油田智能计量站自动监控系统的分析

姜建胜,习进路

（1.中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京,1022492.北京迪威尔石油天然气技术开发有限公司,北京,100085）

随着经济的快速发展，我国的能源需求量逐年增大，促使国有石油公司不断加大海外原油开发力度。中石油海外资产主要分布的国家大都存在政治上的不稳定性，所属的部分海外油田处于长期战乱或局势动荡的社会环境，这对远赴异国的中石油员工的生命安全造成了极大的威胁。其中以苏丹、伊拉克的形式最为严峻。

计量站是油田的重要组成部分，其生产运行担负着站内各个油井的液、油、气三相计量任务，油井计量的主要目的是为了了解储油层的生产状况，分析储油层的变化动态，科学的制定出开放方案和调整改造方案，提高油田的采收率，以及实现油田管理科学化，提高油田生产的经济效益，提供准确可靠的测量数据。因此，需要及时、准确地为油田地质部门提供油藏工程资料。

国内油田大部分外输计量的操作均由人工完成，控制逻辑人工实现，外输量的计量仪表现场读数，这种操作模式难以保障生产过程的平稳，存在一定的安全隐患，生产管理难度大。对生产数据的自动采集，生产数据的分析和存储，生产数据的实时监控造成很大的影响，造成站管理层人员对全站情况的实时了解不可能实现，管理策略的制定缺乏必要的依据，管理滞后于实际的局面在所难免。

针对海外油田现场人工计量存在严重的人身安全隐患和管理滞后等问题，本文结合苏丹六区的实际情况，对油田智能计量站自动监控系统进行了研究。

1 自动控制系统设计

通过对比计量站中常用的DCS(集中分散型控制系统)、SCADA（数据采集与监视控制系统）、RTU（远端测控单元装置）、PLC（可编程逻辑控制器）等控制系统的优缺点，本研究选用RTU控制器。

1.1 RTU控制器

RTU为远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制。RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。

RTU具有如下特点：

图1 计量站系统结构图

Super E40系列RTU自动化系统规模灵活可变，结构先进，易于扩展；采用当前非常流行的工业通信协议Modbus、DNP3 等作为系统的通信接口协议，经济可靠；硬件模块采用当前主流的ARM 技术（32 位ARM 芯片），所有模块均内置CPU 及永久性程序储存器，实现了模块化设计；采用5 种不同的标准语言（IL、LAD、ST、SFC、FBD/CAC）；功能强大的硬件系统，先进的 MCU，功能丰富，不仅能胜任逻辑、定时、计数、控制，还能完成复杂的数据运算、高速计数、模拟量控制、PID、RTD、TC、通讯联网等功能，很容易和上位机组成网络控制系统，实现集散控制，而且编程简单，易于实现；先进的冗余/容错方式，冗余热备数据、程序运行同步信息均通过系统CPU 底板进行传输，避免由于系统热备模块及相关配件故障而导致系统失败，使系统具有更高的可靠性。

鉴于RTU 的诸多优点，在石油地面工程中得到了广泛的应用，也广泛的应用于大型系统的基础数据采集和传输单元。

1.2 计量站系统结构

采用RTU 控制器，在控制室内实现橇装设备工艺过程实时监控和集中管理。控制室设一套RTU 控制器、一台操作站、一台工程师站和打印设备等。橇座仪表与现场防爆接线箱连接，RTU控制器安装在值班室，通过多芯电缆与现场橇座防爆接线箱相连接，RTU 控制器通过以太网与操作站进行数据通讯。操作站负责RTU 控制器的数据采集和调度管理，实现现场数据采集、参数控制等，保证工程橇装设备的安全运行。工程师站负责调试、参数修改、培训等工作。系统结构如图1所示：

通过RTU控制器完成对现场基础单元的数据采集和与上位机之间的信息交换，如图2。

图2 计量站系统控制单元图

该系统分为三层：

最底层是由多个现场仪表、执行机构组成的I/O 层。主要完成实时数据采集、调节功能及设备启、停控制。

第二层为控制系统层。由现场控制单元和上位监控站组成。现场控制单元主要完成自动化系统的控制策略执行、联锁保护、程序调度、数据交换等功能。同时该单元带有触摸屏，可实现流程图画面数据动态显示、报警信息显示等功能。上位监控站作为自动化系统的人机界面，操作人员可通过其实现生产过程动态数据监视、采集数据历史存储，报表打印等功能。

最上层是由数据服务器、大型数据库系统、分析软件组成的上位管理层。高层管理部门可通过局域网或互联网，使用标准的网页浏览器Internet Explorer，对系统信息进行监测、分析、统计，甚至对现场设备进行控制。

2 计量装置自控技术研究

油田计量的自动化系统是由各仪表单元和对各仪表的控制组成的，仪表是系统构成的重要因子，也是完成整站的控制系统的关键设备之一，本计量站主要应用了温度、压力、物位和流量这几种基本仪表。各种仪表的性能从某种程度上体现自动化系统程度的高低。

2.1 温度测量仪表

双金属温度计是石油工程现场常用的一种就地测温仪表，在满足测量范围、工作压力、精确度要求下，应优先选用双金属温度计，本工程中选择了此种就地温度测量仪表，该仪表利用固体受热产生几何位移作为测温信号的一种固体膨胀式温度计。双金属温度计的感温元件通常是由两种膨胀系数不同，彼此又牢固结合的金属制作成平螺旋型或直螺旋型的结构。

2.2 压力测量仪表

根据计量站需要的压力量程要求和流体特点，本研究选用波纹管压力表，其经济实惠，结构简单易用的特点，使其应用较为广范。

2.3 物位测量仪表

根据实现工艺流程的要求，本研究选择就地显示磁性浮子式液位计作为液位测量的仪表。其具有显示直观醒目、不需电源、安装方便可靠、维护量小、维修费用低、适用范围广等优点。

2.4 流量仪表

流量计是石油和化工油气计量所用的重要的仪表，是能源管理和贸易交接计量、经济核算的必要设备。以下分别从油流量检测和气流量检测两个方面说明工程中常用的几类流量计的适应性。

液体测量的科里奥利质量流量计

科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。

质量流量计通过RS485 将液体的瞬时和累积流量、纯油的瞬时和累积流量、含水率、密度等数据上传到RTU，实现RTU 控制监测。

气体测量用的孔板流量计

孔板流量计由孔板节流装置、引压管线和二次仪表组成，是差压流量计最典型的一种，其节流装置已经标准化。结构简单、制造、加工、安装、使用和维护方便，组合灵活，应用广泛，可操作性强，是价格低廉的流量测量仪表。

3 现场应用情况

将该套监控系统应用于苏丹6区某一口油井，系统自动切换到计量位后，开始进入三相自动计量，计量过程结束后，RTU根据计量有效时间，自动计算出原油平均含水率、油井液量、纯油量、水量、天然气的日产量，同时将计算结果自动储存在RTU 存储器内并传至中心控制室。

通过现场试用，该自动监控系统能够实现：

（1）数据采集功能

自动采集工艺流程温度、压力、分离器液位、可燃气体浓度、天然气流量等。

（2）报警与联锁功能

采集量报警如可燃气体浓度高报警等；设备故障报警如电动阀故障判断与报警等。

（3）组态功能

RTU 参数、模拟量、脉冲量、遥信量的设置可组态；数值计算量、计算量的定义可组态；日、月、年数据库定义可组态。

（4）数据处理功能

静态数据（即基本数据）处理、动态数据处理、日志数据生成和数据查询、流量累积计算、报警分析处理等。

（5）数据库管理功能

自动形成历史数据文件，历史数据可按多种条件进行查询、修改。对历史数据进行各种统计、处理，数据文件可转换成标准数据库文件。

4 小结

以RTU为核心控制器的OGM成套计量站在苏丹6区的现场试验表明，该系统较好的实现了自动选井、计量、除砂等装置现场仪表数据的采集，所有运行参数可以达到自动检测、自动上传，可实现就地控制和远程监控的要求，从自动化角度出发，稳定的运行状态实现了无人值守，长周期巡检的预期目的。

今后对于油田智能计量站，利用快速发展的控制技术，依据高性价比的控制系统硬件，灵活方便、功能强大的控制系统软件，针对控制要求并不复杂的油田计量、计输站，实现整套的生产管理自动化控制系统以减轻工人劳动强度，提高生产效率，降低生产成本，提高管理水平是技术发展的必然趋势。

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