RTU自动计量系统在艾哈代布油田的应用

1、系统简介
       艾哈代布油田位于伊拉克中南部，在瓦斯特省的努马尼耶和库特镇之间，距首都巴格达约160km。艾哈代布油田一期300万吨/年产能建设项目，是伊拉克新政府成立后恢复的第一个新建产能项目和第一个战后对外石油合作项目。2011年6月21日，中国石油艾哈代布油田一期年300万吨产能建设项目提前投产成功，二期600×104t /a产能预期提前3年可投产。一个现代化油田的建成，彻底改写了伊拉克瓦西特省石油工业“一穷二白”的历史，成为伊拉克经济复苏和石油工业发展的希望。
       油田最基本的生产单元是油井，其生产管理措施需要基于对油井日产量和含水率等动态数据的掌握分析之上的。计量站连接其下属的各个油井，完成对站内各个油井的液、油、气三相计量，需要准确、及时地为油田地质部门提供油藏工程资料。传统的计量站生产管理采用人工计量方式和工人三班工作制，人工计量是间歇不连续的，计量次数少、时间短，再加上部分油井间歇出油、原油含水较高，往往造成计量结果代表性差，不能为油藏工程提供真实可靠的资料；人工计量劳动强度大、效率低，也容易导致人为假数据。另外，艾哈代布油田属于沙漠油田，其自然环境条件恶劣，再加上伊拉克安保防恐环境，使得传统的人工巡检计量无法适应特殊的现场环境，从而对计量系统的设计提出了更高的要求。
       艾哈代布油田计量站采用北京迪威尔石油天然气技术开发有限公司的撬装计量工艺设备和仪表，计量站采用北京安控科技股份有限公司开发的E5406自动计量RTU为核心的数据采集监控设备，中控室采用SCADA系统进行远程控制，从而实现了对撬装计量站的完整数据监控和全自动计量，实现了现场无人值守。
       在计量工艺设备上，采用艾默生Micro Motion质量流量计实现对进入计量站的每一口油井的产液量和介质密度的数据测量，而日产气量的流量测量则采用天然气流量计；在自动选井设备上，选用北京迪威尔石油天然气技术开发有限公司开发的多通阀；数据采集监控设备选用北京安控科技股份有限公司开发的E5406自动计量RTU。从而，通过监控现场仪表、多通阀，实现了撬装计量站的全自动运行；通过光纤与中控室SCADA系统通信，实现了计量站的远程控制与计量。中控室SCADA系统由霍尼韦尔公司提供。

附图1  计量站E5406 RTU

2  油田单井计量SCADA系统结构
2.1 系统结构图
        油田单井计量SCADA系统中，中控室与现场撬装计量站RTU通过光纤网络进行通信。一期工程中，已经投运了9套计量站RTU，而随着油田的开发，在二期工程中还将投运5套计量站RTU。
       计量站RTU和中控室SCADA系统是通过就地操作或中控室远程操作来实现对进入计量站的各个油井采出物的三相日产量计量，包括日产液量、日产油量、含水率等。

附图2 油田单井计量SCADA系统结构图

2.2 单个撬装计量站的设备组成
       计量站的撬装建设模式，是预先在工厂将工艺设备、仪表设备、控制系统等组装成撬，减少了现场野外的施工量，有利于提高建设质量；撬装设备能够通过规模化采购降低设备采购成本；可在现场快速组装，有利于减少现场施工成本，缩短建站工期。
       每个计量站由多个撬装设备组成：
       ——与油田原油系统相对应：2个多通阀撬，1个计量撬；
       ——与油田注水系统相对应：1个配水撬。
（1）2个多通阀撬
        每个多通阀内的8井式多通阀，具备8个进油管线，其中7个作为井口来油管线、1个作为空头；每个多通阀具备2个出油管线，分别接计量装置和生产汇管。
       因此，具备2个多通阀的撬装计量站最多可接入14口油井的来油。
       多通阀撬上的仪表包括：油井来油压力检测、可燃气浓度检测、H2S浓度检测等。
（2）1个计量撬
       计量撬上的工艺设备为油气分离器，仪表设备为质量流量计、天然气流量计，实现对井口采出物的油气分离和日产量三相计量。
       其它仪表包括分离器压力、温度、液位，可燃气浓度检测、H2S浓度检测等。
（3）1个配水撬
       配水撬连接多口注水井，将来自于注水站的水注入到各个注水井。配水撬上的仪表为各个注水井的注水压力和注水流量，从而监控各个注水井的配注情况。

3  计量站RTU和相关设备
       在撬装计量站中，RTU是实现全站自动倒井、自动计量的核心自控设备。一方面，RTU用于监控站内各类仪表和执行机构，完成现场数据采集、控制和计量等任务；另一方面，RTU通过光纤网络与SCADA系统的上位机服务器通信，实现在中控室的远程控制和计量。
3.1选井多通阀
       每个多通阀撬内均设有一套8井式多通阀。 与多通阀配套提供的是多通阀控制箱，其内部有多通阀控制器和供配电设备，用来完成对多通阀电动执行机构的三相供电驱动、阀位检测和阀位控制；多通阀控制箱外部有指示灯和控制开关，用于对多通阀进行就地手动的选井操作。多通阀配置见附图3.1-1。
       多通阀控制器提供与计量站RTU进行数据通信的控制接口，以便RTU对多通阀进行阀位检测和阀位控制，实现自动倒井和现场无人值守。

附图3.1-1  多通阀配置图

3.2质量流量计和天然气流量计
3.2.1质量流量计
       艾默生Micro Motion质量流量计利用科里奥利效应工作，实时测量井口来油的质量流量、密度和温度，并根据用户设定的纯油密度和水密度，计算出原油的体积流量、含水率、纯油体积流量。
       质量流量计支持连续计量方式和油井计量方式，并提供与RTU通讯的RS485通信接口。由于撬装计量站要通过多通阀倒井，依次对不同油井来油进行产量计量，因此，必须使用油井轮换计量方式。这就要求RTU在计量过程中，除了控制多通阀选井之外，还要向质量流量计发出启动计量、停止计量的命令，并向质量流量计写入其计量所需参数、读取计量结果到RTU和传输到中控室上位机。

图3.2-1  质量流量计

3.2.2天然气流量计
 天然气流量计选用旋进漩涡流量计。在计量过程中，RTU监测天然气的瞬时流量和累计流量，并根据计量时间计算出油井的日产气量。
3.3  RTU
3.3.1 设备硬件组成
       E5406系列自动计量控制器选用北京安控科技发展有限公司开发的Super E50主控制器和I/O模块。为了适应沙漠油田恶劣的自然环境，系统采用主控制器、电源、网络等的冗余设计，并采用高防护等级的室外机柜和特殊的安装施工。
       Super E50 系列RTU 是安控科技集多年的控制系统开发、工程经验设计的新型模块化RTU 产品，可实现对工业现场信号的采集和设备的控制。该产品采用了32 位处理器和高效的嵌入式操作系统，整个系统功能强大、操作方便、集成度高，不仅能完成数据采集、定时、计数、控制，还能完成复杂的计算、PID控制、通讯联网等功能，其程序开发方便，可与上位机组成控制系统，实现集散控制。Super E50 系列RTU 产品具有多种配置和可选功能，可根据工程的实际需求，设计开发成各种控制系统。
       Super E50系列RTU采用适应恶劣环境下高可靠的工业应用设计，可应用于各种现场工况。
       RTU具备多种通信接口，并通过串口连接显示屏，因此，既可在计量站就地操作，也可在中控室上位机远程操作。

附图3.3-1  RTU机柜

3.3.2  RTU性能特点
◇ 采用32 位处理器， 嵌入式实时多任务操作系统(RTOS)
◇ 模块化设计，易于扩展，可多站协调工作，组建成复杂系统
◇ 经济可靠、功能强大的通信接口，支持Modbus RTU/ASCI / TCP、DNP3 等通信协议， 具有RS232、RS485、Ethernet 等通信接口
◇ 高效的工程开发工具，符合IEC61131-3 标准，支持LD、FBD、IL、ST、SFC 五种程序语言
◇ 先进的冗余/ 容错方式
◇ 工业标准设计，DIN 导轨安装结构，方便现场安装
◇ 工作温度-40 ℃～ +70℃，工作湿度5 ～ 95%RH，适应各种恶劣环境
◇ 通过CE 认证，达到EMC 电磁兼容3 级标准。
3.3.3系统功能和人机界面
     （1) 实时监测功能
        实时监测油田计量站的全部生产数据，如计量撬、配水撬、多通阀撬等的温度、压力、液位、可燃气/有毒气体浓度、含水率、注水流量等数据。
     （2)  自动选井控制功能
       根据RTU人机界面操作命令或中控室远程操作命令，自动将某一个或多个油井切换到计量位，并启动该油井的日产量计量。生产管理人员只需设置好每口油井的计量排序和计量时间，即可启动RTU，由RTU完成对全站各个油井的全自动计量。

      （3) 计量流程控制功能
       某一个油井切换到计量位后，实时采集原油流量、含水率、天然气流量，完成一定时间的计量（根据RTU人机界面或中控室设置）。

     （4）计量计算功能
       计量过程结束后，根据计量的有效时间、原油和天然气流量累计、含水率等数据，自动计算出采出液、油、气、水的日产量。

     （5）报警与联锁功能
       数据采集点报警，如液位高报警、天然气泄漏浓度高报警等；
       设备故障报警，如电动阀故障判断与报警、计量流程异常等；
       危险报警点可与设备联动，实现联锁控制。
     （6）计量历史数据功能
       RTU控制器可独立工作，并可存储数百条历史计量数据，供查询和打印。

 4、SCADA系统
       中控室SCADA服务器通过光纤网络与现场各个撬装计量站RTU进行通信，及时准确地将现场数据、工艺流程、设备状态展示给中控室生产调度人员，并能够向现场各个RTU发送控制指令，控制现场的多通阀和质量流量计完成计量操作。
       主要画面包括：计量撬流程、配水撬流程、多通阀撬流程、计量排序设置、计量结果显示等。

5、运行效果
       艾哈代布油田计量站SCADA系统投运以来，工作稳定可靠，达到了预期的设计目标。生产管理人员在中控室即可对几公里乃至几十公里外的各个计量站进行远程选井操作、自动计量、数据监控，实现了现场无人值守。通过多通阀选井的方式，对进入计量站的各个油井轮流进行计量，单井计量精度达到了10%以内，能够较好地反映出油井日产量和含水率的变化趋势。
       这一方面能够为油田地质部门提供及时准确的油藏工程数据，另一方面避免了生产管理人员日常驱车到现场进行巡井计量的操作，大大减轻了生产人员的工作负担，尤其提高了在伊拉克特殊的安保防恐环境下的人身安全。