技术领域
[0001] 本发明涉及天然气监控技术领域，具体为一种天然气井口压力监控报警与联锁关阀控制系统。
相关背景技术
[0002] 随着天然气开采技术的不断发展，对井口压力的安全监控与管理显得愈发重要，天然气井口压力的稳定不仅关系到开采效率，更与作业安全、环境保护密切相关，在天然气开采过程中，若井口压力超过安全范围，需要及时关闭阀门以防止事故发生，联锁关阀技术能够在接收到报警信号后，自动关闭相关阀门，有效防止压力继续升高，保障生产安全。
[0003] 在申请公布号为CN111648743A的中国发明申请中，公开了一种自动巡检且智能远程控制的石油天然气井口阀门及方法，包括阀门本体及供电模块，所述阀门本体与管道的连接处设置一个环形钢圈，所述环形钢圈上均匀布置有压力传感器，所述压力传感器连接节点控制器，所述节点控制器通过继电器控制阀门的制动装置，所述节点控制器通过网络或者卫星信号连接控制终端。
[0004] 结合以上发明，现有技术存在以下不足：
[0005] 1、当前系统的预警阈值往往设定为固定值，缺乏一定的缓冲区间，导致在某些情况下，即使井口压力在正常阈值范围内波动，也可能因为超出微小的固定阈值而触发误报，影响生产的连续性和稳定性；
[0006] 2、在关阀环节，现有技术往往没有充分考虑不同阀门类型及其工作环境的特点，由于阀门类型多样，其关闭速度、密封效果以及适用的工作环境等均有差异，如果简单地采用统一的关阀策略，可能导致在某些情况下关阀效果不佳，甚至可能引发新的安全隐患。
具体实施方式
[0052] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053] 请参阅图1，本发明提供一种天然气井口压力监控报警与联锁关阀控制系统，包括：数据采集模块、中央控制模块以及关阀执行模块；其中，
[0054] 数据采集模块，用于实时采集天然气井口的压力数据，并将压力数据发送给中央控制模块，包括压力传感器和信号转换器；其中，
[0055] 压力传感器，安装在天然气井口，负责实时监测井口压力，并将压力信号转换为电信号，压力传感器应具备高精度、高稳定性和快速响应的特点，以确保采集到的压力数据准确可靠；
[0056] 信号转换器，接收来自压力传感器的电信号，将其转换为数字信号，并发送给中央控制模块，信号转换器应具有高精度、低噪声和低延迟的特点，以确保数据转换的准确性和实时性；
[0057] 中央控制模块，包括正常压力分析单元、预警压力分析单元以及紧急关阀压力分析单元；其中，
[0058] 正常压力分析单元从样本数据集中提取当前天然气井口压力值对应的采样点数据以及邻近采样点数据，计算获得压力稳定指数，将压力稳定指数与压力稳定阈值进行比对，根据比对结果作出相应措施；
[0059] 获取天然气井口压力数据和当前时间节点，设置采样周期，采样周期可以是固定的时间间隔，例如1秒、5秒或10秒采集一次数据；
[0060] 在每个采样周期的时间点，获取时间点对应的天然气井口的压力数据，记录每个采样点的数据，包括压力值和对应的采样时间；
[0061] 对采集到的原始数据进行清洗和预处理，去除噪声、异常值或重复数据，确保数据的准确性和一致性；
[0062] 将预处理后的数据按照时间序列进行组织，形成样本数据集，每个样本包括压力值和对应的时间戳；
[0063] 设置正常压力区间、预警压力区间以及紧急关阀压力区间，获取当前天然气井口压力值，若当前天然气井口压力处于正常压力区间，从样本数据集中提取当前天然气井口压力值对应的采样点数据以及邻近采样点数据，按照时间戳(即按照时间顺序)进行编号，计算获得压力稳定指数，计算公式如下：
[0064]
[0065] 其中，Pv表示压力稳定指数，Pi表示第i个压力值，i表示压力值的编号，i＝1,2,…,N，N为正整数，表示压力值的平均值；
[0066] 需要说明的是，设定压力区间，包括正常压力区间、预警压力区间以及紧急关阀压力区间，其中，正常压力区间：例如，设定在P_min_normal到P_max_normal之间，预警压力区间：当压力超过正常区间的上限但未达到紧急关阀区间的下限，即P_max_normal到P_min_emergency之间，紧急关阀压力区间：当压力超过P_min_emergency时，触发紧急关阀机制；
[0067] 预先设置压力稳定阈值，将压力稳定指数与压力稳定阈值进行比对，根据比对结果作出相应措施，具体包括：
[0068] 当压力稳定指数小于或等于压力稳定阈值时，表示当前天然气井口的压力稳定，继续对天然气井口压力值进行监测；
[0069] 当压力稳定指数大于压力稳定阈值时，表示当前天然气井口的压力不稳定，自动发出预警，提示相关人员需要进行查看。
[0070] 设定明确的正常压力区间、预警压力区间和紧急关阀压力区间，能够确保天然气井口在安全的压力范围内运行，一旦压力超出正常范围，系统会立即响应，采取相应的措施，从而避免可能的安全事故，评估正常压力区间的压力稳定性可以确保天然气井口在稳定的压力范围内运行，从而减少了因压力波动过大而引发的安全风险。
[0071] 预警压力分析单元，通过当前天然气井口压力值对应的采样点数据以及邻近采样点数据，和正常压力区间上限值，计算压力变化趋势值和压力偏差率，结合超过正常压力区间上限值的异常值数量，计算获得压力风险指数，将压力风险指数与风险阈值进行比对，根据比对结果作出相应的措施；
[0072] 获取当前天然气井口压力值，若当前天然气井口压力值处于预警压力区间，从样本数据集中提取当前天然气井口压力值对应的采样点数据以及邻近采样点数据，按照时间戳进行编号，计算压力变化趋势值，计算公式如下：
[0073]
[0074] 其中，Rc表示压力变化趋势值，Pi表示第i个压力值，i表示压力值的编号，i＝1,2,…,N，N为正整数；
[0075] 获取正常压力区间上限值，通过正常压力区间上限值和当前天然气井口压力值对应的采样点数据以及邻近采样点数据，计算当前天然气井口的压力偏差率，计算公式如下：
[0076]
[0077] 其中，Dr表示当前天然气井口的压力偏差率，Pi表示第i个压力值，i表示压力值的编号，i＝1,2,…,N，N为正整数，P_max_normal表示正常压力区间上限值；
[0078] 统计当前天然气井口压力值对应的采样点数据以及邻近采样点数据中，超过正常压力区间上限值的数量，即异常值数量，将压力变化趋势值、压力偏差率以及异常值数量，作为评估指标构建风险评估矩阵A：
[0079]
[0080] 其中，amn表示为第m个评估指标相对于第n个评估指标的重要程度，m为矩阵A的行数，n为矩阵A的列数；
[0081] 通过矩阵计算各个评估指标的权重，计算公式如下：
[0082]
[0083] 其中，ωm表示各个评估指标的权重，k为正整数，0
[0084] 通过压力变化趋势值、压力偏差率和异常值数量，以及对应的权重，经过无量纲化处理后，计算获得压力风险指数，计算公式如下：
[0085] Sr＝ω1*Rc+ω2*Dr+ω3*Nr
[0086] 其中，Sr表示压力风险指数，Rc表示压力变化趋势值，Dr表示压力偏差率，Nr表示异常值数量，ω1、ω2以及ω3分别表示压力变化趋势值、压力偏差率以及异常值数量的权重；
[0087] 需要说明的是，压力变化趋势值反映了压力在一段时间内的变化速率，如果压力在短时间内急剧上升，即使当前压力值尚未达到紧急关阀阈值，也可能是一个潜在的危险信号，压力偏差率衡量了当前压力值与正常压力区间上限之间的相对偏差，帮助了解当前压力偏离正常值的程度，即使当前压力值尚未超过预警或紧急关阀阈值，但如果偏差率很高，也可能意味着存在潜在的风险，异常值数量指的是在一段时间内超过正常压力区间上限的采样点数量，反映了压力异常的频率，如果异常值数量持续增加，即使当前压力值尚未触发警报，也可能意味着存在持续的压力升高趋势，结合这三个指标以确保不仅仅基于单一的压力阈值来触发警报，从而避免误报；
[0088] 预先设置风险阈值，将压力风险指数与风险阈值进行比对，根据比对结果作出相应的措施，具体包括：
[0089] 当压力风险指数小于或等于风险阈值时，表示当前风险程度较低，继续对天然气井口压力值进行监测；
[0090] 当压力风险指数大于风险阈值时，表示当前风险程度较高，进入预警状态，并启动报警，自动调整阀门开度，降低井口压力至正常压力区间。
[0091] 结合采样点数据、邻近采样点数据以及正常压力区间上限值，能够计算出精确的压力风险指数，不仅考虑了当前压力值，还考虑了压力的变化趋势和偏差程度，避免压力值一超过阈值就立即进行报警从而产生误报，从而提高了预警的准确性和可靠性。
[0092] 紧急关阀压力分析单元，若当前天然气井口压力值处于紧急关阀压力区间，发送一个紧急信号给关阀执行模块，并计算关阀时间和关阀速度，将关阀时间和关阀速度作为关阀参数发送给关阀执行模块；
[0093] 获取当前天然气井口压力值，若当前天然气井口压力值处于紧急关阀压力区间，发送一个紧急信号给关阀执行模块，触发关阀动作，关阀时，获取阀门关闭所需的最小时间，结合当前天然气井口压力值，计算关阀时间，计算公式如下：
[0094]
[0095] 其中，Tclose表示关阀时间，Tmin表示阀门关闭所需的最小时间，P_min_emergency表示紧急关阀阈值，Krate表示压力降低速率系数；
[0096] 需要说明的是，阀门关闭所需的最小时间，根据阀门类型和制造商提供的数据确定，压力降低速率系数表示压力降低的速度，需要根据实际情况进行校准；
[0097] 在关阀时间内，为了确保阀门能够平稳、安全地关闭，通过阀门能够安全关闭的最大时间，以及阀门关闭所需的最小时间，计算关阀速度，计算公式如下：
[0098]
[0099] 其中，Vclose表示关阀速度，Tclose表示关阀时间，Tmax表示阀门安全关闭所需的最大时间，Tmin表示阀门关闭所需的最小时间，α表示调节因子，α>0；
[0100] 需要说明的是，调节因子α用于控制关阀速度曲线的形状，可以根据实际情况进行调整；
[0101] 将关阀时间和关阀速度作为关阀参数发送给关阀执行模块。
[0102] 通过计算关阀时间和关阀速度，能够精确控制阀门的关闭过程，不仅可以确保阀门在预定的时间内关闭，还可以根据压力降低的速率和阀门的安全关闭时间进行动态调整，实现平稳、安全的关闭，能够适应不同的工作环境和阀门类型，提高了系统的通用性和实用性。
[0103] 关阀执行模块，当接收到来自紧急关阀压力分析单元的紧急信号时，根据紧急关阀压力分析单元提供的关阀时间和关阀速度进行精准控制，关闭井口阀门，确保在最短的时间内切断气源，一旦阀门完全关闭并达到安全位置，发送一个确认信号给中央控制模块，表示关阀操作已完成。
[0104] 在申请中，所述涉及到的若干个公式均是去量纲后取其数值计算，而所述公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的系数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。
[0105] 上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。
[0106] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0107] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
