油田智能計(jì)量站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的分析

姜建勝,習(xí)進(jìn)路

（1.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京,1022492.北京迪威爾石油天然氣技術(shù)開發(fā)有限公司,北京,100085）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)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(fā)力度。中石油海外資產(chǎn)主要分布的國家大都存在政治上的不穩(wěn)定性，所屬的部分海外油田處于長期戰(zhàn)亂或局勢(shì)動(dòng)蕩的社會(huì)環(huán)境，這對(duì)遠(yuǎn)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(yán)峻。

計(jì)量站是油田的重要組成部分，其生產(chǎn)運(yùn)行擔(dān)負(fù)著站內(nèi)各個(gè)油井的液、油、氣三相計(jì)量任務(wù)，油井計(jì)量的主要目的是為了了解儲(chǔ)油層的生產(chǎn)狀況，分析儲(chǔ)油層的變化動(dòng)態(tài)，科學(xué)的制定出開放方案和調(diào)整改造方案，提高油田的采收率，以及實(shí)現(xiàn)油田管理科學(xué)化，提高油田生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，需要及時(shí)、準(zhǔn)確地為油田地質(zhì)部門提供油藏工程資料。

國內(nèi)油田大部分外輸計(jì)量的操作均由人工完成，控制邏輯人工實(shí)現(xiàn)，外輸量的計(jì)量儀表現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)，這種操作模式難以保障生產(chǎn)過程的平穩(wěn)，存在一定的安全隱患，生產(chǎn)管理難度大。對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控造成很大的影響，造成站管理層人員對(duì)全站情況的實(shí)時(shí)了解不可能實(shí)現(xiàn)，管理策略的制定缺乏必要的依據(jù)，管理滯后于實(shí)際的局面在所難免。

針對(duì)海外油田現(xiàn)場(chǎng)人工計(jì)量存在嚴(yán)重的人身安全隱患和管理滯后等問題，本文結(jié)合蘇丹六區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)油田智能計(jì)量站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)比計(jì)量站中常用的DCS(集中分散型控制系統(tǒng))、SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）、RTU（遠(yuǎn)端測(cè)控單元裝置）、PLC（可編程邏輯控制器）等控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，本研究選用RTU控制器。

1.1 RTU控制器

RTU為遠(yuǎn)端測(cè)控單元裝置，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。RTU將測(cè)得的狀態(tài)或信號(hào)轉(zhuǎn)換成可在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式。它還將從中央計(jì)算機(jī)發(fā)送來得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的功能控制。RTU通常要具有優(yōu)良的通訊能力和更大的存儲(chǔ)容量，適用于惡劣的溫度和濕度環(huán)境，提供更多的計(jì)算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU產(chǎn)品在SCADA系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。

RTU具有如下特點(diǎn)：

圖1 計(jì)量站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Super E40系列RTU自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)模靈活可變，結(jié)構(gòu)先進(jìn)，易于擴(kuò)展；采用當(dāng)前非常流行的工業(yè)通信協(xié)議Modbus、DNP3 等作為系統(tǒng)的通信接口協(xié)議，經(jīng)濟(jì)可靠；硬件模塊采用當(dāng)前主流的ARM 技術(shù)（32 位ARM 芯片），所有模塊均內(nèi)置CPU 及永久性程序儲(chǔ)存器，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)；采用5 種不同的標(biāo)準(zhǔn)語言（IL、LAD、ST、SFC、FBD/CAC）；功能強(qiáng)大的硬件系統(tǒng)，先進(jìn)的 MCU，功能豐富，不僅能勝任邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)、控制，還能完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算、高速計(jì)數(shù)、模擬量控制、PID、RTD、TC、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能，很容易和上位機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集散控制，而且編程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；先進(jìn)的冗余/容錯(cuò)方式，冗余熱備數(shù)據(jù)、程序運(yùn)行同步信息均通過系統(tǒng)CPU 底板進(jìn)行傳輸，避免由于系統(tǒng)熱備模塊及相關(guān)配件故障而導(dǎo)致系統(tǒng)失敗，使系統(tǒng)具有更高的可靠性。

鑒于RTU 的諸多優(yōu)點(diǎn)，在石油地面工程中得到了廣泛的應(yīng)用，也廣泛的應(yīng)用于大型系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和傳輸單元。

1.2 計(jì)量站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用RTU 控制器，在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)橇裝設(shè)備工藝過程實(shí)時(shí)監(jiān)控和集中管理。控制室設(shè)一套R(shí)TU 控制器、一臺(tái)操作站、一臺(tái)工程師站和打印設(shè)備等。橇座儀表與現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)橇座防爆接線箱相連接，RTU 控制器通過以太網(wǎng)與操作站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。操作站負(fù)責(zé)RTU 控制器的數(shù)據(jù)采集和調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、參數(shù)控制等，保證工程橇裝設(shè)備的安全運(yùn)行。工程師站負(fù)責(zé)調(diào)試、參數(shù)修改、培訓(xùn)等工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

通過RTU控制器完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)單元的數(shù)據(jù)采集和與上位機(jī)之間的信息交換，如圖2。

圖2 計(jì)量站系統(tǒng)控制單元圖

該系統(tǒng)分為三層：

最底層是由多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的I/O 層。主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)功能及設(shè)備啟、停控制。

第二層為控制系統(tǒng)層。由現(xiàn)場(chǎng)控制單元和上位監(jiān)控站組成。現(xiàn)場(chǎng)控制單元主要完成自動(dòng)化系統(tǒng)的控制策略執(zhí)行、聯(lián)鎖保護(hù)、程序調(diào)度、數(shù)據(jù)交換等功能。同時(shí)該單元帶有觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)流程圖畫面數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警信息顯示等功能。上位監(jiān)控站作為自動(dòng)化系統(tǒng)的人機(jī)界面，操作人員可通過其實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)視、采集數(shù)據(jù)歷史存儲(chǔ)，報(bào)表打印等功能。

最上層是由數(shù)據(jù)服務(wù)器、大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分析軟件組成的上位管理層。高層管理部門可通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)頁瀏覽器Internet Explorer，對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、統(tǒng)計(jì)，甚至對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。

2 計(jì)量裝置自控技術(shù)研究

油田計(jì)量的自動(dòng)化系統(tǒng)是由各儀表單元和對(duì)各儀表的控制組成的，儀表是系統(tǒng)構(gòu)成的重要因子，也是完成整站的控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，本計(jì)量站主要應(yīng)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(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)程度的高低。

2.1 溫度測(cè)量儀表

雙金屬溫度計(jì)是石油工程現(xiàn)場(chǎng)常用的一種就地測(cè)溫儀表，在滿足測(cè)量范圍、工作壓力、精確度要求下，應(yīng)優(yōu)先選用雙金屬溫度計(jì)，本工程中選擇了此種就地溫度測(cè)量儀表，該儀表利用固體受熱產(chǎn)生幾何位移作為測(cè)溫信號(hào)的一種固體膨脹式溫度計(jì)。雙金屬溫度計(jì)的感溫元件通常是由兩種膨脹系數(shù)不同，彼此又牢固結(jié)合的金屬制作成平螺旋型或直螺旋型的結(jié)構(gòu)。

2.2 壓力測(cè)量儀表

根據(jù)計(jì)量站需要的壓力量程要求和流體特點(diǎn)，本研究選用波紋管壓力表，其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，使其應(yīng)用較為廣范。

2.3 物位測(cè)量儀表

根據(jù)實(shí)現(xiàn)工藝流程的要求，本研究選擇就地顯示磁性浮子式液位計(jì)作為液位測(cè)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(hù)量小、維修費(fèi)用低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 流量儀表

流量計(jì)是石油和化工油氣計(jì)量所用的重要的儀表，是能源管理和貿(mào)易交接計(jì)量、經(jīng)濟(jì)核算的必要設(shè)備。以下分別從油流量檢測(cè)和氣流量檢測(cè)兩個(gè)方面說明工程中常用的幾類流量計(jì)的適應(yīng)性。

液體測(cè)量的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是利用流體在直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)處于一旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量儀表。

質(zhì)量流量計(jì)通過RS485 將液體的瞬時(shí)和累積流量、純油的瞬時(shí)和累積流量、含水率、密度等數(shù)據(jù)上傳到RTU，實(shí)現(xiàn)RTU 控制監(jiān)測(cè)。

氣體測(cè)量用的孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)由孔板節(jié)流裝置、引壓管線和二次儀表組成，是差壓流量計(jì)最典型的一種，其節(jié)流裝置已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造、加工、安裝、使用和維護(hù)方便，組合靈活，應(yīng)用廣泛，可操作性強(qiáng)，是價(jià)格低廉的流量測(cè)量儀表。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

將該套監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于蘇丹6區(qū)某一口油井，系統(tǒng)自動(dòng)切換到計(jì)量位后，開始進(jìn)入三相自動(dòng)計(jì)量，計(jì)量過程結(jié)束后，RTU根據(jù)計(jì)量有效時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算出原油平均含水率、油井液量、純油量、水量、天然氣的日產(chǎn)量，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果自動(dòng)儲(chǔ)存在RTU 存儲(chǔ)器內(nèi)并傳至中心控制室。

通過現(xiàn)場(chǎng)試用，該自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：

（1）數(shù)據(jù)采集功能

自動(dòng)采集工藝流程溫度、壓力、分離器液位、可燃?xì)怏w濃度、天然氣流量等。

（2）報(bào)警與聯(lián)鎖功能

采集量報(bào)警如可燃?xì)怏w濃度高報(bào)警等；設(shè)備故障報(bào)警如電動(dòng)閥故障判斷與報(bào)警等。

（3）組態(tài)功能

RTU 參數(shù)、模擬量、脈沖量、遙信量的設(shè)置可組態(tài)；數(shù)值計(jì)算量、計(jì)算量的定義可組態(tài)；日、月、年數(shù)據(jù)庫定義可組態(tài)。

（4）數(shù)據(jù)處理功能

靜態(tài)數(shù)據(jù)（即基本數(shù)據(jù)）處理、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理、日志數(shù)據(jù)生成和數(shù)據(jù)查詢、流量累積計(jì)算、報(bào)警分析處理等。

（5）數(shù)據(jù)庫管理功能

自動(dòng)形成歷史數(shù)據(jù)文件，歷史數(shù)據(jù)可按多種條件進(jìn)行查詢、修改。對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)、處理，數(shù)據(jù)文件可轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫文件。

4 小結(jié)

以RTU為核心控制器的OGM成套計(jì)量站在蘇丹6區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)選井、計(jì)量、除砂等裝置現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)的采集，所有運(yùn)行參數(shù)可以達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)上傳，可實(shí)現(xiàn)就地控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求，從自動(dòng)化角度出發(fā)，穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了無人值守，長周期巡檢的預(yù)期目的。

今后對(duì)于油田智能計(jì)量站，利用快速發(fā)展的控制技術(shù)，依據(jù)高性價(jià)比的控制系統(tǒng)硬件，靈活方便、功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)軟件，針對(duì)控制要求并不復(fù)雜的油田計(jì)量、計(jì)輸站，實(shí)現(xiàn)整套的生產(chǎn)管理自動(dòng)化控制系統(tǒng)以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高管理水平是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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