張 瑋 張 營 譚建華
(南海西部石油油田服務(wù)(深圳)有限公司,廣東 深圳 518000)
在南海的石油開發(fā)區(qū)域中,非黏結(jié)性柔性管已成為主流,主要是用于連接FPSO和采油平臺的柔性立管,安裝在FPSO的單點(diǎn)艙內(nèi)。由于整體位于水下,因此日常的人工檢測和維修養(yǎng)護(hù)很難觸達(dá)。
環(huán)空檢測技術(shù)是目前國際上通用的柔性動態(tài)立管檢測評估手段,不需要停產(chǎn),也不需要動用ROV和潛水員等裝備,大幅降低了柔性立管的運(yùn)營維護(hù)成本。
2017年6月,國內(nèi)首次應(yīng)用環(huán)空檢測技術(shù)對南海某海域正常工作的某FPSO的3根柔性立管開展環(huán)空測試,也進(jìn)一步驗(yàn)證了環(huán)空檢測技術(shù)的適用性。
目前,柔性立管環(huán)空測試技術(shù)被2H Offshore、4Subsea、Kongsberg以及TechnipFMC等少數(shù)公司所壟斷。
因此,為了避免出現(xiàn)“卡脖子”問題,F(xiàn)PSO單點(diǎn)柔性立管環(huán)空檢測的技術(shù)裝備國產(chǎn)化和功能擴(kuò)展就顯得至關(guān)重要。該文主要圍繞環(huán)空層氣體在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用方向的軟硬件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)國產(chǎn)化、擴(kuò)展化和實(shí)用化提出設(shè)計思路,在國外已實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上,擴(kuò)展CO、CH、HS、O以及CO等氣體組分在線監(jiān)測功能,并且實(shí)時向FPSO智能管理平臺傳輸,實(shí)現(xiàn)海上管理和岸基管理的同步化,進(jìn)一步完善柔性立管環(huán)空層的完整性管理功能,以實(shí)現(xiàn)降本增效。
柔性立管環(huán)空層完整性管理計劃從氣體流量、溫度、壓力、氣體組分、環(huán)空層自由容積以及透氣口堵塞比例等方面對柔性立管環(huán)空層進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、計算和對標(biāo)分析,提早預(yù)警透氣口堵塞風(fēng)險、分析外護(hù)套層破裂風(fēng)險以及預(yù)判柔性立管的疲勞程度和腐蝕情況。
該管理計劃參照P-D-C-A(計劃-實(shí)施-檢查-處理)的管理模式循環(huán)執(zhí)行。初始對標(biāo)參數(shù)來自柔性立管廠家提供的出廠參數(shù),在線測試計劃分為連續(xù)的2個階段,每48 h設(shè)置為1個階段,通過電磁閥進(jìn)行遠(yuǎn)程控制測試模式。第一個階段采取全開放透氣模式進(jìn)行測試,電磁閥全開,主要測試的指標(biāo)為環(huán)空層氣體的溫度、流量參數(shù);第二個階段采取閉合憋壓模式進(jìn)行測試,電磁閥全關(guān),主要測試指標(biāo)為環(huán)空層氣體的溫度、壓力和氣體組分。通過2個階段的測試數(shù)據(jù)來計算環(huán)空層自由容積、內(nèi)部浸液高度以及透氣口堵塞比例等關(guān)鍵數(shù)值,評估腐蝕程度和安全生產(chǎn)風(fēng)險。通過連續(xù)30 d的測試結(jié)果,設(shè)定新的對標(biāo)值,重新進(jìn)入一個新的監(jiān)測循環(huán)。柔性立管環(huán)空層完整性管理計劃的運(yùn)行流程如圖1所示。
圖1 柔性立管環(huán)空層完整性管理計劃的運(yùn)行流程圖
為了實(shí)現(xiàn)上述管理計劃,環(huán)空層在線監(jiān)測系統(tǒng)是重要基礎(chǔ),包括主站軟件、硬件和通信3個方面。
主站系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)值處理、圖表化展示、評估分析以及基礎(chǔ)設(shè)置等各個功能模塊。各模塊設(shè)計采用五維設(shè)計法進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計,主要從獲取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、展現(xiàn)數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)5個維度實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。這5個維度也基本涵蓋了大部分監(jiān)測類主站系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的各類應(yīng)用場景,也恰好對應(yīng)了信息化、數(shù)字化、可視化、智能化和個性化5個層面的需求。具體對應(yīng)關(guān)系如圖2所示,系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。
圖2 模塊設(shè)計與用戶需求對應(yīng)關(guān)系圖
圖3 環(huán)空層在線監(jiān)測主站系統(tǒng)功能框架圖
信息化的基礎(chǔ)是海量的大數(shù)據(jù),在該系統(tǒng)中主要是各類儀表的測控數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)采集模塊達(dá)到獲取數(shù)據(jù)的目的。為了確保數(shù)據(jù)的時效性,數(shù)據(jù)采集模塊通常按照時序采集并快速存儲數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)的分類加工留給后續(xù)功能模塊。
數(shù)字化的基礎(chǔ)是有組織的分類數(shù)據(jù),在該系統(tǒng)中主要是篩選滿足環(huán)空層監(jiān)測所需的各類參數(shù),通過數(shù)值處理模塊達(dá)到提取數(shù)據(jù)的目的。數(shù)據(jù)的清洗、分類、計算和存儲都是在數(shù)值處理模塊完成的。
可視化的基礎(chǔ)是圖形圖表的展現(xiàn),在該系統(tǒng)中主要是實(shí)現(xiàn)直觀、動態(tài)、集成化的數(shù)據(jù)圖表展示,通過圖形化展示模塊達(dá)到直觀查詢的目的。通過折線圖、餅圖、柱狀圖、散點(diǎn)圖以及各類圖形的組合展示,監(jiān)控系統(tǒng)的圖形化組態(tài)展示等都在圖形化展示模塊實(shí)現(xiàn),也是用戶操作的主要交互界面。直觀、便捷以及一站式的可視化操作是良好用戶體驗(yàn)的開始。
智能化的基礎(chǔ)是分析邏輯、算法和模型,在該系統(tǒng)中主要是實(shí)現(xiàn)堵塞比例、自由容積、浸液高度以及腐蝕程度等完整性管理中關(guān)鍵要素的分析和評估,主要通過評估分析模塊實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的智能化水平?jīng)Q定了系統(tǒng)的可用性,也是對用戶最有價值且可以帶來直接效益的功能模塊。
個性化的基礎(chǔ)是可靈活配置的參數(shù)和權(quán)限,在該系統(tǒng)中將實(shí)現(xiàn)不同用戶僅看到自己能看且想看的數(shù)據(jù)、各個FPSO柔性立管的靈活接入以及各類對標(biāo)參數(shù)可靈活設(shè)置的功能,主要通過基礎(chǔ)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)。80%的產(chǎn)品化+20%的個性化是該系統(tǒng)的設(shè)計理念,大部分具有共性的模塊抽取出來形成相對固化的功能,少部分滿足不同用戶需求的個性化模塊提供可配置的管理后臺,以滿足差異化的管理要求。系統(tǒng)的個性化水平將充分體現(xiàn)人機(jī)交互的友好程度。
主站系統(tǒng)采用主流的3層架構(gòu),前端應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)圖形化的界面展示和用戶交互;中間處理層提供一系列API接口,接收前端提交的Web請求,經(jīng)過獲取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)后,以帶加密口令的Jason格式將結(jié)果返回給前端應(yīng)用層;后臺數(shù)據(jù)庫分為實(shí)時數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。其中,實(shí)時數(shù)據(jù)庫存儲各種類型數(shù)據(jù)的實(shí)時采集結(jié)果,包括溫度、壓力、流量以及氣體組分等,應(yīng)用數(shù)據(jù)庫存儲篩選清洗后的不同類型的數(shù)據(jù),后臺計算程序按照定時任務(wù)的方式,以一定的時間間隔按照系統(tǒng)配置的計算公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分表存儲,便于中間層調(diào)用。同時,前端應(yīng)用層采用FPSO智能管理平臺相同的前端架構(gòu),中間處理層也采用微服務(wù)形式融入FPSO智能管理平臺,實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)與FPSO智能管理平臺的無縫融合,方便用戶一鍵登錄,統(tǒng)一管理。系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。
圖4 環(huán)空層在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖
數(shù)據(jù)采集主要分為下行采集和上行采集2個部分。
下行采集是智能網(wǎng)關(guān)采集末端的傳感器、閥門等電儀設(shè)備,主要基于Modbus通信協(xié)議實(shí)時采集各類數(shù)據(jù),并存入網(wǎng)關(guān)設(shè)備的本地數(shù)據(jù)庫。下行采集流程如圖5所示。
圖5 智能網(wǎng)關(guān)下行采集電儀設(shè)備流程圖
上行采集是服務(wù)器上的采集程序,采集智能網(wǎng)關(guān)中的數(shù)據(jù)并存入服務(wù)器的實(shí)時數(shù)據(jù)庫,主要基于HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳輸。各類數(shù)據(jù)分布式存儲在網(wǎng)關(guān)設(shè)備本地數(shù)據(jù)庫、實(shí)時數(shù)據(jù)庫以及應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中,確保數(shù)據(jù)的完整性不受通信中斷的影響。上行采集流程如圖6所示。
圖6 服務(wù)器采集智能網(wǎng)關(guān)上行采集流程圖
對部分實(shí)時性要求較高的數(shù)據(jù)來說,智能網(wǎng)關(guān)采取主動采集、主動上報的模式,即采集末端電儀設(shè)備的數(shù)據(jù)后,在本地存儲的同時,也同步上報給服務(wù)器端的采集程序。
電磁閥等閥門的下行控制信號由后臺程序或前端界面觸發(fā),通過智能網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)控制,同時也采集閥門狀態(tài)信號,確認(rèn)控制結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
此外,考慮FPSO單點(diǎn)艙內(nèi)通常既不具備網(wǎng)絡(luò)傳輸線路,也不具備可接入生產(chǎn)系統(tǒng)的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)。因此采用基于LoRa的工業(yè)無線模塊,在實(shí)現(xiàn)500 m內(nèi)實(shí)現(xiàn)有障礙通信的功能,完成數(shù)據(jù)采集和雙向傳輸?shù)娜蝿?wù)。
采集入庫的數(shù)據(jù)先進(jìn)入實(shí)時數(shù)據(jù)庫,在入庫過程中程序要對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和清洗,自動過濾異常數(shù)據(jù),定期檢查缺失數(shù)據(jù)并進(jìn)行補(bǔ)采。后臺定時任務(wù)對瞬時量、累積量和統(tǒng)計量等數(shù)值進(jìn)行計算。為保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性,所有計算程序的計算公式或計算模型均根據(jù)后臺配置的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,便于運(yùn)維人員后期調(diào)整和優(yōu)化,而不必修改程序源代碼。
系統(tǒng)前端底層采用Vue/ElementUI/Jquery/Bootstrap實(shí)現(xiàn),前端和Controller基于Json格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
使用開源框架ElementUI統(tǒng)一頁面風(fēng)格,規(guī)范頁面結(jié)構(gòu)及保證組件規(guī)范化,使用Less預(yù)編譯CSS保證代碼的規(guī)范化、簡潔化。配置Flexible并結(jié)合Flex布局實(shí)現(xiàn)頁面的響應(yīng)式布局,以兼容不同PC分辨率。使用開源ECharts數(shù)據(jù)可視化展示插件,滿足不同統(tǒng)計數(shù)據(jù)展示所需圖表展示的需求。
所有圖表均設(shè)計Excel導(dǎo)出功能,方便用戶導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)作為后期分析報告編寫的素材圖表。
各個圖表均設(shè)計對標(biāo)展示功能,即除了展示監(jiān)測到的數(shù)據(jù)外,還要展示相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值或限定值,提供越線報警功能,便于用戶及時了解環(huán)空層的工況狀態(tài)。
將透氣口的排氣流量數(shù)值與出廠時的設(shè)計值進(jìn)行對比,能夠較為直觀地評估透氣口的堵塞情況。
首先,將電磁閥設(shè)置為全開狀態(tài),讓環(huán)空層內(nèi)的氣體自由排出。
其次,讀取氣體質(zhì)量流量計的累計流量。最后,根據(jù)公式(1)計算透氣口的堵塞比例。
式中:為透氣口的堵塞比例;為透氣口實(shí)際排氣流量;為透氣口出廠設(shè)計排氣流量。
通過計算一定壓力條件下環(huán)空層內(nèi)排出的氣體體積能夠計算環(huán)空層的自由容積。
首先,將電磁閥設(shè)置為全關(guān)閉狀態(tài),對環(huán)空層內(nèi)的氣體進(jìn)行憋壓處理,同時實(shí)時采集壓力表數(shù)據(jù)。其次,在壓力表達(dá)到200 kPa時,將電磁閥設(shè)置為全開狀態(tài),排出氣體,并通過氣體質(zhì)量流量計測量排出氣體的質(zhì)量流量。再次,通過氣體組分監(jiān)測儀對排出的氣體進(jìn)行組分監(jiān)測,并記錄CO、CH以及HS等氣體的百分比。最后,根據(jù)公式(2)將氣體質(zhì)量流量換算成標(biāo)態(tài)下的氣體體積,結(jié)合壓力閾值可以計算得出環(huán)空層自由容積。
式中:為環(huán)空層自由容積,L;為透氣口實(shí)際排氣質(zhì)量流量,L/min;為標(biāo)態(tài)下氣體濃度體積轉(zhuǎn)化系數(shù),=22.4,即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 mol氣體是22.4 L;為電磁閥關(guān)閉時設(shè)置的閾值=100 kPa;N為組分監(jiān)測儀監(jiān)測的氣體組分中第種氣體的體積百分比;M為組分監(jiān)測儀監(jiān)測的氣體組分中第種氣體的分子量(其中,CO的分子量為44,CO的分子量為28,CH的分子量為16,HS的分子量為34,O的分子量為32)。
硬件系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮現(xiàn)場安裝環(huán)境、安裝位置以及功能用途,主要包括電氣柜和儀表柜的設(shè)計。每個儀表柜對應(yīng)1根柔性立管,對每個透氣管進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測;1臺電氣柜可以同時連接多臺儀表柜,實(shí)現(xiàn)儀表電源的集中供應(yīng)和通信模塊的集中部署等目標(biāo)。
電氣柜主要包括監(jiān)控儀表的供電電源、就地顯示儀表以及通信控制網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。儀表柜主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、氣體質(zhì)量流量計、電磁閥、氣體組分監(jiān)測儀、氣體干燥裝置、各類安全閥、球閥和管路。從功能角度分析,電氣柜主要具備儀表柜供電以及通信采集功能,屬于輔助性系統(tǒng)。儀表柜主要具備環(huán)空層溫度、壓力、流量、氣體組分以及氣體采樣等核心功能,屬于功能性系統(tǒng)。
無論是電氣柜還是儀表柜,首要設(shè)計原則是安全性原則,即必須確保FPSO柔性立管生產(chǎn)運(yùn)行的安全性和設(shè)備本身的安全性。一方面,F(xiàn)PSO單點(diǎn)艙所處的油氣環(huán)境決定了電氣柜、儀表、閥門以及接線盒等電氣部件都需要選配滿足防爆要求的元器件。另一方面,必須確保無論在任何零部件發(fā)生故障的情況下,都能夠正常排出柔性立管環(huán)空層的氣體并及時發(fā)出報警。因此,需要綜合運(yùn)用旁通管路、防爆電磁閥、機(jī)械安全閥以及手動球閥等各類措施,確保系統(tǒng)有足夠的安全冗余。
儀表柜是實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)功能的核心,因此該文主要闡述儀表柜的設(shè)計思路。
柜內(nèi)儀表布置如圖7所示,柜內(nèi)設(shè)備較多,同樣以排布緊湊、散熱通暢為設(shè)計原則,具體設(shè)計主要包括6個方面:1) 從接近進(jìn)氣口的位置布置溫度傳感器和壓力傳感器,以并聯(lián)方式接入排氣管路,在系統(tǒng)最前端對環(huán)空層氣體溫度和壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,及時反饋環(huán)空層內(nèi)氣體的狀態(tài)。2) 考慮今后需要進(jìn)行氣體采樣后帶回陸地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行詳細(xì)分析的需求,也存在需要向環(huán)空層注入氮?dú)膺M(jìn)行氣體打壓測試的需求,在溫度和壓力傳感器后端布置測試氣體的出入口,并且配套設(shè)計手動球閥控制氣體流向。3) 為保證流量計量和氣體組分分析的準(zhǔn)確性,排氣管路上配置二級干燥裝置,對環(huán)空層氣體中的微小水分子和油分子進(jìn)行過濾,同時,配置疏水管路和手動球閥,定期由現(xiàn)場人員開閥外排。4) 由于環(huán)空層內(nèi)氣體量較少(約為2 L/h~3 L/h),壓力較低(一般為常壓,允許最大壓力為300 kPa~400 kPa),因此配置防爆電磁閥,系統(tǒng)根據(jù)壓力閾值自動控制電磁閥的開關(guān),既實(shí)現(xiàn)環(huán)空層氣體壓力的周期性監(jiān)測,也確保滿足后端氣體組分監(jiān)測的最低氣量要求。系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測氣體壓力,以200 kPa為閾值,當(dāng)小于200 kPa時,電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài);當(dāng)大于或等于200 kPa時,打開電磁閥。同時,考慮排氣管路的安全性要求,電磁閥設(shè)計為常開式,即失電狀態(tài)下,電磁閥為打開狀態(tài)。5) 根據(jù)環(huán)空層氣體流量約2 L/h~3 L/h,選配熱式氣體質(zhì)量流量計,采用極低始動流量、量程范圍為2 sccm~150 sccm、24 V DC供電、耐壓等級為1.0 MPa、304不銹鋼材質(zhì)且?guī)S485信號輸出的防爆型高精度流量計,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計量和監(jiān)測環(huán)空層氣體流量的功能。6) 根據(jù)柔性立管環(huán)空層氣體的組分特點(diǎn),選配占用空間較小的一體式氣體組分監(jiān)測儀同時對CO、HS、CH、CO以及O等5種氣體的在線組分進(jìn)行監(jiān)測和分析,根據(jù)柔性立管制造廠家的出廠氣體組分參數(shù)對各組分氣體的量程范圍進(jìn)行參數(shù)選型。其中,CO和CH采用紅外傳感器檢測,HS、CO和O采用電化學(xué)傳感器檢測,并且在運(yùn)維期間每年進(jìn)行一次標(biāo)定,對不合格傳感器進(jìn)行更換。
圖7 儀表柜內(nèi)部設(shè)備設(shè)計圖
通信系統(tǒng)主要包括通信控制網(wǎng)關(guān)與各個儀表、傳感器之間的下行通信以及與主站系統(tǒng)之間的上行通信。需要結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境和通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)條件,采取有線、無線相結(jié)合的通信方式。
以南海地區(qū)在役的主流FPSO為例,中心網(wǎng)絡(luò)機(jī)房通常部署在報務(wù)房,距離柔性立管所在的單點(diǎn)艙大約300 m~350 m。由于單點(diǎn)艙的特殊油氣環(huán)境限制,通常沒有部署光纖網(wǎng)絡(luò)接口,采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的可行性較低。因此該系統(tǒng)設(shè)計了一個3層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)。具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖8所示。
圖8 環(huán)空層在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
采集服務(wù)器和智能網(wǎng)關(guān)之間采用以太網(wǎng)連接,智能網(wǎng)關(guān)采集末端設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù),并上傳至采集服務(wù)器。智能網(wǎng)關(guān)通過部署在報務(wù)房的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)。
智能網(wǎng)關(guān)通過RS485連接LoRa無線通信模塊,無紙記錄儀、繼電器等遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制設(shè)備也通過RS485連接配對的LoRa無線通信模塊,以點(diǎn)對點(diǎn)的方式進(jìn)行無線傳輸,實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量、組分以及電磁閥開關(guān)型號等數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離安全傳輸功能。LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù),提供一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無線通信手段。LoRa技術(shù)已在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,覆蓋了智能表計、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測以及智慧城市等領(lǐng)域,非常適合于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施尚未完善的海上生產(chǎn)設(shè)施。無紙記錄儀和繼電器均安裝在電氣柜內(nèi),通過RS485通信電纜與安裝在儀表柜內(nèi)的壓力傳感器、溫度傳感器、氣體組分監(jiān)測儀、流量計以及電磁閥等儀表和閥門進(jìn)行有線實(shí)時通信,確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性。
柔性立管環(huán)空層的完整性管理是FPSO單點(diǎn)系統(tǒng)完整性管理的重要環(huán)節(jié),在線式的安全測控可以有效提高柔性立管的安全管理水平,降低FPSO的生產(chǎn)運(yùn)營風(fēng)險。該文綜合柔性立管環(huán)空層完整性管理的需求分析并設(shè)計了環(huán)空層在線監(jiān)測系統(tǒng),對環(huán)空層狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測與分析,保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時性、有效性、可靠性和連續(xù)性,助力FPSO安全生產(chǎn)和降本增效。同時,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海陸數(shù)據(jù)同步,無縫接入了FPSO智能管理平臺,即將在南海某FPSO上投入使用,系統(tǒng)還需要在柔性立管疲勞分析和腐蝕評估方面進(jìn)行深入研究和實(shí)踐。