緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)在海洋采油平臺中的應用

韓小磊

(中石化石油工程設計有限公司,山東 東營 257026)

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緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)在海洋采油平臺中的應用

韓小磊

(中石化石油工程設計有限公司,山東 東營 257026)

摘要：為保障海洋采油平臺生產(chǎn)、集輸?shù)陌踩\行，避免污染海洋環(huán)境的事故發(fā)生，根據(jù)采油平臺生產(chǎn)工藝流程，結合埕島油田SCADA測控系統(tǒng)的自身特點，將采油平臺緊急聯(lián)鎖關斷等級分為四級，明確了每個級別聯(lián)鎖關斷的觸發(fā)條件和關斷動作，通過PLC系統(tǒng)的編程實現(xiàn)聯(lián)鎖關斷邏輯，豐富了SCADA系統(tǒng)的功能，確保了采油平臺安全、平穩(wěn)、高效的運行。

關鍵詞：采油平臺緊急關斷系統(tǒng)可編程邏輯控制器過程控制系統(tǒng)

勝利埕島油田是擁有3座中心平臺和90多座采油井組平臺的大型灘海油田，采油平臺完成采油、計量及加熱等生產(chǎn)工藝流程，原油通過海底輸油管道輸送至中心平臺進行油、氣、水處理，最后輸送至陸地。緊急關斷系統(tǒng)(ESD)通過對油井生產(chǎn)集輸關鍵參數(shù)(單井回壓、外輸干壓、加熱器溫度、火災報警、可燃氣體報警等)的連續(xù)監(jiān)視，檢測其相對于預定安全條件的變化，當參數(shù)值超出安全限值時，系統(tǒng)會立即對相應生產(chǎn)設備實施關斷，保障生

產(chǎn)和集輸?shù)陌踩?，使發(fā)生惡性事故的可能性降到最低。

1生產(chǎn)工藝流程

采油平臺井口來油靠井口壓力流經(jīng)計量流程或生產(chǎn)流程后，原油通過海底管線輸送至中心平臺，進行簡易的油氣水處理，最后輸送至陸地。采油平臺生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，設備主要包括井口采油樹、計量流程中的計量電加熱器和混輸流程中的生產(chǎn)電加熱器[1]。

圖1　采油平臺生產(chǎn)工藝流程示意

2系統(tǒng)組成及特點

2.1系統(tǒng)組成

2.1.1安全儀表系統(tǒng)(SIS)

該油田SCADA系統(tǒng)采用了“三級網(wǎng)絡，兩級控制”的架構，中心平臺和陸地中心站均可以遙測遙控各采油平臺，采油平臺端的控制系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)(PCS)和SIS組成，其中SIS又由ESD和火氣系統(tǒng)(FGS)組成。ESD主要完成對工藝生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)控，包括干溫、干壓、加熱器出口溫度、井口回壓等參數(shù)，并根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)的變化實施對相應井口電潛泵、電加熱器、緊急切斷閥等設備的緊急停車。FGS主要完成對采油平臺火災報警信號、可燃氣體報警信號的實時監(jiān)控，并根據(jù)不同安全區(qū)域的火災或可燃氣體報警信號聯(lián)鎖關斷井口電潛泵、井上井下安全閥和緊急切斷閥等設備，并控制4種不同顏色平臺狀態(tài)燈的開啟和熄滅。

2.1.2關鍵參數(shù)

為保障采油平臺穩(wěn)定、安全的生產(chǎn)，根據(jù)工藝流程確定了影響工藝的重要生產(chǎn)參數(shù)[2]，如： 為保障井口原油的正常外輸，將單井回壓、平臺原油外輸干壓作為聯(lián)鎖關停油井的觸發(fā)條件；將加熱器出口溫度作為聯(lián)鎖關停生產(chǎn)或計量加熱器觸發(fā)條件；將可燃氣體或火災報警作為聯(lián)鎖關斷切斷閥、電潛泵等設備的觸發(fā)條件等。將火災與可燃氣體檢測的安全區(qū)域分為生活樓區(qū)、井口區(qū)、配電樓區(qū)、工藝區(qū)、修井區(qū)等，為避免可燃氣體誤報警，規(guī)定同一區(qū)域需2個以上可燃氣體報警才會觸發(fā)聯(lián)鎖關斷。

2.1.3系統(tǒng)軟硬件

SIS硬件由Conrtollogix系列可編程邏輯控制器(PLC)組成，CPU和通信模塊采用熱備冗余配置，CPU槽架和IO機架之間采用冗余的ConrtolNet網(wǎng)絡通信，最大限度地保證系統(tǒng)的安全、正常、平穩(wěn)運行。

系統(tǒng)軟件采用了RSlogix5000作為PLC的編程軟件，通過梯形圖及AOI功能塊的使用，完成ESD和FGS的邏輯控制。HMI人機界面和數(shù)據(jù)庫采用EPKS軟件，通過HMIWeb Display Builder編寫畫面，通過Quick Builder編寫數(shù)據(jù)庫，完成人機界面的開發(fā)。

2.2系統(tǒng)特點

2.2.1四級關斷

根據(jù)國內(nèi)外油氣田設計經(jīng)驗，結合海洋采油的實際情況，將緊急聯(lián)鎖關斷等級分為四級：

1) ESD-0。此級別關斷為最高級別關斷，所有設備全部停車，棄平臺，并點亮棄平臺狀態(tài)燈，此關斷為人工觸發(fā)。

2) ESD-1。此級別關斷為全平臺關斷，點亮火災狀態(tài)燈，由火災及人工確認觸發(fā)。

3) PSD。此級別關斷為工藝設備關斷，不泄壓，只停工藝設備，由外輸管線干壓和可燃氣體報警觸發(fā)。

4) USD。此級別關斷為單元設備關斷，為不影響整體工藝流程的單獨設備停車，由單元設備參數(shù)觸發(fā)。

2.2.2儀表獨立

井口單井回壓、原油外輸干壓等重要生產(chǎn)參數(shù)均設獨立儀表，同一參數(shù)現(xiàn)場安裝2塊儀表，SIS和PCS儀表獨立分開。

2.2.3冗余

SIS實現(xiàn)了CPU的熱備冗余和輸入輸出模板I/O冗余，降低硬件、儀表回路故障所引發(fā)的誤關斷概率。

3關斷設計方案

3.1ESD-0級關斷

此為棄平臺關斷，所有設備關停，泄壓閥泄壓，切斷電源，給予最高級別警示。

觸發(fā)原因： 不可預知自然災害，經(jīng)人工確認棄平臺。

關斷輸出： 觸發(fā)ESD-1級別關斷；激活平臺藍色狀態(tài)燈；HMI報警。

3.2ESD-1級關斷

此關斷為全平臺關斷，為避免事故發(fā)生或者減少事故損失，需要觸發(fā)級別關斷，此級別關斷平臺所有設備，且油井井上、井下泄壓閥泄壓，保證油井本質(zhì)安全。與ESD-0級別不同在于指示燈顏色不同。

觸發(fā)原因： ESD-0觸發(fā)；現(xiàn)場發(fā)生火災、爆管等重大事故并經(jīng)人工確認；井口工藝區(qū)火災報警。

關斷輸出： 觸發(fā)PSD關斷；激活平臺紅色狀態(tài)燈；關斷所有油井井上井下安全閥；HMI報警。

3.3PSD級關斷

此級別為工藝流程的關斷，當工藝流程中某一參數(shù)發(fā)生變化時，引起相應流程設備的關斷。該系統(tǒng)中外輸管線干壓超高或超低都會對整個管網(wǎng)造成影響，因而在外輸干壓超限時需要關停所有生產(chǎn)設備，并切斷外輸管線的切斷閥，但油井井上及井下不泄壓。

觸發(fā)原因： ESD-1觸發(fā)；海底外輸管線干壓高高壓或低低壓報警；同一區(qū)域兩臺可燃氣體高報警。

關斷輸出： 關斷外輸管線緊急切斷閥；關停所有油井井口電潛泵；停計量加熱器、停生產(chǎn)加熱器；HMI報警。

3.4USD關斷

此關斷為單元關斷，由采油平臺工藝流程中單元設備參數(shù)引起的本設備關斷，目的在于保護生產(chǎn)設備。井口回壓作為單井井口出口壓力，壓力過高或過低都會對整個采油井組的原油輸出造成影響。壓力過高會對其他油井的出油量產(chǎn)生影響，從而影響電潛泵，壓力過低則會受到其他油井的影響[3]。原油加熱器出口溫度作為加熱器的重要生產(chǎn)參數(shù)，適當提高油溫有利于原油的輸送，但油溫過高會對設備和管線產(chǎn)生損害，且油溫一旦超過100 ℃，原油中的水分會轉(zhuǎn)化為水蒸氣，致使管線和設備承受壓力增大，易發(fā)生危險。

觸發(fā)原因： 單井井口管線出口壓力高高或低低壓報警；計量加熱器出口溫度高高報警；生產(chǎn)加熱器出口溫度高高報警。

關斷輸出： 關停相應單井井口電潛泵；停計量加熱器、停生產(chǎn)加熱器；HMI報警。

4緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)的實施

4.1系統(tǒng)的搭建與開發(fā)

緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)包括ESD和FGS，根據(jù)不同觸發(fā)條件，執(zhí)行不同的設備關斷，系統(tǒng)結構如圖2所示。該系統(tǒng)采用了PLC實現(xiàn)緊急聯(lián)鎖關斷的控制方式，PLC采用了CPU的熱備冗余方式，保障系統(tǒng)的可靠運行，F(xiàn)GS和ESD共用一套PLC的CPU，但I/O槽架嚴格區(qū)分，各槽架之間采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡通信，PLC與中控室服務器采用以太網(wǎng)鏈接，保證通信的質(zhì)量和可靠性。

圖2　緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)結構示意

PLC系統(tǒng)完成各參數(shù)的采集、邏輯運算和輸出控制等功能，并與中心平臺中控室進行數(shù)據(jù)交換，響應中控室的各種控制指令。該系統(tǒng)采用的PLC數(shù)據(jù)處理能力、穩(wěn)定性、可靠性均屬同行業(yè)頂尖水平，有效地保障了緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)的運行質(zhì)量。

4.2系統(tǒng)軟件開發(fā)

ESD關斷邏輯的實現(xiàn)，需要PLC通過編程實現(xiàn)。針對海洋采油的特點及對緊急關斷輸出的要求，編制了電潛泵、切斷閥、井下安全閥及普通開關控制的功能塊(AOI)，有效地將緊急關斷及普通的遙測遙控融合到了一起，且具有高效、直觀等優(yōu)點。主程序框圖如圖3所示。

該系統(tǒng)在完成數(shù)據(jù)采集后，程序進入ESD觸發(fā)原因狀態(tài)位邏輯檢測部分，這一部分中需要判斷火災、可燃氣體、回壓、干壓等關鍵參數(shù)是否超限，如若超限，各超限參數(shù)會觸發(fā)相應的報警狀態(tài)位，此報警狀態(tài)位作為關斷輸出的輸入條件，為真時觸發(fā)相應關斷。

圖3　ESD關斷邏輯主程序框圖示意

4.3系統(tǒng)應用情況

緊急聯(lián)鎖關斷技術已在該采油平臺展開應用，系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，出現(xiàn)多次單井回壓超限引起的USD級別關斷，未發(fā)生更高級別的聯(lián)鎖關斷，關斷響應時間均小于1s，實現(xiàn)了對設備的準確關停，保障了該平臺生產(chǎn)的安全。

5結束語

緊急關斷邏輯的制訂和實施是個極其復雜的工程，不同工藝的流程對因果邏輯影響很大，隨著采油平臺集輸管網(wǎng)的連接，一條集輸管線所連接的所有采油平臺的相互協(xié)調(diào)關斷是影響輸油管道集輸安全的重要因素，實際實施中要認真分析，確保把一條集輸管線上所有平臺的緊急關斷有機地結合成一個整體。

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中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0068-03

作者簡介：韓小磊(1981—)，男，山東東營人，2009年畢業(yè)于中國石油大學(華東)檢測技術與自動化裝置專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)就職于中石化石油工程設計有限公司，主要從事自動化設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-01-28，修改稿收到日期： 2015-03-15。