石油大学本科毕业设计联合站

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1 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.1.1 课题研究的目的

联合站是油田生产中地面工程最关键的一环，是将从采油井采出来的原油经集输管网汇集、存储、分离、加热脱水、计量后进行外输。原油计量是油田开发生产中的一个重要环节。随着国内大部分油田开发都进入到后期产能递减，产液量增加，原油综合含水上升，油井计量站规模增大。同时，联合站外来进液量波动增大，给原油准确计量和稳定外输带来很大影响。目前我国大多数油田联合站的自动化水平还很低，还停留在人工手动状态，对物位、液量、压力和温度等过程参数都需要靠人工检测，人为误差大，严重影响生产效率及产品质量。针对联合站实际状况，以满足联合站原油外输计量生产要求，开发这一套原油外输计量监控系统，它能对生产现场实现原油计量高精度的远程集中化科学管理和实时在线监控；实现流程操作全自动化；根据监控中心提示及时地采取相应的措施，保证生产顺利进行；存储设备运行参数以便分析生产状况，统筹规划。 1.1.2 课题研究的意义

联合站原油计量监控系统的应用具有重要意义，计量结果直接影响油田的效益和信誉，这套监控系统的研发具有以下重要意义：

(1) 将人工计量改为自动连续计量，人工取样化验改为自动连续检测，能够提供更及时、准确的信息。

(2) 实现计量站无人值守，减员增效，彻底改变计量站生产作业制度，改善了劳动条件。

(3) 在现场生产自动化的基础上，实现中控室信息处理自动化，提高了联合站生产过程自动化生产管理水平。

(4) 为保证油气田生产安全、平稳、优化运行提供了有力手段。外输过程，必须在安全生产的前提下安排优化运行，以求得最好的经济效益。

1.2 原油计量监控技术研究现状和发展

1.2.1 国内现状和趋势

在我国，原油计量控制系统最先采用的是DDZ-II型仪表，取得了一定的经济效益。但这些常规仪表组成的控制系统在处理复杂控制系统、集中监控和控制精度等方面具有局限性。随着计算机在石油工业过程控制中的广泛应用，尤其是西部塔里木、吐哈、准格尔三大盆地的开发和建设，油田生产过程中的自动控制和管理得到了明显、迅速的发展。1992年5月，西部新建的都善油田采用美国Action公司CIM-PAC9000

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SCADA系统，使308口油水井、19座计量站全部实现了自动化，成为我国第一个整装油田的自动化系统。随之东河塘、彩南、温吉桑、论库输油管线的建设，是我国油气田自动化实现了由单井、单个装置、单站自动化向全油田、全线自动化的转变。此外，中原油田设计院研制的SG-50，中国石油大学研制的DMC-50D微机控制系统，承德石油学院研制的GWC-80型微机监控系统都将计算机成功的应用于原油计量监控系统的控制[1]。

在油田生产过程中，要求外输计量系统有高准确度和高可靠性。原油产量的计量是油田开发中最基础的工作，原油计量是油田集输工艺中必要的计量环节，也是考核原油生产任务完成的依据。为此，1990年起，国内应用了高新技术与油田集输工艺相配套的油汽密闭在线计量工艺技术，解决了油田多年来未能解决原油产量不清、集输系统无法密闭运行的问题。原油动态计量技术，主要应用了密闭集输工艺与双容积自动计量分离器、涡轮气体流量计、立式金属计量罐、系列原油腰轮流量计、FSH-K型原油含水率监测仪和微机自动采集处理相结合，成功地解决了油、气、水分级计量技术问题。通过几年的实践，仪器、仪表性能稳定，结构合理，计量准确，将计量误差控制在0.5%以下，弄清了原油外输的产量，从而有效地指导了各阶段的生产组织工作，原油损耗由2%下降到0.5%，提高了经济效益[2]。

目前，按照原油天然气稳定轻烃交接计量站计量器具配备规范（5SY/T5398-91），原油外输计量必须采用容积式流量计作为体积计量器具。在国内众多的容积式流量计中，腰轮流量计，属刮板流量计和双转子流量计因其生产和应用技术比较成熟，在石油、石化企业得到了广泛的应用。

国内油田联合站原油计量多用容积式计量，计量出体积流量后，再结合原油化验所得的原油密度计算出流量，贸易结算以质量流量进行交易，油田计量交接油量计算执行标准《原油动态计量油量计算》（GB9109.5）[3]。

大庆石油管理局总外输计量站于1992年投用了一套由工业控制计算机和计量仪表组成的成套原油仪表计量系统，取得了良好的社会经济效益。大庆原油总外输计量站承担着大庆油田85%的原油外输计量任务，属国家一级计量单位。大庆石油管理局为了提高原油外输的计量精度，应新时期的管理需求，原油总外输计量站成套计量仪表进行更新换代，采用上海自动化仪表公司自动化仪表九厂开发的总线型微机控制装置，提高了计量水平。

我国参与投资的苏丹1/2/4油田原油外输两级计算机计量及自动标定系统，采用法国FURHMAN公司生产的整装计量模块，不仅准确度高、可靠性好，而且可在线对流量计进行标定，并根据压力、温度和流量等参数实时进行流量补偿计算，给生产和管理带来极大方便。 1.2.2 国外现状及趋势

国外早在上世纪五十年代，美国海湾公司就建成了第一套自动化监控输送系统

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（LACT），解决了原油的自动收集、处理、计量、输送问题。六十年代，Arco油气公司的Iatan East Howard油田将PLC用于注水控制，并很快发展到报警、泵控等其它领域。随着通信技术的发展，SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）即监控与数据采集系统越来越多的应用于油田生产控制与管理中。它与油气开采中的处理设备上的检测仪表和控制设备直接相连接，能够实时和不断的获取检测仪表所检测到的运行信息。国外有些油田SCADA系统还实现了注气、注水的优化控制运行。随着DCS系统采用一些先进的控制策略，使部分生产过程的控制得到了进一步优化。HONEYWELL公司的非线性液位控制可以适合进液的波动。美国通用公司的无模型控制器可以适合大滞后、时变温度控制等将检测与控制技术集一体，为油田集输控制提供了一体化解决方案。

目前国外已将自动化技术提升到对原油的生产、储运、销售等环节进行全面监控的现代化管理水平的高度。比如英国石油公司建立的自动化监控系统可以根据地质情况自动的控制油井的产量，确保底层原油达到最大采收率。美国油田甚至将销售过程中温度影响体积的销售差额，也考虑设置到自动化管理系统中。

在上世纪70年代末到80年代初，苏联已有大量油井计量自动装置在全国推广，具有代表性的，应用比较普遍的是“卫星A0”、“卫星B0”型油井计量装置。科氏力质量流量计在原油计量中得到了适量的应用，其中大部分应用是与原油两相分离器配套使用，这一方法使原油计量工艺简化，虽然与分离器配套仍没有脱离传统的计量模式，但也有一些公司将分离器小型化或简化，使这一系统向多相流量计过渡。

近10年来，相流计量技术在原油计量中发展应用的一项技术。可以在不用分离器或少量分离的情况下直接测出原油的产量。这一技术，在国外一些油田尤其是海洋油田得到了应用。国外已有七、八家上市产品，投入应用和安装的已有200台左右。在美国油井计量多采用三相分离装置，特别是高含水油井计量均采用三相分离计量装置。我国胜利、辽河、大庆等油田都先后引进了美国一些公司的三相分离油井计量装置。纵观这些油井计量装置，它们代表了当今美国三相分离计量的技术水平。多相流计量可以用于原油生产，也可以用于原油测试。据称，其性能将等同和优于传统的测试分离方法。但目前尚没有一台仪表可以测量全流型范围和可以在0～100%范围内以每一种可能的浓度混合的油、气、水混合液。

关于原油计量的测量不确定度问题一直是人们关注的问题。根据收集的资料分析，前苏联大多采用两相计量分离系统，根据配备的仪表，原油计量不确定度可望在5%～10%范围内；美国大多采用三相油井计量系统，原油计量不确定度可望达到5%；另外，根据英国贸易与工业部石油天然气局《石油计量标准指南》指出：油井产量计量的目标不确定度要求为5%，而用于储量管理的油井测试分离器的测试，期望的不确定度是5%～10%[4]。

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1.3 计算机监控技术在油田生产中的应用

1.3.1 油田自控技术应用特点

在油田生产中应用自控技术，实现工艺参数的实时采集和控制，可以保证油气平稳集输和安全生产，有效降低能耗和生产成本，提高工作效率，降低劳动强度。因此，发展自控技术在提高油田生产管理水平和经济效益方面具有十分重要的意义。

油田自控技术主要应用于原油集输处理、天然气处理、水处理、注水、聚合物配制、聚合物注入等生产工艺系统，主要检测和控制参数有温度、压力、差压、液位、界面、流量等，目前控制方案主要采用由常规仪表或工控机系统为调节单元实现的单回路调节系统。

1.3.2 油田自控技术应用存在的问题及发展方向

随着油田生产进入高含水开发后期，新的开发手段、开发技术不断得到推广应用。油、气、水介质条件、工况条件、环境条件和集输工艺都发生了很大的变化，因此不可避免会出现一些新的矛盾和问题。

(1) 由于近年来油田生产工艺中的介质、工况及环境条件都发生了较大的变化，一些现场仪表和检测控制方法有的已不适用，为此我们应根据实际工况条件选用相应的自控仪表和工控机系统。

(2) 近年来油田上应用较多的传统计算机控制系统，以商用或工业PC机系统直接作为检测控制设备，采用将I/O模板直接插入主机箱总线扩展的方式实现对I/O接口电路的扩展，用于参数较多且集中的场合，各种检测和控制参数全部接入主机箱中的I/O模板，属于一种集中式计算机控制系统。应用在油田生产这种较为恶劣的工作环境中，普遍存在输入、输出接口板之间干扰严重，可靠性差，故障率高等问题，管理维护难度较大。随着DCS和PLC技术的成熟和价格的大幅度下降，DCS和PLC性能价格比的优势将会越来越明显，DCS和PLC取代传统的模板式工业PC系统已成为必然。

(3) 油田生产工艺日趋复杂，工艺环节之间的关联和耦合，以及油水界面检测难度的加大，都给平稳操作集输工艺，合理控制生产技术指标增加了难度。因此，选用先进的、合理的控制方案就显得更为重要。合理选择工控机系统，利用计算机强大的逻辑和计算功能，选用自整定PID控制、自适应控制、模糊控制、解耦控制等先进的控制模式，是实现上述目标的有效途径。

(4) 近年来，随着计算机通信技术和网络技术的迅速发展，生产过程网络化管理已成为企业现代化管理的重要内容和发展方向。目前基于网络的计算机监控系统可以方便地与上层的管理信息系统集成，上层的计划或指令可以方便地下达到计算机监控系统；同时，现场的各种实时数据和生产信息也可以迅速地上传，使得上级管理人员可以随时了解现场的生产情况，这样就可以大大地提高工作效率和管理水平[5]。

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1.4 本课题研究的主要内容和论文的结构

通过对联合站的生产工艺过程进行系统分析，确定原油外输计量各个环节的检测和控制参数。根据原油计量监控系统的工艺过程要求，对控制系统进行总体设计。联合站原油计量监控系统，采用集散控制系统（DCS），上位采用工控机，应用组态软件组态王6.52软件开发，下位机采用分布式数据采集模块，通过RS-232与上位机进行通讯，整个系统完成对站内生产过程的监督与控制，对各运行参数（监控系统的温度、压力、液位、流量、可燃气体浓度等）实现实时采集、动态显示、数据处理、报警、查询与打印等功能。

论文的结构：第一章绪论，主要介绍了研究课题的目的和意义、原油计量监控的国内外发展现状及趋势以及本课题研究的主要内容。第二章联合站原油计量工艺与控制要求，主要分析了联合站原油外输计量的工艺过程、特点和工艺的要求。第三章监控系统方案设计，主要讨论了原油计量监控系统的总体设计方案和系统的功能，对系统设计方案进行了可行性论证。第四章联合站原油计量监控系统硬件设计，主要介绍了系统的组成，系统的设备选型，以及硬件的设计方案原理。第五章联合站原油计量监控系统软件设计，主要进行了监控软件的设计，具体介绍了应用组态王6.52进行监控软件的开发，画面（如趋势曲线，实时、历史报警，实时、历史报表，报表查询等画面）的实现。第六章监控系统的调试和运行，主要介绍了系统的硬件和软件的调试和运行。第七章对本系统的设计工作进行了总结，指出了一些优点与不足。

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