張雙亮，李慶濤，張宏興，李順利

（1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京100176；2.中國石油冀東油田公司，河北唐山063000）

冀東油田無人駐守平臺控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用分析

張雙亮1，李慶濤1，張宏興2，李順利2

（1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京100176；2.中國石油冀東油田公司，河北唐山063000）

無人駐守平臺投資少，建設(shè)周期短，是開發(fā)衛(wèi)星油田、邊際油田和近海油田的方向，符合海洋石油開發(fā)以降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益為宗旨的方針。文章以中國石油冀東油田NP1-29平臺為例，簡要介紹了無人駐守平臺的控制系統(tǒng)設(shè)計思路、主要流程，對平臺投入后的運行狀況進(jìn)行了分析，并對完善無人駐守平臺的設(shè)計與應(yīng)用提出了建議。

無人駐守平臺；控制系統(tǒng)；可靠性；自動控制；遠(yuǎn)程監(jiān)控；應(yīng)用

1 無人駐守平臺建設(shè)背景

冀東南堡油田油井的分布較分散，在陸岸附近海域設(shè)置了較多的人工島。由于集輸工藝較為簡單，不需要操作人員24 h值班，只需將現(xiàn)場檢測參數(shù)送往人工島中心控制室顯示、打印和管理，就可以滿足生產(chǎn)運行的要求。

自動化和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展為監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了有力的技術(shù)支持和保證。依托人工島，建設(shè)無人駐守平臺，可以極大地降低投資和生產(chǎn)成本，作業(yè)人員在人工島中心控制室就可以采集所有數(shù)據(jù)，并可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、打印報表、歷史數(shù)據(jù)存儲等信息管理，通過安裝在現(xiàn)場的攝像頭，可以監(jiān)視整個生產(chǎn)情況。

2 工程概況

NP1-29無人駐守平臺位于冀東南堡油田1號構(gòu)造。冀東南堡油田1號構(gòu)造地理位置位于河北省灤南縣南堡鄉(xiāng)西偏南4 km淺水海域，距海岸線最近約1.0 km，其產(chǎn)能建設(shè)工程項目現(xiàn)場位于河北省唐山市南堡海域，距曹妃甸約20 km，距天津港約100 km。NP1-29平臺位于2號人工島西側(cè)約2.4 km，平均水深約6.4 m。

該平臺共有11口電潛泵采油井和6口注水井，年產(chǎn)油量為11萬t。為降低工程開發(fā)的投資，提高經(jīng)濟(jì)效益，對平臺上部設(shè)施進(jìn)行了簡化，以充分利用人工島已有設(shè)施的潛力。平臺工藝流程簡單，只設(shè)用于外輸和單井計量的電加熱器和多相流量計，利用電潛泵的壓力將油氣送往人工島。平臺不設(shè)主電站，由人工島供電，也不設(shè)生活樓及相關(guān)設(shè)施。白天有人巡檢、晚上無人駐守，作業(yè)人員由守護(hù)船接送，不設(shè)直升機(jī)專用平臺。NP1-29平臺主要包括：1座生產(chǎn)平臺（PRP），3座井口平臺（WHPA、WHPB、WHPC）。與之相關(guān)的工程設(shè)施有：1條從NP1-29平臺到2號人工島的D 152 mm海底油氣混輸管道，1條從2號人工島到NP1-29平臺的D 152 mm海底注水管道，1條從2號人工島到NP1-29平臺的復(fù)合海底電（光）纜。

3 無人駐守控制系統(tǒng)設(shè)計思路及主要特點

3.1 無人駐守平臺設(shè)計思路

（1） 簡化工藝系統(tǒng)、公用系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。

（2） 取消駐人生活設(shè)施，僅保留一間臨時休息室，用于吃飯和應(yīng)急過夜，人員定期上平臺巡檢或進(jìn)行維修作業(yè)，由守護(hù)船接送。

（3） 平臺增加設(shè)置視頻攝像頭，監(jiān)視平臺外在狀況。

（4） 確保正常的生產(chǎn)系統(tǒng)和必要的安全消防系統(tǒng)。

（5） 平臺監(jiān)測、報警參數(shù)遠(yuǎn)程傳送至人工島，泵、風(fēng)機(jī)、加熱器等設(shè)備均設(shè)置就地、遠(yuǎn)程及手動、自動操作幾種模式。

3.2 工藝概要和控制要求

油井生產(chǎn)的流體經(jīng)油嘴節(jié)流后，通過井口出油管道分別進(jìn)入生產(chǎn)/計量管匯（WHPB-M-1201/1202、WHPC-M-1201/1202），生產(chǎn)/計量管匯上的閥門能對與之相接的單井進(jìn)行生產(chǎn)和計量切換。需要計量的油井物流經(jīng)過計量管道進(jìn)入計量管匯，經(jīng)計量電加熱器（PRP-EH-1301）升溫，再進(jìn)入多相流量計（PRP-MFM-1301）進(jìn)行油、氣、水三相計量，計量后的油、氣、水混合匯入到生產(chǎn)加熱器出口，計量數(shù)據(jù)通過流量變送器送至遠(yuǎn)端控制中心顯示。不計量的油井物流經(jīng)生產(chǎn)管道進(jìn)入生產(chǎn)管匯，物流經(jīng)生產(chǎn)加熱器（PRP-EH-2001）升溫后通過海底混輸管道輸至NP1-2D（2號人工島）。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

整個工藝系統(tǒng)的控制牽涉到很多設(shè)備，如大量的電潛泵、變頻器、泵、加熱器等，僅閥門就有電動閥、電磁閥和氣動閥，是一個較復(fù)雜的系統(tǒng)。對這個系統(tǒng)的控制要求是全自動、無人操作，確保平臺正常生產(chǎn)和安全要求。整個平臺僅設(shè)少量的管理、操作人員。

3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計思路

（1） 井口控制盤的設(shè)計具備手動、遙控、自動關(guān)井功能。

（2） 重要工藝參數(shù)除設(shè)置就地顯示外，還應(yīng)遠(yuǎn)傳至平臺儀表通訊間和人工島中控室顯示。

（3） 可在平臺儀表通訊間和人工島中控室在線修改工藝控制參數(shù)的設(shè)定值。

（4） 各類報警、設(shè)備運行狀態(tài)及關(guān)斷閥閥位可在平臺儀表通訊間和人工島中控室顯示。

（5）泵、風(fēng)機(jī)、加熱器等設(shè)備可就地啟／停，亦可遙控。

（6） 控制系統(tǒng)除監(jiān)視橇裝設(shè)備運行狀態(tài)、故障報警等參數(shù)外，還應(yīng)設(shè)置應(yīng)急關(guān)斷。

（7） 主/備切換的設(shè)備應(yīng)具備自動轉(zhuǎn)換，亦可遙控。

（8） 可在平臺儀表通訊間和人工島中控室遙控開啟注水管道與油氣混輸海底管道入口連通管道上的電動球閥，對油氣混輸海底管道進(jìn)行遙控置換。

（9） 可在平臺儀表通訊間和人工島中控室對平臺進(jìn)行棄平臺、火災(zāi)、生產(chǎn)和單元4級關(guān)斷。

（10） 工藝區(qū)火氣探測使用火焰探測器和可燃性氣體探測器；電儀模塊間使用煙和熱探測器，采用可尋址回路連接方式。

（11） 平臺儀表通訊間和人工島中控室各放置一臺操作站兼工程師站，設(shè)置不同的密碼，使其具有不同的功能。正常生產(chǎn)時，在人工島中控室對平臺進(jìn)行監(jiān)控和操作，儀表通訊間操作站及工程師站供平臺巡檢人員及維修人員登平臺后使用。

3.4 控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容

設(shè)置的控制系統(tǒng)將實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)采集、工藝過程調(diào)節(jié)、故障狀態(tài)下的緊急關(guān)斷、天然氣泄漏和火災(zāi)等危險狀況的探測以及自動邏輯處理，保障平臺上的操作人員以及生產(chǎn)生活設(shè)施的安全。平臺控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制器和高速工業(yè)安全控制網(wǎng)絡(luò)，滿足現(xiàn)場控制要求和遠(yuǎn)程監(jiān)測要求。

根據(jù)工藝系統(tǒng)和公用系統(tǒng)要求，現(xiàn)場設(shè)置變送器、調(diào)節(jié)閥、關(guān)斷閥等設(shè)備和控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)工藝系統(tǒng)和公用系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)檢測、工藝過程的調(diào)節(jié)、緊急關(guān)斷系統(tǒng)信號的傳送。同時設(shè)置現(xiàn)場儀表，滿足現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)觀測要求。

根據(jù)平臺上不同區(qū)域的安全生產(chǎn)要求，在平臺上布置火氣探測及報警設(shè)備，實現(xiàn)現(xiàn)場的火災(zāi)和天然氣泄漏狀況的探測及手動或者自動控制功能。

井口控制盤用來實現(xiàn)對井口采油樹和注水井的井上安全閥及井下安全閥手動/自動控制和監(jiān)視，將井口采油樹的安全閥狀態(tài)信號遠(yuǎn)傳到中央控制系統(tǒng)，同時接受來自中央控制系統(tǒng)的控制信號。井口控制盤配備易熔塞、ESD手動站回路，在發(fā)生火災(zāi)或應(yīng)急事故時，關(guān)斷生產(chǎn)及啟動相關(guān)消防設(shè)施。

中央控制系統(tǒng)和平臺上的各個自成系統(tǒng)的第三方控制設(shè)備（橇塊）之間能夠建立數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)系，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控及應(yīng)急關(guān)斷。

3.5 控制系統(tǒng)的組成

針對該平臺的工藝特點和控制要求、控制回路和控制點數(shù)的數(shù)量以及海洋石油平臺控制系統(tǒng)慣用配置，設(shè)置過程控制系統(tǒng)（PCS）和安全儀表系統(tǒng)（SIS），兩套系統(tǒng)相互獨立。其中安全儀表系統(tǒng)包括緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）和火氣探測系統(tǒng)（FGS）兩部分，緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）和火氣探測系統(tǒng)（FGS）共用一個控制器。過程控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)集成，共同連接到100M/10M的工業(yè)安全控制網(wǎng)絡(luò)。在控制網(wǎng)絡(luò)的上層是監(jiān)控設(shè)備，包括工程師站/操作站，可以實現(xiàn)屏幕顯示和全流程顯示。NP1-29平臺的中央控制系統(tǒng)通過海底光電復(fù)合纜將控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳送到NP1-2D人工島的中控室，同時NP1-29平臺接受NP1-2D人工島的高級關(guān)斷信號，實現(xiàn)NP1-2D人工島對NP1-29平臺工藝流程及安全消防的監(jiān)視和控制?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。

過程控制系統(tǒng)通過對現(xiàn)場的溫度、壓力、液位、流量等工藝參數(shù)的采集和處理，在操作站上進(jìn)行顯示、報警，實現(xiàn)對相應(yīng)控制閥門、泵和加熱器等設(shè)備的自動控制。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)為平臺上的人員和設(shè)備提供保護(hù)功能。ESD系統(tǒng)能夠連續(xù)監(jiān)測工藝過程和公用系統(tǒng)工藝參數(shù)以及現(xiàn)場手動按鈕，自動或手動啟動相應(yīng)的邏輯保護(hù)功能和報警。緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足故障安全型系統(tǒng)的要求，同時應(yīng)確保某一級別的關(guān)斷只能啟動本級別和所有較低級別的關(guān)斷，而不能引起較高級別的關(guān)斷。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)的關(guān)斷級別設(shè)置為4級，從高級別到低級別的依次為：

ESD-1：棄平臺關(guān)斷（最終關(guān)斷）；

ESD-2：火災(zāi)或者天然氣泄漏關(guān)斷；

ESD-3：工藝/公用系統(tǒng)關(guān)斷；

ESD-4：單元關(guān)斷。

火氣探測系統(tǒng)是對平臺可能存在的危險氣體泄漏進(jìn)行自動檢測，并能對意外的危險火源進(jìn)行探測報警，在危險情況下主要通過自動方式啟動平臺的消防滅火系統(tǒng)，為生產(chǎn)設(shè)施提供安全保障?；饸馓綔y系統(tǒng)由火氣監(jiān)控系統(tǒng)控制設(shè)備，火氣現(xiàn)場探測、報警設(shè)備，以及與消防系統(tǒng)、CO2系統(tǒng)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、報警系統(tǒng)和HVAC系統(tǒng)的接口組成。

圖2 控制系統(tǒng)

3.6 控制系統(tǒng)的要求

3.6.1確保系統(tǒng)的可靠性

平臺無人駐守指的是生產(chǎn)過程無人值守，而不是平臺上沒有人，它是建立在正確、成熟的控制模式和可靠的控制設(shè)備基礎(chǔ)上，由人工島中控室完成對整個平臺運行的監(jiān)視、管理、控制的一種控制模式。要做到這一點，首先要求控制設(shè)備和通訊網(wǎng)絡(luò)十分可靠。在可靠性設(shè)計上，PCS的CPU模塊、電源模塊、通訊模塊和控制網(wǎng)絡(luò)等采用1:1冗余。SIS的CPU模塊、電源模塊、通訊模塊、控制網(wǎng)絡(luò)和所有I/O卡均采用1:1冗余配置。在控制設(shè)備的選擇上，采用在海洋平臺應(yīng)用廣泛的EMERSON過程控制管理公司的DeltaV和DeltaV SIS系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡(luò)采用雙光纖配置。

其次，無人駐守要求整個控制系統(tǒng)可靠性極高。對控制系統(tǒng)而言，不但涉及到控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，還涉及到許多現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂骗h(huán)節(jié)中任何一臺設(shè)備出現(xiàn)故障都會影響系統(tǒng)的運行，有時可能迫使整個系統(tǒng)退出自控狀態(tài)，等待維修。而無人駐守則要求這樣的情況越少越好，同時要求平均故障修復(fù)時間（MTTR）越短越好。對此，在系統(tǒng)配置上采用分布式結(jié)構(gòu)，將危險分散；現(xiàn)場儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)盡可能選用品牌產(chǎn)品，重要場所的現(xiàn)場儀表采用冗余配置，關(guān)鍵控制點采用表決邏輯，盡可能減少設(shè)備故障或設(shè)備誤動作對整個平臺自動運行產(chǎn)生的影響，并在發(fā)生故障的情況下盡量減少維護(hù)人員的工作量。

無人駐守要求系統(tǒng)具有強(qiáng)大的自診斷能力。只有在發(fā)生故障后能很快找出故障點，才能縮短系統(tǒng)的維修、恢復(fù)時間?？刂破鞅旧砭哂凶栽\斷功能，但系統(tǒng)中還有大量其他設(shè)備，實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的診斷和校正是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。因此在系統(tǒng)的操作站上配備AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)?？刂破魍ㄟ^與現(xiàn)場智能儀表進(jìn)行數(shù)字通訊，將HART信號數(shù)據(jù)傳送給AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)，進(jìn)而給出清楚和詳細(xì)的關(guān)于故障的描述，控制器可以在系統(tǒng)跳車之前提醒操作員或者維護(hù)人員監(jiān)察來自現(xiàn)場設(shè)備的問題或者故障，從而優(yōu)化操作和維護(hù)。通過和AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)的結(jié)合，可有效地對現(xiàn)場智能儀表潛在的故障做出診斷及校正，提高控制系統(tǒng)的可靠性。

3.6.2要求設(shè)備全自動控制

無人駐守要求平臺上絕大部分設(shè)備的運行應(yīng)完全由控制系統(tǒng)根據(jù)平臺的工況及工藝參數(shù)來控制，完成對設(shè)備的啟、停控制而不需人工干預(yù)。這有兩層含意，一是控制系統(tǒng)應(yīng)能掌握平臺內(nèi)所有設(shè)備的狀態(tài)，不能留下盲區(qū)；二是應(yīng)給控制設(shè)備提供切實的控制模型和控制參數(shù)，盡量減少對人工干預(yù)的依賴。關(guān)于第一點，平臺的中、低壓開關(guān)柜的狀態(tài)信號和橇裝設(shè)備的狀態(tài)信號要全部輸送到控制系統(tǒng)；關(guān)于第二點，對一些泵、加熱器等設(shè)備要設(shè)定合理的控制參數(shù)，避免設(shè)備的頻繁啟動和停止。

無人駐守平臺控制系統(tǒng)上層監(jiān)控設(shè)備要求具有更大的控制權(quán)限。以往上層監(jiān)控設(shè)備只起監(jiān)視、管理作用，記錄平臺的運行情況，打印報表、報警記錄等。現(xiàn)在的上層監(jiān)控設(shè)備能在中控室對所有設(shè)備進(jìn)行控制，借助于監(jiān)視的工藝參數(shù)和工業(yè)視頻系統(tǒng)，可以人為干預(yù)現(xiàn)場的運行狀態(tài)。

4 目前運行情況及存在的問題

NP1-29平臺是按照白天有人巡檢、操作，晚上無人駐守來設(shè)計的，并非高度自動化的完全無人作業(yè)平臺。平臺生產(chǎn)作業(yè)管理規(guī)定：采油作業(yè)人員白天上平臺巡檢，夜晚住宿在人工島；作業(yè)人員上、下班由守護(hù)船接送，上平臺人員自帶午餐；機(jī)、電、儀維修工隨時上平臺處理事故和操作。采油作業(yè)人員日常巡檢和操作包括：定期的單井計量倒井和取樣，化學(xué)藥劑罐加藥，設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)等；不定期的操作有：電潛泵停泵后的再啟動，平臺應(yīng)急關(guān)斷后井口控制盤和關(guān)斷閥的復(fù)位，流程再啟動等。

NP1-29平臺是冀東油田自己接手作業(yè)的第一個海上平臺，操作中還存在很多的誤區(qū)和盲點。NP1-29平臺的采油井是陸續(xù)投產(chǎn)，而且生產(chǎn)狀況不穩(wěn)定。平臺自2009年8月份投產(chǎn)以來，遇到了海洋惡劣氣象環(huán)境的挑戰(zhàn)，渤海灣冬季的嚴(yán)寒和風(fēng)浪給平臺生產(chǎn)作業(yè)管理造成嚴(yán)重的困難。海上5級以上的大風(fēng)和1m以上的大浪使守護(hù)船無法停靠平臺，作業(yè)人員均無法上平臺作業(yè)，亦有上去下不來的情況。

經(jīng)過多次嘗試后，冀東南堡作業(yè)區(qū)目前尚未能按無人駐守平臺生產(chǎn)作業(yè)管理規(guī)定來管理，為確保平臺生產(chǎn)，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失，在平臺上分批安排了適當(dāng)人數(shù)的人員進(jìn)行晝夜值守，維持平臺的正常生產(chǎn)。

5 經(jīng)驗體會

NP1-29無人駐守平臺的控制系統(tǒng)雖然尚未達(dá)到設(shè)計功能，但其建成和投產(chǎn)，為冀東南堡油田整體開發(fā)提供了可供參考的實例。為進(jìn)一步完善無人駐守平臺的設(shè)計及應(yīng)用，使其更加適應(yīng)客觀環(huán)境條件和油田特性，本文總結(jié)了如下的經(jīng)驗和體會：

（1） 對于渤海灣近海海域進(jìn)行采油作業(yè)的無人平臺，如何解決冬季惡劣海況下作業(yè)人員登離平臺是首要問題。當(dāng)守護(hù)船無法將作業(yè)人員送上平臺時，為不耽誤生產(chǎn)，可考慮動用直升機(jī)，但直升機(jī)的使用，勢必帶來投資及操作費用的增加。由于平臺距離陸岸較近，因此從生產(chǎn)和管理的角度出發(fā)，作業(yè)單位應(yīng)結(jié)合實際，可采用破冰船和適當(dāng)配置人員值守相結(jié)合的辦法，解決冬季或大風(fēng)狀況下生產(chǎn)作業(yè)問題。

（2） 設(shè)計中應(yīng)適當(dāng)考慮設(shè)置簡易的生活設(shè)施，以提供惡劣天氣下操作人員不能下平臺的海上生活條件。

（3） 作為向無人駐守平臺提供電力的人工島，要保證其供電的可靠性及穩(wěn)定性，減少井口平臺因失電或電壓波動而造成的工藝生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)斷。

（4） 平臺在設(shè)計、選型過程中，現(xiàn)場儀表及輔件應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)系列化產(chǎn)品，盡可能減少儀表品種、類型，以減少備品備件的種類，方便操作與維護(hù)。系統(tǒng)及儀表應(yīng)盡可能選擇知名品牌廠商的產(chǎn)品，以減少系統(tǒng)的故障。現(xiàn)場儀表的安裝在滿足有關(guān)規(guī)范及制造廠商的要求下，應(yīng)考慮操作、維護(hù)、檢修和更換的方便。

（5） 在生產(chǎn)區(qū)及各個通道應(yīng)設(shè)置視頻攝像頭，以便在人工島能夠監(jiān)視平臺各個角落，及時掌握平臺各種工況。

（6） 平臺設(shè)計過程中，應(yīng)注意各專業(yè)之間的結(jié)合與協(xié)調(diào)，確保投產(chǎn)后設(shè)備全自動運行，并最終使控制系統(tǒng)做到無人操作。

（7） 提高操作人員對平臺系統(tǒng)的熟悉程度，尤其是自動控制系統(tǒng)專業(yè)性較強(qiáng)，對平臺現(xiàn)場管理及操作人員解決問題的能力要求較高。目前一旦設(shè)備和操作出現(xiàn)問題，還需要廠家到平臺進(jìn)行處理。因此，建立一支學(xué)習(xí)型的技術(shù)過硬的操作、維護(hù)、維修隊伍非常必要。要配備技術(shù)過硬的電氣、儀表、機(jī)械、工藝工程師加強(qiáng)日常維護(hù)與保養(yǎng)。

Abstract：Unmanned platform construction is a trend for developing satellite oilfields,margin oilfields and offshore oilfields due to its lower investment and shorter construction period,and is in accordance with the offshore petroleum development policy of reducing costs and increasing economic benefits.This paper illustrates the control system design philosophy and the main process of NP1-29 unmanned platform in Jidong Oilfield,analyzes the operating conditions after the platform is put into use,and gives suggestion of improving the design and application of similar unmanned offshore platforms.

Key words:unmanned platform;control system;reliability;automatic control;remote monitoring;application

（15）Design and Application Analysis of Unmanned Platform Control System in Jidong Oilfield

ZHANG Shuang-liang（China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100176,China）,LI Qing-tao,ZHANG Hong-xing，et al.

TE54TE951

A

1001－2206（2011）01－0015－05

張雙亮（1978-），男，河南信陽人，工程師，2001年畢業(yè)于信陽師范學(xué)院，現(xiàn)從事海洋石油工程自動化儀表設(shè)計工作。

2010-04-02；

2010-11-03