RTU自動計量系統(tǒng)在艾哈代布油田的應用

1、系統(tǒng)簡介
       艾哈代布油田位于伊拉克中南部，在瓦斯特省的努馬尼耶和庫特鎮(zhèn)之間，距首都巴格達約160km。艾哈代布油田一期300萬噸/年產(chǎn)能建設項目，是伊拉克新政府成立后恢復的第一個新建產(chǎn)能項目和第一個戰(zhàn)后對外石油合作項目。2011年6月21日，中國石油艾哈代布油田一期年300萬噸產(chǎn)能建設項目提前投產(chǎn)成功，二期600×104t /a產(chǎn)能預期提前3年可投產(chǎn)。一個現(xiàn)代化油田的建成，徹底改寫了伊拉克瓦西特省石油工業(yè)“一窮二白”的歷史，成為伊拉克經(jīng)濟復蘇和石油工業(yè)發(fā)展的希望。
       油田最基本的生產(chǎn)單元是油井，其生產(chǎn)管理措施需要基于對油井日產(chǎn)量和含水率等動態(tài)數(shù)據(jù)的掌握分析之上的。計量站連接其下屬的各個油井，完成對站內(nèi)各個油井的液、油、氣三相計量，需要準確、及時地為油田地質(zhì)部門提供油藏工程資料。傳統(tǒng)的計量站生產(chǎn)管理采用人工計量方式和工人三班工作制，人工計量是間歇不連續(xù)的，計量次數(shù)少、時間短，再加上部分油井間歇出油、原油含水較高，往往造成計量結(jié)果代表性差，不能為油藏工程提供真實可靠的資料；人工計量勞動強度大、效率低，也容易導致人為假數(shù)據(jù)。另外，艾哈代布油田屬于沙漠油田，其自然環(huán)境條件惡劣，再加上伊拉克安保防恐環(huán)境，使得傳統(tǒng)的人工巡檢計量無法適應特殊的現(xiàn)場環(huán)境，從而對計量系統(tǒng)的設計提出了更高的要求。
       艾哈代布油田計量站采用北京迪威爾石油天然氣技術開發(fā)有限公司的撬裝計量工藝設備和儀表，計量站采用北京安控科技股份有限公司開發(fā)的E5406自動計量RTU為核心的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控設備，中控室采用SCADA系統(tǒng)進行遠程控制，從而實現(xiàn)了對撬裝計量站的完整數(shù)據(jù)監(jiān)控和全自動計量，實現(xiàn)了現(xiàn)場無人值守。
       在計量工藝設備上，采用艾默生Micro Motion質(zhì)量流量計實現(xiàn)對進入計量站的每一口油井的產(chǎn)液量和介質(zhì)密度的數(shù)據(jù)測量，而日產(chǎn)氣量的流量測量則采用天然氣流量計；在自動選井設備上，選用北京迪威爾石油天然氣技術開發(fā)有限公司開發(fā)的多通閥；數(shù)據(jù)采集監(jiān)控設備選用北京安控科技股份有限公司開發(fā)的E5406自動計量RTU。從而，通過監(jiān)控現(xiàn)場儀表、多通閥，實現(xiàn)了撬裝計量站的全自動運行；通過光纖與中控室SCADA系統(tǒng)通信，實現(xiàn)了計量站的遠程控制與計量。中控室SCADA系統(tǒng)由霍尼韋爾公司提供。

附圖1  計量站E5406 RTU

2  油田單井計量SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
        油田單井計量SCADA系統(tǒng)中，中控室與現(xiàn)場撬裝計量站RTU通過光纖網(wǎng)絡進行通信。一期工程中，已經(jīng)投運了9套計量站RTU，而隨著油田的開發(fā)，在二期工程中還將投運5套計量站RTU。
       計量站RTU和中控室SCADA系統(tǒng)是通過就地操作或中控室遠程操作來實現(xiàn)對進入計量站的各個油井采出物的三相日產(chǎn)量計量，包括日產(chǎn)液量、日產(chǎn)油量、含水率等。

附圖2 油田單井計量SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 單個撬裝計量站的設備組成
       計量站的撬裝建設模式，是預先在工廠將工藝設備、儀表設備、控制系統(tǒng)等組裝成撬，減少了現(xiàn)場野外的施工量，有利于提高建設質(zhì)量；撬裝設備能夠通過規(guī)?；少徑档驮O備采購成本；可在現(xiàn)場快速組裝，有利于減少現(xiàn)場施工成本，縮短建站工期。
       每個計量站由多個撬裝設備組成：
       ——與油田原油系統(tǒng)相對應：2個多通閥撬，1個計量撬；
       ——與油田注水系統(tǒng)相對應：1個配水撬。
（1）2個多通閥撬
        每個多通閥內(nèi)的8井式多通閥，具備8個進油管線，其中7個作為井口來油管線、1個作為空頭；每個多通閥具備2個出油管線，分別接計量裝置和生產(chǎn)匯管。
       因此，具備2個多通閥的撬裝計量站最多可接入14口油井的來油。
       多通閥撬上的儀表包括：油井來油壓力檢測、可燃氣濃度檢測、H2S濃度檢測等。
（2）1個計量撬
       計量撬上的工藝設備為油氣分離器，儀表設備為質(zhì)量流量計、天然氣流量計，實現(xiàn)對井口采出物的油氣分離和日產(chǎn)量三相計量。
       其它儀表包括分離器壓力、溫度、液位，可燃氣濃度檢測、H2S濃度檢測等。
（3）1個配水撬
       配水撬連接多口注水井，將來自于注水站的水注入到各個注水井。配水撬上的儀表為各個注水井的注水壓力和注水流量，從而監(jiān)控各個注水井的配注情況。

3  計量站RTU和相關設備
       在撬裝計量站中，RTU是實現(xiàn)全站自動倒井、自動計量的核心自控設備。一方面，RTU用于監(jiān)控站內(nèi)各類儀表和執(zhí)行機構(gòu)，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、控制和計量等任務；另一方面，RTU通過光纖網(wǎng)絡與SCADA系統(tǒng)的上位機服務器通信，實現(xiàn)在中控室的遠程控制和計量。
3.1選井多通閥
       每個多通閥撬內(nèi)均設有一套8井式多通閥。 與多通閥配套提供的是多通閥控制箱，其內(nèi)部有多通閥控制器和供配電設備，用來完成對多通閥電動執(zhí)行機構(gòu)的三相供電驅(qū)動、閥位檢測和閥位控制；多通閥控制箱外部有指示燈和控制開關，用于對多通閥進行就地手動的選井操作。多通閥配置見附圖3.1-1。
       多通閥控制器提供與計量站RTU進行數(shù)據(jù)通信的控制接口，以便RTU對多通閥進行閥位檢測和閥位控制，實現(xiàn)自動倒井和現(xiàn)場無人值守。

附圖3.1-1  多通閥配置圖

3.2質(zhì)量流量計和天然氣流量計
3.2.1質(zhì)量流量計
       艾默生Micro Motion質(zhì)量流量計利用科里奧利效應工作，實時測量井口來油的質(zhì)量流量、密度和溫度，并根據(jù)用戶設定的純油密度和水密度，計算出原油的體積流量、含水率、純油體積流量。
       質(zhì)量流量計支持連續(xù)計量方式和油井計量方式，并提供與RTU通訊的RS485通信接口。由于撬裝計量站要通過多通閥倒井，依次對不同油井來油進行產(chǎn)量計量，因此，必須使用油井輪換計量方式。這就要求RTU在計量過程中，除了控制多通閥選井之外，還要向質(zhì)量流量計發(fā)出啟動計量、停止計量的命令，并向質(zhì)量流量計寫入其計量所需參數(shù)、讀取計量結(jié)果到RTU和傳輸?shù)街锌厥疑衔粰C。

圖3.2-1  質(zhì)量流量計

3.2.2天然氣流量計
 天然氣流量計選用旋進漩渦流量計。在計量過程中，RTU監(jiān)測天然氣的瞬時流量和累計流量，并根據(jù)計量時間計算出油井的日產(chǎn)氣量。
3.3  RTU
3.3.1 設備硬件組成
       E5406系列自動計量控制器選用北京安控科技發(fā)展有限公司開發(fā)的Super E50主控制器和I/O模塊。為了適應沙漠油田惡劣的自然環(huán)境，系統(tǒng)采用主控制器、電源、網(wǎng)絡等的冗余設計，并采用高防護等級的室外機柜和特殊的安裝施工。
       Super E50 系列RTU 是安控科技集多年的控制系統(tǒng)開發(fā)、工程經(jīng)驗設計的新型模塊化RTU 產(chǎn)品，可實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場信號的采集和設備的控制。該產(chǎn)品采用了32 位處理器和高效的嵌入式操作系統(tǒng)，整個系統(tǒng)功能強大、操作方便、集成度高，不僅能完成數(shù)據(jù)采集、定時、計數(shù)、控制，還能完成復雜的計算、PID控制、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能，其程序開發(fā)方便，可與上位機組成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)集散控制。Super E50 系列RTU 產(chǎn)品具有多種配置和可選功能，可根據(jù)工程的實際需求，設計開發(fā)成各種控制系統(tǒng)。
       Super E50系列RTU采用適應惡劣環(huán)境下高可靠的工業(yè)應用設計，可應用于各種現(xiàn)場工況。
       RTU具備多種通信接口，并通過串口連接顯示屏，因此，既可在計量站就地操作，也可在中控室上位機遠程操作。

附圖3.3-1  RTU機柜

3.3.2  RTU性能特點
◇ 采用32 位處理器， 嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)
◇ 模塊化設計，易于擴展，可多站協(xié)調(diào)工作，組建成復雜系統(tǒng)
◇ 經(jīng)濟可靠、功能強大的通信接口，支持Modbus RTU/ASCI / TCP、DNP3 等通信協(xié)議， 具有RS232、RS485、Ethernet 等通信接口
◇ 高效的工程開發(fā)工具，符合IEC61131-3 標準，支持LD、FBD、IL、ST、SFC 五種程序語言
◇ 先進的冗余/ 容錯方式
◇ 工業(yè)標準設計，DIN 導軌安裝結(jié)構(gòu)，方便現(xiàn)場安裝
◇ 工作溫度-40 ℃～ +70℃，工作濕度5 ～ 95%RH，適應各種惡劣環(huán)境
◇ 通過CE 認證，達到EMC 電磁兼容3 級標準。
3.3.3系統(tǒng)功能和人機界面
     （1) 實時監(jiān)測功能
        實時監(jiān)測油田計量站的全部生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如計量撬、配水撬、多通閥撬等的溫度、壓力、液位、可燃氣/有毒氣體濃度、含水率、注水流量等數(shù)據(jù)。
     （2)  自動選井控制功能
       根據(jù)RTU人機界面操作命令或中控室遠程操作命令，自動將某一個或多個油井切換到計量位，并啟動該油井的日產(chǎn)量計量。生產(chǎn)管理人員只需設置好每口油井的計量排序和計量時間，即可啟動RTU，由RTU完成對全站各個油井的全自動計量。

      （3) 計量流程控制功能
       某一個油井切換到計量位后，實時采集原油流量、含水率、天然氣流量，完成一定時間的計量（根據(jù)RTU人機界面或中控室設置）。

     （4）計量計算功能
       計量過程結(jié)束后，根據(jù)計量的有效時間、原油和天然氣流量累計、含水率等數(shù)據(jù)，自動計算出采出液、油、氣、水的日產(chǎn)量。

     （5）報警與聯(lián)鎖功能
       數(shù)據(jù)采集點報警，如液位高報警、天然氣泄漏濃度高報警等；
       設備故障報警，如電動閥故障判斷與報警、計量流程異常等；
       危險報警點可與設備聯(lián)動，實現(xiàn)聯(lián)鎖控制。
     （6）計量歷史數(shù)據(jù)功能
       RTU控制器可獨立工作，并可存儲數(shù)百條歷史計量數(shù)據(jù)，供查詢和打印。

 4、SCADA系統(tǒng)
       中控室SCADA服務器通過光纖網(wǎng)絡與現(xiàn)場各個撬裝計量站RTU進行通信，及時準確地將現(xiàn)場數(shù)據(jù)、工藝流程、設備狀態(tài)展示給中控室生產(chǎn)調(diào)度人員，并能夠向現(xiàn)場各個RTU發(fā)送控制指令，控制現(xiàn)場的多通閥和質(zhì)量流量計完成計量操作。
       主要畫面包括：計量撬流程、配水撬流程、多通閥撬流程、計量排序設置、計量結(jié)果顯示等。

5、運行效果
       艾哈代布油田計量站SCADA系統(tǒng)投運以來，工作穩(wěn)定可靠，達到了預期的設計目標。生產(chǎn)管理人員在中控室即可對幾公里乃至幾十公里外的各個計量站進行遠程選井操作、自動計量、數(shù)據(jù)監(jiān)控，實現(xiàn)了現(xiàn)場無人值守。通過多通閥選井的方式，對進入計量站的各個油井輪流進行計量，單井計量精度達到了10%以內(nèi)，能夠較好地反映出油井日產(chǎn)量和含水率的變化趨勢。
       這一方面能夠為油田地質(zhì)部門提供及時準確的油藏工程數(shù)據(jù)，另一方面避免了生產(chǎn)管理人員日常驅(qū)車到現(xiàn)場進行巡井計量的操作，大大減輕了生產(chǎn)人員的工作負擔，尤其提高了在伊拉克特殊的安保防恐環(huán)境下的人身安全。