趙 磊

(中海石油(中國(guó))有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津 300461)

1 FPSO注水工藝流程介紹

渤海某油田FPSO注水系統(tǒng)流程如圖1所示。經(jīng)過(guò)處理的生產(chǎn)水，通過(guò)注水增壓泵增壓到1.5MPa,再經(jīng)過(guò)6臺(tái)并聯(lián)的核桃殼過(guò)濾器處理后，進(jìn)入注水緩沖罐內(nèi)穩(wěn)定液位和壓力后，經(jīng)過(guò)4臺(tái)并聯(lián)的注水泵增壓到12～13MPa，輸送到井口平臺(tái)回注，剩余少部分達(dá)標(biāo)生產(chǎn)水外排。設(shè)備詳細(xì)設(shè)計(jì)和操作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 FPSO注水設(shè)備數(shù)據(jù)表

圖1 FPSO注水流程圖

2 注水系統(tǒng)存在的問(wèn)題及優(yōu)化措施

2.1 注水系統(tǒng)能力與油田開(kāi)發(fā)需求匹配問(wèn)題與優(yōu)化

2.1.1 存在問(wèn)題

FPSO上的注水泵是英國(guó)SULZER公司生產(chǎn)的12級(jí)離心泵,電機(jī)采用ABB變頻電機(jī)。FPSO有注水泵四臺(tái)，每臺(tái)泵的初始設(shè)計(jì)流量為455 m3/h，四臺(tái)注水泵的輸送能力為1820 m3/h，隨著油田的滾動(dòng)開(kāi)發(fā)，以及油藏類型為邊底水豐富，無(wú)水采油期普遍在3個(gè)月左右，高含水采油采油周期長(zhǎng)，油田綜合含水的攀升較快，投產(chǎn)4年后，油田綜合含水已經(jīng)上升到92%，原有FPSO四臺(tái)注水泵的設(shè)計(jì)最大處理量已經(jīng)不能滿足注水系統(tǒng)要求。因此迫切需要提高注水泵生產(chǎn)污水的輸送能力。由于海上設(shè)施受限，因此原有設(shè)備能力擴(kuò)容成為主要手段之一。

2.1.2 改造措施

經(jīng)過(guò)分析(見(jiàn)表1)整個(gè)注水系統(tǒng)的瓶頸節(jié)點(diǎn)為注水泵，因此驗(yàn)證通過(guò)增大注水泵葉輪，可以使注水泵的設(shè)計(jì)排量能夠提高9%。經(jīng)計(jì)算，已有的電氣設(shè)備的功率能夠滿足提升后泵的負(fù)載，可以只針對(duì)葉輪直徑進(jìn)行加大改造。

2.1.3 改造效果

在未增加新設(shè)備的情況，逐臺(tái)對(duì)注水泵進(jìn)行返廠更換葉輪。完成后對(duì)單臺(tái)注水泵泵效進(jìn)行測(cè)試，如圖2。單臺(tái)注水泵排量提高了9%，至495 m3/h，4臺(tái)注水泵平均每天增加了大約3840m3的生產(chǎn)水注入量，及FPSO處理能力得到擴(kuò)容，即可實(shí)現(xiàn)增加油30 m3/d，為油田增產(chǎn)和滾動(dòng)開(kāi)發(fā)夯實(shí)了基礎(chǔ)。

圖2 改造后注水泵泵效曲線

2.2 注水系統(tǒng)非計(jì)劃關(guān)停時(shí)其他工藝流程連鎖保護(hù)問(wèn)題與優(yōu)化

2.2.1 改造前注水系統(tǒng)流程工藝控制存在的問(wèn)題

FPSO的生產(chǎn)水處理流程處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，4臺(tái)注水泵同時(shí)上線運(yùn)行，通過(guò)緩沖罐閥門LCV-4430C控制注水緩沖罐的壓力和液位穩(wěn)定，確保生產(chǎn)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)由于某個(gè)平臺(tái)來(lái)液發(fā)生較大波動(dòng),控制系統(tǒng)響應(yīng)不及時(shí)，油田電站PMS電源管理系統(tǒng)負(fù)載應(yīng)急調(diào)整等種種原因，經(jīng)常使得4臺(tái)注水泵同時(shí)非計(jì)劃關(guān)停，這樣就會(huì)造成大量的生產(chǎn)水瞬間滯留在注水緩沖罐內(nèi)，需迅速將液位調(diào)節(jié)閥門LV-4430C開(kāi)大緩沖，但由于注水系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求LV-4430C 自動(dòng)PID調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢以把保證在正常生產(chǎn)時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)法自動(dòng)瞬間開(kāi)度達(dá)到100% 的狀態(tài)，這時(shí)就需要中控控制員手動(dòng)將控制器轉(zhuǎn)到手動(dòng)并迅速打開(kāi)LV-4430C，通過(guò)實(shí)踐，從中控員接收到報(bào)警到最終閥門被完全打開(kāi)，必須需要7s內(nèi)完成，超出這個(gè)時(shí)間范圍，就會(huì)因?yàn)?臺(tái)注水泵的關(guān)停，液位控制閥調(diào)整不及時(shí)，造成注水緩沖罐的壓力高高或液位高高而觸發(fā)邏輯使得生產(chǎn)水系統(tǒng)關(guān)停，處理不好甚至?xí)斐扇吞锏年P(guān)停，造成產(chǎn)量損失和增加設(shè)備故障率。

2.2.2 改造措施

對(duì)注水緩沖罐排海閥門LV-4430C調(diào)節(jié)新增高級(jí)計(jì)算控制模塊CALCA，增加LV-4430C前級(jí)控制單元，控制要求：

正常生產(chǎn)時(shí)，保持原有PID控制邏輯，利用液位PID模塊控制調(diào)節(jié)閥的輸出，用于穩(wěn)定注水緩沖罐的液位。4臺(tái)注水泵異常關(guān)停時(shí)，高級(jí)計(jì)算模塊控制器CALCA旁通PID控制器，直接輸出給調(diào)節(jié)閥LV-4430C至某開(kāi)度，為了適應(yīng)各個(gè)工況，以保證流程的穩(wěn)定，此調(diào)節(jié)閥開(kāi)度可由中控人員自行設(shè)定至任意開(kāi)度。同時(shí)需要增加異常關(guān)停的屏蔽功能，使系統(tǒng)可以在自動(dòng)PID調(diào)節(jié)和緊急關(guān)停輸出之間自由切換，便于注水流程調(diào)試及注水泵關(guān)?；謴?fù)時(shí)操作。

邏輯控制實(shí)現(xiàn)思路：

(1)邏輯控制系統(tǒng)包括DCS控制器、液位傳感器、注水泵運(yùn)行開(kāi)關(guān)量信號(hào)、調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)、I/O卡件輸入輸出接口。DCS控制器的輸出經(jīng)過(guò)I/O卡輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控調(diào)節(jié)閥LV-4430C上。

(2)緩沖罐液位變送器作為PID模塊的測(cè)量量， 經(jīng)PID運(yùn)算后輸出4-20mA信號(hào)至調(diào)節(jié)閥閥門定位器，正常生產(chǎn)時(shí)會(huì)根據(jù)液位的波動(dòng)，來(lái)實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)閥LV-4430C 0-100%的開(kāi)度，滿足現(xiàn)場(chǎng)控制要求。

(3)注水泵運(yùn)行信號(hào)是從現(xiàn)場(chǎng)LCIP控制盤內(nèi)的PLC通訊至DCS系統(tǒng)FBM224模塊，采用的接口是RS485,協(xié)議是modbus，讀取的是Boolean quantity，注水泵運(yùn)行時(shí)是true，停泵時(shí)是false，新增高級(jí)控制模塊CALCA調(diào)用FBM224模塊中的Boolean quantity即可，運(yùn)算邏輯如下：

因?yàn)椴捎玫腛R的邏輯運(yùn)算，只要有一臺(tái)泵的運(yùn)行信號(hào)是true，就會(huì)輸出1，當(dāng)4臺(tái)泵全部下線時(shí)，所有運(yùn)行信號(hào)全是false，就會(huì)輸出0 。

(4)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度是0～100%，是一個(gè)實(shí)數(shù)輸出，當(dāng)監(jiān)測(cè)到4臺(tái)泵異常關(guān)停時(shí)需要直接把LV-4430C全開(kāi)，生產(chǎn)水可以通過(guò)此閥門及時(shí)排放至大艙內(nèi)，在不影響生產(chǎn)的情況下留給了中控人員充分的反應(yīng)時(shí)間。在高級(jí)計(jì)算塊CALCA內(nèi)增加實(shí)數(shù)輸入RI，計(jì)算塊實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)到4臺(tái)泵的運(yùn)行信號(hào)全部是false后，把RI直接送到調(diào)節(jié)閥LV-4430C，使得閥門從現(xiàn)有PID輸出值直接跳躍到RI的輸出值，此控制邏輯為了適應(yīng)各個(gè)工況，此RI采用可讀寫(xiě)的量，中控操作員可在HMI直接修改RI的值，可修改范圍0-100和閥門開(kāi)度量程相對(duì)應(yīng)，即RI的輸入值就是注水泵異常關(guān)停時(shí)高級(jí)計(jì)算塊CALCA的輸出值，也是調(diào)節(jié)閥LV-4430C的開(kāi)度。

(5)考慮到注水流程調(diào)試及注水泵關(guān)?；謴?fù)時(shí)操作需要，同時(shí)增加注水泵異常關(guān)停信號(hào)的屏蔽功能，使系統(tǒng)可以在自動(dòng)PID調(diào)節(jié)和緊急關(guān)停輸出之間自由切換。調(diào)取4 臺(tái)泵的運(yùn)行信號(hào)運(yùn)算結(jié)果和手動(dòng)屏蔽做AND運(yùn)算。

當(dāng)inhibit置0時(shí)，處于屏蔽監(jiān)測(cè)模式狀態(tài)，CALCA功能塊直接讀取PID運(yùn)算結(jié)果輸出至調(diào)節(jié)閥LV-4430C，此時(shí)可以修改PID的SP值或者手動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)度以滿足控制實(shí)際需求，注水泵的運(yùn)行狀態(tài)不參與運(yùn)算，RI值不輸出。當(dāng)inhibit置1時(shí)，處于監(jiān)測(cè)模式，此時(shí)發(fā)生注水泵異常全部關(guān)停就會(huì)直接輸出RI值到調(diào)節(jié)閥LV-4430C，當(dāng)需要手動(dòng)干預(yù)閥門開(kāi)度時(shí)，必須先inhibit此功能。等注水泵正常上線，生產(chǎn)流程恢復(fù)后，及時(shí)把inhibit取消，恢復(fù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式。

2.2.3 改造效果

解決了注水系統(tǒng)的PID控制模式下正常運(yùn)行運(yùn)行與應(yīng)急運(yùn)行情況的參數(shù)設(shè)置矛盾問(wèn)題，將應(yīng)急情況下的人為強(qiáng)制操作轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)控制，把整個(gè)過(guò)程響應(yīng)時(shí)間從7s降低到2s內(nèi)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，功能正常、效果理想，實(shí)現(xiàn)了注水系統(tǒng)在正常和非正常情況下的全自動(dòng)運(yùn)行，改造后FPSO未再發(fā)生過(guò)因?yàn)樽⑺到y(tǒng)非計(jì)劃關(guān)停而未及時(shí)控制產(chǎn)生的生產(chǎn)水和原油處理系統(tǒng)連鎖關(guān)?，F(xiàn)象，從本質(zhì)上避免了因?yàn)樽⑺藐P(guān)停而導(dǎo)致的生產(chǎn)水系統(tǒng)關(guān)停的風(fēng)險(xiǎn)，提升了設(shè)備的本質(zhì)安全和提高了整個(gè)油田的生產(chǎn)時(shí)率。

3 FPSO注水系統(tǒng)優(yōu)化后效果和意義

從油田投產(chǎn)之初，到油田中后期開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，F(xiàn)PSO注水系統(tǒng)通過(guò)控制邏輯、控制方式，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)升級(jí)調(diào)整優(yōu)化工作后，提高了注水處理能力整個(gè)系統(tǒng)處理能力4800 m3/d，間接提高油田產(chǎn)量40 m3/d，并且將注水生產(chǎn)時(shí)率由92.5%提升至98.2%，大大提升系統(tǒng)運(yùn)行可操作性和可靠性，以及提升自動(dòng)化程度，降低了對(duì)操作人員的操作難度以及技能水平要求，提生了勞動(dòng)效率，為油田后續(xù)滾動(dòng)開(kāi)發(fā)打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)同類型高含水油田處理終端的注水系統(tǒng)新、改、擴(kuò)建項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試，具有一定的借鑒意義。