数字化表头在油田的应用及优越性

赵　瑾　李汲峰　马　纪　徐　德

(1.长庆油田分公司技术监测中心，西安 710018；2.上海自仪九仪表有限公司，上海 201805)

0　引言

图1　机械表头结构图

1　原油流量计机械表头使用现状

目前，油田广泛使用的容积式流量计均采用机械式表头(图1)，现场只能读取累积流量，无瞬时流量显示，流量计是否在正常流量范围内工作(流量计在正常流量范围内工作才能保证精度)，现场无法知晓，只能估算，要知道瞬时流量实际值只能借助配套光电式脉冲转换器远传到信号接受系统的方式，通过查阅系统才能知道瞬时流量和累积流量的数据。给调节流量带来不便，对计量的准确性造成影响。同时，这种流量计的表头补偿机构主要有两种形式，一种是更换齿轮方式，一种是一个塔轮轮系机构。经过多年的应用，国内外生产厂家和用户普遍认为有以下不足之处：

1)更换齿轮方式的表头，在更换齿轮时必须停机更换，影响生产，而且在使用过程中齿轮易磨损或打滑、掉齿，在小流量段因负荷重而影响整机的准确度。

2)塔轮轮系机构的表头，即在流量计主轴转数向机械计数器传动的齿轮系的某个环节加装一个差动轮系机构，人为地为齿轮传动增加或减少一个补偿量。其补偿量是对每个流量点同时增加或减少的，只能使原有的特性曲线在误差方向上上下平移，即只能消除固有偏差，而不能提高原有曲线符合准确度要求线性范围段以外流量点的准确度，这种方式可称为“硬补偿”，因此其对流量计误差的补偿有较大的局限性。

3)机械式表头采用的是大字轮式的，在人工读数时，除了需要花费较大人力外，还因读数时字轮走数与抄表时间的差异等因素，会形成一定的记录误差。

4)机械式表头(字轮表头+光电输出机构+精度修正机构)内部的机械机构复杂、零件多，精度修正器靠齿轮啮合，因此出故障的因素多、概率高。更换表头后需重新检定。

2　国内外技术现状

1)国内油田基本上采用的是容积式流量计，大部分使用机械表头加光电式脉冲转换器(图2)，用脉冲信号或电流信号传给系统的方式，少部分已经开始用机械表头加光电式脉冲转换器加流量积算仪，进行RS485组网试点；还有少部分使用数字显示表头，但可靠性很差。

图2　机械表头加光电式脉冲转换器构成图

2)国外油田用的容积式流量计采用的是脉冲或电流信号，只有大公司用HART通讯。HART技术主要被大公司垄断，不是一个真正意义上开放的标准，且系统集成的难度大、成本高。

3　流量计数字化表头使用的必要性

流量计数字化表头的结构见图3，原理是将流量计计量部件的转动通过检测头转换为电信号。

听到响动，一直躲在厨房的吴丽藻走进客厅。见眼前情景，她转身就跑。已疯狂的徐云天几步赶到她身后，一把抓住她，向她后背狠捅一刀。看着吴丽藻缓缓倒下，徐云天泄愤地又补了几刀。

图3　数字表头结构图

数字化表头与站控室计算机通讯构成见图4，将RS485D通讯的数字信号直接与电脑连接。

图4　数字化表头与站控室计算机通讯图

3.1　流量计数字化表头通讯方式现状

目前使用的网络主要有：485网络、HART网络、FieldBus现场总线网络。但由于HART通信速率低、组网困难等原因，HART仪表的应用将呈下滑趋势；FieldBus现场总线网络是当今自动化领域的热点技术之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，但支持现场总线的仪表种类还比较少，可供选择的余地小，价格又偏高，用量也较小；RS485/MODBUS是现在流行的一种工业组网方式，其特点是实施简单方便，而且现在支持RS485的仪表又特别多。

3.2　数字化表头优越性

1)现场液晶显示瞬时流量和累积流量，方便读数与瞬时流量的调节。

2)不用机械表头(字轮表头+光电输出机构+精度修正机构)和光电式脉冲转换器，大大减少故障的产生因素。

3)在断电情况下，有内置干电池，表头仍能正常显示和正常计量，表头将累积流量储存在内部，待来电后，电脑去读取表头内的累积流量，避免数据的丢失；在供电情况下，可输出4～20mA电流信号、脉冲信号(供流量计检定时用)，配有RS485通讯接口，可直接将有关数据传输到站控室计算机或远程计算机中，避免了人工抄表等中间环节造成的误差。

4)采用数字化表头加上无线模块(如GPRS模块)及相关软件，可实现无线通信的方式进行数据的采集，所有参数的设置、修改、存储等均可按实际工况条件在现场进行，且无须停机，非常方便。设置密码可确保安全，同时使容积式流量计有了现场瞬时流量显示，为操作者更直观、更方便地了解和控制工艺状况提供了条件和依据。

5)由于电脑(安装常规的工控软件)可以直接读取数字表头内的数据，省去了数据采集系统，避免由于对累计流量计算方法不同而产生误差。用RS485通讯传输数据，实现多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。可使表头实现通用化，只要设置相应的系数、通讯地址，该表头就可在任何一台流量计上使用。可增加现场总线功能，方便进入网络系统。

6)除了输出脉冲信号外，还可以输出4～20mA电流信号，便于检定，实现高准确度和宽流量范围的容差补偿，其原理在于它是利用精确检定结果得出的每个流量点的高准度仪表系数进行实时计算流量值，可以对不同的流量段分段进行流量误差曲线的修正，再现了仪表实际特性曲线。

4　实际应用

某油田原采用现场机械表头加光电脉冲输出的转换器输出，后改用新开发的数字化表头，其应用效果对比如下：

4.1　机械表头

1)用机械表头加光电脉冲输出的转换器时，需人工结合电脑的方式进行流量计累积流量的数据采集，间隔2h，操作工到现场采集表头累积流量数据，并与电脑上的累积流量数据对比，(由于线路、系统、设置等原因时常会出现现场与电脑的数据对不上的现象)，同时查看电脑上的瞬时流量与经验估算值是否正确，操作工将24h的数据进行汇总上报。由于人工操作、系统、设置等原因，难免会出现数据偏差，影响数据的准确性。

2)机械表头长时间运行必然会磨损及出现线性超差或精度超差等问题，若超差还需进行精度调整等一系列问题，且机械表头的互换性较差，流量计更换机械表头后需检定后才能使用。

3)机械表头不具备分段修正功能。当对流量计进行周检时发现基本误差超差，或由于因产量变化超出原流量计的流量范围，无法对原流量计的线性误差进行补偿，导致原流量计不能满足准确度要求，无法使用。

4.2　数字化表头

计算机可直接读取表头内的数据，将电脑设置为定时采集数据并汇总，保证了数据的准确性和实时性。省去人工数据采集及原脉冲数据采集模块。由于无机械传动，使流量计的精度与表头无关，更换表头后不会影响其精度。

采用数字表头，可以省去上面很多麻烦，断电后干电池供电不会丢失数据；且更换表头后只要将原流量计的系数设入即可，无需更改系统内仪表系数；流量计精度超差仅需修改仪表系数；流量计线性超差(在重复性好的条件下)可打开分段修正功能(段数从1～9内任意设置)，特别是当产量变小，超出原流量计的下限流量时，可进行线性修正。如原DN80的流量计下限流量为12m3/h，现实际流量仅8m3/h左右，若该点的重复性合格但线性超差，此时进行分段修正就可使准确度符合使用要求。

5　数字化表头的发展前景及需求

随着油田数字化技术的推行和发展，数字化表头的流量计、压力变送器、温度变送器等设备也相应得以发展和完善，以及撬装式体积管数字化检定技术的应用，为数字化油田的实现打下了坚实的基础。通过数字化表头及常规的工控软件，不仅节省了人工，而且也省去了原脉冲数据采集模块，保证了数据传输的准确性和实时性。计算机还可以将流量、压力、温度等绘制出实时走势图，并将其叠合在同一界面上，清晰明了地看出三者之间的实时走势关系，相关人员从中分析流量变化与压力、温度变化的相应关系，从而找出流量变化的原因。

6　结束语

数字化表头的运用为油田管理带来的好处是显而易见的，随着油田数字化项目的不断发展与壮大，对数字化表头的需求会逐渐增多，应用面将会越来越广阔。

[1]杜怀栋.容积式流量计采用智能数字表头是必然趋势.自动化仪表,1986(6)

[2]李建华.安塞油田数化计量技术的应用及趋势[J].计量技术,2006(7)

[3]陈在平，等.现场总线及工业控制网络技术[M].电子工业出版社，2008

[4]JJG 667—2010.液体容积式流量计检定规程