海洋平臺(tái)自控系統(tǒng)對標(biāo)分析與探討

徐慶松,邢增亮

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026)

隨著近年來科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，中國海洋平臺(tái)開發(fā)技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，但是與國外先進(jìn)的生產(chǎn)開發(fā)技術(shù)相比仍然具有很大差異，特別是在自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用上存在很大的不足，制約了中國石油開發(fā)技術(shù)向國際先進(jìn)技術(shù)邁進(jìn)的步伐。

海洋平臺(tái)自控系統(tǒng)的應(yīng)用不僅提高了工藝生產(chǎn)運(yùn)行效率，減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度，更保障了人員和生產(chǎn)設(shè)施的安全，避免了石油開發(fā)故障造成的海洋污染。本文結(jié)合某油田海洋平臺(tái)，在自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式方面與中海油平臺(tái)、國外海洋平臺(tái)進(jìn)行對標(biāo)分析，在引用規(guī)范、設(shè)計(jì)方式、技術(shù)方案等方面進(jìn)行探討，為國內(nèi)海洋平臺(tái)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)[1-2]。

該油田目前共有109座海洋平臺(tái)，包括采油平臺(tái)、中心平臺(tái)等，是國家海洋平臺(tái)的一支重要力量。隨著生產(chǎn)運(yùn)行的時(shí)間增加，一些問題逐漸顯現(xiàn)，如： 部分平臺(tái)缺少完善的安全控制措施而造成設(shè)備損壞或人身傷害，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(FAS)頻繁誤報(bào)警對工藝生產(chǎn)過程造成影響，平臺(tái)結(jié)構(gòu)、布局需要優(yōu)化等。為保證平臺(tái)連續(xù)安全生產(chǎn)運(yùn)行,本文結(jié)合實(shí)際，引入新技術(shù)和方法，切實(shí)提高自動(dòng)化水平。

1 主要規(guī)范對比

規(guī)范的引用決定工程投資、設(shè)計(jì)水平、工程質(zhì)量及本質(zhì)安全等。該油田、中海油、美國EDC平臺(tái)自控系統(tǒng)主要采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對比見表1所列。

表1 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對比

續(xù)表1

該油田一直執(zhí)行SY 5747—2008《淺(灘)海鋼制固定平臺(tái)安全規(guī)則》，該規(guī)范要求火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)按照GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)置，而GB50116—2013要求火災(zāi)及消防產(chǎn)品必須具有火災(zāi)消防強(qiáng)制認(rèn)證(CCC)，目前通過CCC認(rèn)證的主流火災(zāi)報(bào)警設(shè)備多是民用產(chǎn)品，較難適用于惡劣的海上工作環(huán)境，這是該油田火災(zāi)報(bào)警設(shè)備誤報(bào)率較高的主要原因[3-4]。

中海油/EDC平臺(tái)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置主要參照NFPA和API RP14C的標(biāo)準(zhǔn)，采用易熔塞進(jìn)行井口、主要管匯和罐體區(qū)域的火災(zāi)探測，輔助以火焰探測器等電動(dòng)探測裝置。工藝裝置區(qū)火災(zāi)探測器信號(hào)直接進(jìn)安全儀表系統(tǒng)(SIS)，全系統(tǒng)均是工業(yè)級(jí)產(chǎn)品且有多年海上應(yīng)用實(shí)例，所以可靠性非常高。

在過程控制方面，參照SY/T 0310，API 554，IEC 61511，該油田與中海油/EDC平臺(tái)在儀表選型和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上基本一致，主要區(qū)別在于中海油/EDC平臺(tái)采用氣動(dòng)控制回路，更注重失效安全；該油田主要采用電動(dòng)控制，更注重連續(xù)生產(chǎn)和安全之間的平衡。

2 設(shè)計(jì)方式對比

2.1 HAZOP分析

平臺(tái)上油氣生產(chǎn)處理、動(dòng)力、消防、應(yīng)急救生等設(shè)施都集中在有限的空間內(nèi)，且作業(yè)人員生活也處在該環(huán)境之中，安全生產(chǎn)被提到了空前的高度。通過進(jìn)行HAZOP分析，能夠歸納與整理海上平臺(tái)儀表系統(tǒng)的安全性與應(yīng)急可操作性問題，分析識(shí)別出系統(tǒng)及平臺(tái)裝置設(shè)備可能存在的問題，提出相應(yīng)的建議及整改措施，對儀表系統(tǒng)安全事故預(yù)防和安全穩(wěn)定運(yùn)行起到重要作用。同時(shí)，對提升海上石油平臺(tái)整體設(shè)備運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和應(yīng)急性具有十分重要的意義，HAZOP分析過程如圖1所示[5]。

圖1 HAZOP分析過程示意

中海油海洋平臺(tái)已在設(shè)計(jì)階段普遍應(yīng)用HAZOP分析，EDC平臺(tái)在設(shè)計(jì)過程中也應(yīng)用HAZOP分析。結(jié)合該油田中心1，2號(hào)平臺(tái)經(jīng)驗(yàn)，中心3號(hào)平臺(tái)在設(shè)計(jì)初級(jí)階段進(jìn)行了HAZOP分析，尤其針對關(guān)鍵工藝流程、設(shè)備進(jìn)行探討，確定安全措施及SIL定級(jí)，從而指導(dǎo)詳細(xì)設(shè)計(jì)。目前，中心3號(hào)平臺(tái)自投產(chǎn)以來未出現(xiàn)任何偏差過程而造成的財(cái)產(chǎn)損失或人員傷害等，自控系統(tǒng)的安全性及可靠性比較高。

2.2 數(shù)字化集成設(shè)計(jì)

與陸上油氣處理站相比，海上平臺(tái)最大的特點(diǎn)是空間狹小，結(jié)構(gòu)布局緊湊，管網(wǎng)、橋架等縱橫交錯(cuò)，在設(shè)計(jì)過程中很容易出現(xiàn)疏漏，在生產(chǎn)運(yùn)行中，對日常巡視、檢維修、逃生等具有較不利影響，結(jié)構(gòu)布局等急需優(yōu)化。

隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)方式也經(jīng)歷了幾個(gè)階段，從最早期的手工繪制和CAD，到三維輔助設(shè)計(jì)軟件3DMAX和PDS,再到目前大型工程中使用的PDMS，由于其三維功能完備、且各專業(yè)在同一平臺(tái)集成設(shè)計(jì)等突出特點(diǎn)，該設(shè)計(jì)方式受到投資方的推崇[6]。

近年來，工程項(xiàng)目的運(yùn)行維護(hù)備受業(yè)主的關(guān)注，全生命周期的概念被越來越多地提及，以SmartPant3D系列軟件為基礎(chǔ)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方式，可從設(shè)計(jì)、采購、施工、運(yùn)行、維護(hù)、管理等方面提供全面的技術(shù)支持。該油田使用SmartPant3D系列軟件對某平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)效果如圖2所示。

這種全新的數(shù)字化集成設(shè)計(jì)方式，所有專業(yè)在同一平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證了設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性、同步性；所有設(shè)備、材料參數(shù)、屬性均建立數(shù)據(jù)庫，并隨三維模型一齊提交業(yè)主，完成數(shù)字化交付，實(shí)現(xiàn)模擬仿真及全生命周期管理。

圖2 三維集成設(shè)計(jì)平臺(tái)示意

3 技術(shù)方案對比

3.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

海洋平臺(tái)自控系統(tǒng)不僅提高了工藝生產(chǎn)運(yùn)行效率，減小人工勞動(dòng)強(qiáng)度，更是保障人員和生產(chǎn)設(shè)施的安全，避免了石油開發(fā)故障造成的海洋污染。

以該油田中心平臺(tái)綜合控制系統(tǒng)(ICS)為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，中心平臺(tái)ICS負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)的過程和安全監(jiān)控，根據(jù)功能與安全要求，ICS由過程控制系統(tǒng)(PCS)和SIS組成；SIS包括火氣系統(tǒng)(FGS)和緊急停車系統(tǒng)(ESD)兩部分。PCS負(fù)責(zé)監(jiān)控平臺(tái)的生產(chǎn)運(yùn)行，保障平臺(tái)日常生產(chǎn)操作，F(xiàn)GS完成火氣探測、報(bào)警及聯(lián)動(dòng)輸出功能。

對比該油田采油平臺(tái)、中心平臺(tái)、EDC平臺(tái)、中海油平臺(tái)，根據(jù)每座平臺(tái)的規(guī)模、工藝流程、功能作用及所引用標(biāo)準(zhǔn)等，其控制系統(tǒng)設(shè)置對比見表2所列。

圖3 某油田中心平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

表2 控制系統(tǒng)設(shè)置對比

項(xiàng) 目某 油 田采油平臺(tái)中心平臺(tái)EDC平臺(tái)中海油平臺(tái) PCS與SIS共用獨(dú)立設(shè)置獨(dú)立設(shè)置獨(dú)立設(shè)置SISESD與PCS共用與FGS共用與FGS共用獨(dú)立設(shè)置FGS與PCS共用與ESD共用與ESD共用獨(dú)立設(shè)置FAS室內(nèi)及工藝區(qū)火災(zāi)報(bào)警室內(nèi)及工藝區(qū)火災(zāi)報(bào)警室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警遠(yuǎn)程I/O無采用采用無

該油田采油平臺(tái)由于規(guī)模較小，采用PCS和SIS共用冗余CPU架構(gòu)，中心平臺(tái)和中海油、EDC平臺(tái)因規(guī)模較大，工藝流程較為復(fù)雜，都采用了PCS和SIS獨(dú)立設(shè)置的方式，將過程控制與安全功能分開，保證系統(tǒng)的安全及可靠性。EDC平臺(tái)和中心平臺(tái)采用了遠(yuǎn)程I/O架構(gòu)，有效減少了電纜用量和敷設(shè)工作量，優(yōu)化布置了控制系統(tǒng)。

在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，各平臺(tái)基本一致，在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)(FAS)設(shè)置方面差別較大，下文對FAS進(jìn)行分析。

3.2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

FAS作為石油天然氣和化工等行業(yè)的重要安全保障設(shè)施之一，對可靠性要求非常高，目前火災(zāi)是海洋平臺(tái)可能存在的最大危險(xiǎn)[7]。FAS由火災(zāi)報(bào)警控制器(FAP)和探測儀表組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

GB 50116—2013第1.0.2條：“本規(guī)范適用于工業(yè)與民用建筑內(nèi)設(shè)置的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)”，因此對于不同平臺(tái)，其室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警基本相同,火災(zāi)探測儀表以總線的方式接入火災(zāi)報(bào)警控制盤(FAP)。

圖4 FAS對比示意

該規(guī)范未對海洋平臺(tái)室外(工藝裝置區(qū))火災(zāi)報(bào)警做出要求，對于室外火災(zāi)報(bào)警，該油田依然采用了總線方式接入FAP；中海油/EDC平臺(tái)采用NFPA和API規(guī)范，設(shè)置獨(dú)立的FGS，并且室外井口區(qū)和工藝區(qū)設(shè)易熔塞火災(zāi)檢測系統(tǒng)，井口區(qū)易熔塞直接聯(lián)動(dòng)井口盤關(guān)斷。易熔塞采用熱熔原理探測火災(zāi)，氣動(dòng)方式聯(lián)鎖關(guān)斷，具有更高的安全性及可靠性；火災(zāi)探測儀表直接接入工業(yè)級(jí)的FGS，減少了誤報(bào)警的發(fā)生，并能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的區(qū)域火災(zāi)報(bào)警、消防聯(lián)動(dòng)、工藝聯(lián)鎖關(guān)斷。

3.3 控制方式

該油田以電動(dòng)控制方式為主，即控制閥動(dòng)力源為電源，接收控制系統(tǒng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制。中海油平臺(tái)以氣動(dòng)控制為主，即控制閥動(dòng)力源為壓縮空氣，接收控制系統(tǒng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制。EDC平臺(tái)以就地氣動(dòng)控制為主，即采用氣動(dòng)控制儀表和控制閥，主要控制回路和安全切斷均通過就地機(jī)械聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)，中控室控制系統(tǒng)僅用于監(jiān)控和報(bào)警。

該油田中心平臺(tái)、中海油平臺(tái)、EDC平臺(tái)以氣動(dòng)為主的控制方式是海上平臺(tái)主流技術(shù)，依托于可靠性高的氣動(dòng)儀表、控制閥和管閥件，可實(shí)現(xiàn)失效安全，安全性更高。該采油平臺(tái)因無人值守，主要采用ESD功能的電動(dòng)控制，更注重連續(xù)生產(chǎn)和安全性之間的平衡。

4 結(jié)束語

海洋平臺(tái)有著特殊的工作環(huán)境，為保證平臺(tái)安全、可靠地運(yùn)行，在工程設(shè)計(jì)初期進(jìn)行HAZOP分析十分必要；數(shù)字化集成設(shè)計(jì)方式可對工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、采購、施工、運(yùn)行、維護(hù)等全生命周期提供技術(shù)支持，也必將成為一種趨勢。

按照GB 50116—2013，海洋平臺(tái)室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警以總線方式接入FAP；對于室外火災(zāi)報(bào)警，可參考API標(biāo)準(zhǔn)，共用或獨(dú)立設(shè)置FGS，對平臺(tái)安全性、可靠性等方面有著很大的提升作用。