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摘要 使用合理有效的自动监控系统对注水系统运行参数进行实时监控，将有利于降低能源消耗和保障人身财产安全，同时，建立油田区域注水自动化监控系统也是油田注水实现自动化生产和管理的需要。因此，完善油田区域自动化监控系统设计显得尤为重要。
关键词 监控系统；总体设计；油田；仪表
目前我国各大泊区的注水方式主要有边部注水和边内注水(顶部注水、腰部注水、行列注水)两种方式，其注水系统还没有较为完善的自动化监控管理手段，因而很难适应油田注水运行压力高、危险性大的现状。从实际情况看，注水泵的出口压力高、电机功率较大，而保护机组的润滑油、冷却水等辅助系统能否正常运行关系到整个注水系统的安全运行和注水驱油的目标能否实现，如果缺少有效的监控保护措施，就有可能造成机泵严重损坏。此外，注水井井口压力应等于1～1.3倍原始油层压力才能满足高压注水的需要，分层注水井井口压力再加上配水器的水头损失会造成系统运行压力更高，这样在一定程度上会给装置和操作人员带来严重的安全隐患，若没有有效的自动监控保护手段，装置和操作人员的安全将无法有效地得到保障。
一、系统监控目标
油田区域注水系统包括水源、注水站、注水管网、配水间及注水井等。其中注水站是整个自动控制系统测量和控制的核心，其作用是担负注水短时贮备、计量、升压、注水一次分配和水质监控等任务。油田区域注水自动化监控系统的监控目标是实现整个系统各种参数的测量和控制。按照参数的特点，具体的监控目标是注水工艺参数和机组参数两大部分。注水工艺参数监控包括来水温度、来水流量、来水压力、注水管网压力、冷却水压力、水罐液位等。为适应注水量的变化，一般根据所需的注水量调节泵出口调节阀的开度或采用变频器调节注水电机的转速，从而实现合理注水。为了保障机组的安全运行，机组一般配有润滑油和冷却水等辅助系统，将机组本身及辅助系统的有关参数统称为机组参数，其监控内容包括泵出人口压力、泵出入口温度、泵出口流量、润滑油压力、轴瓦温度、冷却水温度、机组的振动和转速等。
二、系统仪表的选用
要实现对注水工艺参数和机组参数的监控，除了必须选用合适的控制系统外，还要优选出适宜的测量及控制仪表。注水自动化监控系统的仪表包括温度仪表、压力仪表、流量计量仪表、液位仪表、调节阀(或变频器)等。集中显示或控制的仪表一般采用电动仪表。由于注水电机振动较大，与之有关的一次仪表可采用耐震型。
1 注水温度仪表的选用
注水温度仪表的选用应根据介质的温度变化范围、安装位置、操作和观察条件、环境条件等进行。就地显示的温度测量仪表一般选用双金属温度计、玻璃液体温度计等；集中显示的温度测量仪表一般选用压力式温度计；远传显示或调节的温度元件一般选用热电阻或热电偶等。
2 注水压力仪表的选用
就地压力仪表一般选用弹簧压力表、耐震压力表等：远传压力仪表一般选用普通压力变送器、耐震压力变送器、压力控制器等；压力测量仪表的选用应考虑量程、介质性质和对显示仪表的要求。需要在控制室内显示压力的仪表，一般选用压力变送器或压力传感器；对于爆炸危险场所显示压力的仪表，可选用气动变送器、防爆型压力变送器或现场总线变送器。
3 注水流量仪表的选用
就地流量计量仪表可选用螺翼式水表、高压水表等。水表应安装于水平管道上，标度盘朝上，表前后应装截止阀，并要求一定长度的直管段；远传流量计量仪表可选用水平螺翼式电子热水表、涡轮流量计、注定涡流量计、电磁流量计、超声波流量计等。以下是注水系统常用的注水流量仪表的原理与特点，具体设计时可根据要求和市场供求情况来选定。
(1)水平螺翼式水表。该类水表主要用于计量清水，适用于单向水流，使用温度在45℃以下。当温度超过45℃时，应在定货时予以说明。该类仪表流通能力大，水头损失小，重量轻，便于使用和维修。但不适合含油污水，不能远传。
(2)干式高压水表。这种水表适合于小型注水站和配水间的配水计量。水表为直角型流向，来水自表下方入口进入，侧向出水，流水推动螺旋式翼轮转动，其转速与水流速成正比，翼轮的转动通过磁力传字轮指针组合式计数器显示其累积水量；还可配瞬时流量计，并可以从表芯发讯器发讯号远传。
(3)水平螺翼式电子热水表。该表除具有水平螺翼式水表的多数特性外，主要特点是耐高温、耐腐蚀；并把机械电子表头改成电子表头；适用于油田含油污水计量；装有发讯机构，可就地显示，亦可集中显示，远传距离可达200m。
(4)涡轮流量计。这种流量计包括涡流流量传感器和积算仪两部分。涡轮流量传感器将流经管道内的液体流量转换成脉冲信号，积算仪累计脉冲的个数获得液体的总量b。
(5)漩涡流量计。它有基于流体强迫振荡的旋进型和自然振荡的卡门注定涡型两种。它的测量原理是当管道中流体流过激涡发生体时，在其后方和两侧会交替地产生有规则的卡门漩涡列，流速愈大，漩涡产生的频率也愈大。漩涡频率的测量常用的有温度和振动位移两种方法，而这两种方法又可用多种原理来测定。它将测得的微弱的频率信号经电子线路处理成与流速成正比的电脉冲信号由显示仪表显示出流量的瞬时值。漩涡频率是不受流体重度、温度、压力和粘度等影响的参数。
(6)电磁流量计。它的工作原理是导体在磁场中运动而切割磁力线时，在导体中会产生感应电势，转换部分将感应电势转换成标准信号作为输出，以便进行显示、累计或记录。电磁流量计压力损失小，使用范围广，可以测量脉动流及有腐蚀性的液体，但不能测量气体、蒸汽和石油制品等非导电流体的流量。电磁流量计可以水平或垂直安装。垂直安装时，流体必须自下而上；水平安装时，液体应充满管段，并应使变送器的电极处于同一水平面上。流量计前后应有一定的直管段，必须良好接地。
(7)超声波流量计。它是利用超声波传输原理测量液体流量的仪表。检测元件固定在管壁外侧，不接触液体。特别适合大口径的流量测量，且不受液体的物理性质(压力、温度、粘度、密度)及腐蚀性的影响，是一种比较理想的节能仪表，几乎没有压力损失。
4 执行器或变频器
为了使注水系统的压力或流量处于最佳值，在泵出口的调节一般采用电动调节阀或变频器。采用电动调节阀投资较低，但能量损失较大。随着变频调速技术的飞速发展，变频器的价格在逐渐降低，可以通过变频器调节注水电机的转速以控制泵出口流量：由于注水电机的功率较大，这种方法一次性投资较大，但节约的能量也相当可观。
三、系统的总体设计
油田区域注水自动化监控系统可采用SCADA系统进行设计。系统分为三级：企业管理级、站控级及现场级。企业管理级(主站)设在注水调度中心，中心控制室通过远程测控终端(RTU)可监视各控制区的运行状态，保存运行状态信息，统计运行数据，对各检测点、控制点进行操作，从而实现系统监控。站控级(远程测控终端)设在各注水站，将各站压力、流量、液位、温度、机组运行状态等信号采集处理，给出注水电机的功率、用电量、注水量、泵效、单耗等，再将有关数据通过有线或无线方式传至调度中心；调度中心的计算机根据这些数据通过计算、处理得到晟佳配注量，并将其传回RTU；RTU根据配注量，调节电动阀的开度或注水电机的转速，使整个注水系统处于最佳运行状态。现场级(测控仪表)实现数据的采集与控制。另外，整个注水SCADA系统可以和生产SCADA系统相连，通过软件处理，采用变频器调节，使能耗和原泊的产量达到最佳工作点。
油田区域注水自动化监控系统的建立要特别注意以下问题：(1)由于注水电机及注水泵的振动较大，现场仪表应选用耐振仪表或采用减振措施；(2)由于厂区内的供电线路网络、大功率的注水电机及变频器等设备极易对控制系统产生干扰，应在电缆布置、屏蔽、接地及系统配置等方面采取抗干扰措施；(3)SCADA系统的通讯方式应考虑冗余。
关键词 监控系统；总体设计；油田；仪表
目前我国各大泊区的注水方式主要有边部注水和边内注水(顶部注水、腰部注水、行列注水)两种方式，其注水系统还没有较为完善的自动化监控管理手段，因而很难适应油田注水运行压力高、危险性大的现状。从实际情况看，注水泵的出口压力高、电机功率较大，而保护机组的润滑油、冷却水等辅助系统能否正常运行关系到整个注水系统的安全运行和注水驱油的目标能否实现，如果缺少有效的监控保护措施，就有可能造成机泵严重损坏。此外，注水井井口压力应等于1～1.3倍原始油层压力才能满足高压注水的需要，分层注水井井口压力再加上配水器的水头损失会造成系统运行压力更高，这样在一定程度上会给装置和操作人员带来严重的安全隐患，若没有有效的自动监控保护手段，装置和操作人员的安全将无法有效地得到保障。
一、系统监控目标
油田区域注水系统包括水源、注水站、注水管网、配水间及注水井等。其中注水站是整个自动控制系统测量和控制的核心，其作用是担负注水短时贮备、计量、升压、注水一次分配和水质监控等任务。油田区域注水自动化监控系统的监控目标是实现整个系统各种参数的测量和控制。按照参数的特点，具体的监控目标是注水工艺参数和机组参数两大部分。注水工艺参数监控包括来水温度、来水流量、来水压力、注水管网压力、冷却水压力、水罐液位等。为适应注水量的变化，一般根据所需的注水量调节泵出口调节阀的开度或采用变频器调节注水电机的转速，从而实现合理注水。为了保障机组的安全运行，机组一般配有润滑油和冷却水等辅助系统，将机组本身及辅助系统的有关参数统称为机组参数，其监控内容包括泵出人口压力、泵出入口温度、泵出口流量、润滑油压力、轴瓦温度、冷却水温度、机组的振动和转速等。
二、系统仪表的选用
要实现对注水工艺参数和机组参数的监控，除了必须选用合适的控制系统外，还要优选出适宜的测量及控制仪表。注水自动化监控系统的仪表包括温度仪表、压力仪表、流量计量仪表、液位仪表、调节阀(或变频器)等。集中显示或控制的仪表一般采用电动仪表。由于注水电机振动较大，与之有关的一次仪表可采用耐震型。
1 注水温度仪表的选用
注水温度仪表的选用应根据介质的温度变化范围、安装位置、操作和观察条件、环境条件等进行。就地显示的温度测量仪表一般选用双金属温度计、玻璃液体温度计等；集中显示的温度测量仪表一般选用压力式温度计；远传显示或调节的温度元件一般选用热电阻或热电偶等。
2 注水压力仪表的选用
就地压力仪表一般选用弹簧压力表、耐震压力表等：远传压力仪表一般选用普通压力变送器、耐震压力变送器、压力控制器等；压力测量仪表的选用应考虑量程、介质性质和对显示仪表的要求。需要在控制室内显示压力的仪表，一般选用压力变送器或压力传感器；对于爆炸危险场所显示压力的仪表，可选用气动变送器、防爆型压力变送器或现场总线变送器。
3 注水流量仪表的选用
就地流量计量仪表可选用螺翼式水表、高压水表等。水表应安装于水平管道上，标度盘朝上，表前后应装截止阀，并要求一定长度的直管段；远传流量计量仪表可选用水平螺翼式电子热水表、涡轮流量计、注定涡流量计、电磁流量计、超声波流量计等。以下是注水系统常用的注水流量仪表的原理与特点，具体设计时可根据要求和市场供求情况来选定。
(1)水平螺翼式水表。该类水表主要用于计量清水，适用于单向水流，使用温度在45℃以下。当温度超过45℃时，应在定货时予以说明。该类仪表流通能力大，水头损失小，重量轻，便于使用和维修。但不适合含油污水，不能远传。
(2)干式高压水表。这种水表适合于小型注水站和配水间的配水计量。水表为直角型流向，来水自表下方入口进入，侧向出水，流水推动螺旋式翼轮转动，其转速与水流速成正比，翼轮的转动通过磁力传字轮指针组合式计数器显示其累积水量；还可配瞬时流量计，并可以从表芯发讯器发讯号远传。
(3)水平螺翼式电子热水表。该表除具有水平螺翼式水表的多数特性外，主要特点是耐高温、耐腐蚀；并把机械电子表头改成电子表头；适用于油田含油污水计量；装有发讯机构，可就地显示，亦可集中显示，远传距离可达200m。
(4)涡轮流量计。这种流量计包括涡流流量传感器和积算仪两部分。涡轮流量传感器将流经管道内的液体流量转换成脉冲信号，积算仪累计脉冲的个数获得液体的总量b。
(5)漩涡流量计。它有基于流体强迫振荡的旋进型和自然振荡的卡门注定涡型两种。它的测量原理是当管道中流体流过激涡发生体时，在其后方和两侧会交替地产生有规则的卡门漩涡列，流速愈大，漩涡产生的频率也愈大。漩涡频率的测量常用的有温度和振动位移两种方法，而这两种方法又可用多种原理来测定。它将测得的微弱的频率信号经电子线路处理成与流速成正比的电脉冲信号由显示仪表显示出流量的瞬时值。漩涡频率是不受流体重度、温度、压力和粘度等影响的参数。
(6)电磁流量计。它的工作原理是导体在磁场中运动而切割磁力线时，在导体中会产生感应电势，转换部分将感应电势转换成标准信号作为输出，以便进行显示、累计或记录。电磁流量计压力损失小，使用范围广，可以测量脉动流及有腐蚀性的液体，但不能测量气体、蒸汽和石油制品等非导电流体的流量。电磁流量计可以水平或垂直安装。垂直安装时，流体必须自下而上；水平安装时，液体应充满管段，并应使变送器的电极处于同一水平面上。流量计前后应有一定的直管段，必须良好接地。
(7)超声波流量计。它是利用超声波传输原理测量液体流量的仪表。检测元件固定在管壁外侧，不接触液体。特别适合大口径的流量测量，且不受液体的物理性质(压力、温度、粘度、密度)及腐蚀性的影响，是一种比较理想的节能仪表，几乎没有压力损失。
4 执行器或变频器
为了使注水系统的压力或流量处于最佳值，在泵出口的调节一般采用电动调节阀或变频器。采用电动调节阀投资较低，但能量损失较大。随着变频调速技术的飞速发展，变频器的价格在逐渐降低，可以通过变频器调节注水电机的转速以控制泵出口流量：由于注水电机的功率较大，这种方法一次性投资较大，但节约的能量也相当可观。
三、系统的总体设计
油田区域注水自动化监控系统可采用SCADA系统进行设计。系统分为三级：企业管理级、站控级及现场级。企业管理级(主站)设在注水调度中心，中心控制室通过远程测控终端(RTU)可监视各控制区的运行状态，保存运行状态信息，统计运行数据，对各检测点、控制点进行操作，从而实现系统监控。站控级(远程测控终端)设在各注水站，将各站压力、流量、液位、温度、机组运行状态等信号采集处理，给出注水电机的功率、用电量、注水量、泵效、单耗等，再将有关数据通过有线或无线方式传至调度中心；调度中心的计算机根据这些数据通过计算、处理得到晟佳配注量，并将其传回RTU；RTU根据配注量，调节电动阀的开度或注水电机的转速，使整个注水系统处于最佳运行状态。现场级(测控仪表)实现数据的采集与控制。另外，整个注水SCADA系统可以和生产SCADA系统相连，通过软件处理，采用变频器调节，使能耗和原泊的产量达到最佳工作点。
油田区域注水自动化监控系统的建立要特别注意以下问题：(1)由于注水电机及注水泵的振动较大，现场仪表应选用耐振仪表或采用减振措施；(2)由于厂区内的供电线路网络、大功率的注水电机及变频器等设备极易对控制系统产生干扰，应在电缆布置、屏蔽、接地及系统配置等方面采取抗干扰措施；(3)SCADA系统的通讯方式应考虑冗余。