李興候

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司,北京 100085)

乍得共和國Great Baobab及其周邊油田地面2.1期建設(shè)工程主要新建了3個部分的油田處理設(shè)施，即在Great Baobab新建6個計量站(OGM)和一個站內(nèi)轉(zhuǎn)油站(FPF)，Prosopis擴(kuò)建一個計量站(OGM)。其中，Great Baobab FPF建成投入使用后，年處理能力為160×104t/a，所接收和處理后的原油輸送到一期Ronier中央處理站(CPF)。站內(nèi)FPF的主要生產(chǎn)工藝裝置有生產(chǎn)匯管、分離器、水套爐、緩沖罐、提升泵、化學(xué)注藥器、氣體洗滌器、火炬分液罐、火炬、儀表風(fēng)系統(tǒng)、給排水裝置、污水處理裝置及其他輔助設(shè)施等。由于FPF裝置種類繁多、生產(chǎn)流程復(fù)雜，因此系統(tǒng)需要設(shè)置多種控制邏輯，且自動化程度要求較高。針對此要求，為實現(xiàn)生產(chǎn)工藝平穩(wěn)、裝置安全運(yùn)行的目的，Baobab FPF站內(nèi)自控系統(tǒng)采用開放式I/A Series系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置①

整個站內(nèi)控制系統(tǒng)采用兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對油田工藝參數(shù)進(jìn)行采集和集中監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

第一級為Baobab FPF站內(nèi)相關(guān)工藝設(shè)施設(shè)置的控制系統(tǒng)；第二級為Baobab FPF所屬的OGM站內(nèi)設(shè)置的控制系統(tǒng)。第二級控制系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)將在第一級控制系統(tǒng)同時監(jiān)控。同時，站內(nèi)控制系統(tǒng)還通過光纖與Ronier CPF中心控制室的SCADA連接，實現(xiàn)整個區(qū)域油田的集中監(jiān)視和控制?？紤]系統(tǒng)升級和將來擴(kuò)展，控制系統(tǒng)配有備用接口；考慮系統(tǒng)的可靠性，控制處理機(jī)和相關(guān)硬件設(shè)置1∶1冗余。

站內(nèi)I/A Series控制系統(tǒng)采用了一個工程師站(H92 Workstation)、一個操作員站(H92 Workstation)、一個工程師/操作員站(H92 Workstation)、3對冗余控制器(P0917YZ)、3個PC終端(DELL 21″)、一臺打印機(jī)(2055D)、一對冗余電源模塊(P0922YU)、一對冗余以太網(wǎng)接口、12個Modbus通信卡接口(P0926GG)、各種輸入輸出卡件(FBM)及其他配件等?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2 系統(tǒng)功能與特點

控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括：模擬全站工藝流程并分組、分級顯示各子單元流程，實時顯示各主要生產(chǎn)工藝參數(shù)和主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并以聲光報警的形式顯示生產(chǎn)和安全的異常狀態(tài)；各井口來油計量、儲油罐與注水罐液位計量、原油含水含氣分離控制、加熱爐原油加熱溫度控制及其他原油處理等；火炬氣的遠(yuǎn)程點火控制；手/自動兩種方式控制全站內(nèi)各類泵的啟停；實現(xiàn)全站注水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和外輸系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制；顯示各類撬裝化設(shè)備的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，同時控制相應(yīng)的啟停；歷史數(shù)據(jù)的存儲和趨勢分析；記錄并打印報警信息。

系統(tǒng)的硬件、軟件和通信網(wǎng)絡(luò)采用通用國際標(biāo)準(zhǔn)，對第三方標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品完全兼容，具有良好的開放性與擴(kuò)展性[1]。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)、供電電源和工作站采用冗余設(shè)計，同時，中央處理機(jī)具備容錯機(jī)制，輸入、輸出組件應(yīng)用先進(jìn)的SMT技術(shù)，能夠保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，且具有良好的可靠性。系統(tǒng)具備自整定及多變量自整定等復(fù)雜計算能力，具有模擬量、數(shù)字量、順序控制、梯形邏輯和批處理控制功能，具有比常規(guī)控制更先進(jìn)的基于模型的約束控制和實時優(yōu)化的預(yù)測控制。系統(tǒng)能夠靈活地在線和離線組態(tài)，組態(tài)軟件設(shè)計的顯示畫面、控制算法、歷史趨勢及報表等可直接下載到中央處理器，不需要重新編譯和轉(zhuǎn)換，因此在系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)時可以節(jié)省時間，同時節(jié)省成本。系統(tǒng)容量大，其中進(jìn)入站控系統(tǒng)的溫度測量點86個、壓力測量點103個、流量測量點12個、液位測量點14個、火焰監(jiān)測點8個、可燃性氣體檢測點29個、流量PID調(diào)節(jié)回路5個、液位調(diào)節(jié)回路8個，污水處理順序控制(72個I/O點)和消防聯(lián)鎖控制系統(tǒng)(320個I/O點)各一套。

3 主要控制方案的實施

3.1 油氣水三相分離器的控制

油氣水三相分離器是油田地面工程項目中的常用設(shè)備，能夠?qū)⒏髡臼占瘉淼幕旌弦阂韵鄳?yīng)密度差為動力進(jìn)行油氣水分離[2]。其控制原理如圖3所示，分離器的分離效果直接與腔內(nèi)天然氣壓力、油室液面高度和混合腔混合液界面高度3個參數(shù)的合理控制密切相關(guān)，原因是：

a. 收集的混合液組成多樣，既有氣態(tài)烴甲烷，也有復(fù)雜烴化合物，因此腔內(nèi)天然氣壓力變化頻繁，為了保證分離效果，需要控制腔內(nèi)天然氣壓力恒定于合理值附近。腔內(nèi)天然氣壓力檢測采用帶隔膜壓力變送器，傳送到I/A Series系統(tǒng)運(yùn)算輸出控制信號，送往氣出口管線的氣動調(diào)節(jié)閥控制閥門開度保證腔內(nèi)壓力在合理范圍之內(nèi)。

b. 油室油面高度設(shè)定在合理值之內(nèi)，主要是防止油室內(nèi)石油全部排干，腔內(nèi)天然氣串到下游裝置中，損害設(shè)備。檢測采用雙法蘭液位變送器，傳送到I/A Series系統(tǒng)運(yùn)算輸出，送往油出口管線的氣動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥門開度保證腔內(nèi)油面液位在合理值之內(nèi)。

c. 混合腔混合液界面高度設(shè)定在合理值之內(nèi)，一方面防止水位過高，溢過混合腔與油腔的隔離板，污染已分離的石油；另一方面防止水位過低，處在界面上層的石油通過出水管線流出三相分離器造成浪費(fèi)。檢測采用射頻導(dǎo)納界面儀，傳送到I/A Series系統(tǒng)運(yùn)算輸出控制信號，送往水出口管線的氣動調(diào)節(jié)閥控制閥門開度保證混合腔內(nèi)界面在合理范圍之內(nèi)。

圖3 油氣水三相分離器控制原理

油氣水三相分離器采用I/A Series系統(tǒng)的集散型控制方式，通過軟件將成熟的PID控制算法編寫在內(nèi)核中，上位機(jī)可以靈活整定PID各環(huán)節(jié)的控制參數(shù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用帶閥門定位器的氣動調(diào)節(jié)閥，有開關(guān)時間短和反應(yīng)靈活的特點。

3.2 4臺潛水泵啟動順序的控制

4臺潛水泵啟動順序控制原理如圖4所示。潛水泵的最大揚(yáng)程56m，最大排液量120m3/h。為了使?jié)撍酶咝?、可靠并?jīng)濟(jì)地運(yùn)行，根據(jù)水泵兩用、兩備的工藝設(shè)計思路，控制策略采用包括注水罐液面及泵自身運(yùn)行和故障狀態(tài)等因素在內(nèi)的4臺潛水泵自動輪流運(yùn)行與均衡出力的控制方式[3]。

圖4 4臺潛水泵啟動順序控制原理

具體控制策略為：

a. 根據(jù)注水罐內(nèi)水位高低決定泵的運(yùn)行臺數(shù)。將注水罐內(nèi)的水位分為5個級別，依次為最低水位、低水位、中水位、高水位和最高水位。注水罐內(nèi)實際水位的測量采用普通的具備遠(yuǎn)傳功能的磁浮子液位計，I/A Series系統(tǒng)接收液位計的實際水位信號后，與5個設(shè)定水位級別值比較，從而決定潛水泵投入運(yùn)行的臺數(shù)。需要多臺潛水泵投入運(yùn)行時，多臺潛水泵依次延時投入運(yùn)行。在4臺潛水泵完好且沒有故障的情況下，當(dāng)注水罐內(nèi)實際水位高于最高水位時，4臺潛水泵全部停止運(yùn)行；當(dāng)注水罐內(nèi)實際水位處于高水位和最高水位之間時，一臺潛水泵投入運(yùn)行；當(dāng)注水罐內(nèi)實際水位處于中水位和高水位之間時，兩臺潛水泵投入運(yùn)行；當(dāng)注水罐內(nèi)實際水位處于最低水位和中水位之間時，3臺潛水泵投入運(yùn)行；當(dāng)注水罐內(nèi)實際水位低于最低水位時，4臺潛水泵全部投入運(yùn)行。

b. 正常工作時，注水罐內(nèi)液位保持在中水位和高水位之間(有兩臺潛水泵運(yùn)行，兩臺處于備用不工作狀態(tài))?？紤]每隔一段時間切換一次泵運(yùn)行，即備用泵轉(zhuǎn)為運(yùn)行泵，運(yùn)行泵中運(yùn)行時間最長的泵優(yōu)先轉(zhuǎn)為備用泵。因此，每臺泵運(yùn)行時間比較平均，出力也比較均衡，泵出故障的機(jī)率會降低，可靠性會相應(yīng)提高。

c. 單臺或多臺泵出現(xiàn)故障的可能性是隨機(jī)事件，泵出故障的機(jī)率隨臺數(shù)的增加而降低。自動控制要求同一時刻只能有不大于兩臺潛水泵出故障，如果有多于兩臺泵出故障，則改為手動控制。一臺或兩臺泵發(fā)生故障時，通過設(shè)定故障泵為備用泵來保證生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行。因此維護(hù)人員能夠利用間隔時間維修故障泵，排除故障。

4 存在的問題與不足

系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性除了與系統(tǒng)本身有關(guān)外，還與外圍設(shè)備有關(guān)。投產(chǎn)運(yùn)行結(jié)果表明：該項目設(shè)計中大部分一次儀表都安裝在合理位置，但油氣水三相分離器上用于測量混合液界面的帶遠(yuǎn)傳磁浮子液位計，安裝在進(jìn)液口方向三相分離器罐體長度的1/3處，由于安裝位置離進(jìn)液口太近，使得進(jìn)入分離器的混合液波動較大，導(dǎo)致液位計測量值變化頻繁，測量精度較差，這在進(jìn)行閉環(huán)控制時極大地降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，將三相分離器的安裝位置適當(dāng)往后調(diào)整，改進(jìn)后的液位計測量準(zhǔn)確性和閉環(huán)控制的可靠性均得到了提高。

設(shè)計中所有被控變量仍然采用傳統(tǒng)方法，即通過電纜逐個送往中控室。但各生產(chǎn)裝置分散，離中控室較遠(yuǎn)，因此，項目所需的材料費(fèi)和人工成本比較高。目前可擴(kuò)展的現(xiàn)場總線技術(shù)比較成熟，因此將來可以考慮將現(xiàn)行的就地總線形式改進(jìn)為可擴(kuò)展的現(xiàn)場總線，縮減項目成本。

5 結(jié)束語

在乍得共和國Great Baobab及周邊2.1期建設(shè)項目DCS應(yīng)用中，采用I/A Series系統(tǒng)順利地完成了工程的設(shè)計、施工、調(diào)試及開車等幾個階段，控制系統(tǒng)經(jīng)過短時間的調(diào)試，全部一次性投入自動運(yùn)行，控制精度完全符合生產(chǎn)要求。

[1] 周琨,周雪花,趙東凱.I/A Series控制系統(tǒng)在水煤漿氣化中的應(yīng)用[J].遼寧化工,2011,40(8):854～856.

[2] 蔡金龍,韓永嘉,張鵬宇,等.三相分離器設(shè)計及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2010,(8):79～81.

[3] 卜祥泉,周樹志,龐科旺.煤礦井下排水泵控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化,2007,(3):5～7.