油田管輸交接計量系統(tǒng)的設計與應用

管桐 韓丹 王啟波 張德彬 李迎輝 高珊

1華北油田公司工程技術研究院

2冀東油田陸上油田作業(yè)區(qū)

3中國石油新疆油田分公司百口泉采油廠

4冀東油田開發(fā)技術公司

華北油田冀中區(qū)塊原油交接點多達40 余座，目前原油交接點主要采用體積計量的流量計配玻璃密度浮計的計量方式，計量過程全人工操作，采集原油計量體積、原油交接溫度、輸油壓力，人工取樣并化驗原油密度和含水率，從而計算出純油量，最后交接計量人員手工填寫報表。這種計量方式工作效率低，所需人員多，數(shù)據(jù)實時性差，已不能滿足油田地面系統(tǒng)優(yōu)化簡化、減員增效的需求。

隨著油田數(shù)字化的發(fā)展及油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在華北油田的推廣，油田生產(chǎn)管理方式已由傳統(tǒng)經(jīng)營模式向數(shù)字化管理模式轉變，應用信息化技術、大數(shù)據(jù)技術、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術已成為油田發(fā)展的趨勢[1-4]。為提高原油交接的實時性和準確度，提升原油交接管理效率，建立了一套全自動原油管輸交接計量系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了含水在線分析技術、密度在線計算技術、交接計量報表自動生成等功能，從而構建數(shù)字化油田新業(yè)態(tài)、新模式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集、實時計算、多級存儲，油氣生產(chǎn)、集輸?shù)慕y(tǒng)一監(jiān)管和少人無人值守，達到了減員增效的目的[5-6]。

1 系統(tǒng)概述

油田管輸交接計量系統(tǒng)總體架構為四部分，分別是數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)處理端、數(shù)據(jù)傳輸端與服務器端（圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體架構Fig.1 Overall system architecture

（1）數(shù)據(jù)采集端主要為各類計量設備，包括精度為±0.1%的雙轉子流量計、精度為±0.5%射頻式含水在線分析儀、科里奧利密度計、壓力變送器、溫度變送器，負責實時采集混合液的體積、含水、密度、壓力、溫度等參數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)處理端主要包括計量單元及上位機。計量單元包括PLC、顯示屏等組件，負責收集各計量設備的數(shù)據(jù)并計算純油量，計量單元通過RS485端口將數(shù)據(jù)上傳至上位機。在上位機上部署Intouch 組態(tài)軟件及SQL Server 關系型數(shù)據(jù)庫，用Intouch 來展示原油交接計量流程及參數(shù)，并將這些參數(shù)實時存儲到本地數(shù)據(jù)庫?，F(xiàn)場人員可登陸網(wǎng)頁“油田管輸交接計量系統(tǒng)”進行數(shù)據(jù)核對、報表錄入等工作。報表生成后，交接計量數(shù)據(jù)直接存儲到服務器端的數(shù)據(jù)庫中。

（3）數(shù)據(jù)傳輸端是根據(jù)各采油廠油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的建設現(xiàn)狀，采用油田局域網(wǎng)進行傳輸，各個站點通過光纜通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接吞锎髷?shù)據(jù)中心的服務器端。

（4）服務器位于油田大數(shù)據(jù)中心，在服務器上部署B(yǎng)/S 架構的“油田管輸交接計量系統(tǒng)”，實現(xiàn)上級領導和其他各個機關處室能夠監(jiān)測和管理原油交接計量數(shù)據(jù)信息。

2 自動交接計量流程

該系統(tǒng)以計量單元為基礎，利用雙轉子流量計、含水在線分析儀、密度計、溫度及壓力變送器，測量來液的體積流量、含水、混液工況下密度、溫度及壓力，并將各數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬃繂卧?。計量單元根?jù)GB/T 1885—1998《石油計量表》將混液工密轉換為混液標況下密度，手動輸入人工化驗的純油、純水的密度值，通過計量單元計算來液中的油、水比例和純油量（圖2）。

圖2 管輸自動交接計量流程Fig.2 Automatic custody transfer metering process of pipeline transportation

目前各交接站點管輸交接來液為處理后的凈化油，含水率為±1%，采用射頻式含水在線分析儀測量含水率，考慮到溫度、壓力等因素對含水率的影響，對影響含水率的偏差進行補償，提高含水測量準確度。流量計計量算法是基于GB/T 1885—1998《石油計量表（原油部分）》和GB/T 9109.5—2017《石油和液體石油產(chǎn)品動態(tài)計量（第5 部分：油量計算）》構建的[7-8]，并采用基本誤差法進行數(shù)據(jù)修正，即流量計運行期間，如果其誤差在允許的基本誤差（±0.2%）限內(nèi)，則流量計系數(shù)MF 視同為1.000 0，即不對流量計示值誤差進行修正，所計量的油品體積量經(jīng)溫度、壓力及扣除含水等修正后的數(shù)量即為貿(mào)易雙方認可的交接數(shù)量。

現(xiàn)場相關儀表設備數(shù)據(jù)自動上傳，取消人工錄入，每10 s 采集一次，每1 min 刷新一次，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、報警、報表的自動生成。

3 系統(tǒng)功能設計

3.1 軟件架構

系統(tǒng)基于B/S架構進行開發(fā)，即瀏覽器/服務器結構，采用數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務邏輯層及數(shù)據(jù)展示層3種模型進行系統(tǒng)的架構設計與開發(fā)，在網(wǎng)頁端進行計量數(shù)據(jù)的展示及分析。該系統(tǒng)部署在局域網(wǎng)中，通過Web 服務提供數(shù)據(jù)的雙向傳送，軟件架構如圖3所示。

圖3 軟件架構Fig.3 Software architecture

后臺采用Spring Boot框架，利用面向切面編程進行聲明式的事務管理，整合多種持久化技術管理數(shù)據(jù)，并通過創(chuàng)建業(yè)務層接口API與前臺進行數(shù)據(jù)請求與響應，以Jason的數(shù)據(jù)格式來展示[9-10]。設計了預留接口，基于松耦合架構可輕松實現(xiàn)后期功能擴展、數(shù)據(jù)共享等功能，數(shù)據(jù)共享可提供Jason 格式、XML 格式等不同形式接口，具體按需求定制。前端采用的是Vue+ElementUI 的管理框架，動態(tài)路由，權限驗證，提煉了典型的業(yè)務模型，能夠提供豐富的功能組件，快速搭建產(chǎn)品原型。

3.2 功能設計

油田管輸交接計量系統(tǒng)（圖4）主要有4 個功能模塊，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢、計量分析、系統(tǒng)管理。

圖4 系統(tǒng)功能模塊Fig.4 System function modules

（1）數(shù)據(jù)采集模塊主要實時顯示計量單元收集的各類計量設備的數(shù)據(jù)，包括含水率、混合液體積流量、混合液工況下的密度、混合液標況（20℃）下的密度、集輸溫度、集輸壓力、班累計純油質(zhì)量流量、日累計純油質(zhì)量流量等。

（2）數(shù)據(jù)查詢模塊?，F(xiàn)場工作人員、廠內(nèi)管理人員及公司領導可通過該模塊自選起止時間進行數(shù)據(jù)查詢，可按起止時間查詢?nèi)A北油田各交接點的含水率、累計純油量、溫度、壓力等歷史數(shù)據(jù)，支持數(shù)據(jù)列表視圖，并可保存或下載到本地。

（3）計量分析模塊分為外輸交接日報、計量憑證、曲線分析、原油計算器四個部分。外輸交接日報模塊支持按時間段查詢并導出，計量憑證模塊具有上傳電子簽章、選擇和顯示功能。曲線分析模塊主要包括對人工化驗與自動交接測的含水率對比曲線、密度對比曲線、日累計純油量對比曲線，現(xiàn)場工作人員、廠內(nèi)管理人員及公司領導可選擇日期，對各類曲線進行查看。原油計算器模塊可對手動輸入的體積、含水率、密度等參數(shù)進行計算，得到純油量。

（4）系統(tǒng)管理模塊主要包括人員權限管理、數(shù)據(jù)應急恢復、站點管理三部分。人員權限管理模塊分為管理員、計量人員、石化人員三個級別，根據(jù)不同的工作量賦予不同的軟件操作權限。針對計量數(shù)據(jù)可能被意外刪除或沒有存儲等情況，增加了數(shù)據(jù)應急恢復功能模塊，可選擇時間恢復計量數(shù)據(jù)。站點管理模塊分為作業(yè)區(qū)信息管理、交接點信息管理、原油交接計量參數(shù)、計量參數(shù)修改日志、修訂儀表底數(shù)五個部分。

4 應用效果分析

目前油田管輸交接計量系統(tǒng)在華北油田8個廠際交接點現(xiàn)場安裝應用，主要分布在廊坊、霸州、任丘與河間等工區(qū)，歷時6個月的調(diào)試，系統(tǒng)正式上線。雙轉子流量計、含水在線分析儀、密度計、溫度變送器、壓力變送器安裝在主管線上，在含水分析儀前端加裝除氣包，消除來液中游離的氣體。各計量設備采集的數(shù)據(jù)通過光纜傳輸?shù)接嬃繂卧?，計量單元位于機柜間，計量單元處理后的數(shù)據(jù)通過485端口上傳至上位機。

對XX站2020—2021年自動交接系統(tǒng)與人工化驗計量純油量的數(shù)據(jù)進行對比分析，數(shù)據(jù)顯示自動交接系統(tǒng)與人工化驗計量純油量相差272.18 t，相對誤差為0.28%，符合貿(mào)易交接要求。通過該系統(tǒng)的現(xiàn)場應用，真正實現(xiàn)了油田管輸交接數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸全過程自動化和集中調(diào)控，目前8個站點已實現(xiàn)了交接計量無人值守，減少計量交接人員21 人，節(jié)約了人工成本，降低了勞動強度，推動了油田地面系統(tǒng)的優(yōu)化簡化，提升了原油交接管理水平。

5 結束語

通過對油田管輸交接計量系統(tǒng)的現(xiàn)場應用，表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)管輸原油的自動交接計量，計量精度可滿足貿(mào)易交接要求，取消了人工化驗含水流程，極大地減輕了計量人員的勞動強度。該系統(tǒng)的設計與應用，實現(xiàn)了油田管輸交接計量數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸全過程自動化和集中監(jiān)控，提升了交接計量的工作效率。