北京和利时系统工程有限公司

1  引言

    原油计量站作为油井原油计量和汇集的枢纽，在油田的生产中扮演十分重要的角色。实现原油计量站的自动化计量与监控，对于实现整个油田系统的自动监控，提高原油计量的准确性和生产效率等都具有十分重要的意义。
华北油田霸六计量站自动计量系统在原有系统的基础上，分别对现场仪表、执行机构进行了智能化和电气化改造，并增加了PLC控制站和中央控制室，以实现对系统的自动控制和远程监控。

    整个系统的自动控制由和利时公司的HOLLiAS G5系列PLC完成。

2  工艺概述

    简要工艺流程如图1所示。系统主要由计量用三通阀、分离器、平衡罐和原油伴热等部分组成。

                        图1  华北油田霸六计量站工艺流程框图

(1) 工作流程描述

    油井原油通过输油管道被输送到计量站。在非计量状态下，对应每口油井的三通阀都指向工作汇管方向，原油直接通过工作汇管被输送出去。当需要对某一口油井原油进行计量时，则将此口油井对应的三通阀指向计量汇管方向。原油由计量汇管进入分离器，在分离器中开始对原油进行计量。计量后的原油经平衡罐流入输出汇管被输送出去。

(2) 计量原理

    对油井原油的计量包括混合液的产量（M3）和体积含水率（%）计量两部分。混合液产量V是通过计量油井完成设定的分离器高度（50cm）所需要的时间T，并由公式：

                                V = δ / T

得到。其中，δ=15564,计量系数（可修改）。

    由上面计量得到的产量并不能直接得出油井的原油产量τ（吨），因为其中还有相当一部分是水。所以要计量原油产量，还需要得到对应于每口油井的原油体积含水率（%）。原油体积含水率ξ（%）是由安装在分离器油出口管道上的含水分析仪测量含水率的瞬时值，并通过在PLC对得到的含水率瞬时数据进行统计加权平均而得到。

                                 ξ=（V-τ/ρ）/ V

最后由公式：

                                 τ =（1-ξ）Vρ

得到油井的原油产量τ（吨）。其中，ρ为原油密度。

3  系统的设计方案

    根据系统的控制要求和现场的实际情况，对系统做如下设计：
    (1) 系统设现场操作站和中央控制室，以分别实现系统的集中控制管理和现场就地操作。
    (2) 中央控制室主要设监控计算机，监控计算机上运行和利时公司的FocSoft3.1监控软件，完成对整个系统的监控管理。
    (3) 在现场操作站设PLC系统，以完成对整个系统的数据采集和程序控制。PLC系统选择和利时公司的HOLLiAS  G5系列PLC，HOLLiAS  G5系列PLC具有完善的模块种类和灵活、优秀的网络通讯功能，可以容易地构建自己的系统。
另外，为了实现对系统的就地操作，在现场操作站还设有触摸屏。通过触摸屏，用户可以在计量站内完成对系统的监控。
    (4) 由于现场站和中央控制室之间的距离较远，考虑到搭建无线通讯网络的可行性，在现场站和中央控制室之间搭建了无线通讯网络，通过无线通讯网络实现现场站与中央控制室之间的通讯。
    (5) 对现场仪表和设备进行智能化改造，以适应控制系统的要求。

4  系统结构

    系统的结构如图2所示。整个系统可以分为四个层，从下到上依次为现场层，控制层，网络层和管理层。

                                  图2  系统结构图

    (1) 现场层为现场仪表部分，负责现场数据参数的采集。
    (2) 控制层位于计量站内，包括PLC和触摸屏等主要控制设备，负责系统的工艺流程控制，数据处理和现场操作，是整个系统的核心。
    (3) 网络传输层是管理层与控制层之间数据信息交换通道。
    (4) 管理层位于中央监控室，包括系统的管理和监控计算机，主要完成对系统的监控和数据管理、报表、打印等。

5  系统的控制流程

    系统的计量方式包括自动计量和手动计量两种。自动计量要求整个计量过程由程序控制自动完成，对于每口油井的计量定时循环进行（如每天计量3次）；手动计量则可以根据用户要求选择需要计量的井号和计量次数，对某口井单独做计量。具体计量控制流程如下：

(1) 自动计量流程

    整个计量过程由程序自动控制完成。每天定时循环计量每口采油井。具体为：每天定时（3次/天，整点计量）启动计量程序，在计量时间到时，根据预先设定的次序及次数，依次对计量站的每口油井进行计量，直到计量完成。计量完成后，等待下一计量时间到达信号，再依次对每口井进行计量。

    另外，在计量过程中需要判断对应油井的工作状态。如果在判断出某口油井停井时，要在计量到此口油井时跳过不进行计量，并继续其他井的计量。

(2) 手动计量流程

    由于每口油井来油状态不确定，在进行对每口油井的自动计量后，有时还需对其进行手动计量操作，以保证计量的准确性。在手动计量中，需要人工输入计量井号、计量次数和计量开始时间。输入计量信息后，由程序执行计量操作。以每次计量结果的平均值作为计量的最终结果。

                              图3  手/自动计量过程逻辑框图

6  系统的功能特点

    华北油田霸六计量站自动计量系统主要具有以下几方面特点：

    (1) 系统结构简单，运行稳定可靠；
    (2) 无线通讯网络设备采用带以太网接口的无线数传电台，可直接与和利时公司带以太网接口的CPU-连接，无需另行开发上位机和PLC无线串口通讯程序；
    (3) 实现了无人化自动计量，计量精度高；
    (4) 远程、现场可控的两位控制方案，可以灵活地满足用户的实际需求；
    (5) 简洁、生动的监控画面显示，可以方便用户随时掌握系统的运行状况；
    (6) 系统维护简单、具有良好的可扩充性。

7  结束语

    作为油田生产自动化的重要组成部分，油田计量站的自动化改造工程受到了越来越多的重视。华北油田霸六计量站系统的自动化改造工程作为和利时PLC在本行业的首次尝试，在工程实施过程中积累了很多宝贵的经验，确立了以和利时HOLLiAS G5系列PLC为控制核心的系统解决方案，显示了其结构简单、灵活，计量准确，性能稳定等优点。同时，通过对系统中关键技术的分析和解决，为以后相关工程的实施工作提供了有效的技术支持。