張 超

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司 天津300451)

0 引 言

我國(guó)的石油資源并不豐富，世界人均石油可采資源是 68,t，我國(guó)人均為 12,t。相當(dāng)于世界平均水平的l/5，天然氣的世界人均水平是7萬(wàn)m3，我國(guó)的人均水平只有 l萬(wàn) m3，相當(dāng)于世界平均水平的 1/7。但相對(duì)來(lái)說(shuō)，我國(guó)的沿海和深海的油氣資源還是比較豐富的。我國(guó)擁有 1,000萬(wàn) km2的海洋田上，深海油氣資源十分豐富，特別是我國(guó)南海海域具有豐富的油氣資源和天然氣水合物資源。油地質(zhì)儲(chǔ)量約為 230～300億t，占我國(guó)油氣總儲(chǔ)量的1/3。

就海洋工程的科研力量來(lái)說(shuō)，我國(guó)現(xiàn)已有專門的海洋工程設(shè)計(jì)公司、研究所、大專院校及海洋工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等。多年來(lái)，在海洋環(huán)境及荷載、平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、管道分析、關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力與疲勞、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)等方面都取得卓有成效的研究成果。

1 海上固定平臺(tái)設(shè)備分布及典型工藝

1.1 海上固定平臺(tái)設(shè)備分布

①直升飛機(jī)甲板。②上層甲板：鉆機(jī)設(shè)施、平臺(tái)吊機(jī)、生活樓等。③中層甲板：MCC、CCR、電潛泵控制間、空壓機(jī)、工廠風(fēng)/儀表風(fēng)撬、開關(guān)間、柴油罐、燃油儲(chǔ)罐、淡水罐、蒸汽發(fā)生器、壓井泵等。④下層甲板：熱油爐、井口管匯、井口盤、主開關(guān)間、主變壓器室、電潛泵變壓器室、加熱器、海水及消防泵、注水泵及注水處理系統(tǒng)設(shè)備、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、柴油置換泵、清管球發(fā)射器等。⑤工作甲板：開式排放罐、閉式排放罐、熱油排放罐、生活污水處理設(shè)備、電解銅鋁裝置等。

1.2 平臺(tái)典型工藝

海上石油處理工藝一般包括以下幾個(gè)子系統(tǒng)：①井口控制系統(tǒng)，主要由采油樹、井口控制盤、管匯撬組成；②原油加熱系統(tǒng)，主要由電加熱器、冷卻器排列組合組成，以滿足原油處理不同階段對(duì)溫度的需求；③原油分離系統(tǒng)，主要由高效分離器排列組合組成；④原油生產(chǎn)水處理分離系統(tǒng)，主要由核桃殼過(guò)濾器、斜板除油器、氣浮選器等組成；⑤原油外輸系統(tǒng)，主要由海底管線、緩沖罐、外輸泵組成；⑥原油伴生氣系統(tǒng)，由氣體分液罐、多級(jí)壓縮機(jī)等組成，滿足平臺(tái)主機(jī)發(fā)電需求。

這6大系統(tǒng)通過(guò)泵和管線連接，通過(guò)精確的過(guò)程控制組成一個(gè)典型的采油平臺(tái)，由于空間、成本、環(huán)境等多方面限制，要求控制系統(tǒng)具有高自動(dòng)化程度及安全可靠性。

2 海洋石油平臺(tái)儀表控制系統(tǒng)

2.1 儀表控制系統(tǒng)組成及作用

平臺(tái)控制系統(tǒng)由 3部分組成：過(guò)程控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、火氣檢查系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 儀表控制系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of instrument control system

2.1.1 PCS——過(guò)程控制系統(tǒng)

過(guò)程控制系統(tǒng)不僅用于對(duì)各種過(guò)程條件的監(jiān)視和控制，同時(shí)兼任執(zhí)行部分過(guò)程設(shè)備的連鎖和關(guān)斷，從而使石油平臺(tái)能正常運(yùn)行。

PCS系統(tǒng)主要作用是通過(guò)自動(dòng)化流程，減輕操作人員的工作負(fù)擔(dān)，從而使他們能監(jiān)視平臺(tái)的各種工況條件，并將精力集中在所要求的工作中。當(dāng)平臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，操作人員能及時(shí)進(jìn)行正確的干預(yù)，使生產(chǎn)流程正常運(yùn)行。

通過(guò)系統(tǒng)工作站，石油平臺(tái)的操作人員能夠?qū)邮照具M(jìn)行流程操作、狀態(tài)監(jiān)視、控制、報(bào)警響應(yīng)及數(shù)據(jù)分析，確保上下游工廠長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行。

2.1.2 ESD——緊急停車系統(tǒng)

ESD用于自動(dòng)防止任何對(duì)人身、環(huán)境、平臺(tái)設(shè)備、生產(chǎn)和設(shè)施可能發(fā)生的潛在傷害?；诟呖煽啃缘脑O(shè)計(jì)，安全儀表系統(tǒng)獨(dú)立于平臺(tái)的其他系統(tǒng)。ESD系統(tǒng)主要針對(duì)工藝參數(shù)異常的情況做出響應(yīng)。

海洋石油平臺(tái)常規(guī) ESD系統(tǒng)共分 4級(jí)：①ESD1——棄平臺(tái)；② ESD2——火氣系統(tǒng)關(guān)斷；③ESD3——主生產(chǎn)系統(tǒng)停車；④ESD4——工藝裝置停車。

2.1.3 F&G——火氣檢測(cè)系統(tǒng)

火氣檢測(cè)系統(tǒng)的主要作用：①平臺(tái)所有區(qū)域(現(xiàn)場(chǎng)及建筑物內(nèi))的火災(zāi)及可燃?xì)怏w的檢測(cè)；②激活生活樓內(nèi)的報(bào)警；③啟動(dòng) PA/GA系統(tǒng)；④啟動(dòng)消防泵、雨淋閥組等消防設(shè)施；⑤激活切斷空調(diào)設(shè)施；⑥CO2釋放抑制火災(zāi)。

這三大系統(tǒng)是獨(dú)立而又是密不可分的，獨(dú)立的是每個(gè)系統(tǒng)具有獨(dú)立控制器、獨(dú)立 I/O，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將其關(guān)聯(lián)共用一臺(tái)冗余服務(wù)器和上位機(jī)實(shí)施監(jiān)控。

2.2 儀表控制系統(tǒng)的防護(hù)示意圖

平臺(tái)的儀表控制系統(tǒng)主要作用是使平臺(tái)正常生產(chǎn)，保護(hù)平臺(tái)設(shè)備以及人員的安全，如圖 2所示。海上控制系統(tǒng)在防護(hù)方面分2個(gè)階段執(zhí)行，主要目的是降低人員傷害、環(huán)境污染，保護(hù)生產(chǎn)及設(shè)備安全。

圖2 儀表控制系統(tǒng)的防護(hù)示意圖Fig.2 Schematic of protection function of instrument control system

第一階段為保護(hù)階段，也可以理解成預(yù)防階段。此階段主要依靠 PCS系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表輸入作出判斷，不斷地發(fā)出調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器的命令以保持生產(chǎn)處于正?？煽貭顟B(tài)，當(dāng)出現(xiàn)生產(chǎn)報(bào)警，需要人員介入對(duì)報(bào)警故障點(diǎn)實(shí)施排除以保證系統(tǒng)的可用性，一旦出現(xiàn)關(guān)斷報(bào)警系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā) ESD信號(hào)對(duì)平臺(tái)實(shí)施邏輯關(guān)斷。

第二階段為減少傷害階段，此階段一般情況都是由 F&G系統(tǒng)觸發(fā)，當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)事故，F(xiàn)&G系統(tǒng)將第一時(shí)間(小于等于 300,ms)自動(dòng)完成報(bào)警、關(guān)斷、啟動(dòng)應(yīng)急和消防設(shè)備等一系列動(dòng)作，來(lái)減少災(zāi)害損失。

3 海洋石油平臺(tái)儀表控制系統(tǒng)的特殊要求

3.1 控制系統(tǒng)的要求

①PCS、F&G 和 ESD 系統(tǒng)應(yīng)支持時(shí)間同步。系統(tǒng)支持主備時(shí)間服務(wù)器具有同樣的標(biāo)準(zhǔn)性能。②PCS系統(tǒng)每塊板卡DI/ DO的通道應(yīng)小于或等于32。ESD和F＆G的DI / DO的通道應(yīng)小于或等于16。③所有的控制系統(tǒng)(PCS、ESD、F&G)必須整合到一起，能共享 HMI、打印機(jī)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。PCS、ESD、F&G必須是獨(dú)立系統(tǒng)，但是他們能共享同一數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。每個(gè)HMI都具有操作PCS、ESD、F&G系統(tǒng)每個(gè) I/O 的能力。PCS、ESD、F&G 系統(tǒng)控制器能將每個(gè)所屬I/O通過(guò)Modbus連接到ICS。HMI能實(shí)時(shí)顯示和記錄PCS、ESD、F&G系統(tǒng)所有I/O以及通過(guò)Modbus連接到ICS的3個(gè)控制器的報(bào)警標(biāo)簽，記錄的歷史數(shù)據(jù)至少保存一年。④PCS系統(tǒng)的冗余要求：控制器、通訊模塊、供電模塊(包括電源變壓器、電源整流器和別的供電設(shè)備等)、控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電纜、數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)存檔和別的必須硬件必須按1∶1冗余配置，此要求為PCS系統(tǒng)最低冗余配置要求。⑤ESD和 F&G系統(tǒng)的冗余要求：控制模塊、I/O 模塊、通訊模塊、供電模塊(包括電源變壓器、電源整流器和別的其他供電設(shè)備等)、控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電纜、數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)存檔和別的必須硬件必須按 1∶1冗余配置，此要求為ESD和F&G系統(tǒng)最低冗余配置要求。⑥ESD系統(tǒng)應(yīng)為故障安全性，具有容錯(cuò)、自診斷功能，按照要求每塊板卡的DIS、DOS必須具有自診斷回路監(jiān)測(cè)功能。⑦生活樓的火氣探測(cè)設(shè)備(HD、SD、MFS)必須采用可尋址類型的，生活樓的可尋址火災(zāi)盤必須滿足SIL2。⑧ESD 和 F&G 系統(tǒng)必須滿足 SIL3和 TüV AK-6要求。SIL3系統(tǒng)認(rèn)證包括系統(tǒng)軟件、硬件和安全控制網(wǎng)，例如：控制模塊、I/O 模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)通訊總線、在工程師站和操作員站上安全控制系統(tǒng)組態(tài)的相關(guān)軟件。⑨所有ESD和F&G系統(tǒng)每個(gè)I/O通道必須有接地故障和短路故障檢測(cè)功能，上述功能需能在OIS上做顯示并報(bào)警。⑩系統(tǒng)掃描時(shí)間要求：PCS 小于 500,ms，ESD/F&G 小于 300,ms。PCS、F&G和 ESD系統(tǒng)之間和整個(gè)系統(tǒng)之間的通訊速度必須至少達(dá)到100,Mbps。

3.2 設(shè)備的認(rèn)證

儀表控制系統(tǒng)的認(rèn)證需要：船級(jí)社、TUV認(rèn)證、質(zhì)量管理體系認(rèn)證證書，SIL等級(jí)證書，G3證書，防爆和防護(hù)等級(jí)證書。

4 海洋石油平臺(tái)儀表控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 儀表控制系統(tǒng)多元化到智能化

從中國(guó)海洋石油公司 1982成立至今，海上儀表控制系統(tǒng)的發(fā)展迅速，完成了多元化向智能化的轉(zhuǎn)變。早期的海上控制系統(tǒng)以繼電器為主，主要進(jìn)行簡(jiǎn)單開關(guān)量的邏輯控制，隨著工藝系統(tǒng)的日益發(fā)展，對(duì)儀控系統(tǒng)提出了更高要求，在陸續(xù)幾年時(shí)間里出現(xiàn)了以DCS系統(tǒng)PLC及單片機(jī)混用的綜合控制系統(tǒng)。

目前海上控制系統(tǒng)基本完成智能化轉(zhuǎn)變和實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)和安全網(wǎng)“分離”。在工控方面，過(guò)去控制的算法，只能由調(diào)節(jié)器或 DCS來(lái)完成，如今一臺(tái)智能化的變送器或者執(zhí)行器，只要植入 PID模塊，就可以與有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)儀表在一起，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)控制的徹底分散，減輕了 DCS 主機(jī)的負(fù)擔(dān)，使調(diào)節(jié)更加及時(shí)，并提高了整個(gè)平臺(tái)儀表控制系統(tǒng)的可靠性。

在ESD和F&D方面，過(guò)去有雙控制器冗余整合系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)斷和火氣報(bào)警，這種控制模式主電源、控制器負(fù)載較大，對(duì)控制器依賴較高，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，ESD和F&G系統(tǒng)將會(huì)同時(shí)故障導(dǎo)致安全隱患，如今ESD和F&D系統(tǒng)分離獨(dú)立供電，通訊控制器冗余，每塊 I/O卡控制器冗余及通道萬(wàn)能化，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的安全網(wǎng)絡(luò)連接極大程度地提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

4.2 網(wǎng)絡(luò)化及通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自動(dòng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加入平臺(tái)信息網(wǎng)絡(luò)，成為平臺(tái)信息網(wǎng)絡(luò)底層，可使智能儀表的作用得以充分發(fā)揮；同時(shí)讓通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，使信息高度統(tǒng)一。

4.3 控制系統(tǒng)的靈活性、高精度化

由于工業(yè)生產(chǎn)對(duì)成品質(zhì)量的要求日益提高，國(guó)家的政策和法規(guī)對(duì)節(jié)能減排也有具體的要求和規(guī)定，因此提高海上平臺(tái)儀表控制系統(tǒng)的精度就被提上了議事日程?？刂葡到y(tǒng)需要靈活性，方便增加設(shè)計(jì)、施工、擴(kuò)展、日常維護(hù)等；需要降低系統(tǒng)復(fù)雜性，減少接口和專用軟件，方便操作和維護(hù)。

比如艾默生 DeltaV PCS+SIS+F&G，如圖 3所示。一個(gè)完整的組態(tài)環(huán)境，有無(wú)縫系統(tǒng)集成的特點(diǎn)：PCS、SIS、F&G系統(tǒng)都有獨(dú)立控制器、獨(dú)立I/O，通過(guò)安全網(wǎng)絡(luò)連接共享同一數(shù)據(jù)服務(wù)器及上位機(jī)。

圖3 艾默生DeltaV系統(tǒng)總框圖Fig.3 Block diagram of Emerson DeltaV system

4.4 提高可靠性，降低設(shè)備維護(hù)成本

海洋石油平臺(tái)數(shù)字化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可提高可靠性、降低設(shè)備維護(hù)成本：①智能化儀表、閥門預(yù)維護(hù)；②進(jìn)行安全儀表的健康性、安全閥門的 PST測(cè)試；③平臺(tái)設(shè)備建立數(shù)字化臺(tái)賬，控制系統(tǒng)的自動(dòng)化率；④海上采油平臺(tái)為防止人員巡檢不到位，使用電子巡檢設(shè)備，提供給設(shè)備更精確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

4.5 數(shù)字化儀表

實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的同時(shí)減少線纜工程，對(duì) PCS部分采用總線技術(shù)，能節(jié)省 80%,的阻燃電纜和橋架、I/O卡件及機(jī)柜；無(wú)線技術(shù)的成熟應(yīng)用，可以將大部分監(jiān)視點(diǎn)轉(zhuǎn)為無(wú)線。無(wú)線技術(shù)同時(shí)作為平臺(tái)間、平臺(tái)和陸地終端間的通訊方式，靈活、成本低；技術(shù)保障安全可靠，有效解決平臺(tái)受空間、安裝及電纜通路位置限制而造成的對(duì)儀表選型的困擾。

比如 LD32-2/27-2平臺(tái)無(wú)線技術(shù)應(yīng)用(見(jiàn)圖 4)。在 PSP平臺(tái)上應(yīng)用了 10臺(tái) Rosemount無(wú)線壓力變送器 3051S，測(cè)量 10條分布在 1～3層平臺(tái)的輸油管線的壓力，壓力變送器分布在三層甲板，控制室在第二層甲板?？紤]1420網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)有線連接，故安裝在控制室外墻。

圖4 無(wú)線技術(shù)應(yīng)用Fig.4 Wireless technology application

5 結(jié)論與建議

隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，控制理論及儀表技術(shù)不斷發(fā)展和完善。海洋石油平臺(tái)控制儀表與裝置涉及的面十分廣泛，如 DCS、PLC、新型控制儀表、變送器及執(zhí)行器等都有自己的發(fā)展軌跡，但它們的發(fā)展都圍繞著實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整體自動(dòng)化(FA)這個(gè)總目標(biāo)，即將自動(dòng)控制裝置用于生產(chǎn)流程的整個(gè)操作過(guò)程，從生產(chǎn)到停產(chǎn)的全程控制及將控制、生產(chǎn)計(jì)劃安排和平臺(tái)全面管理有機(jī)結(jié)合起來(lái)。

海洋石油平臺(tái)控制儀表系統(tǒng)應(yīng)由模擬控制系統(tǒng)向數(shù)字控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方向發(fā)展。海洋石油平臺(tái)也應(yīng)圍繞著實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整體自動(dòng)化(FA)這個(gè)總目標(biāo)，逐步實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整體的自動(dòng)化、綜合化、最佳化?！?/p>

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