摘要：提出了一种基于智能控制的煤层气抽采监测系统。该系统以可编程逻辑控制器为控制中心，通过监测传感器实现对煤层气抽采时的井底流压力、温度等的连续性监测，实现对抽采设备运行转速的调整。实际表明该控制系统能将井底流压力变化范围控制在0.4%范围内，有效提升了煤层气采集的控制精度和采集速度。
关键词：煤层气；井底流压力；变频；智能控制
煤层气采集是利用专用的设备把抽采管道的水抽采到地面，逐步减小井底流的压力，当井底流压力逐渐降低以后形成压降漏斗，使煤层气的储层压力逐渐降低，存储在煤基孔内的煤层气被解吸，然后通过天然裂缝渗透到井筒内，从而被释放出来。煤层气抽采的效率和稳定性主要取决于对井底流压力的控制，目前在开采过程中对井底流压力的控制主要依赖于手动排气阀和压力表，在实际应用过程中调节效率低、精度差、反应速度慢，无法满足煤层气精确开采的需求[1]。因此，本文提出了一种基于智能控制的煤层气抽采监测系统，该系统包括智能抽采监测系统和抽采控制系统，该控制系统采用了PLC（可编程逻辑控制器）集中控制的思想，利用压力传感器设备对井底流压力进行实时监测，根据实际值和理论值之间的偏差来调整排采系统的抽采速度，进而实现对抽采时井底流压力的灵活控制，确保了井底流压力的稳定性。实际应用表明该调节系统能将井底流压力的变化幅度控制在0.4%范围内，有效确保了抽采过程中的稳定性和效率，具有十分显著的应用推广意义。
1智能抽采监测系统
结合煤层气排采的工艺流程和智能控制需求，基于智能控制的煤层气抽采监测系统采用了集成化控制结构[2]，整个系统包括了井底流压力现场采集单元和管理监控单元。现场采集单元主要由设置在井底、井口及排采电动机上的相关监测传感器构成，主要用于对排采过程中的井底压力、井口压力、井口流量、电机运转速度等进行实时监测，为控制系统的智能调节奠定基础。管理监控单元则主要由排采控制中心和相应的管理终端构成，主要用于对排采过程的运行稳定性进行监控、调整。该煤层气抽采监测系统的整体结构如图1所示。在抽采过程中，系统以控制井底流压力为抽采控制目标。首先利用各类传感器设备对排采过程中的信息进行监测，然后将监测结果转换为电流信号进行传输。为了保证数据资料传输的速度和精确性，数据系统采用了RS485通信接口，利用4～20mA的模拟量数字接口来完成对各类传感设备监测电流数据的收集。各类监测结果经过排采控制中心的处理和对比后输出为调节控制信号，实现对抽采电动机运行状态的调整，从而确保了井底流压力输出的稳定性。
2抽采控制系统设计
煤层气抽采控制系统由抽采控制柜、数据采集电路和数据存储系统构成[3]。抽采控制柜主要用于对开采时的数据信息进行分析，是抽采控制系统的核心。为了确保抽采控制过程的稳定性和精确性，该煤层气抽采控制柜采用了多功能数据收集模块，其主要包括7种类别的数字电流信号接口、5种类别的压力传输信号及8种类别的温度输入传感器端口，同时为了满足煤层气抽采时的可靠性需求，该控制柜还具有防水和抗干扰的功能。该控制柜的控制原理如图2所示。在该控制柜中，多功能采集模块采用了高性能的可编程控制器，其采用了工业标准接口，能适应多种类型的数据传输需求，兼容性好，稳定性高。移动通信模块采用了有源开关电路设计，能满足特殊频谱电平数据输出，数据传输精确性高、稳定性好、抗干扰能力强。数据传递采用了5G无线传输模式，首先将信息传输到系统的云服务器上，然后利用5G传输模块将系统的控制调节指令传输到抽采调控单元，实现对排采过程的有效控制，系统还具有断线数据存储、定时重发功能，确保了数据传输的连续新和稳定性。对煤层气抽采过程中井底流压力的控制采用了闭环反馈调节模式，其调节逻辑如图3所示。在抽采过程中系统首先采用模糊控制算法[4]对传感器收集到的井底流压力的实际值和设定值进行对比，获取偏差量。系统对偏差量进行分析后获取偏差调节信号，然后将信号传输到执行器内，执行器对变频控制器的输出频率进行调整，实现对抽采电动机运行情况的控制，以此来改变井底流压力。系统此时会再次发出对比信号偏差量，实现闭环调节控制，从而确保在抽采过程中井底流压力的稳定性。
3系统控制逻辑及应用情况
该基于智能控制的煤层气抽采监测系统采用了简易逻辑控制模式，利用数据采集器对监控单元监控到的井底流压力、驱动电机工作电流等进行不间断监测，系统采用了MQTT（消息队列遥测传输）数据通信协议，满足了大流量信息的连续性快速传输。对抽采系统的控制，则是利用模糊PID控制结构，根据实际的井底流压力监测值来调整系统压力设定值，实现了对抽采效果的精确监控和调整。该系统的控制逻辑如图4所示。为了对该基于智能控制的煤层气抽采监测系统的实际应用效果进行分析，以高瓦斯矿井为对象进行研究。其采用了抽油机配合管式泵进行抽采的模式，根据实际地质测量情况，制定了相应的抽采方案。首先进行排水，然后进行产气，在此阶段要求每天的井底流压力降幅为0.04MPa。在开采阶段要求井底流压力每天的降低值不超过0.03MPa。在运行过程中，采用智能控制模式对140d抽采过程中井底流压力的变化情况进行了统计，结果如图5所示。由实际监测对比可知，采用智能抽采控制模式后，井底流压力的变化曲线和理论要求曲线变化趋势基本吻合，压力变化量控制在了0.4%以内，完全满足煤层气抽采过程中的控制精确性要求，对于提升煤层气抽采效率和安全性具有极大的意义。
4结语
针对目前煤层气抽采所存在的控制精度低下、抽采效率低的难题，提出了一种基于智能控制的煤层气抽采监测系统。该系统以PLC为控制中心，通过监测传感器实现对煤层气抽采时的井底流压力、温度等的连续性监测。实际应用表明：a)该基于智能控制的煤层气抽采监测系统采用了集成化控制结构，整个系统包括了井底流压力现场采集单元和管理监控单元，具有结构简单、控制稳定性好的优点；b)基于智能控制的煤层气抽采监测系统由开采控制柜、数据采集电路和数据存储系统构成，采用了高性能的PLC，数据传速度快，兼容性好；c)井底流压力控制采用了闭环反馈控制模式，能有效确保抽采过程中的控制稳定性；d)实际应用表明，新的控制系统能将抽采过程中的压力变化量控制在0.4%以内，完全满足煤层气抽采过程中的控制精确性要求。
参考文献：
［1］张群，葛春贵，李伟，等.碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采模式［J］.煤炭学报，2018，43(1)：150-159.
［2］李福兴，卞建玲.基于无线传感网的煤层气排采实时监测监控系统设计［J］.煤田地质与勘探，2018，46(6)：81-87.
［3］付翔，王然风，庞亮.选煤设备远程故障预测系统设计［J］.工矿自动化，2019，45(7)：48-52.
［4］王荣林，陆宝春，侯润民，等.交流伺服系统分数阶PID改进型自抗扰控制［J］.中国机械工程，2019，30(16)：1989-1995.
作者:宋媛媛 单位:山西蓝焰煤层气集团有限责任公司压缩站
