新型智能流量变送器在数字化油田的研究与应用

向华州 张景祖 相一 商旭

（长庆油田分公司第七采油厂数字化与科技信息中心，陕西西安 710201）

新型智能流量变送器在数字化油田的研究与应用

向华州 张景祖 相一 商旭

（长庆油田分公司第七采油厂数字化与科技信息中心，陕西西安 710201）

本文针对数字化油田输油管线使用容积式流量计在线检测技术现状进行了简要分析，并对常用流量采集设备和传输方法进行了探讨，引进实验测试了ZMTD型智能流量变送器。文中介绍了新型智能流量变送器工作原理和结构特点，详细分析介绍了流量计的特性和优点，通过对实验运行情况跟踪，验证了新型流量变送器精确性和稳定性。

流量计 智能 变送器 在线监测

1　引言

容积式流量计以其计量精度高，广泛应用于油田原油管道输送计量。随着油田数字化建设，传统的机械表头已不能满足流量数据在在线监控，必须采用电子流量计表头，用于转换远传流量信号，实现在线监控。我厂率先引进了一种新型智能流量变送器，通过现场试验测试，该型流量变送器具备稳定性高、采集准确的优点，具有推广使用的意义。

2　流量变送器技术现状

在油田中常用的有椭圆齿轮流量计、双转子流量计、腰轮流量计和刮板流量计，通过在流量计机械传动输出轴上安装流量变送器，将机械输出信号计算转换为电信号，远传至站控操作系统，实现瞬时、累积流量实时在线监测。

常用的流量变送器主要采用光电转换和电磁转换方式，使用脉冲信号、485信号采集和CMBUS方式传输采集，根据转换方式和传输方式的不同，构成各种流量变送器，油田中常用的有2种。

2.1光电脉冲表头

2.1.1工作原理

在流量计机械表头输出转轴安装光电脉冲发生器，光电脉冲发生器采用“机-光-电”模式的编码原理，由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘与流量计机械输出轴同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过信号线将脉冲信号远传至PLC，由PLC程序通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数计算当前流量计的转速，计算累计流量。

图1　MTD型智能流量变送器拓扑图

表1　智能流量变送器与普通流量仪表主要性能对比表

2.1.2缺点

采用脉冲计数方式计算瞬时和累积流量，无法避免振动与流量计振动、倒转引起的误计数，累计流量随时间增加误差也不断增大。流量数据要依靠PLC计算，当发生停电、PLC故障或站控系统故障时，就会停止计算流量，出现数据丢失，无法满足流量精确计量和实时监控的要求。

2.2RS-485表头

2.2.1工作原理

RS-485表头直接替换原机械表头，采用了“机-磁-电”转换的增量编码原理，实现本地电子显示瞬时、累积流量。同时，通过信号线可将数字信号传输至PLC，从而可在站控系统实现流量数据准确采集，可靠性较光电脉冲表头高。

2.2.2缺点

采用RS-48表头，需拆除现场机械表头，现场电子表头读数将作为读取累积流量的唯依据，无机械表显示，无法判断其计量准确性，且采用RS-485通讯方式，抗干扰能力较差。

2.3ZMTD型智能流量变送器

为提高流量计计量与采集结果的准确性和稳定性，一些新式的流量变送器应用了前沿的传感技术和传输方式。ZMTD型智能流量变送器应用了绝对编码的磁电转换装置和CMBUS协议通讯方式，适用于数字化油田中广泛应用的容积式流量计的流量在线监控。

2.3.1工作原理

ZMTD型智能流量变送器流量变送器转换环节的测量原理采用了“机-磁-电”转换模式，磁钢旋转与磁敏元件阵列产生磁场变化，再将磁场变化转换为电信号，后转换为12位的二进制数字信号，实现本地表头显示。同时，通过信号线采用CMBUS将数字信号传输至室内协议转换器，再用RS-485通讯传输至PLC，实现站控系统流量数据准确采集。

2.3.2组成及安装调试

ZMTD型智能流量变送器流量变送器由转换器、传感器、显示表头三部分组成。

安装时，在流量计的机械输出转轴安装“ZMTD-C/F型智能流量变送器”并接入2芯电缆，在室内机柜端接入“ZB-F-1型智能转换器”（C-MBUS协议转换为RS-485 MODBUS协议），通过串口RS-485 MODBUS协议上传至站控PLC。（见图1）

2.3.3技术特点

由于ZMTD型智能流量变送器采用了特殊的传感转换方式和通讯协议，优化的软件设计，与传统的光电脉冲发生器和RS-485表头相比，具有明显的技术优势。（见表1）

（1）高计量精度。该变送器转换环节的测量原理采用了“机-磁-（2）性能稳定。ZMTD型智能流量变送器结合“后备电池+超级电容+CMBUS总线供电”等多重措施，功耗低，实现掉电工作维持、掉电记忆保持等功能，保证了现场表头的长期稳定运行，避免累计流量误差的产生。

电”转换模式，采用360°的“绝对值编码器”工作模式，具备位置识别与过零检测，能准确从原理上彻底避免了流量计“震动、液体倒流”等各种直接干扰。对应输出4096个12位的二进制码，分辨率高，计量准确性大幅提高。

（3）两线制总线传输。采用2线制CMBUS总线（两芯线兼顾供电和通讯）传输至CMBUS总线RTU，且一台RTU利用一对总线可以挂接多达256台变送器表头。

3　ZMTD型智能流量变送器应用研究

3.1实验测试

3.1.1现场安装调试

经过现场考察，环三联合站环五转来油流量计型号为上海九仪刮板20-100型流量计，未进行数字化改造，符合新型流量计的安装使用要求，对该流量计进行安装测试。

3.1.2准确性测试

记录现场机械表头、现场变送器表头和站控系统累积流量，经过1个月的跟踪对比，记录数据偏差。

通过一个月的现场数据跟踪对比，现场机械表头、现场变送器表头和站控系统累积流量绝对一致，数据准确性得到验证。

3.1.3稳定性测试

现场对变送器进行信号中断、线路短路测试，验证变送器的抗干扰和数据保持能力。

通过进行多次测试，变送器和RTU转换器在线路短路、通讯中断的状态下，内部电路的防隔离技术可以很好的保护仪表，运行稳定性得到验证。

3.2推广应用

经过在环三联合站的试验测试，ZMTD型智能流量变送器数据采集准确、运行稳定，随即在全厂开展推广应用，主要对前期未进行数字化改造的机械式流量计进行安装更换，对19座站点，共计34个流量计进行更换。

4　结语

ZMTD型智能流量变送器适用于油田各种带有机械输出转轴的容积式流量计，具有精确性、稳定性高的特点。

前期站点建设流量计均按脉冲信号布2芯线，改为RS-485通讯需重新布3芯信号线，工作量较大，且更换后无机械表头显示，无法判断其准确性，ZMTD型智能流量变送器采用2线制通讯方式，非常适用于该部分流量计的数字化建设及改造，实现流量在线监控。