自動調節輸出也很困難。
（6）井組作業時間短，設備移動頻繁。
5.3 解決的方法
（1）對問題1，采用對清水恒壓閉環控制；對菌液、營養基恒流量閉環控制的方法來實現“三泵并聯恒壓閉環自動調節并按比例輸出的控制”。
（2）對問題2，采用對壓力、流量信號在單位時間內計算累計平均值，并在累計過程中刪除瞬時最大值與最小值，可有效的“濾除”干擾及波動信號，使出口壓力采集值真實、正確、可靠。
（3）對問題3，一是加裝喂入及注入泵連鎖啟動控制功能；二是合理設置喂入（螺桿）泵、注入（三缸柱塞）泵的變頻啟動時間；三是在閉環控制程序中加入抑制超調控制子程序。
（4）對問題4，對清水、菌液、營養基的流量設定流量下限報警值及停泵值，當某一液體流量報警時，監控微機會出現報警畫面、原因提示及蜂鳴器報警，供值班人員參考，當流量低于停泵值時，控制程序會將喂入泵、注入泵全部停機，以防止液體回灌及喂入、注入泵進氣。
（5）精心合理的匹配閉環調節P、I、D參數值，使其兼顧穩定性和響應性。
5.4 控制柜功能
（1）各控制柜面板均安裝有液晶觸摸屏，既可對各種控制參數進行設置和修改；也可顯示各種運行參數值，現場操作十分方便、快捷。
（2）運行方式有工頻、變頻選擇；調節方式有手動調頻、自動調頻選擇；工作方式有手動、自動選擇。
（3）低壓電器與儀表均選用優質產品。如E+H的防震高精度壓力傳感器、橫河雙頻抗干擾流量計、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，以保障設備在惡劣環境下及頻繁移動中的可靠性。
（4）撬塊上安裝有電源接線箱，箱內安裝有相序報警及指示燈，防止電源相序錯誤；各控制柜側板安裝西霸士重載連接器，可快速連接與拆卸。
6 系統通訊
在分布式控制系統中普遍采用串行數據通訊。在本系統中，上位機在值班室，通訊接口為RS485、1:N的通訊方式。各控制柜被設為不同的站號，通訊中由《組態王》運行系統啟動通訊功能并通過各站號與之交換數據，上位機接收到數據后，進行刷新顯示。
上位機與各控制系統既互相通訊，構成一個完整的控制系統；又能彼此相對獨立工作，上位機或通訊系統出現故障時，各控制柜仍能夠正常工作；某一控制柜出現問題時，上位機和其余控制柜也能工作，確保現場設備安全、可靠的運行。
7 監控系統畫面
運用組態王開發環境開發監控顯示畫面，主要內容包括設備流程主畫面、喂入裝置畫面、罐區畫面、注入畫面、數據庫及參數報表等。運行Touchvew實時運行軟件進入動態畫面，首先進入流程主畫面，如圖3所示，顯示聚合物分散溶解的工藝流程全貌，各設備的狀態以動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、具體的監控數據。值班人員在值班室就能對設備的總體運行情況一目了然。
圖3 監控流程主畫圖
8 結語
微生物驅是三次采油技術研發的一項新工藝，無論是注聚工藝、控制要求、液體性質等都與聚合物驅有很大的區別，要針對其特點采取相應的方法才能滿足廠家的使用要求。
采用豐富的應用軟件和良好的人機接口，將PLC、工控機、觸摸屏進行有機的結合，采用優質的低壓電器元件及規范標準的配線工藝，組成了高性價比和高可靠性的硬件控制系統；控制軟件程序經過與用戶工藝技術人員協調后，經過兩周的現場調試、功能優化、參數匹配，最終經用戶驗收合格，完全滿足所需的控制需求和功能，實現了生產過程的實時監控系統和控制管理。
圖3 監控流程主畫面圖
設備撬裝化、功能模塊化、安裝便捷化、工作可靠化，是此套設備最大的優點，也是用戶的最終評價。
參考文獻：
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[3] FPΣ用戶手冊[Z].松下電工株式會社.
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[5] 組態王用戶手冊[Z].北京亞控科技發展有限公司.
楊新泉（1962-）
男，山東蒼山人，本科，工程師，現就職于勝利油田勝機石油裝備有限公司三采中心，主要從事三次采油裝備自動化設計與開發工作。
摘自《自動化博覽》2011年第十二期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號