徐慶松,邢增亮

(中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257026)

隨著近年來科技技術(shù)的不斷進步，中國海洋平臺開發(fā)技術(shù)取得了突破性的進展，但是與國外先進的生產(chǎn)開發(fā)技術(shù)相比仍然具有很大差異，特別是在自動化系統(tǒng)的應用上存在很大的不足，制約了中國石油開發(fā)技術(shù)向國際先進技術(shù)邁進的步伐。

海洋平臺自控系統(tǒng)的應用不僅提高了工藝生產(chǎn)運行效率，減少人工勞動強度，更保障了人員和生產(chǎn)設(shè)施的安全，避免了石油開發(fā)故障造成的海洋污染。本文結(jié)合某油田海洋平臺，在自控系統(tǒng)設(shè)計方式方面與中海油平臺、國外海洋平臺進行對標分析，在引用規(guī)范、設(shè)計方式、技術(shù)方案等方面進行探討，為國內(nèi)海洋平臺自控系統(tǒng)設(shè)計積累寶貴經(jīng)驗[1-2]。

該油田目前共有109座海洋平臺，包括采油平臺、中心平臺等，是國家海洋平臺的一支重要力量。隨著生產(chǎn)運行的時間增加，一些問題逐漸顯現(xiàn)，如： 部分平臺缺少完善的安全控制措施而造成設(shè)備損壞或人身傷害，火災報警系統(tǒng)(FAS)頻繁誤報警對工藝生產(chǎn)過程造成影響，平臺結(jié)構(gòu)、布局需要優(yōu)化等。為保證平臺連續(xù)安全生產(chǎn)運行,本文結(jié)合實際，引入新技術(shù)和方法，切實提高自動化水平。

1 主要規(guī)范對比

規(guī)范的引用決定工程投資、設(shè)計水平、工程質(zhì)量及本質(zhì)安全等。該油田、中海油、美國EDC平臺自控系統(tǒng)主要采用的設(shè)計標準對比見表1所列。

表1 主要設(shè)計標準對比

續(xù)表1

該油田一直執(zhí)行SY 5747—2008《淺(灘)海鋼制固定平臺安全規(guī)則》，該規(guī)范要求火災報警系統(tǒng)按照GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》設(shè)置，而GB50116—2013要求火災及消防產(chǎn)品必須具有火災消防強制認證(CCC)，目前通過CCC認證的主流火災報警設(shè)備多是民用產(chǎn)品，較難適用于惡劣的海上工作環(huán)境，這是該油田火災報警設(shè)備誤報率較高的主要原因[3-4]。

中海油/EDC平臺的火災報警系統(tǒng)設(shè)置主要參照NFPA和API RP14C的標準，采用易熔塞進行井口、主要管匯和罐體區(qū)域的火災探測，輔助以火焰探測器等電動探測裝置。工藝裝置區(qū)火災探測器信號直接進安全儀表系統(tǒng)(SIS)，全系統(tǒng)均是工業(yè)級產(chǎn)品且有多年海上應用實例，所以可靠性非常高。

在過程控制方面，參照SY/T 0310，API 554，IEC 61511，該油田與中海油/EDC平臺在儀表選型和計算機控制系統(tǒng)設(shè)計上基本一致，主要區(qū)別在于中海油/EDC平臺采用氣動控制回路，更注重失效安全；該油田主要采用電動控制，更注重連續(xù)生產(chǎn)和安全之間的平衡。

2 設(shè)計方式對比

2.1 HAZOP分析

平臺上油氣生產(chǎn)處理、動力、消防、應急救生等設(shè)施都集中在有限的空間內(nèi)，且作業(yè)人員生活也處在該環(huán)境之中，安全生產(chǎn)被提到了空前的高度。通過進行HAZOP分析，能夠歸納與整理海上平臺儀表系統(tǒng)的安全性與應急可操作性問題，分析識別出系統(tǒng)及平臺裝置設(shè)備可能存在的問題，提出相應的建議及整改措施，對儀表系統(tǒng)安全事故預防和安全穩(wěn)定運行起到重要作用。同時，對提升海上石油平臺整體設(shè)備運行的安全性、穩(wěn)定性和應急性具有十分重要的意義，HAZOP分析過程如圖1所示[5]。

圖1 HAZOP分析過程示意

中海油海洋平臺已在設(shè)計階段普遍應用HAZOP分析，EDC平臺在設(shè)計過程中也應用HAZOP分析。結(jié)合該油田中心1，2號平臺經(jīng)驗，中心3號平臺在設(shè)計初級階段進行了HAZOP分析，尤其針對關(guān)鍵工藝流程、設(shè)備進行探討，確定安全措施及SIL定級，從而指導詳細設(shè)計。目前，中心3號平臺自投產(chǎn)以來未出現(xiàn)任何偏差過程而造成的財產(chǎn)損失或人員傷害等，自控系統(tǒng)的安全性及可靠性比較高。

2.2 數(shù)字化集成設(shè)計

與陸上油氣處理站相比，海上平臺最大的特點是空間狹小，結(jié)構(gòu)布局緊湊，管網(wǎng)、橋架等縱橫交錯，在設(shè)計過程中很容易出現(xiàn)疏漏，在生產(chǎn)運行中，對日常巡視、檢維修、逃生等具有較不利影響，結(jié)構(gòu)布局等急需優(yōu)化。

隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，海洋平臺的設(shè)計方式也經(jīng)歷了幾個階段，從最早期的手工繪制和CAD，到三維輔助設(shè)計軟件3DMAX和PDS,再到目前大型工程中使用的PDMS，由于其三維功能完備、且各專業(yè)在同一平臺集成設(shè)計等突出特點，該設(shè)計方式受到投資方的推崇[6]。

近年來，工程項目的運行維護備受業(yè)主的關(guān)注，全生命周期的概念被越來越多地提及，以SmartPant3D系列軟件為基礎(chǔ)的數(shù)字化設(shè)計方式，可從設(shè)計、采購、施工、運行、維護、管理等方面提供全面的技術(shù)支持。該油田使用SmartPant3D系列軟件對某平臺一體化設(shè)計效果如圖2所示。

這種全新的數(shù)字化集成設(shè)計方式，所有專業(yè)在同一平臺進行設(shè)計，保證了設(shè)計的實時性、同步性；所有設(shè)備、材料參數(shù)、屬性均建立數(shù)據(jù)庫，并隨三維模型一齊提交業(yè)主，完成數(shù)字化交付，實現(xiàn)模擬仿真及全生命周期管理。

圖2 三維集成設(shè)計平臺示意

3 技術(shù)方案對比

3.1 計算機控制系統(tǒng)

海洋平臺自控系統(tǒng)不僅提高了工藝生產(chǎn)運行效率，減小人工勞動強度，更是保障人員和生產(chǎn)設(shè)施的安全，避免了石油開發(fā)故障造成的海洋污染。

以該油田中心平臺綜合控制系統(tǒng)(ICS)為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，中心平臺ICS負責整個平臺的過程和安全監(jiān)控，根據(jù)功能與安全要求，ICS由過程控制系統(tǒng)(PCS)和SIS組成；SIS包括火氣系統(tǒng)(FGS)和緊急停車系統(tǒng)(ESD)兩部分。PCS負責監(jiān)控平臺的生產(chǎn)運行，保障平臺日常生產(chǎn)操作，F(xiàn)GS完成火氣探測、報警及聯(lián)動輸出功能。

對比該油田采油平臺、中心平臺、EDC平臺、中海油平臺，根據(jù)每座平臺的規(guī)模、工藝流程、功能作用及所引用標準等，其控制系統(tǒng)設(shè)置對比見表2所列。

圖3 某油田中心平臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

表2 控制系統(tǒng)設(shè)置對比

項 目某 油 田采油平臺中心平臺EDC平臺中海油平臺 PCS與SIS共用獨立設(shè)置獨立設(shè)置獨立設(shè)置SISESD與PCS共用與FGS共用與FGS共用獨立設(shè)置FGS與PCS共用與ESD共用與ESD共用獨立設(shè)置FAS室內(nèi)及工藝區(qū)火災報警室內(nèi)及工藝區(qū)火災報警室內(nèi)火災報警室內(nèi)火災報警遠程I/O無采用采用無

該油田采油平臺由于規(guī)模較小，采用PCS和SIS共用冗余CPU架構(gòu)，中心平臺和中海油、EDC平臺因規(guī)模較大，工藝流程較為復雜，都采用了PCS和SIS獨立設(shè)置的方式，將過程控制與安全功能分開，保證系統(tǒng)的安全及可靠性。EDC平臺和中心平臺采用了遠程I/O架構(gòu)，有效減少了電纜用量和敷設(shè)工作量，優(yōu)化布置了控制系統(tǒng)。

在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，各平臺基本一致，在火災報警系統(tǒng)(FAS)設(shè)置方面差別較大，下文對FAS進行分析。

3.2 火災報警系統(tǒng)

FAS作為石油天然氣和化工等行業(yè)的重要安全保障設(shè)施之一，對可靠性要求非常高，目前火災是海洋平臺可能存在的最大危險[7]。FAS由火災報警控制器(FAP)和探測儀表組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

GB 50116—2013第1.0.2條：“本規(guī)范適用于工業(yè)與民用建筑內(nèi)設(shè)置的火災自動報警系統(tǒng)”，因此對于不同平臺，其室內(nèi)火災報警基本相同,火災探測儀表以總線的方式接入火災報警控制盤(FAP)。

圖4 FAS對比示意

該規(guī)范未對海洋平臺室外(工藝裝置區(qū))火災報警做出要求，對于室外火災報警，該油田依然采用了總線方式接入FAP；中海油/EDC平臺采用NFPA和API規(guī)范，設(shè)置獨立的FGS，并且室外井口區(qū)和工藝區(qū)設(shè)易熔塞火災檢測系統(tǒng)，井口區(qū)易熔塞直接聯(lián)動井口盤關(guān)斷。易熔塞采用熱熔原理探測火災，氣動方式聯(lián)鎖關(guān)斷，具有更高的安全性及可靠性；火災探測儀表直接接入工業(yè)級的FGS，減少了誤報警的發(fā)生，并能夠?qū)崿F(xiàn)更為復雜的區(qū)域火災報警、消防聯(lián)動、工藝聯(lián)鎖關(guān)斷。

3.3 控制方式

該油田以電動控制方式為主，即控制閥動力源為電源，接收控制系統(tǒng)信號實現(xiàn)控制。中海油平臺以氣動控制為主，即控制閥動力源為壓縮空氣，接收控制系統(tǒng)信號實現(xiàn)控制。EDC平臺以就地氣動控制為主，即采用氣動控制儀表和控制閥，主要控制回路和安全切斷均通過就地機械聯(lián)鎖實現(xiàn)，中控室控制系統(tǒng)僅用于監(jiān)控和報警。

該油田中心平臺、中海油平臺、EDC平臺以氣動為主的控制方式是海上平臺主流技術(shù)，依托于可靠性高的氣動儀表、控制閥和管閥件，可實現(xiàn)失效安全，安全性更高。該采油平臺因無人值守，主要采用ESD功能的電動控制，更注重連續(xù)生產(chǎn)和安全性之間的平衡。

4 結(jié)束語

海洋平臺有著特殊的工作環(huán)境，為保證平臺安全、可靠地運行，在工程設(shè)計初期進行HAZOP分析十分必要；數(shù)字化集成設(shè)計方式可對工程項目的設(shè)計、采購、施工、運行、維護等全生命周期提供技術(shù)支持，也必將成為一種趨勢。

按照GB 50116—2013，海洋平臺室內(nèi)火災報警以總線方式接入FAP；對于室外火災報警，可參考API標準，共用或獨立設(shè)置FGS，對平臺安全性、可靠性等方面有著很大的提升作用。