I/A Series系統(tǒng)在油田轉(zhuǎn)油站中的應(yīng)用

李興候

(中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司,北京 100085)

乍得共和國(guó)Great Baobab及其周邊油田地面2.1期建設(shè)工程主要新建了3個(gè)部分的油田處理設(shè)施，即在Great Baobab新建6個(gè)計(jì)量站(OGM)和一個(gè)站內(nèi)轉(zhuǎn)油站(FPF)，Prosopis擴(kuò)建一個(gè)計(jì)量站(OGM)。其中，Great Baobab FPF建成投入使用后，年處理能力為160×104t/a，所接收和處理后的原油輸送到一期Ronier中央處理站(CPF)。站內(nèi)FPF的主要生產(chǎn)工藝裝置有生產(chǎn)匯管、分離器、水套爐、緩沖罐、提升泵、化學(xué)注藥器、氣體洗滌器、火炬分液罐、火炬、儀表風(fēng)系統(tǒng)、給排水裝置、污水處理裝置及其他輔助設(shè)施等。由于FPF裝置種類繁多、生產(chǎn)流程復(fù)雜，因此系統(tǒng)需要設(shè)置多種控制邏輯，且自動(dòng)化程度要求較高。針對(duì)此要求，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝平穩(wěn)、裝置安全運(yùn)行的目的，Baobab FPF站內(nèi)自控系統(tǒng)采用開放式I/A Series系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置①

整個(gè)站內(nèi)控制系統(tǒng)采用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)油田工藝參數(shù)進(jìn)行采集和集中監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

第一級(jí)為Baobab FPF站內(nèi)相關(guān)工藝設(shè)施設(shè)置的控制系統(tǒng)；第二級(jí)為Baobab FPF所屬的OGM站內(nèi)設(shè)置的控制系統(tǒng)。第二級(jí)控制系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)將在第一級(jí)控制系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，站內(nèi)控制系統(tǒng)還通過(guò)光纖與Ronier CPF中心控制室的SCADA連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域油田的集中監(jiān)視和控制。考慮系統(tǒng)升級(jí)和將來(lái)擴(kuò)展，控制系統(tǒng)配有備用接口；考慮系統(tǒng)的可靠性，控制處理機(jī)和相關(guān)硬件設(shè)置1∶1冗余。

站內(nèi)I/A Series控制系統(tǒng)采用了一個(gè)工程師站(H92 Workstation)、一個(gè)操作員站(H92 Workstation)、一個(gè)工程師/操作員站(H92 Workstation)、3對(duì)冗余控制器(P0917YZ)、3個(gè)PC終端(DELL 21″)、一臺(tái)打印機(jī)(2055D)、一對(duì)冗余電源模塊(P0922YU)、一對(duì)冗余以太網(wǎng)接口、12個(gè)Modbus通信卡接口(P0926GG)、各種輸入輸出卡件(FBM)及其他配件等?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2 系統(tǒng)功能與特點(diǎn)

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括：模擬全站工藝流程并分組、分級(jí)顯示各子單元流程，實(shí)時(shí)顯示各主要生產(chǎn)工藝參數(shù)和主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并以聲光報(bào)警的形式顯示生產(chǎn)和安全的異常狀態(tài)；各井口來(lái)油計(jì)量、儲(chǔ)油罐與注水罐液位計(jì)量、原油含水含氣分離控制、加熱爐原油加熱溫度控制及其他原油處理等；火炬氣的遠(yuǎn)程點(diǎn)火控制；手/自動(dòng)兩種方式控制全站內(nèi)各類泵的啟停；實(shí)現(xiàn)全站注水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和外輸系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制；顯示各類撬裝化設(shè)備的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，同時(shí)控制相應(yīng)的啟停；歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和趨勢(shì)分析；記錄并打印報(bào)警信息。

系統(tǒng)的硬件、軟件和通信網(wǎng)絡(luò)采用通用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)第三方標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品完全兼容，具有良好的開放性與擴(kuò)展性[1]。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)、供電電源和工作站采用冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)，中央處理機(jī)具備容錯(cuò)機(jī)制，輸入、輸出組件應(yīng)用先進(jìn)的SMT技術(shù)，能夠保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，且具有良好的可靠性。系統(tǒng)具備自整定及多變量自整定等復(fù)雜計(jì)算能力，具有模擬量、數(shù)字量、順序控制、梯形邏輯和批處理控制功能，具有比常規(guī)控制更先進(jìn)的基于模型的約束控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化的預(yù)測(cè)控制。系統(tǒng)能夠靈活地在線和離線組態(tài)，組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的顯示畫面、控制算法、歷史趨勢(shì)及報(bào)表等可直接下載到中央處理器，不需要重新編譯和轉(zhuǎn)換，因此在系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)時(shí)可以節(jié)省時(shí)間，同時(shí)節(jié)省成本。系統(tǒng)容量大，其中進(jìn)入站控系統(tǒng)的溫度測(cè)量點(diǎn)86個(gè)、壓力測(cè)量點(diǎn)103個(gè)、流量測(cè)量點(diǎn)12個(gè)、液位測(cè)量點(diǎn)14個(gè)、火焰監(jiān)測(cè)點(diǎn)8個(gè)、可燃性氣體檢測(cè)點(diǎn)29個(gè)、流量PID調(diào)節(jié)回路5個(gè)、液位調(diào)節(jié)回路8個(gè)，污水處理順序控制(72個(gè)I/O點(diǎn))和消防聯(lián)鎖控制系統(tǒng)(320個(gè)I/O點(diǎn))各一套。

3 主要控制方案的實(shí)施

3.1 油氣水三相分離器的控制

油氣水三相分離器是油田地面工程項(xiàng)目中的常用設(shè)備，能夠?qū)⒏髡臼占瘉?lái)的混合液以相應(yīng)密度差為動(dòng)力進(jìn)行油氣水分離[2]。其控制原理如圖3所示，分離器的分離效果直接與腔內(nèi)天然氣壓力、油室液面高度和混合腔混合液界面高度3個(gè)參數(shù)的合理控制密切相關(guān)，原因是：

a. 收集的混合液組成多樣，既有氣態(tài)烴甲烷，也有復(fù)雜烴化合物，因此腔內(nèi)天然氣壓力變化頻繁，為了保證分離效果，需要控制腔內(nèi)天然氣壓力恒定于合理值附近。腔內(nèi)天然氣壓力檢測(cè)采用帶隔膜壓力變送器，傳送到I/A Series系統(tǒng)運(yùn)算輸出控制信號(hào)，送往氣出口管線的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制閥門開度保證腔內(nèi)壓力在合理范圍之內(nèi)。

b. 油室油面高度設(shè)定在合理值之內(nèi)，主要是防止油室內(nèi)石油全部排干，腔內(nèi)天然氣串到下游裝置中，損害設(shè)備。檢測(cè)采用雙法蘭液位變送器，傳送到I/A Series系統(tǒng)運(yùn)算輸出，送往油出口管線的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥門開度保證腔內(nèi)油面液位在合理值之內(nèi)。

c. 混合腔混合液界面高度設(shè)定在合理值之內(nèi)，一方面防止水位過(guò)高，溢過(guò)混合腔與油腔的隔離板，污染已分離的石油；另一方面防止水位過(guò)低，處在界面上層的石油通過(guò)出水管線流出三相分離器造成浪費(fèi)。檢測(cè)采用射頻導(dǎo)納界面儀，傳送到I/A Series系統(tǒng)運(yùn)算輸出控制信號(hào)，送往水出口管線的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制閥門開度保證混合腔內(nèi)界面在合理范圍之內(nèi)。

圖3 油氣水三相分離器控制原理

油氣水三相分離器采用I/A Series系統(tǒng)的集散型控制方式，通過(guò)軟件將成熟的PID控制算法編寫在內(nèi)核中，上位機(jī)可以靈活整定PID各環(huán)節(jié)的控制參數(shù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用帶閥門定位器的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，有開關(guān)時(shí)間短和反應(yīng)靈活的特點(diǎn)。

3.2 4臺(tái)潛水泵啟動(dòng)順序的控制

4臺(tái)潛水泵啟動(dòng)順序控制原理如圖4所示。潛水泵的最大揚(yáng)程56m，最大排液量120m3/h。為了使?jié)撍酶咝?、可靠并?jīng)濟(jì)地運(yùn)行，根據(jù)水泵兩用、兩備的工藝設(shè)計(jì)思路，控制策略采用包括注水罐液面及泵自身運(yùn)行和故障狀態(tài)等因素在內(nèi)的4臺(tái)潛水泵自動(dòng)輪流運(yùn)行與均衡出力的控制方式[3]。

圖4 4臺(tái)潛水泵啟動(dòng)順序控制原理

具體控制策略為：

a. 根據(jù)注水罐內(nèi)水位高低決定泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。將注水罐內(nèi)的水位分為5個(gè)級(jí)別，依次為最低水位、低水位、中水位、高水位和最高水位。注水罐內(nèi)實(shí)際水位的測(cè)量采用普通的具備遠(yuǎn)傳功能的磁浮子液位計(jì)，I/A Series系統(tǒng)接收液位計(jì)的實(shí)際水位信號(hào)后，與5個(gè)設(shè)定水位級(jí)別值比較，從而決定潛水泵投入運(yùn)行的臺(tái)數(shù)。需要多臺(tái)潛水泵投入運(yùn)行時(shí)，多臺(tái)潛水泵依次延時(shí)投入運(yùn)行。在4臺(tái)潛水泵完好且沒(méi)有故障的情況下，當(dāng)注水罐內(nèi)實(shí)際水位高于最高水位時(shí)，4臺(tái)潛水泵全部停止運(yùn)行；當(dāng)注水罐內(nèi)實(shí)際水位處于高水位和最高水位之間時(shí)，一臺(tái)潛水泵投入運(yùn)行；當(dāng)注水罐內(nèi)實(shí)際水位處于中水位和高水位之間時(shí)，兩臺(tái)潛水泵投入運(yùn)行；當(dāng)注水罐內(nèi)實(shí)際水位處于最低水位和中水位之間時(shí)，3臺(tái)潛水泵投入運(yùn)行；當(dāng)注水罐內(nèi)實(shí)際水位低于最低水位時(shí)，4臺(tái)潛水泵全部投入運(yùn)行。

b. 正常工作時(shí)，注水罐內(nèi)液位保持在中水位和高水位之間(有兩臺(tái)潛水泵運(yùn)行，兩臺(tái)處于備用不工作狀態(tài))?？紤]每隔一段時(shí)間切換一次泵運(yùn)行，即備用泵轉(zhuǎn)為運(yùn)行泵，運(yùn)行泵中運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的泵優(yōu)先轉(zhuǎn)為備用泵。因此，每臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)間比較平均，出力也比較均衡，泵出故障的機(jī)率會(huì)降低，可靠性會(huì)相應(yīng)提高。

c. 單臺(tái)或多臺(tái)泵出現(xiàn)故障的可能性是隨機(jī)事件，泵出故障的機(jī)率隨臺(tái)數(shù)的增加而降低。自動(dòng)控制要求同一時(shí)刻只能有不大于兩臺(tái)潛水泵出故障，如果有多于兩臺(tái)泵出故障，則改為手動(dòng)控制。一臺(tái)或兩臺(tái)泵發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)設(shè)定故障泵為備用泵來(lái)保證生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。因此維護(hù)人員能夠利用間隔時(shí)間維修故障泵，排除故障。

4 存在的問(wèn)題與不足

系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性除了與系統(tǒng)本身有關(guān)外，還與外圍設(shè)備有關(guān)。投產(chǎn)運(yùn)行結(jié)果表明：該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中大部分一次儀表都安裝在合理位置，但油氣水三相分離器上用于測(cè)量混合液界面的帶遠(yuǎn)傳磁浮子液位計(jì)，安裝在進(jìn)液口方向三相分離器罐體長(zhǎng)度的1/3處，由于安裝位置離進(jìn)液口太近，使得進(jìn)入分離器的混合液波動(dòng)較大，導(dǎo)致液位計(jì)測(cè)量值變化頻繁，測(cè)量精度較差，這在進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí)極大地降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，將三相分離器的安裝位置適當(dāng)往后調(diào)整，改進(jìn)后的液位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性和閉環(huán)控制的可靠性均得到了提高。

設(shè)計(jì)中所有被控變量仍然采用傳統(tǒng)方法，即通過(guò)電纜逐個(gè)送往中控室。但各生產(chǎn)裝置分散，離中控室較遠(yuǎn)，因此，項(xiàng)目所需的材料費(fèi)和人工成本比較高。目前可擴(kuò)展的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)比較成熟，因此將來(lái)可以考慮將現(xiàn)行的就地總線形式改進(jìn)為可擴(kuò)展的現(xiàn)場(chǎng)總線，縮減項(xiàng)目成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

在乍得共和國(guó)Great Baobab及周邊2.1期建設(shè)項(xiàng)目DCS應(yīng)用中，采用I/A Series系統(tǒng)順利地完成了工程的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試及開車等幾個(gè)階段，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)短時(shí)間的調(diào)試，全部一次性投入自動(dòng)運(yùn)行，控制精度完全符合生產(chǎn)要求。

[1] 周琨,周雪花,趙東凱.I/A Series控制系統(tǒng)在水煤漿氣化中的應(yīng)用[J].遼寧化工,2011,40(8):854～856.

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[3] 卜祥泉,周樹志,龐科旺.煤礦井下排水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2007,(3):5～7.