基于工业物联网的地热井阻垢剂加注装置研制

自动化与仪表 ２０24,39穴5雪
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仪表与自动化装置
已形成了相对成熟的防垢除垢技术 。 [1-3] 然而，我国 地热发电虽然起步不晚，但发展缓慢，目前也仅在 西藏羊易地热电站有较为可靠的防垢技术[4]。 西 藏 那曲、羊八井、朗久等地热电站设备都存在着不同 程度的结垢问题，导致地热电站系统安全稳定性降 低 ， [5-6] 运 行 成 本 增 加 ，给 地 热 资 源 的 开 发 利 用 造 成 较大阻碍，且由于海拔高、空气稀薄、含氧量低等因 素，在西藏地区开展作业的人力成本高、安全风险 大。 为减少现场作业，该环境对数据远程传输、设备 远程监控等功能提出了要求，研制一套远程控制阻 垢剂加注装置就显得尤为重要。
机械结构如图 2 所示。
搅拌电机
储药罐
流量计 压力计 转接头 柔性钢管
导轮
锁紧螺头 密封法兰
井筒
Y形过滤器
手阀 加注泵 电动阀
液位计 温度计
手阀
压力计
卷绕机构 旋转接头
毛细管 重锤
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图 2 机械结构图 Fig.2 Mechanical structure
Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ＆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０24,39穴5雪
DOI：10.19557/ki.1001-9944.2024.05.025
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基于工业物联网的地热井阻垢剂加注装置研制
郝伟林 1，水乾锋 2，唐 添 3，王洪辉 2
（1.核工业北京地质研究院 中核集团地热勘查技术研究中心，北京 100029；2.成都理工大学 四川省 工 业 互 联 网 智能监测与应用工程技术研究中心，成都 610059；3.西华大学 机械工程学院，成都 61003行时间较
加注泵
G120
长，负载大，所用变 频器需具备良好
0.75
1.2
的散热性能。
2.1.2 电气设计 系统的 I/O 变量 如表 2 所示， 系 统 总 计 22 个
DI、18 个 DO、10 个 AI、6 个 AO。 各类型点位均留有 备用以应对故障。
表 2 I/O 变量表 Tab.2 I/O variables
针对西藏某地热井设计的工业物联网架构如 图 1 所示，分为现场层、控制层、操作层、管理层、企 业层。
2 系统设计
该地热井海拔 4600 m，全年平均气温 5℃～7℃， 最高气温 23℃，最低-26℃。 为满足地热井长期生产 需求，该装置需达到的技术指标如下：①能够完成
企 业 层
管
理
移动端
层
效益优化
产品改进
云服务器
生产执行系统 （MES）
操
作 SCALANCE
层
S615
上位机
MQTT协议
PROFINET协议
控
制 工业网关
PLC
触摸屏
层 IOT 2050 S7协议 S7鄄1200 PROFINET KTP700 Basic 协议
现
现场设备
场
层
传感器
电机
电动阀
图 1 工业物联网架构总体方案 Fig.1 Overall architecture scheme for IIoT
摘要：为解决西藏地区高温地热井结垢问题，该文研制了一套基于工业物联网的阻垢剂加
注装置，设计了五层架构：现场层、控制层、操作层、管理层、企业层。 现场层、控制层、操作
层 为 本 地 系 统 ，基 于 S7鄄1200、触 摸 屏 、WinCC界 面 实 现 阻 垢 剂 加 注 现 场 监 控 ，并 通 过 西 门 子
拓扑结构如图 3 所示，各设备间通过以太网物 理 连 接 。 变 频 器 通 过 PROFINET 协 议 控 制 电 机 启 停、复位以及运行数据的读取。 工业网关 IoT 2050 与 PLC 通过 S7 协 议通信，传输 生产数 据 与 远 程 控 制指令。
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工业网关 IOT 2050
本文基于工业物联网技术研制了一套远程控 制 阻 垢 剂 加 注 装 置 ，设 计 了 五 层 架 构 ，构 建 了 从 MES 系统到底层执行机构的数据传输通道。 该装置能够 实现阻垢剂加注过程的远程监控与管理，有效预防 钙垢的生成，为解决西藏地区高温地热井结垢问题 提供可靠的方案。
1 整体方案设计
工业网关（IoT 2050）向云服务器传输加注压力、流量、深度等生产数据。 管理层、企业层为
远程系统，通过生产执行系统（MES）监控多个地热井的阻垢剂加 注 装 置 ，进 行 多 井 联 产 管
理。 该装置在西藏谷露某地热井进行现场测试，阻垢剂加注流量调节范围可达0～60 L/h，压
力0～2.5 MPa，深度0～300 m，可以满足实际需要。
类型 DI DO AI AO
名称 控制柜按钮、开关 接触器辅助触点 热继电器辅助触点 电控阀开/关到位
控制柜指示灯 接触器通电 电控阀开/关 加注压力 加注流量 阻垢剂液位 阻垢剂温度
电机转速设定值
数量 4 4 4 4 4 4 4 2 1 1 1 4
总计 16 12 5 4
2.2 控制层设计 2.2.1 拓扑结构
PLC S7鄄1200 1214C DC/DC/DC
触摸屏 KTP700 Basic
工业以太网
加药泵1
加药泵2
变频器G120 变频器G120
搅拌电机变 频器G120C
卷绕电机变 频器G120C
图 3 控制层拓扑结构 Fig.3 Topology of the control layer
2.2.2 程序设计 为增强程序的可读性与扩展性，在结构上将程
HAO Weilin1，SHUI Qianfeng2，TANG Tian3，WANG Honghui2
（NC Geothermal Exploration Technology Center，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029， China；2.Sichuan Engineering Technology Research Center of Industrial Internet Intelligent Monitoring and Applica鄄 tion，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；3.School of Mechanical Engineering，Xihua University， Chengdu 610039，China） Abstract：Aiming at scaling problem in high鄄temperature geothermal wells in Tibet，an inhibitor injection equipment was developed based on IIoT. The equipment contained five layers：field layer，control layer，operation layer，manage鄄 ment layer，and enterprise layer. Field layer，control layer，and operation layer consisted of local system，which utilized S7鄄1200，touchscreen，and WinCC interface to achieve on鄄site monitoring. Production data such as injection pressure， flow rate，and depth were transmitted to cloud by Siemens industrial gateway （IoT 2050）. Management layer and en鄄 terprise layer consisted of remote system，in which manufacturing execution system （MES） was employed to monitor the inhibitor injection equipment of multiple wells and achieve multi鄄well production management. The equipment was on鄄site tested at a geothermal well in Gulu，Tibet. The equipment’s inhibitor injection flow ranges from 0～60 L/h， pressure 0～2.5 MPa，and depth 0～300 m，meeting practical requirements. Key words：industrial IoT（IIoT）；high鄄temperature geothermal well；inhibitor injection；industrial network
我国西藏地区地热资源丰富，开展地热发电具 有天然优势。 然而，地热发电过程中，地热井筒及地 面配套发电设备中容易结垢，影响电站运行。 国外
已经运行的地热电站也大多存在结垢问题， 如美 国、冰岛、新西兰、菲律宾、印度尼西亚、土耳其以及 哥斯达黎加等，但由于其生产规模大、研究时间长，
收 稿 日 期 ：2024-01-02；修 订 日 期 ：2024-04-17 基 金 项 目 ： 中 核 集 团 核 工 业 北 京 地 质 研 究 院 自 主 研 发 课 题 项 目 （2022-3 ） 作 者 简 介 ：郝 伟 林 （1979— ），男 ，硕 士 ，高 级 工 程 师 ，研 究 方 向 为 地 热 资 源 勘 查 与 开 发 。
序分为功能模块与调度模块，如图 4 所示。
自动运行模块
调度模块
手动运行模块
安全功能
电机控制
加药控制
监控功能
报 警 模 块
电 机 故 障 判 断 模 块
搅 拌 电 机 控 制 模 块
加 药 泵 控 制 模 块
卷 绕 电 机 控 制 模 块
加 药 深 度 计 算 模 块
加 药 流 量 控 制 模 块
加 药 时 长 统 计 模 块
关键词：工业物联网；高温地热井；阻垢剂加注；工业网络
中图分类号：TP23 文献标识码：A
文 章 编 号 ：１００１鄄９９４４（２０24）05鄄０117鄄０6
Development of Geothermal Well Inhibitor Injection Equipment Based on IIoT
表 1 电机及变频器选型表 Tab.1 Selection of motors and variable frequency drives
电机名称 变频器选型
选型原因
电机功率/ 变频器功率/
（kW）
（kW）
搅拌电机 G120C 电机负载 小 ，可 靠 0.75
1.2
卷绕电机 G120C 性要求不高。
人 机 交 互 模 块
远 程 控 制 模 块
基础功能模块
图 4 PLC 程序架构 Fig.4 PLC program architecture
阻垢剂混合、搅拌，实现阻垢剂液位、温度等状态的 检 测 功 能 ；②可 以 根 据 所 给 的 设 定 值 自 动 注 入 阻 垢 剂；③阻垢剂加注压力不低于 2.0 MPa，对加注泵上 下游两部分的压力进行检测，反馈给控制系统；④具 有调节阻垢剂加注深度的功能，阻垢剂加注深度在 闪 蒸 面 以 下 ；⑤装 置 的 井 下 部 分 应 具 有 耐 温 耐 压 性 ， 耐温不低于 230℃，耐压不低 于 4 MPa；⑥自动控 制 系统能够实现远程控制。 2.1 现场层设计 2.1.1 机械结构
装置中的 4 台电机均通过变频器控制，电机及 变频器选型如表 1 所示。 卷绕电机与搅拌电机的负 载小，可靠性要求不高，故选用成本较低的西门子 G120C 系列变频器 ；2 台加注泵 的连续运行 时间 较 长，负载大，故选用散热性能较好的 G120 系列变频 器。 高原环境下，由于空气稀薄，散热条件变差，变频 器需降额使用，海拔超过 1000 m 后，每上升 100 m， 降额 1%[7]。 据此，该环境下需降额 64%，卷绕变频器 功率选择 2.2 kW，搅拌变频器功 率选择 1.2 kW，加 注泵变频器功率选择 1.2 kW。