韓小磊

(中石化石油工程設(shè)計有限公司,山東 東營 257026)

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緊急聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)在海洋采油平臺中的應(yīng)用

韓小磊

(中石化石油工程設(shè)計有限公司,山東 東營 257026)

摘要：為保障海洋采油平臺生產(chǎn)、集輸?shù)陌踩\(yùn)行，避免污染海洋環(huán)境的事故發(fā)生，根據(jù)采油平臺生產(chǎn)工藝流程，結(jié)合埕島油田SCADA測控系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，將采油平臺緊急聯(lián)鎖關(guān)斷等級分為四級，明確了每個級別聯(lián)鎖關(guān)斷的觸發(fā)條件和關(guān)斷動作，通過PLC系統(tǒng)的編程實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖關(guān)斷邏輯，豐富了SCADA系統(tǒng)的功能，確保了采油平臺安全、平穩(wěn)、高效的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：采油平臺緊急關(guān)斷系統(tǒng)可編程邏輯控制器過程控制系統(tǒng)

勝利埕島油田是擁有3座中心平臺和90多座采油井組平臺的大型灘海油田，采油平臺完成采油、計量及加熱等生產(chǎn)工藝流程，原油通過海底輸油管道輸送至中心平臺進(jìn)行油、氣、水處理，最后輸送至陸地。緊急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)通過對油井生產(chǎn)集輸關(guān)鍵參數(shù)(單井回壓、外輸干壓、加熱器溫度、火災(zāi)報警、可燃?xì)怏w報警等)的連續(xù)監(jiān)視，檢測其相對于預(yù)定安全條件的變化，當(dāng)參數(shù)值超出安全限值時，系統(tǒng)會立即對相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)施關(guān)斷，保障生

產(chǎn)和集輸?shù)陌踩?，使發(fā)生惡性事故的可能性降到最低。

1生產(chǎn)工藝流程

采油平臺井口來油靠井口壓力流經(jīng)計量流程或生產(chǎn)流程后，原油通過海底管線輸送至中心平臺，進(jìn)行簡易的油氣水處理，最后輸送至陸地。采油平臺生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，設(shè)備主要包括井口采油樹、計量流程中的計量電加熱器和混輸流程中的生產(chǎn)電加熱器[1]。

圖1　采油平臺生產(chǎn)工藝流程示意

2系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

2.1系統(tǒng)組成

2.1.1安全儀表系統(tǒng)(SIS)

該油田SCADA系統(tǒng)采用了“三級網(wǎng)絡(luò)，兩級控制”的架構(gòu)，中心平臺和陸地中心站均可以遙測遙控各采油平臺，采油平臺端的控制系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)(PCS)和SIS組成，其中SIS又由ESD和火氣系統(tǒng)(FGS)組成。ESD主要完成對工藝生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)控，包括干溫、干壓、加熱器出口溫度、井口回壓等參數(shù)，并根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)的變化實(shí)施對相應(yīng)井口電潛泵、電加熱器、緊急切斷閥等設(shè)備的緊急停車。FGS主要完成對采油平臺火災(zāi)報警信號、可燃?xì)怏w報警信號的實(shí)時監(jiān)控，并根據(jù)不同安全區(qū)域的火災(zāi)或可燃?xì)怏w報警信號聯(lián)鎖關(guān)斷井口電潛泵、井上井下安全閥和緊急切斷閥等設(shè)備，并控制4種不同顏色平臺狀態(tài)燈的開啟和熄滅。

2.1.2關(guān)鍵參數(shù)

為保障采油平臺穩(wěn)定、安全的生產(chǎn)，根據(jù)工藝流程確定了影響工藝的重要生產(chǎn)參數(shù)[2]，如： 為保障井口原油的正常外輸，將單井回壓、平臺原油外輸干壓作為聯(lián)鎖關(guān)停油井的觸發(fā)條件；將加熱器出口溫度作為聯(lián)鎖關(guān)停生產(chǎn)或計量加熱器觸發(fā)條件；將可燃?xì)怏w或火災(zāi)報警作為聯(lián)鎖關(guān)斷切斷閥、電潛泵等設(shè)備的觸發(fā)條件等。將火災(zāi)與可燃?xì)怏w檢測的安全區(qū)域分為生活樓區(qū)、井口區(qū)、配電樓區(qū)、工藝區(qū)、修井區(qū)等，為避免可燃?xì)怏w誤報警，規(guī)定同一區(qū)域需2個以上可燃?xì)怏w報警才會觸發(fā)聯(lián)鎖關(guān)斷。

2.1.3系統(tǒng)軟硬件

SIS硬件由Conrtollogix系列可編程邏輯控制器(PLC)組成，CPU和通信模塊采用熱備冗余配置，CPU槽架和IO機(jī)架之間采用冗余的ConrtolNet網(wǎng)絡(luò)通信，最大限度地保證系統(tǒng)的安全、正常、平穩(wěn)運(yùn)行。

系統(tǒng)軟件采用了RSlogix5000作為PLC的編程軟件，通過梯形圖及AOI功能塊的使用，完成ESD和FGS的邏輯控制。HMI人機(jī)界面和數(shù)據(jù)庫采用EPKS軟件，通過HMIWeb Display Builder編寫畫面，通過Quick Builder編寫數(shù)據(jù)庫，完成人機(jī)界面的開發(fā)。

2.2系統(tǒng)特點(diǎn)

2.2.1四級關(guān)斷

根據(jù)國內(nèi)外油氣田設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合海洋采油的實(shí)際情況，將緊急聯(lián)鎖關(guān)斷等級分為四級：

1) ESD-0。此級別關(guān)斷為最高級別關(guān)斷，所有設(shè)備全部停車，棄平臺，并點(diǎn)亮棄平臺狀態(tài)燈，此關(guān)斷為人工觸發(fā)。

2) ESD-1。此級別關(guān)斷為全平臺關(guān)斷，點(diǎn)亮火災(zāi)狀態(tài)燈，由火災(zāi)及人工確認(rèn)觸發(fā)。

3) PSD。此級別關(guān)斷為工藝設(shè)備關(guān)斷，不泄壓，只停工藝設(shè)備，由外輸管線干壓和可燃?xì)怏w報警觸發(fā)。

4) USD。此級別關(guān)斷為單元設(shè)備關(guān)斷，為不影響整體工藝流程的單獨(dú)設(shè)備停車，由單元設(shè)備參數(shù)觸發(fā)。

2.2.2儀表獨(dú)立

井口單井回壓、原油外輸干壓等重要生產(chǎn)參數(shù)均設(shè)獨(dú)立儀表，同一參數(shù)現(xiàn)場安裝2塊儀表，SIS和PCS儀表獨(dú)立分開。

2.2.3冗余

SIS實(shí)現(xiàn)了CPU的熱備冗余和輸入輸出模板I/O冗余，降低硬件、儀表回路故障所引發(fā)的誤關(guān)斷概率。

3關(guān)斷設(shè)計方案

3.1ESD-0級關(guān)斷

此為棄平臺關(guān)斷，所有設(shè)備關(guān)停，泄壓閥泄壓，切斷電源，給予最高級別警示。

觸發(fā)原因： 不可預(yù)知自然災(zāi)害，經(jīng)人工確認(rèn)棄平臺。

關(guān)斷輸出： 觸發(fā)ESD-1級別關(guān)斷；激活平臺藍(lán)色狀態(tài)燈；HMI報警。

3.2ESD-1級關(guān)斷

此關(guān)斷為全平臺關(guān)斷，為避免事故發(fā)生或者減少事故損失，需要觸發(fā)級別關(guān)斷，此級別關(guān)斷平臺所有設(shè)備，且油井井上、井下泄壓閥泄壓，保證油井本質(zhì)安全。與ESD-0級別不同在于指示燈顏色不同。

觸發(fā)原因： ESD-0觸發(fā)；現(xiàn)場發(fā)生火災(zāi)、爆管等重大事故并經(jīng)人工確認(rèn)；井口工藝區(qū)火災(zāi)報警。

關(guān)斷輸出： 觸發(fā)PSD關(guān)斷；激活平臺紅色狀態(tài)燈；關(guān)斷所有油井井上井下安全閥；HMI報警。

3.3PSD級關(guān)斷

此級別為工藝流程的關(guān)斷，當(dāng)工藝流程中某一參數(shù)發(fā)生變化時，引起相應(yīng)流程設(shè)備的關(guān)斷。該系統(tǒng)中外輸管線干壓超高或超低都會對整個管網(wǎng)造成影響，因而在外輸干壓超限時需要關(guān)停所有生產(chǎn)設(shè)備，并切斷外輸管線的切斷閥，但油井井上及井下不泄壓。

觸發(fā)原因： ESD-1觸發(fā)；海底外輸管線干壓高高壓或低低壓報警；同一區(qū)域兩臺可燃?xì)怏w高報警。

關(guān)斷輸出： 關(guān)斷外輸管線緊急切斷閥；關(guān)停所有油井井口電潛泵；停計量加熱器、停生產(chǎn)加熱器；HMI報警。

3.4USD關(guān)斷

此關(guān)斷為單元關(guān)斷，由采油平臺工藝流程中單元設(shè)備參數(shù)引起的本設(shè)備關(guān)斷，目的在于保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備。井口回壓作為單井井口出口壓力，壓力過高或過低都會對整個采油井組的原油輸出造成影響。壓力過高會對其他油井的出油量產(chǎn)生影響，從而影響電潛泵，壓力過低則會受到其他油井的影響[3]。原油加熱器出口溫度作為加熱器的重要生產(chǎn)參數(shù)，適當(dāng)提高油溫有利于原油的輸送，但油溫過高會對設(shè)備和管線產(chǎn)生損害，且油溫一旦超過100 ℃，原油中的水分會轉(zhuǎn)化為水蒸氣，致使管線和設(shè)備承受壓力增大，易發(fā)生危險。

觸發(fā)原因： 單井井口管線出口壓力高高或低低壓報警；計量加熱器出口溫度高高報警；生產(chǎn)加熱器出口溫度高高報警。

關(guān)斷輸出： 關(guān)停相應(yīng)單井井口電潛泵；停計量加熱器、停生產(chǎn)加熱器；HMI報警。

4緊急聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)的實(shí)施

4.1系統(tǒng)的搭建與開發(fā)

緊急聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)包括ESD和FGS，根據(jù)不同觸發(fā)條件，執(zhí)行不同的設(shè)備關(guān)斷，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)采用了PLC實(shí)現(xiàn)緊急聯(lián)鎖關(guān)斷的控制方式，PLC采用了CPU的熱備冗余方式，保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，F(xiàn)GS和ESD共用一套PLC的CPU，但I(xiàn)/O槽架嚴(yán)格區(qū)分，各槽架之間采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)通信，PLC與中控室服務(wù)器采用以太網(wǎng)鏈接，保證通信的質(zhì)量和可靠性。

圖2　緊急聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

PLC系統(tǒng)完成各參數(shù)的采集、邏輯運(yùn)算和輸出控制等功能，并與中心平臺中控室進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，響應(yīng)中控室的各種控制指令。該系統(tǒng)采用的PLC數(shù)據(jù)處理能力、穩(wěn)定性、可靠性均屬同行業(yè)頂尖水平，有效地保障了緊急聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。

4.2系統(tǒng)軟件開發(fā)

ESD關(guān)斷邏輯的實(shí)現(xiàn)，需要PLC通過編程實(shí)現(xiàn)。針對海洋采油的特點(diǎn)及對緊急關(guān)斷輸出的要求，編制了電潛泵、切斷閥、井下安全閥及普通開關(guān)控制的功能塊(AOI)，有效地將緊急關(guān)斷及普通的遙測遙控融合到了一起，且具有高效、直觀等優(yōu)點(diǎn)。主程序框圖如圖3所示。

該系統(tǒng)在完成數(shù)據(jù)采集后，程序進(jìn)入ESD觸發(fā)原因狀態(tài)位邏輯檢測部分，這一部分中需要判斷火災(zāi)、可燃?xì)怏w、回壓、干壓等關(guān)鍵參數(shù)是否超限，如若超限，各超限參數(shù)會觸發(fā)相應(yīng)的報警狀態(tài)位，此報警狀態(tài)位作為關(guān)斷輸出的輸入條件，為真時觸發(fā)相應(yīng)關(guān)斷。

圖3　ESD關(guān)斷邏輯主程序框圖示意

4.3系統(tǒng)應(yīng)用情況

緊急聯(lián)鎖關(guān)斷技術(shù)已在該采油平臺展開應(yīng)用，系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，出現(xiàn)多次單井回壓超限引起的USD級別關(guān)斷，未發(fā)生更高級別的聯(lián)鎖關(guān)斷，關(guān)斷響應(yīng)時間均小于1s，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備的準(zhǔn)確關(guān)停，保障了該平臺生產(chǎn)的安全。

5結(jié)束語

緊急關(guān)斷邏輯的制訂和實(shí)施是個極其復(fù)雜的工程，不同工藝的流程對因果邏輯影響很大，隨著采油平臺集輸管網(wǎng)的連接，一條集輸管線所連接的所有采油平臺的相互協(xié)調(diào)關(guān)斷是影響輸油管道集輸安全的重要因素，實(shí)際實(shí)施中要認(rèn)真分析，確保把一條集輸管線上所有平臺的緊急關(guān)斷有機(jī)地結(jié)合成一個整體。

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中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0068-03

作者簡介：韓小磊(1981—)，男，山東東營人，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化石油工程設(shè)計有限公司，主要從事自動化設(shè)計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-01-28，修改稿收到日期： 2015-03-15。