姜建勝,習(xí)進路

（1.中國石油大學(xué)(北京)機械與儲運工程學(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)亂或局勢動蕩的社會環(huán)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(chǎn)運行擔(dān)負著站內(nèi)各個油井的液、油、氣三相計量任務(wù)，油井計量的主要目的是為了了解儲油層的生產(chǎn)狀況，分析儲油層的變化動態(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，以及實現(xiàn)油田管理科學(xué)化，提高油田生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，提供準確可靠的測量數(shù)據(jù)。因此，需要及時、準確地為油田地質(zhì)部門提供油藏工程資料。

國內(nèi)油田大部分外輸計量的操作均由人工完成，控制邏輯人工實現(xiàn)，外輸量的計量儀表現(xiàn)場讀數(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。對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析和存儲，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)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(xiàn)，管理策略的制定缺乏必要的依據(jù)，管理滯后于實際的局面在所難免。

針對海外油田現(xiàn)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(jié)合蘇丹六區(qū)的實際情況，對油田智能計量站自動監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究。

1 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

通過對比計量站中常用的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（遠端測控單元裝置）、PLC（可編程邏輯控制器）等控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，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(zé)對現(xiàn)場信號、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測和控制。RTU將測得的狀態(tài)或信號轉(zhuǎn)換成可在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式。它還將從中央計算機發(fā)送來得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，實現(xiàn)對設(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容量，適用于惡劣的溫度和濕度環(huán)境，提供更多的計算功能。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：

圖1 計量站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Super E40系列RTU自動化系統(tǒng)規(guī)模靈活可變，結(jié)構(gòu)先進，易于擴展；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 及永久性程序儲存器，實現(xiàn)了模塊化設(shè)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(tǒng)，先進的 MCU，功能豐富，不僅能勝任邏輯、定時、計數(shù)、控制，還能完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算、高速計數(shù)、模擬量控制、PID、RTD、TC、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能，很容易和上位機組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)集散控制，而且編程簡單，易于實現(xiàn)；先進的冗余/容錯方式，冗余熱備數(shù)據(jù)、程序運行同步信息均通過系統(tǒng)CPU 底板進行傳輸，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，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 計量站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用RTU 控制器，在控制室內(nèi)實現(xiàn)橇裝設(shè)備工藝過程實時監(jiān)控和集中管理?？刂剖以O(shè)一套RTU 控制器、一臺操作站、一臺工程師站和打印設(shè)備等。橇座儀表與現(xiàn)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(xiàn)場橇座防爆接線箱相連接，RTU 控制器通過以太網(wǎng)與操作站進行數(shù)據(jù)通訊。操作站負責(zé)RTU 控制器的數(shù)據(jù)采集和調(diào)度管理，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、參數(shù)控制等，保證工程橇裝設(shè)備的安全運行。工程師站負責(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控制器完成對現(xiàn)場基礎(chǔ)單元的數(shù)據(jù)采集和與上位機之間的信息交換，如圖2。

圖2 計量站系統(tǒng)控制單元圖

該系統(tǒng)分為三層：

最底層是由多個現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機構(gòu)組成的I/O 層。主要完成實時數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)功能及設(shè)備啟、?？刂啤?/p>

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

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)，使用標準的網(wǎng)頁瀏覽器Internet Explorer，對系統(tǒng)信息進行監(jiān)測、分析、統(tǒng)計，甚至對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。

2 計量裝置自控技術(shù)研究

油田計量的自動化系統(tǒng)是由各儀表單元和對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)自動化系統(tǒng)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(xiàn)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(yīng)優(yōu)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(chǎn)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(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 壓力測量儀表

根據(jù)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(jīng)濟實惠，結(jié)構(gòu)簡單易用的特點，使其應(yīng)用較為廣范。

2.3 物位測量儀表

根據(jù)實現(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(yōu)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(mào)易交接計量、經(jīng)濟核算的必要設(shè)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(yīng)性。

液體測量的科里奧利質(zhì)量流量計

科里奧利質(zhì)量流量計是利用流體在直線運動的同時處于一旋轉(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(shù)據(jù)上傳到RTU，實現(xiàn)RTU 控制監(jiān)測。

氣體測量用的孔板流量計

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

3 現(xiàn)場應(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)自動切換到計量位后，開始進入三相自動計量，計量過程結(jié)束后，RTU根據(jù)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(chǎn)量，同時將計算結(jié)果自動儲存在RTU 存儲器內(nèi)并傳至中心控制室。

通過現(xiàn)場試用，該自動監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：

（1）數(shù)據(jù)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(lián)鎖功能

采集量報警如可燃氣體濃度高報警等；設(shè)備故障報警如電動閥故障判斷與報警等。

（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)值計算量、計算量的定義可組態(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、流量累積計算、報警分析處理等。

（5）數(shù)據(jù)庫管理功能

自動形成歷史數(shù)據(jù)文件，歷史數(shù)據(jù)可按多種條件進行查詢、修改。對歷史數(shù)據(jù)進行各種統(tǒng)計、處理，數(shù)據(jù)文件可轉(zhuǎn)換成標準數(shù)據(jù)庫文件。

4 小結(jié)

以RTU為核心控制器的OGM成套計量站在蘇丹6區(qū)的現(xiàn)場試驗表明，該系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了自動選井、計量、除砂等裝置現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)的采集，所有運行參數(shù)可以達到自動檢測、自動上傳，可實現(xiàn)就地控制和遠程監(jiān)控的要求，從自動化角度出發(fā)，穩(wěn)定的運行狀態(tài)實現(xiàn)了無人值守，長周期巡檢的預(yù)期目的。

今后對于油田智能計量站，利用快速發(fā)展的控制技術(shù)，依據(jù)高性價比的控制系統(tǒng)硬件，靈活方便、功能強大的控制系統(tǒng)軟件，針對控制要求并不復(fù)雜的油田計量、計輸站，實現(xiàn)整套的生產(chǎn)管理自動化控制系統(tǒng)以減輕工人勞動強度，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。

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