胜利油田联合站生产运行计算机仿真系统∗

吴德明 重庆电子工程职业学院

胜利油田联合站生产运行计算机仿真系统∗

吴德明 重庆电子工程职业学院

胜利油田开发已进入中后期，针对联合站原油脱水效果降低，稳定性、可靠性、安全性下降，以及运行、操作复杂等问题，设计了一套联合站计算机仿真系统。运用系统识别和机理分析相结合的方式，对联合站各子系统建立输入输出参数之间的相互关系，从油田现场采集数据井进行识别，替换相互关系式中相应的未知参数，最终建立联合站整体模型。该套系统在胜利联合站应用，能够模拟油田联合站生产运行过程，进行老旧设备改良和新工艺、新技术优选实验等，动态模拟各个设备运行过程，确定安全、稳定运行的设备参数，不但可以降低实验成本，而且还能满足油田高效、安全的生产理念。

油田联合站；流程；仿真系统；结构；模型功能

胜利油田开发初期建设的联合站由于工艺技术比较落后，难以适应当前开发阶段的技术要求；同时，早期联合站运转至今，历经多年的连续工作，许多部件和功能难以维持设计初衷，各种设备逐渐老化，从而导致油田联合站的原油脱水能力及效果大大减弱，稳定性、可靠性、安全性逐年下降，联合站能耗不断增加。因此，油田联合站运行系统的工艺改进和技术升级刻不容缓。另外，油田联合站各个系统之间联系紧密，系统运行复杂、操作规则苛刻，需要相关作业人员具有相当高的业务水平和实际动手操作能力，相关人员的岗位培训必须得到重视。

图1 仿真系统主要功能部分工作流程

1 联合站仿真系统设计

应用网格式结构对联合站仿真系统进行设计，以达到多节点同时操作，多工位同时培训的目的。该系统以具有实时多任务管理能力的Windows NT系统为平台，结合Windows人机界面特点，最大限度简化联合站复杂的运行机理和人工培训作业，使仿真系统易于操作，便于培训[1]。仿真系统主要功能部分工作流程如图1所示。

1.1 仿真系统构成

胜利油田联合站仿真系统主要由互联网、监控仪表和工控机构成。仿真系统采用基于Windows的局域网络，将系统各个部件串联在一起，基本可适应油田联合站一般的仿真和培训工作。监控仪表是仿真系统的信息收集者和命令执行者，在该系统中具有十分重要的地位。联合站有些生产环节对相关的监控仪表要求很高，不仅要求其获取并传递准确无误的生产信息，而且还要求其具有满足高危环境中稳定提供信息的能力。工控机部分由多台工业控制计算机构成，以两台PC机和触摸屏计算机作为上位机，实现信息的存储、解析、呈现和输出，多流程模型运算、网络管理等功能。以PLC作为下位机，实现信息的采集、分析处理、诊断识别、输出控制等功能。

1.2 仿真系统机理

联合站仿真系统应用多模型并行运行方式，结合Windows多进程、多线程管理方法，将整个流程仿真模型作为一个大的进程，全流程中细分各个工区作为一个线程，存储于单个模型进程中，实现多流程模型或单流程模型并行运行，使各模型进程具有自己相对封闭的数据区，避免彼此影响。

胜利油田联合站仿真系统分为教练站、模型站、培训站三部分[2]。教练站发布控制命令，实现上述仿真系统的运行，并作用于模型站和培训站。模型站接收到教练站的控制命令后，可以及时开启或关闭特定模型进程中特定的线程，将操作控制精确到点，使整个联合站复杂系统的控制调整变得非常精准、灵活。培训站接收到教练站的控制命令后，可以提供三种备选培训方式供用户选择，每种培训方式各具特点。比如，用户选择现场培训方式，系统将自动取得相应模型进程和线程号，使受训人员直接面对逼真的具体工区进行培训工作，而此过程不会干扰其他模型的进程。

1.3 仿真培训系统

仿真培训系统主要由上位机和操作站构成。

（1）上位机。首先将联合站作业培训知识传递给仿真培训系统的预处理模块，接收到知识信息的预处理模块依据知识数据进行分析推理，生成事物指令子系统。事务指令子系统结合操作站软件系统，按照基本的逻辑关系，最终将知识信息整合到仿真系统上位机上，生成相应的培训软件。

（2）操作站。培训系统通过交互设备获取外部信息，结合用户和环境特点，自动生成对应现场站的知识文件，输送给上位机。上位机接收文件后经分析处理，将其分配给现场站和操作站作为其交互界面的数据资源。

2 仿真系统模型

2.1 模型建立

仿真系统模型的核心是数学模型[3]。联合站数学模型是指从大量实践中抽象出的能够全面、系统、深刻反映联合站本质的以数学语言表述的理论。联合站主要分为油气分离、沉降脱水、电加热脱水、污水处理、原油外输等子系统，对应的主要设备有三相分离器、沉降罐、脱水泵、电脱水器、加热炉、净化罐、外输油泵等。联合站仿真系统模型的开发，必须根据以上设备工作方式和特征，确定动态模型的建立方法，并且所建立模型要能够详尽地反映各个设备在各种工况下的生产运行方式及其内部关系。

建模中运用系统识别和机理分析相结合的方式，对联合站各子系统建立输入输出参数之间的相互关系，从油田现场采集数据进行识别，替换相互关系式中相应的未知参数，最终建立联合站整体模型。此外，运用模态分析方法对模型进行处理，获得简化的实用模型，以满足联合站仿真系统模型计算量小、运算速度快的要求。

胜利油田联合站建模步骤如下：①根据设备机理建立系统的初步模型；②在设备工作状况良好状态下，获取设备运行静态参数；③根据设备运行过程中各个变量间的关系，获得设备运行动态参数；④模型试运行检测模型故障并排除，完成模型修正。

2.2 模型功能

（1）实现联合站相关基础工艺的数值模拟计算和动态仿真运行，为工艺设计提供借鉴，验证已有设计方案的合理性。

（2）模拟油田联合站生产运行过程，进行老旧设备改良和新工艺、新技术优选实验等，不但可以降低实验成本，而且能够满足油田高效、安全的生产理念。

（3）动态模拟各个设备运行过程，确定能够满足安全、稳定运行的设备参数。

（4）提供多种培训方案，使受训人员快速、高效学习并熟悉油田联合站的工艺流程和操作规则。

3 结论

胜利油田联合站是一个结构复杂、功能庞大的油气处理系统。基于计算机技术的油田联合站仿真系统，对联合站生产参数及其各个设备运行情况进行分析，建立了仿真模型，并利用计算机进行模拟运行。联合站计算机仿真系统能够全面、系统地模拟联合站的各项生产作业运行状况，让油田管理者能够据此优选符合油田要求的生产方式，及时整改不良的生产环节。该系统很好得适应了当前油田开发的阶段性要求，提高了联合站的生产运行效率。

此外，联合站仿真系统加入了员工培训模块，培训模块操作直观、界面友好、功能全面，有效解决了因联合站操作复杂而引起的操作培训问题，提高了作业人员的技能素质。计算机仿真系统为胜利油田联合站高效、安全运行提供了重要保障，对其他油田的自动化控制工作具有一定的借鉴意义。

[1]任长江．油田联合站控制系统的设计与实现[J]．自动化技术与应用，2008，27（7）：99-100．

[2]孙玉华，董守平，石卫红，等．油田联合站计算机仿真系统[J]．油气田地面工程，2002，21（2）：64-65．

[3]高汝维．油田联合站动态仿真系统开发[D]．青岛：中国石油大学（华东），2011．

（栏目主持关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.016

基金论文：重庆市教委科学技术研究资助项目“大型风电齿轮箱耦合非线性动态特性分析与可靠性稳健优化设计”（KJ132205）。