海上無人駐守井口平臺(tái)控制方案研究

李麗年

(中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心 天津300452)

海上無人駐守井口平臺(tái)控制方案研究

李麗年

(中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心 天津300452)

海上無人駐守井口平臺(tái)是海上固定平臺(tái)群的重要組成部分，無人駐守井口平臺(tái)上生產(chǎn)設(shè)施較少，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單。針對(duì)此特點(diǎn)，在確保操作人員與設(shè)備安全的基礎(chǔ)上，提出了高集成化、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本的控制方案，并進(jìn)行研究分析，為今后無人平臺(tái)設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用起到借鑒作用。

無人平臺(tái) 控制系統(tǒng) PLC

海上無人駐守井口平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“無人平臺(tái)”)是海上固定平臺(tái)群的重要組成部分，一般采用3個(gè)“1”的模式進(jìn)行開發(fā)，即1座平臺(tái)、1根海管、1根電纜。生產(chǎn)出的物流經(jīng)節(jié)流后直接進(jìn)入海底管線，輸送至相鄰井口或中心平臺(tái)進(jìn)行處理。常規(guī)無人平臺(tái)設(shè)有多路閥、多相流量計(jì)、清管球發(fā)射器等，電力系統(tǒng)一般由相鄰平臺(tái)供給。

根據(jù)無人平臺(tái)的特點(diǎn)，平臺(tái)中央控制系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)流程、多路閥和多相流量計(jì)的主要工藝參數(shù)，并以聲光報(bào)警形式顯示平臺(tái)生產(chǎn)和安全的異常狀態(tài)，同時(shí)在相鄰的依托平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o人平臺(tái)的生產(chǎn)狀況。因此無人駐守平臺(tái)的安全性、可靠性要求更高，控制系統(tǒng)的安全級(jí)別至少為 SIL 2級(jí)。系統(tǒng)的控制邏輯由安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，可及時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)到可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的火情或可燃?xì)怏w泄漏，并采取相應(yīng)的安全措施(如報(bào)警、關(guān)斷、消防等)，以保護(hù)平臺(tái)人員和設(shè)備的安全。以上控制方案已在渤中 29-4,WHPB平臺(tái)和渤中26-3,WHPB平臺(tái)得到了應(yīng)用。

1 中央控制系統(tǒng)

1.1 配置

常規(guī)無人平臺(tái)設(shè)置 2套 PLC控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)過程控制系統(tǒng)(PCS)、緊急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)和火氣探測(cè)系統(tǒng)(F&G)的功能。中控室至少設(shè)置 1臺(tái)操作站兼做工程師站，操作站作為控制系統(tǒng)的人機(jī)接口，用于系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試及參數(shù)調(diào)整。打印機(jī)可用于生產(chǎn)報(bào)表及事件記錄打印。無人平臺(tái)對(duì)于儀表的配置要求更高，控制系統(tǒng)選用安全儀表系統(tǒng)(SIS)實(shí)現(xiàn)。依托平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人平臺(tái)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

在可靠性設(shè)計(jì)上，控制系統(tǒng)的 CPU模塊、電源模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)通信總線和 I/O模塊等采用1∶1冗余配置?？刂葡到y(tǒng)的安全級(jí)別(SIL)要求至少為SIL 2級(jí)。

1.2 PLC的基本功能及原理

1.2.1 PLC的基本功能

①顯示井口采油樹、電潛泵、多路閥、多相流量計(jì)、海管關(guān)斷閥等主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各設(shè)備的壓力、溫度、液位和流量等；②監(jiān)控生產(chǎn)流程，并具有自診斷功能，監(jiān)視和診斷控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作狀態(tài)；③對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，自動(dòng)/手動(dòng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)級(jí)別的關(guān)斷操作，可實(shí)現(xiàn) 4個(gè)級(jí)別的關(guān)斷；④顯示無人平臺(tái)火氣探測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，火災(zāi)和可燃?xì)怏w泄漏時(shí)聲光報(bào)警，自動(dòng)/手動(dòng)執(zhí)行火氣狀態(tài)控制；⑤實(shí)現(xiàn)中控與電潛泵控制盤以及相關(guān)平臺(tái)的通訊傳送。

1.2.2 PLC的構(gòu)成及原理

PLC可編程控制器具有功能強(qiáng)大、體積小、靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)，PLC框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 PLC的框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Frame structure of PLC

現(xiàn)以PLC SLC 5/04可編程控制器為例，介紹其硬件和軟件配置：①硬件配置。CPU模塊(1746-L541)是該控制系統(tǒng)的核心，按照事先裝載的程序，對(duì)輸入模塊提供的各種信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷和算術(shù)運(yùn)算，并可根據(jù)依托平臺(tái)的控制命令，控制輸出模塊。輸入模塊，從現(xiàn)場(chǎng)傳感器獲取信號(hào)，經(jīng)過處理變成可編程控制器內(nèi)部信號(hào)，供可編程控制器進(jìn)行運(yùn)算、比較、傳輸?shù)?。輸出模塊，從現(xiàn)場(chǎng)傳感器獲取信號(hào)，經(jīng)過處理后直接由相應(yīng)的可編程控制器輸出信號(hào)給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)工藝關(guān)斷或調(diào)節(jié)。②軟件組態(tài)。SLC 5/04可編程控制器可利用 Rslogix 500進(jìn)行在線/離線編程，Rslogix 500具有方便易用的操作界面，可在Windows下運(yùn)行，同時(shí)還具有高級(jí)診斷能力和可靠的通訊能力，可通過Rslinx或Wintelligent linx直接從可編程控制器獲取數(shù)據(jù)，并可監(jiān)測(cè)處理過程，實(shí)現(xiàn)在線編程，方便系統(tǒng)的操作和維護(hù)。

綜上所述，大規(guī)模應(yīng)用的 PLC已全面使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。和 DCS一樣，控制器與 IO站使用現(xiàn)場(chǎng)總線，上位機(jī)平臺(tái)使用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。小型 PLC將向更專業(yè)化的實(shí)用角度發(fā)展，大型PLC與DCS的界線將逐步淡化，直至完全融和。針對(duì)無人平臺(tái)的特點(diǎn)，中央控制系統(tǒng)采用 PLC控制可以滿足中央控制要求，且比 DCS控制器更具有經(jīng)濟(jì)性，是無人平臺(tái)中央控制系統(tǒng)的首選。

1.3 SIL等級(jí)

安全完整性水平(SIL，Safety IntegrityLevel)，是一種離散的水平，用于規(guī)定分配給安全系統(tǒng)的安全功能的完整性要求。安全完整性水平越高，安全功能的失敗可能性就越低。IEC 61508中規(guī)定系統(tǒng)有4種安全完整性水平，如表1所示，SIL 4最高，SIL 1最低。

表1 SIL等級(jí)劃分表Tab.1 SIL hierarchy table

基于無人平臺(tái)的特點(diǎn)，平臺(tái)夜間無人值守，雖然平臺(tái)工藝流程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)設(shè)備較少，但一旦中控失靈，后果無法估計(jì)。因此需要提高控制系統(tǒng)的安全級(jí)別，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508和IEC 61511的要求，控制系統(tǒng)的安全級(jí)別至少為SIL 2級(jí)。

2 邏輯聯(lián)鎖

中央控制系統(tǒng)一般是無人操作、獨(dú)立的自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能獨(dú)立完成無人平臺(tái)的就地控制功能，并能將平臺(tái)的生產(chǎn)、安全信息傳送至依托平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)可接收并執(zhí)行依托平臺(tái)的控制指令。

根據(jù)無人平臺(tái)的特點(diǎn)，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)分為4級(jí)。

2.1 ESD 1級(jí)關(guān)斷為棄平臺(tái)關(guān)斷

該關(guān)斷級(jí)別最高，此關(guān)斷只能由平臺(tái)主要負(fù)責(zé)人或指定專人手動(dòng)啟動(dòng)。操作人員在平時(shí)檢修或值班期間經(jīng)允許可觸發(fā)棄平臺(tái)按鈕，并在中控室以及依托平臺(tái)中控室設(shè)置有ESD 1級(jí)按鈕，ESD 1級(jí)動(dòng)作時(shí)設(shè)備除應(yīng)急支持系統(tǒng)延時(shí)關(guān)斷外全部關(guān)停。ESD 1級(jí)關(guān)斷將引起 ESD 2級(jí)關(guān)斷發(fā)生。ESD 1級(jí)邏輯如圖 2所示。

按常規(guī)海上平臺(tái)邏輯，ESD 1動(dòng)作時(shí)要停主電，由于無人平臺(tái)無儀表氣，主電源無需給空壓機(jī)供電，因此 ESD 2動(dòng)作時(shí)就停主電。在依托平臺(tái)中控室設(shè)置無人平臺(tái)的平臺(tái)狀態(tài)燈，用于監(jiān)控和遙控關(guān)斷，提高平臺(tái)的安全可靠性能。

2.2 ESD 2級(jí)關(guān)斷為火氣關(guān)斷

該級(jí)關(guān)斷可由平臺(tái)火災(zāi)或可燃?xì)怏w嚴(yán)重泄漏引起，來自火氣系統(tǒng)，并在按鈕盤上設(shè)置有確認(rèn)火和確認(rèn)氣的按鈕，該級(jí)別與井口區(qū)確認(rèn)火/確認(rèn)氣、生產(chǎn)區(qū)的確認(rèn)火/確認(rèn)氣、電控房間和中控房間的確認(rèn)火/確認(rèn)氣相關(guān)，它可由操作人員觀察到火情后手動(dòng)啟動(dòng)，也可由火氣控制邏輯自動(dòng)啟動(dòng)。除執(zhí)行本級(jí)關(guān)斷的功能外，ESD 2級(jí)關(guān)斷將引起ESD 3、4級(jí)關(guān)斷發(fā)生。典型的ESD 2級(jí)邏輯如圖3所示。

圖2 典型的ESD 1級(jí)邏輯圖Fig.2 Typical ESD-1 logic diagram

圖3 典型的ESD 2級(jí)邏輯圖Fig.3 Typical ESD-2 logic diagram

為了避免無人平臺(tái)的誤報(bào)警和增強(qiáng)安全可靠性，ESD 2級(jí)手動(dòng)時(shí)，停平臺(tái)主電，應(yīng)急電和UPS電制不停；自動(dòng)邏輯時(shí)，只有當(dāng)電控房間和中控房間產(chǎn)生ESD 2時(shí)脫相應(yīng)電制，其他區(qū)域ESD 2不停主電。

2.3 ESD 3級(jí)關(guān)斷為生產(chǎn)/公用關(guān)斷

該級(jí)關(guān)斷由主電源斷電、依托平臺(tái)的生產(chǎn)及以上關(guān)斷、井口盤油箱液位過低、井口盤液壓泵出口壓力過低、閉排罐液位過高、ESD手動(dòng)站氣壓過低以及海管壓力過高或過低引起的，可手動(dòng)和自動(dòng)啟動(dòng)。除執(zhí)行本級(jí)關(guān)斷的功能外，ESD 3級(jí)關(guān)斷將引起ESD 4級(jí)關(guān)斷。ESD 3級(jí)邏輯如圖4所示。

注水系統(tǒng)一般來自依托平臺(tái)，在生產(chǎn)流程發(fā)生故障時(shí)，注水系統(tǒng)并不會(huì)受影響，因此ESD 3時(shí)不停止注水系統(tǒng)。另外，對(duì)于加熱器和攪拌器等作為生產(chǎn)設(shè)備的服務(wù)設(shè)備，為了防止停產(chǎn)時(shí)設(shè)備出現(xiàn)干燒和冷凝現(xiàn)象，ESD 3時(shí)不停止加熱器和攪拌器。

圖4 典型的ESD 3級(jí)邏輯圖Fig.4 Typical ESD-3 logic diagram

2.4 ESD 4級(jí)關(guān)斷為單元關(guān)斷

由單個(gè)設(shè)備或單井故障引起的關(guān)斷，具體是由單井出口管線的壓力高/低、開排/閉排罐液位低、注水海管壓力高/低、化學(xué)藥劑罐液位低等引起的，此關(guān)斷僅關(guān)斷故障設(shè)備或單井，而不影響其他設(shè)備的正常操作。ESD 4級(jí)關(guān)斷可手動(dòng)/自動(dòng)啟動(dòng)。

3 工藝流程控制

無人平臺(tái)的工藝流程儀表控制較為簡(jiǎn)單，一般不設(shè)置儀表風(fēng)系統(tǒng)，且無需設(shè)置調(diào)節(jié)回路。在井口管線、海管上設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)儀表，通過工藝設(shè)定點(diǎn)來控制設(shè)備及管線出入口的關(guān)斷閥和多路閥，關(guān)斷閥采用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓源來自井口盤。

無人平臺(tái)常規(guī)設(shè)置多路閥、多相流量計(jì)、清管球發(fā)射器等，生產(chǎn)物流在無人平臺(tái)上不處理，直接靠電潛泵的壓力通過海底管道輸送至依托平臺(tái)進(jìn)行處理。需計(jì)量的單井物流經(jīng)多路閥導(dǎo)入計(jì)量流程，進(jìn)入多相流量計(jì)進(jìn)行油、氣、水三相計(jì)量，計(jì)量后的物流再與生產(chǎn)物流匯合。

在設(shè)計(jì)井口控制盤時(shí)需考慮相應(yīng)預(yù)留井模塊的安裝空間，井口控制盤通常采用電驅(qū)動(dòng)液壓泵方式，易熔塞和 ESD手動(dòng)站的氣源通常由 N2瓶供給，井口管線壓力開關(guān)由常規(guī)的氣動(dòng)儀表改為電動(dòng)儀表，以提高安全可靠性能。井口控制盤實(shí)現(xiàn)對(duì)井下安全閥和井上安全閥等裝置進(jìn)行監(jiān)控，并將井口狀態(tài)傳給中控 PLC，同時(shí)接收中控發(fā)來的應(yīng)急關(guān)斷信號(hào)，此控制方案滿足工藝要求。

4 結(jié) 語

提出了無人駐守井口平臺(tái)的基本特點(diǎn)和儀控的基本方案，儀控系統(tǒng)一般是無人操作、獨(dú)立的自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用先進(jìn)的PLC進(jìn)行獨(dú)立集成，控制系統(tǒng)的安全級(jí)別至少滿足SIL 2等級(jí)，能獨(dú)立完成無人平臺(tái)的就地控制功能，并能將平臺(tái)的生產(chǎn)、安全信息傳送至依托平臺(tái)的中央控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)可接收并執(zhí)行中央控制系統(tǒng)的控制指令以完成遠(yuǎn)程控制。整個(gè)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)易高效、功能完善、安全可靠。無人平臺(tái)一般無儀表風(fēng)系統(tǒng)，多為電動(dòng)或液動(dòng)儀表或用N2氣驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)儀表氣源采用N2氣瓶或天然氣，儀表盡量采用就地儀表，以減少控制儀表數(shù)量，整個(gè)流程不設(shè)置調(diào)節(jié)回路，無人平臺(tái)通常設(shè)有多路閥、多相流量計(jì)的單井計(jì)量系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制自動(dòng)倒井。

無人駐守平臺(tái)的 PLC簡(jiǎn)易控制已經(jīng)在諸多平臺(tái)中得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)提出無人平臺(tái)最基本的中控系統(tǒng)、邏輯聯(lián)鎖和流程控制方案，以便更好地進(jìn)行無人平臺(tái)設(shè)計(jì)，支持邊際油田開發(fā)。

［1］胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].4版.北京：科學(xué)出版社.2001.

［2］錢曉龍.循序漸進(jìn) SLC500控制系統(tǒng)與Panel View 訓(xùn)練課[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］何衍慶.集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］IEC61508標(biāo)準(zhǔn)[S].國際電工委員會(huì)，2010.

［5］IEC61511標(biāo)準(zhǔn)[S].國際電工委員會(huì)，2003.

Study of Control Scheme for Unmanned Offshore Wellhead Platforms

LI Linian
(CNOOC Energy Technology & Services-Oilfield Construction Engineering Co.R&D Center，Tianjin 300452，China)

As an important part of fixed offshore platforms，an unmanned wellhead platform features less production equipments and simpler technological processes.Based on such characteristics and the safety of both the operator and equipment，the paper presented a control scheme with high integration，simplified design and cost reduction.Then，the scheme was analyzed，aiming to offer reference to the design，application and popularization of unmanned platforms.

unmanned platform；control system；PLC

TE931

A

1006-8945(2014)12-0003-03

2014-11-12