油田智能計量站自動監控系統的分析

姜建勝,習進路

（1.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京,1022492.北京迪威爾石油天然氣技術開發有限公司,北京,100085）

隨著經濟的快速發展，我國的能源需求量逐年增大，促使國有石油公司不斷加大海外原油開發力度。中石油海外資產主要分布的國家大都存在政治上的不穩定性，所屬的部分海外油田處于長期戰亂或局勢動蕩的社會環境，這對遠赴異國的中石油員工的生命安全造成了極大的威脅。其中以蘇丹、伊拉克的形式最為嚴峻。

計量站是油田的重要組成部分，其生產運行擔負著站內各個油井的液、油、氣三相計量任務，油井計量的主要目的是為了了解儲油層的生產狀況，分析儲油層的變化動態，科學的制定出開放方案和調整改造方案，提高油田的采收率，以及實現油田管理科學化，提高油田生產的經濟效益，提供準確可靠的測量數據。因此，需要及時、準確地為油田地質部門提供油藏工程資料。

國內油田大部分外輸計量的操作均由人工完成，控制邏輯人工實現，外輸量的計量儀表現場讀數，這種操作模式難以保障生產過程的平穩，存在一定的安全隱患，生產管理難度大。對生產數據的自動采集，生產數據的分析和存儲，生產數據的實時監控造成很大的影響，造成站管理層人員對全站情況的實時了解不可能實現，管理策略的制定缺乏必要的依據，管理滯后于實際的局面在所難免。

針對海外油田現場人工計量存在嚴重的人身安全隱患和管理滯后等問題，本文結合蘇丹六區的實際情況，對油田智能計量站自動監控系統進行了研究。

1 自動控制系統設計

通過對比計量站中常用的DCS(集中分散型控制系統)、SCADA（數據采集與監視控制系統）、RTU（遠端測控單元裝置）、PLC（可編程邏輯控制器）等控制系統的優缺點，本研究選用RTU控制器。

1.1 RTU控制器

RTU為遠端測控單元裝置，負責對現場信號、工業設備的監測和控制。RTU將測得的狀態或信號轉換成可在通信媒體上發送的數據格式。它還將從中央計算機發送來得數據轉換成命令，實現對設備的功能控制。RTU通常要具有優良的通訊能力和更大的存儲容量，適用于惡劣的溫度和濕度環境，提供更多的計算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU產品在SCADA系統中得到了大量的應用。

RTU具有如下特點：

圖1 計量站系統結構圖

Super E40系列RTU自動化系統規模靈活可變，結構先進，易于擴展；采用當前非常流行的工業通信協議Modbus、DNP3 等作為系統的通信接口協議，經濟可靠；硬件模塊采用當前主流的ARM 技術（32 位ARM 芯片），所有模塊均內置CPU 及永久性程序儲存器，實現了模塊化設計；采用5 種不同的標準語言（IL、LAD、ST、SFC、FBD/CAC）；功能強大的硬件系統，先進的 MCU，功能豐富，不僅能勝任邏輯、定時、計數、控制，還能完成復雜的數據運算、高速計數、模擬量控制、PID、RTD、TC、通訊聯網等功能，很容易和上位機組成網絡控制系統，實現集散控制，而且編程簡單，易于實現；先進的冗余/容錯方式，冗余熱備數據、程序運行同步信息均通過系統CPU 底板進行傳輸，避免由于系統熱備模塊及相關配件故障而導致系統失敗，使系統具有更高的可靠性。

鑒于RTU 的諸多優點，在石油地面工程中得到了廣泛的應用，也廣泛的應用于大型系統的基礎數據采集和傳輸單元。

1.2 計量站系統結構

采用RTU 控制器，在控制室內實現橇裝設備工藝過程實時監控和集中管理。控制室設一套RTU 控制器、一臺操作站、一臺工程師站和打印設備等。橇座儀表與現場防爆接線箱連接，RTU控制器安裝在值班室，通過多芯電纜與現場橇座防爆接線箱相連接，RTU 控制器通過以太網與操作站進行數據通訊。操作站負責RTU 控制器的數據采集和調度管理，實現現場數據采集、參數控制等，保證工程橇裝設備的安全運行。工程師站負責調試、參數修改、培訓等工作。系統結構如圖1所示：

通過RTU控制器完成對現場基礎單元的數據采集和與上位機之間的信息交換，如圖2。

圖2 計量站系統控制單元圖

該系統分為三層：

最底層是由多個現場儀表、執行機構組成的I/O 層。主要完成實時數據采集、調節功能及設備啟、停控制。

第二層為控制系統層。由現場控制單元和上位監控站組成。現場控制單元主要完成自動化系統的控制策略執行、聯鎖保護、程序調度、數據交換等功能。同時該單元帶有觸摸屏，可實現流程圖畫面數據動態顯示、報警信息顯示等功能。上位監控站作為自動化系統的人機界面，操作人員可通過其實現生產過程動態數據監視、采集數據歷史存儲，報表打印等功能。

最上層是由數據服務器、大型數據庫系統、分析軟件組成的上位管理層。高層管理部門可通過局域網或互聯網，使用標準的網頁瀏覽器Internet Explorer，對系統信息進行監測、分析、統計，甚至對現場設備進行控制。

2 計量裝置自控技術研究

油田計量的自動化系統是由各儀表單元和對各儀表的控制組成的，儀表是系統構成的重要因子，也是完成整站的控制系統的關鍵設備之一，本計量站主要應用了溫度、壓力、物位和流量這幾種基本儀表。各種儀表的性能從某種程度上體現自動化系統程度的高低。

2.1 溫度測量儀表

雙金屬溫度計是石油工程現場常用的一種就地測溫儀表，在滿足測量范圍、工作壓力、精確度要求下，應優先選用雙金屬溫度計，本工程中選擇了此種就地溫度測量儀表，該儀表利用固體受熱產生幾何位移作為測溫信號的一種固體膨脹式溫度計。雙金屬溫度計的感溫元件通常是由兩種膨脹系數不同，彼此又牢固結合的金屬制作成平螺旋型或直螺旋型的結構。

2.2 壓力測量儀表

根據計量站需要的壓力量程要求和流體特點，本研究選用波紋管壓力表，其經濟實惠，結構簡單易用的特點，使其應用較為廣范。

2.3 物位測量儀表

根據實現工藝流程的要求，本研究選擇就地顯示磁性浮子式液位計作為液位測量的儀表。其具有顯示直觀醒目、不需電源、安裝方便可靠、維護量小、維修費用低、適用范圍廣等優點。

2.4 流量儀表

流量計是石油和化工油氣計量所用的重要的儀表，是能源管理和貿易交接計量、經濟核算的必要設備。以下分別從油流量檢測和氣流量檢測兩個方面說明工程中常用的幾類流量計的適應性。

液體測量的科里奧利質量流量計

科里奧利質量流量計是利用流體在直線運動的同時處于一旋轉系中，產生與質量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質量流量儀表。

質量流量計通過RS485 將液體的瞬時和累積流量、純油的瞬時和累積流量、含水率、密度等數據上傳到RTU，實現RTU 控制監測。

氣體測量用的孔板流量計

孔板流量計由孔板節流裝置、引壓管線和二次儀表組成，是差壓流量計最典型的一種，其節流裝置已經標準化。結構簡單、制造、加工、安裝、使用和維護方便，組合靈活，應用廣泛，可操作性強，是價格低廉的流量測量儀表。

3 現場應用情況

將該套監控系統應用于蘇丹6區某一口油井，系統自動切換到計量位后，開始進入三相自動計量，計量過程結束后，RTU根據計量有效時間，自動計算出原油平均含水率、油井液量、純油量、水量、天然氣的日產量，同時將計算結果自動儲存在RTU 存儲器內并傳至中心控制室。

通過現場試用，該自動監控系統能夠實現：

（1）數據采集功能

自動采集工藝流程溫度、壓力、分離器液位、可燃氣體濃度、天然氣流量等。

（2）報警與聯鎖功能

采集量報警如可燃氣體濃度高報警等；設備故障報警如電動閥故障判斷與報警等。

（3）組態功能

RTU 參數、模擬量、脈沖量、遙信量的設置可組態；數值計算量、計算量的定義可組態；日、月、年數據庫定義可組態。

（4）數據處理功能

靜態數據（即基本數據）處理、動態數據處理、日志數據生成和數據查詢、流量累積計算、報警分析處理等。

（5）數據庫管理功能

自動形成歷史數據文件，歷史數據可按多種條件進行查詢、修改。對歷史數據進行各種統計、處理，數據文件可轉換成標準數據庫文件。

4 小結

以RTU為核心控制器的OGM成套計量站在蘇丹6區的現場試驗表明，該系統較好的實現了自動選井、計量、除砂等裝置現場儀表數據的采集，所有運行參數可以達到自動檢測、自動上傳，可實現就地控制和遠程監控的要求，從自動化角度出發，穩定的運行狀態實現了無人值守，長周期巡檢的預期目的。

今后對于油田智能計量站，利用快速發展的控制技術，依據高性價比的控制系統硬件，靈活方便、功能強大的控制系統軟件，針對控制要求并不復雜的油田計量、計輸站，實現整套的生產管理自動化控制系統以減輕工人勞動強度，提高生產效率，降低生產成本，提高管理水平是技術發展的必然趨勢。

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