新型智能流量變送器在數(shù)字化油田的研究與應用

向華州 張景祖 相一 商旭

（長慶油田分公司第七采油廠數(shù)字化與科技信息中心，陜西西安 710201）

新型智能流量變送器在數(shù)字化油田的研究與應用

向華州 張景祖 相一 商旭

（長慶油田分公司第七采油廠數(shù)字化與科技信息中心，陜西西安 710201）

本文針對數(shù)字化油田輸油管線使用容積式流量計在線檢測技術現(xiàn)狀進行了簡要分析，并對常用流量采集設備和傳輸方法進行了探討，引進實驗測試了ZMTD型智能流量變送器。文中介紹了新型智能流量變送器工作原理和結構特點，詳細分析介紹了流量計的特性和優(yōu)點，通過對實驗運行情況跟蹤，驗證了新型流量變送器精確性和穩(wěn)定性。

流量計 智能 變送器 在線監(jiān)測

1　引言

容積式流量計以其計量精度高，廣泛應用于油田原油管道輸送計量。隨著油田數(shù)字化建設，傳統(tǒng)的機械表頭已不能滿足流量數(shù)據(jù)在在線監(jiān)控，必須采用電子流量計表頭，用于轉換遠傳流量信號，實現(xiàn)在線監(jiān)控。我廠率先引進了一種新型智能流量變送器，通過現(xiàn)場試驗測試，該型流量變送器具備穩(wěn)定性高、采集準確的優(yōu)點，具有推廣使用的意義。

2　流量變送器技術現(xiàn)狀

在油田中常用的有橢圓齒輪流量計、雙轉子流量計、腰輪流量計和刮板流量計，通過在流量計機械傳動輸出軸上安裝流量變送器，將機械輸出信號計算轉換為電信號，遠傳至站控操作系統(tǒng)，實現(xiàn)瞬時、累積流量實時在線監(jiān)測。

常用的流量變送器主要采用光電轉換和電磁轉換方式，使用脈沖信號、485信號采集和CMBUS方式傳輸采集，根據(jù)轉換方式和傳輸方式的不同，構成各種流量變送器，油田中常用的有2種。

2.1光電脈沖表頭

2.1.1工作原理

在流量計機械表頭輸出轉軸安裝光電脈沖發(fā)生器，光電脈沖發(fā)生器采用“機-光-電”模式的編碼原理，由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤與流量計機械輸出軸同速旋轉，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過信號線將脈沖信號遠傳至PLC，由PLC程序通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)計算當前流量計的轉速，計算累計流量。

圖1　MTD型智能流量變送器拓撲圖

表1　智能流量變送器與普通流量儀表主要性能對比表

2.1.2缺點

采用脈沖計數(shù)方式計算瞬時和累積流量，無法避免振動與流量計振動、倒轉引起的誤計數(shù)，累計流量隨時間增加誤差也不斷增大。流量數(shù)據(jù)要依靠PLC計算，當發(fā)生停電、PLC故障或站控系統(tǒng)故障時，就會停止計算流量，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，無法滿足流量精確計量和實時監(jiān)控的要求。

2.2RS-485表頭

2.2.1工作原理

RS-485表頭直接替換原機械表頭，采用了“機-磁-電”轉換的增量編碼原理，實現(xiàn)本地電子顯示瞬時、累積流量。同時，通過信號線可將數(shù)字信號傳輸至PLC，從而可在站控系統(tǒng)實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)準確采集，可靠性較光電脈沖表頭高。

2.2.2缺點

采用RS-48表頭，需拆除現(xiàn)場機械表頭，現(xiàn)場電子表頭讀數(shù)將作為讀取累積流量的唯依據(jù)，無機械表顯示，無法判斷其計量準確性，且采用RS-485通訊方式，抗干擾能力較差。

2.3ZMTD型智能流量變送器

為提高流量計計量與采集結果的準確性和穩(wěn)定性，一些新式的流量變送器應用了前沿的傳感技術和傳輸方式。ZMTD型智能流量變送器應用了絕對編碼的磁電轉換裝置和CMBUS協(xié)議通訊方式，適用于數(shù)字化油田中廣泛應用的容積式流量計的流量在線監(jiān)控。

2.3.1工作原理

ZMTD型智能流量變送器流量變送器轉換環(huán)節(jié)的測量原理采用了“機-磁-電”轉換模式，磁鋼旋轉與磁敏元件陣列產(chǎn)生磁場變化，再將磁場變化轉換為電信號，后轉換為12位的二進制數(shù)字信號，實現(xiàn)本地表頭顯示。同時，通過信號線采用CMBUS將數(shù)字信號傳輸至室內(nèi)協(xié)議轉換器，再用RS-485通訊傳輸至PLC，實現(xiàn)站控系統(tǒng)流量數(shù)據(jù)準確采集。

2.3.2組成及安裝調(diào)試

ZMTD型智能流量變送器流量變送器由轉換器、傳感器、顯示表頭三部分組成。

安裝時，在流量計的機械輸出轉軸安裝“ZMTD-C/F型智能流量變送器”并接入2芯電纜，在室內(nèi)機柜端接入“ZB-F-1型智能轉換器”（C-MBUS協(xié)議轉換為RS-485 MODBUS協(xié)議），通過串口RS-485 MODBUS協(xié)議上傳至站控PLC。（見圖1）

2.3.3技術特點

由于ZMTD型智能流量變送器采用了特殊的傳感轉換方式和通訊協(xié)議，優(yōu)化的軟件設計，與傳統(tǒng)的光電脈沖發(fā)生器和RS-485表頭相比，具有明顯的技術優(yōu)勢。（見表1）

（1）高計量精度。該變送器轉換環(huán)節(jié)的測量原理采用了“機-磁-（2）性能穩(wěn)定。ZMTD型智能流量變送器結合“后備電池+超級電容+CMBUS總線供電”等多重措施，功耗低，實現(xiàn)掉電工作維持、掉電記憶保持等功能，保證了現(xiàn)場表頭的長期穩(wěn)定運行，避免累計流量誤差的產(chǎn)生。

電”轉換模式，采用360°的“絕對值編碼器”工作模式，具備位置識別與過零檢測，能準確從原理上徹底避免了流量計“震動、液體倒流”等各種直接干擾。對應輸出4096個12位的二進制碼，分辨率高，計量準確性大幅提高。

（3）兩線制總線傳輸。采用2線制CMBUS總線（兩芯線兼顧供電和通訊）傳輸至CMBUS總線RTU，且一臺RTU利用一對總線可以掛接多達256臺變送器表頭。

3　ZMTD型智能流量變送器應用研究

3.1實驗測試

3.1.1現(xiàn)場安裝調(diào)試

經(jīng)過現(xiàn)場考察，環(huán)三聯(lián)合站環(huán)五轉來油流量計型號為上海九儀刮板20-100型流量計，未進行數(shù)字化改造，符合新型流量計的安裝使用要求，對該流量計進行安裝測試。

3.1.2準確性測試

記錄現(xiàn)場機械表頭、現(xiàn)場變送器表頭和站控系統(tǒng)累積流量，經(jīng)過1個月的跟蹤對比，記錄數(shù)據(jù)偏差。

通過一個月的現(xiàn)場數(shù)據(jù)跟蹤對比，現(xiàn)場機械表頭、現(xiàn)場變送器表頭和站控系統(tǒng)累積流量絕對一致，數(shù)據(jù)準確性得到驗證。

3.1.3穩(wěn)定性測試

現(xiàn)場對變送器進行信號中斷、線路短路測試，驗證變送器的抗干擾和數(shù)據(jù)保持能力。

通過進行多次測試，變送器和RTU轉換器在線路短路、通訊中斷的狀態(tài)下，內(nèi)部電路的防隔離技術可以很好的保護儀表，運行穩(wěn)定性得到驗證。

3.2推廣應用

經(jīng)過在環(huán)三聯(lián)合站的試驗測試，ZMTD型智能流量變送器數(shù)據(jù)采集準確、運行穩(wěn)定，隨即在全廠開展推廣應用，主要對前期未進行數(shù)字化改造的機械式流量計進行安裝更換，對19座站點，共計34個流量計進行更換。

4　結語

ZMTD型智能流量變送器適用于油田各種帶有機械輸出轉軸的容積式流量計，具有精確性、穩(wěn)定性高的特點。

前期站點建設流量計均按脈沖信號布2芯線，改為RS-485通訊需重新布3芯信號線，工作量較大，且更換后無機械表頭顯示，無法判斷其準確性，ZMTD型智能流量變送器采用2線制通訊方式，非常適用于該部分流量計的數(shù)字化建設及改造，實現(xiàn)流量在線監(jiān)控。