鉆井吹灰裝置自動控制系統(tǒng)

劉智廣（湛江南海西部石油勘察設(shè)計有限公司，廣東 湛江524057）

0 引言

為了保障南海海洋油田開發(fā)，支持鉆井平臺開展鉆井、完井、修井作業(yè)，為海上各作業(yè)區(qū)塊補充日常生產(chǎn)作業(yè)消耗的物資，儲存、周轉(zhuǎn)；供應(yīng)海上工作人員生活保障物資，這是中海油海南基地重要任務(wù)?，F(xiàn)在僅僅介紹“海南馬村港中海油碼頭”經(jīng)營的鉆井作業(yè)用灰料(水泥、土粉、重晶石)的儲存、供應(yīng)能力，儲存、運輸設(shè)備配置的技術(shù)水平，操作、管理自動化程度。

本項目基于海南馬村港中海油碼頭吹灰裝置的自動控制系統(tǒng)進行研究，為大型儲灰基地及碼頭的吹灰裝置自動控制設(shè)計提供成熟的技術(shù)理論指導(dǎo)。海南碼頭一期工程建有三條作業(yè)線，有儲灰罐區(qū)、吹灰下料房、吹灰料倉庫、除塵裝置、空壓機房、現(xiàn)場辦公室等輔助設(shè)施組成。三條作業(yè)線分別為水泥運送、土粉、重晶石作業(yè)線。

每條作業(yè)線都配有：1 臺“自動破袋機”、2 臺發(fā)送罐、30 臺儲灰罐、－套除塵裝置和共用一座空壓站(三臺螺桿壓縮機等設(shè)備)、5個DCS操作站。三條作業(yè)線都有類似的作業(yè)和相似的工藝流程，但每種料都有其唯一性，操控要作用到唯一的編號的設(shè)備、元件。

1 吹灰系統(tǒng)概述

1.1 吹灰裝置作業(yè)線功能

（1）灰料裝罐：“袋裝料”灰料經(jīng)皮帶輸送到“自動破袋機”破袋，灰料自流下至A/B兩個有“收發(fā)料功能”的發(fā)送罐，兩發(fā)送罐并聯(lián)成一組，即當(dāng)一個罐進行裝料，另一個罐進行卸料。

（2）灰料裝船：每種灰料的儲灰罐用管線鋪到碼頭前沿泊位接口，經(jīng)接口管線對“多用工作船”上儲灰罐裝載灰料，即灰料裝船作業(yè)。

（3）灰料卸船：上述工況反之，工藝流程為；鉆井平臺儲灰罐→管道→船儲灰罐；船航運回基地碼頭；船儲灰罐→管道→基地儲灰罐。

（4）灰料倒罐：倒罐工藝流程簡化為：儲灰罐→管道→另一儲灰罐。目的是防止灰料結(jié)塊或清出空罐。

（5）灰料混料：水泥儲灰罐15 臺中有5 個儲灰罐為“混料罐”其中兩混料三個儲灰罐儲存混料。

1.2 吹灰站工藝流程

1.2.1 工藝流程簡介

吹灰站的灰料輸送路線有以下幾種，參見圖1。

（1）儲灰罐裝料：叉車→皮帶輸機→自動破袋機→收發(fā)送罐→閥門和道→儲灰罐；

（2）儲灰罐卸料：灰料從儲灰罐→閥門和管道→多用工作船上儲灰罐；

（3）儲灰罐倒罐：灰料從某儲灰罐→另一儲灰罐，灰料在儲灰罐間運送；

（4）儲灰罐混料：裝有多種配比料的儲灰罐，在混料罐間倒罐使配比灰料均勻混合；

1.2.2 實施工藝流程

（1）手動控制，操作操控對象是手動閥門開關(guān)、單體設(shè)備啟停，觀察測量工藝系統(tǒng)參數(shù)；

（2）遙控操作，為實施工藝遙控操作，系統(tǒng)配置電控氣動蝶閥、各種壓力傳感器、稱重儀料、料面儀、濕度儀等元件； 配置PLC系統(tǒng)或DCS系統(tǒng)，通過人機界面(HMI)觀察系統(tǒng)實時測量參數(shù)，遙控操作設(shè)備和電控氣動蝶閥，按工況遙控操作開通工藝流程。

（3）自動控制，根據(jù)四種工藝工況編制各種程序，由DCS系統(tǒng)自動運行主程序和各子程序完成操作要求的作業(yè)。

1.2.3 程序控制執(zhí)行的工序

圖1 .吹灰站工藝流程示意圖

（1）吹灰系統(tǒng)中的儲灰罐都有兩個功能，既接受灰料，又發(fā)送儲倉灰料兩個功能轉(zhuǎn)換是控制儲灰罐上的氣動蝶閥，開通閥門儲灰罐的“內(nèi)件”投入工作；關(guān)閉閥門“內(nèi)件”退出相應(yīng)的工作。

（2）儲灰罐結(jié)構(gòu)與內(nèi)外無件配置，以吹灰系統(tǒng)工作在裝料工況為例說明：

圖3 .灰罐元件圖

圖2 中各元件作用說明如下閥門A 儲灰罐進料閥、閥門C儲灰罐接除塵系統(tǒng)閥、閥門H 儲灰罐灰料流化閥、閥門G 儲灰罐加壓閥、閥門E 儲灰罐裝船閥、閥門B、F 隔離閥、閥門D 儲灰罐倒罐閥、閥門J、K吹灰管道中運送灰料助吹閥，WT稱重傳感器、PIT儲灰罐內(nèi)壓力傳感器。在自動吹灰作業(yè)中，操作組合這些閥門的開關(guān)狀態(tài)和對灰料的實時重量(WT)值、儲灰罐內(nèi)氣壓(P)值的采集，采集信息用與設(shè)定值比較判別發(fā)出執(zhí)行指令、或報警。

2 DCS控制的應(yīng)用程序編制

介紹了系統(tǒng)中硬件配置，有了實現(xiàn)自動吹灰作業(yè)可能。吹灰作業(yè)方法，可用手動、遙控和程序控制三種；對四種灰料每種灰料四種吹灰作業(yè)操作工藝，分析發(fā)現(xiàn)四種灰料吹送工藝中每種灰料需編的程序在行運中所控制元件間的邏輯關(guān)系是相同的，所以工藝編制程序流程是相同的。

2.1 編制程序原理

（1）檢查自動吹灰作業(yè)初始條件；DCS控制系統(tǒng)工作正常、儲灰罐灰量清楚并自動顯示儲灰罐列表；實時測出風(fēng)壓和露點正常、啟動“皮帶輸機”和“自動破袋機”運行正常無報警；實時測出空罐、閥門在關(guān)閉狀態(tài)。

（2）分析吹灰工藝特征；儲灰罐“裝料”工況，控制進料閥門A 打開、除塵閥門C 打開，結(jié)合送料流程有關(guān)管道的助吹風(fēng)閥K1K2 打開，儲灰罐稱重儀工作，實時發(fā)送裝料重量數(shù)據(jù)，壓力發(fā)送器實時發(fā)送儲灰罐“裝料”工況壓力數(shù)據(jù)和送灰時管道壓力數(shù)據(jù)；發(fā)送罐A“裝料”工況，接“自動破袋機”進料閥門A打開、除塵閥門C 打開；發(fā)送罐B“卸料”工況，灰料流化閥門H 打開、出料閥E打開、送料加壓閥門G打開。

（3）標(biāo)定稱重儀，記錄儲存每個儲灰罐的灰料滿罐噸重，共計36 個灰料稱重標(biāo)定重量值。滿罐設(shè)定為程序“1”；空罐/不滿罐為程序“0”。

2.2 吹灰自動程序流程

程序檢查自動吹灰作業(yè)初始條件，DCS控制系統(tǒng)、灰量，空儲灰罐列表；壓縮風(fēng)的風(fēng)壓和露點、“皮帶輸機”和“自動破袋機”運行正常；實時測出交替連續(xù)工作發(fā)送罐A/B至少有一個空罐、所閥門在關(guān)閉狀態(tài)、管道正常、除塵系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。

程序設(shè)定罐內(nèi)灰料量滿為“1”態(tài)/不滿為“0”態(tài)。判別若是“0”態(tài)，則調(diào)用發(fā)送罐的“裝料子程序”；是“1”態(tài)調(diào)用發(fā)送罐的“卸料子程序”。

卸料子程序或裝料子程序編制是由于在自動吹灰作業(yè)中，罐在裝料工況下，控制罐的進料閥門開、排氣閥開、助力吹灰閥門動作開通邏輯組合是固定的，并會重復(fù)出現(xiàn)，其編成子程序(程序塊)可在主程序運行中斷，插入控制罐裝料或退出程序塊停止裝料。所以水泥料共有17個卸料程序塊和17個裝料程序塊，土粉共有7個卸料程序塊和7個裝料程序塊，重晶石共有12(10＋2)個卸料程序塊和12個裝料程序塊。

2.2.1 裝罐程序

裝罐程序要使A 發(fā)送罐裝料→料裝滿罐→發(fā)送罐卸料；B發(fā)送罐空罐接著裝料，兩發(fā)送罐裝料、卸料交替工作，儲灰罐連續(xù)不斷裝料；若儲灰罐儲滿，發(fā)信啟動第二空儲灰罐接著裝料后，停裝料；當(dāng)該儲灰罐又裝滿，發(fā)信啟動第三空儲灰罐裝料后停裝，如此繼續(xù)，直止“袋裝料”儲存計劃完成，結(jié)束裝罐程序，所有控制回到初始狀態(tài)，閥門全關(guān)閉。

2.2.2 倒罐程序

兩儲灰罐倒罐時，選擇目標(biāo)“0”態(tài)A儲灰罐倒罐由程序控制插入裝料程序塊和選擇目標(biāo)“1”態(tài)B儲灰罐由程序控制插入卸料程序塊；A 罐B 罐之間管道路由助力吹灰閥門K1K2 打開；；啟動倒罐程序，開始1態(tài)B儲灰罐卸料→路由管道→0態(tài)A儲灰罐卸料→1 態(tài)B 儲灰罐壓力P=P3 時，發(fā)信→退B 儲灰罐卸料和A儲灰罐裝料，倒罐工作結(jié)束。

2.2.3 混料程序

實質(zhì)是倒罐程序特殊用法。是在15 個水泥儲灰罐中取相鄰五個作為混料倒罐，若某號儲灰罐裝有多種灰料，灰料需均勻混合，混料程序控制原則與倒罐程序同理，是在控制二罐倒罐的基礎(chǔ)上作循環(huán)的次數(shù)控制編制的。

3 吹灰系統(tǒng)自動系統(tǒng)：

3.1 手動操作

操作員現(xiàn)場手動操作設(shè)備和閥門開關(guān)觀察閥位；

3.2 遙控操作

操作員在控制站的人機界面(HMI)調(diào)出工藝流程圖檢查系統(tǒng)初始條件如閥門(全關(guān)閉)并在遙控狀況、罐稱重(正常)、風(fēng)壓(正常)等元件正常；現(xiàn)場/遙控啟動皮帶運輸機、自動破袋機、除塵風(fēng)機等設(shè)備運轉(zhuǎn)，上述初始條件滿足后，操作員以鼠標(biāo)遙控畫面閥門，觀察壓力、稱重儀表窗口數(shù)值變化分析后作出判斷，罐的功能是否需要從儲倉轉(zhuǎn)變倉泵或反之轉(zhuǎn)變，或結(jié)束工作。操作員在控制站的人機界面(HMI)調(diào)出工藝流程圖上操作員以“鼠標(biāo)/鍵盤”遙控吹灰工藝中相關(guān)閥門開通、設(shè)備起/停，實現(xiàn)三種灰料的裝罐、倒罐、裝船、卸車/船作業(yè)。

3.2.1 吹灰作業(yè)程序自動控制

操作員從控制站的人機界面(HMI)目錄表，根據(jù)任務(wù)(裝船/裝罐/倒罐/混料/車或船卸料)調(diào)出相應(yīng)的工藝流程圖；檢查輔助系統(tǒng)運行無故障報警；用鼠標(biāo)點激圖上的“符號元件”設(shè)定參與任務(wù)的“罐”和“吹灰路由”；從程序表中選擇執(zhí)行任務(wù)的控制程序(裝船程序/裝罐程序/倒罐程序/混料程序/車或船卸料程序)。正常運行吹灰作業(yè)程序能自動完一宗吹灰作業(yè)。

4 結(jié)語

綜上所述，本項目重點研究灰料（水泥、土粉、重晶石）的裝料，卸料，倒罐及混料四種工藝狀況，分析灰料輸送設(shè)備要求，組成流程操作特性，研究灰罐稱重及除塵影響因素，編制吹灰系統(tǒng)DCS 自動控制程序，實現(xiàn)了遠程自動控制吹灰，提高吹灰效率，較少人員配置和勞動強度。