圓筒型生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)智能中控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

譚 瞳

(中遠(yuǎn)船務(wù)(啟東)海洋工程有限公司 江蘇南通226200)

“丹納”FPSO的中控系統(tǒng)(Safety and Automation System)架構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為 5大子系統(tǒng)：工藝模塊智能控制系統(tǒng)PCS(Process Control System)、船用設(shè)備控制管理系統(tǒng)RMS(Rig Management System)、火氣智能監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)F&G(Fire and Gas system)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng) ESD(Emergency Shutdown system)& PSD(Process Shutdown system)、智能功率管理系統(tǒng)PDCS(Power Distribution Control System)。其架構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 “丹納”FPSO中控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of DANA FPSO Safety and Automation System

采用這種分布式控制架構(gòu)，并且是多重保護(hù)雙冗余的智能控制系統(tǒng)，滿足英國(guó)UK HSE安全標(biāo)準(zhǔn)，其中的應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)和火氣智能監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)完全滿足SIL2的安全等級(jí)認(rèn)證。在組成上，有40個(gè)大型的智能本地信號(hào)采集站，采集站滿足危險(xiǎn)區(qū) Zone 1的安裝要求，為Exd IIB T6 IP66等級(jí)，采集信號(hào)總數(shù)超過(guò)17,000點(diǎn)。

“丹納”FPSO選用的是 SIL3認(rèn)證的 S800高完整性輸入輸出卡件，輸入輸出卡件又分為模擬量輸入輸出卡件、開(kāi)關(guān)量輸入輸出卡件、串行通訊卡、HART卡件等。其中，模擬量輸入卡分為 RTD輸入卡、熱電偶輸入卡、電位器輸入卡、二線制 4～20,mA輸入卡等，串行通訊卡采用 MODBUS串行通訊卡。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用總線協(xié)議的不同，又分為基于 Profibus協(xié)議的HART卡和基于FF協(xié)議的HART卡。整個(gè)中控網(wǎng)絡(luò)是基于標(biāo)準(zhǔn)的百兆/千兆自適應(yīng)的 TCP/IP光纖通信網(wǎng)絡(luò)，所有過(guò)程和安全控制器、服務(wù)器和操作站都連接到主用和備用兩套網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其中一套網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，數(shù)據(jù)通訊會(huì)自動(dòng)切換，同時(shí)故障將上報(bào)至報(bào)警/事件系統(tǒng)或資產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要依據(jù)基本設(shè)計(jì)原理對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和功能進(jìn)行多視角、多層次的分析，將相關(guān)設(shè)計(jì)思路和邏輯控制原理送審船東和船檢以及第三方 IVB評(píng)估，安全控制相關(guān)系統(tǒng)取得 SIL2認(rèn)證，在功能試驗(yàn)和出廠驗(yàn)證時(shí)，引入 UK HSE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格把控。

1 工藝模塊智能控制系統(tǒng)(PCS)

工藝模塊智能控制系統(tǒng)采用本地分散信號(hào)采集和集中控制的設(shè)計(jì)原理，主要服務(wù)于壓縮機(jī)模塊，注水模塊，一級(jí)分離、二級(jí)分離模塊，化學(xué)注入模塊等，為原油采集加工過(guò)程中的相關(guān)工藝流程提供動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)流程信息、顯示工藝參數(shù)、監(jiān)控各生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)，提供監(jiān)測(cè)信息，使生產(chǎn)順利安全進(jìn)行，也為操作員提供便利的人機(jī)交互對(duì)話。在設(shè)計(jì)時(shí)，采用了基于 NORSORK I-005標(biāo)準(zhǔn)的 SCD邏輯控制圖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，相對(duì)于文字性功能描述，SCD圖能更直接、清晰地反映控制邏輯，更易于軟件設(shè)計(jì)和功能的分解。

2 船用設(shè)備控制管理系統(tǒng)(RMS)

船用設(shè)備控制管理系統(tǒng)主要用于平臺(tái)船舶運(yùn)營(yíng)及對(duì)公共生活系統(tǒng)的服務(wù)和管理。主要包括對(duì)各類(lèi)油艙水艙壓載艙的監(jiān)測(cè)管理、貨油系統(tǒng)、海水淡水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、氮?dú)饧岸铓庀到y(tǒng)、錨機(jī)吊車(chē)、生活水處理等設(shè)備的控制和監(jiān)測(cè)，使平臺(tái)的公共服務(wù)系統(tǒng)處于平穩(wěn)安全運(yùn)行狀態(tài)，為平臺(tái)的安全生產(chǎn)提供必要保障。

3 火氣智能監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)(F&G)

火氣系統(tǒng)主要功能有：自動(dòng)探測(cè)火災(zāi)報(bào)警和可燃?xì)怏w泄露報(bào)警，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警及對(duì)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行切斷保護(hù)，自動(dòng)啟動(dòng)消防系統(tǒng)參與滅火消防?；饸庀到y(tǒng)使用的各類(lèi)探頭及報(bào)警裝置有一千多個(gè)，均采用雙UPS供電，任意一路 UPS失電自動(dòng)切換到另外一路UPS供電。各類(lèi)探頭、手動(dòng)按鈕、信號(hào)采集箱及控制箱內(nèi)的繼電器、輸入輸出模塊、控制器乃至系統(tǒng)軟件全部取得SIL2或者SIL3安全認(rèn)證，火氣系統(tǒng)整體符合 SIL2安全功能要求。為避免單個(gè)探頭故障而引起誤操作，該系統(tǒng)采用智能表決確認(rèn)邏輯，即 3個(gè)或者大于 3個(gè)探頭中的任意 2個(gè)探頭同時(shí)報(bào)警或者故障時(shí)，視為確認(rèn)報(bào)警。

4 應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD/PSD)

ESD應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)是保證平臺(tái)安全的重要環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)一旦接收到危險(xiǎn)信號(hào)，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的邏輯判斷程序自動(dòng)對(duì)平臺(tái)上相應(yīng)的設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行切斷，同時(shí)具備手動(dòng)功能，從而保證人員和設(shè)備的安全。該系統(tǒng)分為 3個(gè)等級(jí)：棄平臺(tái)切斷(APS)、高危險(xiǎn)等級(jí)切斷ESD1、較低危險(xiǎn)等級(jí)切斷ESD2。從“故障安全”的設(shè)計(jì)原則考慮，通常應(yīng)急切斷系統(tǒng)采用“常閉”回路，以保證緊急狀態(tài)下的可靠切斷。對(duì)于安全關(guān)鍵系統(tǒng)及 UPS系統(tǒng)，應(yīng)采用帶有線路監(jiān)測(cè)保護(hù)的“常開(kāi)”回路，以避免誤關(guān)斷。PSD工藝關(guān)斷系統(tǒng)主要是工藝生產(chǎn)的應(yīng)急切斷系統(tǒng)，由于生產(chǎn)模塊是FPSO上最重大的危險(xiǎn)源，因此PSD系統(tǒng)是保證原油生產(chǎn)安全的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)接收在原油生產(chǎn)過(guò)程中的各種顯著狀態(tài)偏離信號(hào)，在智能邏輯判斷后自動(dòng)對(duì)原油生產(chǎn)環(huán)節(jié)相應(yīng)進(jìn)行整體或部分切斷，以保證生產(chǎn)人員及生產(chǎn)設(shè)備的安全。

5 智能功率管理系統(tǒng)(PDCS)

“丹納”FPSO的功率管理系統(tǒng)選用的是 ABB功率管理系統(tǒng)(Industrial IT 800xA)，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示[2]。

圖2 FPSO功率管理系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Simple graph of FPSO power management system

功率管理系統(tǒng)的主要功能有：電網(wǎng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、負(fù)載的優(yōu)先脫扣、智能分配負(fù)荷、逆功率保護(hù)、調(diào)頻調(diào)載、自動(dòng)同步、快速恢復(fù)電網(wǎng)，以及其他的報(bào)警和監(jiān)測(cè)功能。正常工作時(shí)，11,kV配電盤(pán)是形成整體一塊配電盤(pán)的架構(gòu)，如果出現(xiàn)中壓配電盤(pán)失電，配電盤(pán)間的母線耦合開(kāi)關(guān)會(huì)立即分段，將中壓配電盤(pán)分解為獨(dú)立的 3段。發(fā)生中壓配電盤(pán)失電時(shí)，對(duì)應(yīng)失電配電母盤(pán)的處于待機(jī)狀態(tài)的透平發(fā)電機(jī)會(huì)依據(jù)指定的啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)順序自動(dòng)啟動(dòng)，待電壓、頻率建立起來(lái)自動(dòng)合閘恢復(fù)中壓配電盤(pán)的供電。當(dāng)中壓配電盤(pán)側(cè)失電時(shí)，11,kV/690,V 變壓器原邊和副邊斷路器自動(dòng)斷開(kāi)，對(duì)應(yīng)的 690,V低壓配電盤(pán)失電。當(dāng)中壓配電盤(pán)側(cè)快速恢復(fù)供電后，功率管理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)合閘變壓器原邊副邊開(kāi)關(guān)，使690,V低壓配電盤(pán)恢復(fù)供電。

智能中控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，除了架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)要特別重視，在信號(hào)的篩選和系統(tǒng)控制分級(jí)上也要做好前期規(guī)劃，尤其是通信接口的選用，一定要注意不同通信協(xié)議之間的兼容性。

［1］ DANA Project SAS Functional Design Specification [Z].

［2］ DANA Project SAS System Philosophy[Z].

［3］ 劉貴強(qiáng)，黃潔，馬海驕，等. 基于MESH技術(shù)的油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在華北油田的應(yīng)用[J]. 油氣田地面工程，2016(11)：58-60.