PMS系統(tǒng)在渤中25-1油田永久復(fù)產(chǎn)項(xiàng)目中的應(yīng)用

張義鋒

(中海石油(中國)有限公司 QHD32-6作業(yè)公司，天津 300450)

摘要：針對(duì)海洋石油113 FPSO沒有專門的電力監(jiān)控系統(tǒng)，無法實(shí)時(shí)了解發(fā)電機(jī)組出力以及平臺(tái)負(fù)荷大小分配情況，同時(shí)原有油田群的分級(jí)卸載無法進(jìn)行精確卸載和電網(wǎng)熱備量的實(shí)時(shí)計(jì)算等方面問題和缺陷，采用和引入電站能量管理系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了海洋石油113 FPSO永久復(fù)產(chǎn)后電站系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，提高了電站系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：能量管理系統(tǒng)；熱備用；優(yōu)先脫扣；Case管理

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.027

中圖分類號(hào)：U665.12；P754

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0097-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一張義鋒(1984-)，男，學(xué)士，工程師

Abstract:The Haiyang-Shiyou 113 FPSO has no real-time power management system to control the unit output and platform load size, the original unloading system of the oilfield group cannot unload accurately and realize the real-time calculation of the standby load. In order to meet the requirements of permanent production for the FPSO, and improve the operation reliability of power system, the PMS control system is applied successfully in the permanent production recovery project.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海工電氣及自動(dòng)化

E-mail:zhangyf39@cnooc.com.cn

海洋石油113號(hào)FPSO四臺(tái)透平發(fā)電機(jī)給自己及周邊8個(gè)平臺(tái)群提供動(dòng)力電源。若FPSO輪機(jī)組熱備不夠或負(fù)荷卸載不及時(shí)，將導(dǎo)致機(jī)組因過載停機(jī)，油田將大面積停產(chǎn)，更為嚴(yán)重的后果是電網(wǎng)黑網(wǎng)。 原有的油田群的優(yōu)先脫扣三級(jí)卸載系統(tǒng)為粗放式的卸載方式，無法進(jìn)行精確卸載和電網(wǎng)熱備量的實(shí)時(shí)計(jì)算。BZ25-1油田群沒有專用的電力監(jiān)控系統(tǒng)，無法實(shí)時(shí)了解平臺(tái)的機(jī)組出力情況以及平臺(tái)負(fù)荷大小。為滿足113復(fù)產(chǎn)后電站系統(tǒng)工作穩(wěn)定、提高電站系統(tǒng)運(yùn)行可靠，對(duì)現(xiàn)有的進(jìn)行優(yōu)先脫扣系統(tǒng)進(jìn)行改造[1-2]，引入PMS系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)進(jìn)行管理。油田電網(wǎng)供電分布圖及PMS管理系統(tǒng)接入點(diǎn)見圖1。

圖1　海洋石油113 FPSO與各井口平臺(tái)電網(wǎng)分布圖及PMS系統(tǒng)接入點(diǎn)

1PMS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能

1.1發(fā)電機(jī)組的監(jiān)視和控制

1)對(duì)發(fā)電機(jī)組各種信息如有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、油溫、油壓、運(yùn)行狀態(tài)、故障信號(hào)等的采集。

2)緊急情況下切除部分機(jī)組的功能。

3)PMS 系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)(機(jī)組控制系統(tǒng)具備的網(wǎng)絡(luò)通信接口及通信規(guī)約)與機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，機(jī)組全部的信息采集完全通過該通信接口完成；對(duì)機(jī)組頻率(有功)、無功(電壓)的控制原則上通過該通信接口以軟件的方式實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[3]，其網(wǎng)絡(luò)控制見圖2。

圖2　PMS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制圖

1.2斷路器監(jiān)視和控制

參考文獻(xiàn)1)[4]實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器回路的有關(guān)信息采集(如有功功率、無功功率；斷路器位置信號(hào)；保護(hù)測(cè)控裝置的各種信息等等)及斷路器的分/合控制。

2)PMS 通過以太網(wǎng)接口采集中壓開關(guān)柜采集有功、無功、電流、電壓、功率因數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

3)PMS 通過IO硬接線采集各斷路器狀。

4)開關(guān)柜分、合通過IO硬接線直接控制。

1.3電網(wǎng)余量管理

1)實(shí)時(shí)在線計(jì)算電網(wǎng)需要的旋轉(zhuǎn)備用容量，制定相應(yīng)的開停機(jī)計(jì)劃。

2)余量通過電網(wǎng)中在線的發(fā)電機(jī)的最大出力，減去但前出力(即實(shí)際負(fù)荷)，并引入修正值，可以由調(diào)度操作人員設(shè)定。

1.4優(yōu)先脫扣功能

1)優(yōu)先脫扣基本原則。基于熱備用值和可卸載負(fù)荷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)CASE 發(fā)生的工況，預(yù)先計(jì)算出需要卸載的負(fù)荷[5]，并標(biāo)識(shí)出來，當(dāng)TRIP 一旦發(fā)生，立即關(guān)停所標(biāo)示的負(fù)載。

2)依據(jù)類似的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從發(fā)生情況到優(yōu)先關(guān)停負(fù)載，PMS 內(nèi)部執(zhí)行時(shí)間小于60 ms，加上外部設(shè)備動(dòng)作時(shí)間，總時(shí)間小于120 ms，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定無任何影響。

1.5電動(dòng)機(jī)回路啟動(dòng)管理功能

各電動(dòng)機(jī)回路要投入運(yùn)行時(shí)，要求系統(tǒng)能自動(dòng)計(jì)算該電動(dòng)機(jī)回路的投入對(duì)電網(wǎng)的影響[6]，保證回路的可靠投入；在電網(wǎng)故障情況下，系統(tǒng)應(yīng)可自動(dòng)向大型電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷發(fā)出閉鎖啟動(dòng)信號(hào)。

1.6電網(wǎng)電力參數(shù)監(jiān)控

PMS 系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配電側(cè)整體的電力參數(shù)情況及電力潮流情況[7]，重要設(shè)備如機(jī)組、變壓器、海纜等帶載情況進(jìn)行提前預(yù)警，使整個(gè)電網(wǎng)的健康狀況一目了然，給生產(chǎn)提供穩(wěn)定電力供應(yīng)，并提供緊急情況下的決策依據(jù)。

1.7完備的報(bào)表、趨勢(shì)分析功能

對(duì)電網(wǎng)重要參數(shù)進(jìn)行顯示，形成完備的日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)及年報(bào)。同時(shí)系統(tǒng)具有兼容性，可進(jìn)行非電網(wǎng)參數(shù)趨勢(shì)預(yù)報(bào)，增加平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的管理水平。

1.8電站管理系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1)執(zhí)行動(dòng)作快。如果跳機(jī)機(jī)組調(diào)整修正值等量，幾乎看不到剩余機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)。

2)界面友好?？梢詫?shí)時(shí)預(yù)知待切除負(fù)載。

3)預(yù)警。實(shí)時(shí)知道電站熱備用狀態(tài)，提前告知事故及后果。

4)靈活。操作人員可根據(jù)負(fù)荷的重要程度，隨時(shí)按授權(quán)權(quán)限在界面上更改優(yōu)先級(jí)別，更改級(jí)別后系統(tǒng)自動(dòng)刷新計(jì)算，無需更改任何硬件回路。

5)擴(kuò)展性。如果電力聯(lián)網(wǎng)后，此優(yōu)先脫扣通過增加觸發(fā)條件在單電站運(yùn)行模式下仍然有效，也可在此硬件基礎(chǔ)上擴(kuò)展成EMS 的一個(gè)站。

6)管理功能?？蓪C(jī)組、負(fù)荷所有或者按需要的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行綜合管理，包括歷史記錄、報(bào)表及綜合報(bào)警等。

1.9PMS 核心功能——優(yōu)先脫扣

海上石油平臺(tái)優(yōu)先脫扣是指在電網(wǎng)某個(gè)設(shè)備或者裝置發(fā)生故障，造成嚴(yán)重的電力不平衡，為避免其他正常運(yùn)行裝置繼?；蛘弑Ｗo(hù)發(fā)生動(dòng)作，提前切除負(fù)載，重新建立電力平衡，優(yōu)先于其他正常運(yùn)行的裝置脫扣動(dòng)作，從而保證其他正常運(yùn)行的裝置不發(fā)生脫扣動(dòng)作。參考文獻(xiàn)[8]PMS應(yīng)設(shè)計(jì)出所有對(duì)電網(wǎng)可能造成的故障，并進(jìn)行篩選分類；包括不限于機(jī)組故障、線路故障及變壓器故障。PMS對(duì)發(fā)生故障結(jié)果進(jìn)行快速采集和分析，如斷路器狀態(tài)變化等，根據(jù)預(yù)設(shè)的各種CASE工況，實(shí)時(shí)計(jì)算出響應(yīng)的卸載設(shè)備清單。當(dāng)故障發(fā)生后，PMS能在120 ms內(nèi)將設(shè)備按照卸載需要切除，使電力供應(yīng)再次平衡。 機(jī)組故障時(shí)的邏輯： 如機(jī)組故障、T5高溫等引起的機(jī)組跳機(jī)；在電力平衡上相當(dāng)于減去了一個(gè)大的發(fā)電源，如果旋轉(zhuǎn)備用不能滿足需求，用電可能會(huì)超過發(fā)電，從而可能造成整個(gè)電網(wǎng)機(jī)組過載而全部跳機(jī)，事故擴(kuò)大。 對(duì)于優(yōu)先脫扣目前設(shè)置有以下4種CASE，每種觸發(fā)對(duì)應(yīng)的主機(jī)相應(yīng)狀態(tài)。

CASE1-1：任何1臺(tái)發(fā)電機(jī)TRIP。

CASE1-1-2：2臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)TRIP。

CASE1-1-3：3臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)TRIP。

CASE2-1:任意1臺(tái)機(jī)組T5高溫報(bào)警。

每種CASE觸發(fā)后，電網(wǎng)中相應(yīng)設(shè)備會(huì)根據(jù)選擇的設(shè)備卸載優(yōu)先級(jí)進(jìn)行觸發(fā)卸載，以期達(dá)到電網(wǎng)穩(wěn)定的目的，避免造成電網(wǎng)失電的風(fēng)險(xiǎn)。

2PMS信號(hào)采集與管理

2.1信號(hào)采集-透平機(jī)機(jī)組

每臺(tái)透平機(jī)組都要和優(yōu)先脫扣系統(tǒng)建立通信，需在現(xiàn)有機(jī)組控制系統(tǒng)添加以太網(wǎng)卡，并對(duì)機(jī)組程序進(jìn)行適應(yīng)性的修改，進(jìn)行以太網(wǎng)通訊的硬件和軟件修改，通信卡件分布見圖3。

圖3　PMS 系統(tǒng)通信卡件分布

2.2硬線信號(hào)采集與反饋——開關(guān)柜

1)開關(guān)柜送至PMS信號(hào)(開關(guān)柜提供無源干接點(diǎn))。開關(guān)柜合閘狀態(tài)(該信號(hào)不允許開關(guān)柜做中間繼電器中轉(zhuǎn))，見圖4。

圖4　開關(guān)柜無源干接點(diǎn)引入

2)PMS送至開關(guān)柜的信號(hào)(PMS提供無源干接點(diǎn))。開關(guān)柜分閘指令，見圖5。

圖5　開關(guān)柜分閘干接點(diǎn)引入

2.3設(shè)備接入點(diǎn)

1)VCB17、18、20、21和VCB19、22信號(hào)接入方式如圖6所示。

PMS柜有3個(gè)信號(hào)引到該柜： ①合閘反饋信號(hào)，接到斷路器備用點(diǎn);②分閘信號(hào)，并聯(lián)到開關(guān)柜跳閘回路;③綜保通訊，接到P127 31/32端子。

圖6　開關(guān)柜高壓變壓器VCB分閘回路接入

2)VCB9、10、11、12和VCB8、14信號(hào)接入方式。PMS柜有2個(gè)信號(hào)引到該柜： ①合閘反饋信號(hào)，接到斷路器備用點(diǎn);②綜保通訊，接到P127 31/32端子。

3)VCB3信號(hào)接入方式。合閘反饋信號(hào)，接到斷路器備用點(diǎn)。

4)VCS1、2、3、4、5、6、7信號(hào)接入方式見圖7、8。

圖7　開關(guān)柜高壓注水泵VCS分閘回路接入

圖8　開關(guān)柜高壓注水泵VCS大負(fù)載抑制回路接入

5)大于22 kW設(shè)備信號(hào)接入方式。PMS柜取2個(gè)信號(hào)：

①分閘信號(hào) ，串聯(lián)到ESD，PMS柜一個(gè)常閉點(diǎn)串聯(lián)進(jìn)去;②合閘反饋信號(hào),從VCU觸點(diǎn)擴(kuò)充繼電器敞開觸點(diǎn)引線到盤柜后面端子24/25。

2.4CASE管理

管理畫面是優(yōu)先脫扣系統(tǒng)的核心畫面，用戶在這里設(shè)定各CASE的卸載等級(jí)。當(dāng)發(fā)生工況時(shí)，優(yōu)先脫扣系統(tǒng)按照PLC程序所制定的邏輯和畫面設(shè)置好的卸載等級(jí)對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行卸載，以達(dá)到保持整個(gè)電網(wǎng)不失電的目的。海洋石油113FPSO現(xiàn)在制定的CASE有4種。

CASE1-1：運(yùn)行過程中發(fā)生任意1臺(tái)在線機(jī)組跳機(jī)。

CASE1-1-2：運(yùn)行過程中發(fā)生任意2臺(tái)機(jī)組跳機(jī)，且跳機(jī)間隔時(shí)間小于1 s。

CASE1-1-3:運(yùn)行過程中發(fā)生任意3臺(tái)機(jī)組跳機(jī)，且3臺(tái)機(jī)組跳機(jī)間隔時(shí)間小于1 s。

CASE2-1：任意1臺(tái)機(jī)組發(fā)生高溫報(bào)警。

CASE管理畫面由若干數(shù)字輸入和狀態(tài)顯示完成與用戶的交互，其CASE管理分布見圖9。

圖9　CASE管理界面示意

1)設(shè)備名稱。顯示參與卸載的設(shè)備名稱，對(duì)應(yīng)列為該設(shè)備的卸載等級(jí)。

2)設(shè)備狀態(tài)。顯示對(duì)應(yīng)設(shè)備當(dāng)前的合閘/分閘狀態(tài)。

3)設(shè)備當(dāng)前功率。顯示對(duì)應(yīng)設(shè)備的有功功率。

4)熱備余量加可卸負(fù)載不足標(biāo)志。當(dāng)熱備余量加所有可卸載設(shè)備功率都不足時(shí)，顯示紅色。正常為綠色。

5)熱備余量不足標(biāo)志。當(dāng)熱備余量不足時(shí)顯示為紅色，正常為綠色。

6)熱備余量。實(shí)時(shí)計(jì)算的熱備余量為從機(jī)組最大出力中減去設(shè)備負(fù)載和修正值。

7)修正值。操作員經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的修正值，對(duì)熱備余量的計(jì)算進(jìn)行修正，使CASE觸發(fā)有一定的緩沖。

8)T5高溫延時(shí)觸發(fā)時(shí)間。設(shè)定機(jī)組發(fā)生高溫報(bào)警與執(zhí)行設(shè)備卸載之間的延時(shí)時(shí)間，單位s。設(shè)定在機(jī)組T5高溫報(bào)警跳機(jī)延時(shí)20 s之內(nèi)，否則將失去優(yōu)先脫扣的效果。

9)CASE2-1 T5高溫輸出旁通。By PASS按鈕用于暫時(shí)取消CASE觸發(fā)后設(shè)備的卸載，當(dāng)激活后為綠色，當(dāng)前 CASE只做報(bào)警不卸載設(shè)備。

10)當(dāng)前已達(dá)到卸載等級(jí)。用于CASE1-1顯示當(dāng)前熱備余量需要卸載多少等級(jí)的設(shè)備能夠恢復(fù)到正。由下位機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算獲得。

11)當(dāng)前累計(jì)預(yù)卸載功率。用于CASE1-1顯示如果觸發(fā)CASE將要卸載掉的設(shè)備的總功率值。等于所有卸載標(biāo)志位為真的設(shè)備功率總和。

12)CASE觸發(fā)時(shí)設(shè)備卸載的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)從1～10依次升高。1為最低級(jí)，最先被卸載。10為最高級(jí)，最后被卸載。當(dāng)發(fā)生工況時(shí)，按照優(yōu)先級(jí)卸載設(shè)備，增加熱備余量，減輕機(jī)組負(fù)荷，減少跳機(jī)的發(fā)生。

13)設(shè)備卸載的標(biāo)志位。當(dāng)顯示黃點(diǎn)時(shí)表示，發(fā)生工況時(shí)該設(shè)備將被卸載。

14)當(dāng)前設(shè)定累計(jì)預(yù)卸載功率。CASE觸發(fā)時(shí)將要卸載掉的設(shè)備功率總和。

15)卸載等級(jí)設(shè)定值。設(shè)定CASE觸發(fā)卸載等級(jí)，所有卸載優(yōu)先級(jí)小于該值的設(shè)備將要被卸載。CASE1-1-2、CASE1-1-3、CASE2-1中的卸載等級(jí)設(shè)定值是同樣的作用。

16)主機(jī)參數(shù)監(jiān)控及管理界面見圖10。

圖10　主機(jī)參數(shù)監(jiān)控及管理界面示意

①機(jī)組參數(shù)。對(duì)透平機(jī)組的部分參數(shù)進(jìn)行顯示。

②無功功率圖示。對(duì)機(jī)組的無功功率進(jìn)行圖示比較。

③有功功率圖示。對(duì)機(jī)組的有功功率進(jìn)行圖示比較。

④T5和報(bào)警圖示。對(duì)T5和T5高溫報(bào)警值進(jìn)行圖示比較。

⑤其他參數(shù)。設(shè)定機(jī)組最大出力值，影響CASE計(jì)算。有功熱備和無功熱備為實(shí)時(shí)值。

3系統(tǒng)現(xiàn)狀及優(yōu)化建議

1)PMS不能采集到部分可卸載設(shè)備的運(yùn)行功率。天然氣壓縮機(jī)C機(jī)、去B平臺(tái)的VCB19、去D平臺(tái)的VCB22及上廣電低壓盤的可卸載設(shè)備(包括伴熱)的功率等都無法讀取，需要人工估算并設(shè)定其運(yùn)行功率值。主要原因是：PMS系統(tǒng)與保護(hù)繼電器(通訊采用103協(xié)議方式)進(jìn)行，可靠性存在問題，通訊狀態(tài)時(shí)有時(shí)無。

解決方案。①PMS廠家及綜保廠家技術(shù)人員協(xié)助，實(shí)現(xiàn)通訊可靠性；②后期在所有需要采集信號(hào)的設(shè)備上增加多功能檢測(cè)器。

2)PMS觸發(fā)平臺(tái)卸載邏輯還需優(yōu)化。目前PMS去平臺(tái)觸發(fā)卸載有兩個(gè)信號(hào)FPSO01、04和FPSO02、03，狀態(tài)信號(hào)同時(shí)發(fā)出。后期計(jì)劃將平臺(tái)的油系統(tǒng)和水系統(tǒng)在邏輯中分開，卸載優(yōu)先級(jí)中設(shè)定優(yōu)先卸載水系統(tǒng)設(shè)備。例如：去B平臺(tái)兩個(gè)信號(hào)FPSO 01和04，將FPSO 01設(shè)定為注水系統(tǒng)，04設(shè)定為油系統(tǒng)，卸載優(yōu)先級(jí)01優(yōu)先04，從而最大限度地減少因電站機(jī)組故障，導(dǎo)致油井頻繁故障停泵的可能性。

解決方案：需要進(jìn)行邏輯更改，需要中控廠家對(duì)個(gè)平臺(tái)的中控程序進(jìn)行更改。

3)由于目前8個(gè)平臺(tái)沒有加裝PMS系統(tǒng)管理系統(tǒng)，因此FPSO無法讀取平臺(tái)的實(shí)時(shí)負(fù)載情況，所卸載的功率也是根據(jù)運(yùn)行設(shè)備的額定功率值得到的估算值、經(jīng)驗(yàn)值，與實(shí)際值可能會(huì)有較大偏差，這樣可能導(dǎo)致觸發(fā)平臺(tái)卸載時(shí)不能達(dá)到實(shí)際負(fù)荷要求，從而電網(wǎng)穩(wěn)定性會(huì)降低。

解決方案：油田后期需考慮對(duì)8個(gè)平臺(tái)電力系統(tǒng)優(yōu)升級(jí)，在所有平臺(tái)增加PMS系統(tǒng)分站與FPSO構(gòu)成一個(gè)完整的電力管理網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高電能系統(tǒng)可靠性。

4結(jié)論

渤中25-1油田電力系統(tǒng)由于供電負(fù)載平臺(tái)增多，電網(wǎng)穩(wěn)定可靠的重要性凸顯的尤為突出，通過對(duì)海洋石油113 FPSO PMS電站管理系統(tǒng)地改造，很好地解決了當(dāng)前電力系統(tǒng)可視化管理與分級(jí)卸載管理的實(shí)際問題，達(dá)到了理想的使用效果和應(yīng)用目的，具有一定的推廣價(jià)值。

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Application of the PMS in the Permanent Production

Recovery Project of BZ25-1 Oil Field

ZHANG Yi-feng

(CNOOC China Limited QHD32-6 Operating Company, Tianjin 300450, China)

Key words: power management system (PMS); standby load; preferential trip; management of case