古尔班通古特沙漠天然气井口 WirelessHART智能无线仪表应用

本项目根据气井生产能力，选取8口气井作为改造对象，使用先进的WirelessHART智能无线技术，采集井口的工艺参数，并通过无线电通讯的方式，将井口监控数据传送至位于集气站的上位控制系统中。实现了对井口的远程监测,降低了人工巡检的劳动强度,提高了井口生产的可靠性。

本项目在实现滴西18井区生产气井的全面监控的同时，也为克拉美丽气田整体数字化建设提供了技术支撑。未来可以方便地通过智能化的井口监测、RTU、SCADA系统以及分布式RTU网络，实现气田的整体数字化。

一、项目概述

克拉美丽气田位于古尔班通古特沙漠，是新疆油田公司发现的首个千亿方储量规模的火山岩气田，针对气田各井区井数多、井距远、冬季环境温度低的特点，集输系统布站采用“单井→集气站→处理厂”的模式，以减少管道投资并保障单井在低温环境下长距离集输。

为提高克拉美丽气田井口地面工程管理效率，全面实现对气井生产动态在线实时监控，本工程项目以克拉美丽气田滴西18井区单井为试点，将该井区接入系统单井进行分类，选取合适单井作为试验对象，通过采用无线仪表和无线数传电台方式传输信号，实现井场参数的远程监测，最终实现滴西18井区生产气井全面监控。

二、自动化状况

数字化工程实施前，滴西18井区各单井中，2口水平井井口参数（压力、温度）采用压力、温度变送器，通过井口RTU实现单井数据远程采集,数据传输采用光纤传输；其余16口直井井口参数（压力、温度）为就地显示：压力仪表采用弹簧管式压力表，温度仪表采用双金属式温度计，各仪表均不具备数据远传功能。

三、存在问题

针对气田单井数量多、分布广、产量波动频繁、管理难度大、大部分气井井口参数无法远程监控等特点，作业区成立4个巡井班，每班10人管理气田单井。管理制度为：生产气井一天两班（白班、夜班）、每班巡检2次，长关气井、边缘井每班每周二巡检1次。主要记录井口油压、套压、井口温度、节流前后压力和温度，实时掌握气井生产动态及设施设备完整性，保证气井正常生产。

由于改造前单井自动化水平低，RTU远传、UPS覆盖面较小，仅有2口单井井口配有RTU及UPS，大多数气井无法实现远程监控及操作，员工巡检劳动强度大（见表1）。此外，一旦单井井口出现突发紧急情况时，员工无法第一时间及时掌握现场状况并解决问题，且处理问题时间较长，员工劳动效率低下，为气井正常生产埋下隐患。

表1 2013年6~8月巡井情况统计

因此，需将滴西18井区接入系统单井进行分类，选取合适单井作为试验对象，通过采用无线仪表与数传电台相结合的方式传输信号，实现井场参数的远程监测，最终实现滴西18井区生产气井全面监控，为克拉美丽气田整体数字化建设提供技术支撑。

四、传输参数确定

根据所选单井工艺，井口采用加热节流单井需采集参数共计4个：油压、一级节流前温度、井场外输压力、井场外输温度，表2。数据采集频率应小于5分钟。

表2  加热节流单井井口参数传输确定

五、WirelessHART智能无线仪表技术优势

本项目现场无线网络WFN采用WirelessHART协议。WirelessHART作为HART 7.0规范中的一部分，是一种针对过程自动化应用的无线网状网络通讯协议。其目的是让用户在保持现有设备、工具和系统已执行的基础上，为HART协议增加无线功能。

WirelessHART无线设备组成的现场通讯网络，采用全网格拓扑结构（Mesh Topology），集成工业级的安全措施，通过高度可靠的冗余路径进行通讯。这个无线网络可以自我组织、自我适应、自我愈合，可靠性超过99%。即使通讯路径受到干扰，无线设备也能够自动重新选择其它最优冗余路径进行通讯。

WirelessHART现场无线设备包括测量温度、压力、无线控制等过程参数的无线仪表以及无线网关等。这些设备配备无线发射装置，设备和微波发射部件无缝式地集成于一体，无线仪表通过工业级本安认证的锂电池供电，考虑安全性该电池不可充电，电池寿命在60秒钟刷新速度下可以用10年以上。

● 通用性

WirelessHART符合IEC 62591以及GB/T 29910.1～6-2013标准，大量的安装基础和相当数量的HART 产品提供商的存在，加上HART 通信基金会（HCF）的大力推广，为该协议的使用提供了保障。

事实上，如今每一个过程自动化需求都有相应的有线HART 产品支持和满足。无线HART 为HART 设备的通信提供了另一种简单途径。

● 可靠性

WirelessHART网状拓扑的自组织和自愈特性使网络长期拥有自主可靠性和鲁棒性。当有干扰或者其他物体阻隔通信线路时，该网络立即自动路由传送数据以保持畅通。由于WirelessHART采用了冗余网状拓扑的优化路径，所以可以在整个网络实现可靠性。

与其他使用2.4GHz 频段的技术一样，WirelessHART也会受到来自其他网络信号源的干扰。为解决这一问题，WirelessHART协议实现了IEEE 802.15.4频率标准下16个信道之间的跳频，灵活地解决了干扰的问题而不是进行暴力破解。同时，还可以采用每次发送前的空闲信道评估（CCA）技术和信道"黑名单"技术避免特定区域的干扰，也同时将对其他网络的干扰降到最低。

● 时间同步通信

所有设备间的通信在一个预设时间窗内进行，实现了高可靠（无碰撞）、高能效和可伸缩通信，增强了互操作性和易用性。每条报文都有一个优先级定义以保证合适的服务质量QoS 传输要求。固定的时间片划分也可以让网络管理者为任何应用创建一个无需用户干预的优化网络。相对的，如果采用可变时间片或者非同步通信方式，则会造成复杂的用户配置、低质量的QoS、高能耗和不可靠的通信结果。

● 安全性

WirelessHART采用了强健的安全网络技术保证网络和数据始终处于保护之下。这些技术包括：

√  加密--128位加密手段保护数据不被截获

√  验证--信息完整性检测码验证每个数据包

√  鲁棒运作--跳频和网状基础结构可以减缓网络拥堵和拒绝服务（DoS）攻击的情况

√  密钥管理--旋转密钥可以避免未认证设备加入网络通信

√  认证--未经认证的装置不允许进入网络中

● 丰富的诊断数据

HART装置带有丰富的仪表诊断数据，包括仪表故障信息、电池电量、传感器故障信息、仪表参数设置、过程值报警等，WirelessHART的适配器功能提供了一种与资产管理系统、历史数据库等其他工具的通信机制，从而让这些诊断数据发挥作用。

● 与上位系统灵活集成

WirelessHART设备的数据通过无线网关1420集成到上位系统（如RTU或HMI工作站）中。网关可安装在户外，也可以安装在室内而采用延伸天线至室外的方法；可提供多种通讯接口和不同主机系统连接。

√  通讯接口支持以太网通讯标准（Ethernet 10/100M），以实现与主机系统的OPC、Modbus TCP的通讯；

√  网关预置了Modbus RTU两线制RS-485串口通讯口，支持多点连接（Multidrop Connections），波特率设置从9600至 57600bps可选，电缆距离最远不超过1200米。

现场可以同时安装多个无线网络，分别由各自的网关管理。每个网关管理的单个无线网络连接最多100台设备。

安装方式方面，无线现场设备同有线传统设备相同，无需额外专门培训。

六、井口无线方案

滴西18区块井口分布见图1所示：

图1 滴西18区块井口分布

在滴西区块，要求9个井口温度及压力监测数据以无线方式进入集气站PLC系统实现监控，由艾默生公司采用RTU+智能无线网关+智能无线变送器实现井口数据信号无线监控。

依据滴西区块平面布置图及测点安装位置，现场无线网络包含滴西18、滴西1835二个网络。网络结构图及功能说明如下：

√  滴西18共计5口井，每口井分别有2台压力变送器、2台温度变送器，无线监测点共计20点，按照井口地理位置分布，构建可靠性无线网络需要配置4台无线中继仪表，因此无线设备共计24台。

√  GW1420智能无线网关+RTU+AP无线接入热点安装在滴西18井场，每个GW1420无线网关采用24VDC/0.5A供电。GW1420远程天线配有防浪涌保护器，可有效防止雷电对网关的影响。GW1420采用Modbus TCP/IP网线连接RTU。

√  滴西1835共计3口井，每口井分别有2台压力变送器、2台温度变送器，无线监测点共计12点，按照井口地理位置分布，构建可靠性无线网络需要配置1台无线中继仪表，因此无线设备共计13台。

√  GW1420智能无线网关+RTU+AP安装在滴西1835与1824井场之间，GW1420无线网关采用24VDC/0.5A供电。GW1420远程天线配有防浪涌保护器，可有效防止雷电对网关的影响。GW1420采用Modbus TCP/IP网线连接RTU。

√  对无线设备的管理视同有线HART设备管理，由网关附带AMS 设备管理软件完成。

√  滴西185井口有电力线，可供就近RTU及数传电台使用。井口数据采用普通有线测量及通讯方式。

根据现场井场地理分布，艾默生技术人员在2014年4月20日完成对滴西18区域无线网络测试，4月21日完成对滴西1835区域无线网络测试，部分测试数据如下图所示，表中相关无线网路通讯数据分别为数据传输可靠性、无线路径稳定性、无线信号强度RSSI 、仪表测试数据等。仪表无线网络通讯均显示正常，网络状态稳定可靠。

图2 无线网络通讯状态Part1（上部红色为未上电仪表，648黄色报警指示未接传感器）

图3 无线网络通讯状态Part2

图4 无线网络通讯状态Part3

七、RTU系统集成

RTU系统采用艾默生的ControlWave RTU系统，通过电台将井口监测数据传送至集气站上位系统。

艾默生ControlWave RTU的无线接口卡IEC62591直接安装于RAS 控制器机架内，无线现场连接模块(Field Link)作为天线通过馈线接入IEC62591卡件。通过这种一体化的接入方式，WirelessHART智能无线仪表无缝集成入RTU内，就如RTU自带的I/O模块，并且可以通过控制器的转送，连接AMS。现场数据进入RTU控制器，就像其他本地数据点一样被访问和读取,这些数据可用于：

√  控制应用

√  测量应用

√  历史数据存储

√  ControlWave 网页

√  分配MODBUS地址

√  SCADA 读取

本工程项目数据传输只考虑单井到滴西18集气站，采用无线方式。

通过调研和比较，确定采用目前市场上主流的无线电台传输方式：在井口设置无线电台发射端，滴西18集气站设置电台接收端，电台带RS485接口和RJ45接口,电台接收端需安装在高处尽量与发射端可视。

八、供电系统

井口无线压力、温度变送器采用自带电池供电（电池供电时间5~10年）；滴西185井口有电力线，可供就近RTU及数传电台使用；集气站数传电台及客户端电脑由集气站提供；处理站客户端电脑由处理站提供；另外2台RTU（每台功耗最大25W、正常20W）及数传电台（功耗20W）选用太阳能电池板+蓄电池方式供电，新疆地区纬度高，冬季有效日照短（只有3.5小时），在系统设计时充分考虑了这些因素，本项目按连续阴天3天也可完成系统的正常供电来进行设计。该项目现场施工量少，投资较低。

2台太阳能蓄电池采用直埋沙地的方式保温，人工挖坑填埋

九、整体方案总结

本项目井口数据采集及传输采用无线仪表。现场无线仪表之间的通讯网络，采用WirelessHART无线技术，具有自组织全网格拓扑结构（mesh topology），集成工业级的安全措施，采用功能强大的冗余通讯方式。无线网络自我组织、自我适应、自我修复，数据传输可靠性大于99%。由于采用 Mesh 结构，无线网关具备网络管理功能，因此，在通讯路径被干扰时，网络无线设备能够自动重新选择其它冗余路径进行通讯。现场设备之间的无线通讯的物理层协议，采用 2.4GHz 的 ISM 公用频段，应用直接序列扩频技术（DSSS）克服无线网络干扰，无线通讯的链路层（Link Layer）符合 IEEE 802.15.4 工业无线通讯标准，在应用层符合WirelessHART协议，数据包采用 AES-128 位的行业标准加密技术，以保证现场设备之间的通讯安全。

在滴西18井区试验单井新增无线压力、温度等仪器仪表，通过无线仪表互相通讯的特性接入无线RTU，RTU接受完所有无线仪表的数据后，通过数传电台将数据传输至滴西18集气站客户端，利用该集气站已建光纤将数据传输至处理站客户端。处理站预留数据接口，以便后期将单井数据传输至厂生产运行集中监控中心。

图5  井口数据传输方式示意图

测量仪表及通讯设备采用无线压力变送器、无线温度变送器和无线RTU（均为进口仪表设备）；通讯采用WirelessHART无线通讯协议，单台仪表数据传输距离为800m，各单井的无线数据如果无法被无线RTU所接收，可在合适位置选择无线离散变送器作为信号中继，稳定可靠，精度高。

图7  9口气井、RTU、中继GPS卫星定位

综合考虑以上情况，采用无线仪表通讯方式可以满足现场数据的采集和监控，整套方案不用布线、穿管、接线端子，操作简单易行。节省了安装的时间和资金成本。

实施单井数字化工程后，可降低巡井人数和巡井频次，巡井班39人可减至8人，巡井频次从一天4次逐渐减少至一周1次，极大的降低了员工工作量，提高气田自动化程度，降低了气田运行成本，为气田智能运行管理水平打下良好基础。具体将带来以下效益：

1、经济效益：

（1）人员劳动成本。巡井班39人改为8人，按每人每年劳动成本20万元计算，可节省费用：200000×31=6200000元/年。

（2）车辆成本。巡井车辆4辆，每辆车每小时38元，每天10小时。可节省费用：

38×10×4×365=554800元/年。

经济效益总计：6754800元人民币/年

2、环境效益。减少车辆出行，降低安全风险，减少尾气排放，低碳环保。