淺談海上石油平臺(tái)無人化電氣改造的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蘇瑞華

摘 要：為深入貫徹落實(shí)“十九大”精神和中海油集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)指示，順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展趨勢，推動(dòng)上游業(yè)務(wù)持續(xù)降本增效和“智慧海油”建設(shè)，促進(jìn)海上油氣生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，中海油深圳分公司選取番禺某井口平臺(tái)作為試點(diǎn)平臺(tái)，開展無人化改造工作。項(xiàng)目中利用平臺(tái)電能管理系統(tǒng)和中控系統(tǒng)DCS分布式的架構(gòu)特點(diǎn)，在本平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制電氣改造并接入系統(tǒng)，在其他平臺(tái)安裝中控系統(tǒng)和電能管理系統(tǒng)的客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和操作，最終實(shí)現(xiàn)無人化管理。

關(guān)鍵詞：井口平臺(tái);無人化;電氣改造

0 引言

目前的有人駐守平臺(tái)，中控室一般設(shè)置1套DCS系統(tǒng)，分別包括過程控制系統(tǒng)（PCS）、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）和火氣系統(tǒng)（FGS），中控室內(nèi)設(shè)置2臺(tái)冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器和1臺(tái)工程師站、2臺(tái)操作員站，生產(chǎn)人員通過該套系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場工藝流程和數(shù)據(jù)進(jìn)行管控。油田群有一套PMS系統(tǒng)，動(dòng)力平臺(tái)設(shè)置服務(wù)器，各個(gè)井口平臺(tái)放置一臺(tái)客戶端，接入油田群發(fā)電機(jī)和重要開關(guān)柜數(shù)據(jù)，用于發(fā)電機(jī)出力穩(wěn)定調(diào)節(jié)和電站故障時(shí)的負(fù)載優(yōu)先脫扣。本文介紹了基于中控系統(tǒng)和PMS系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場電氣設(shè)備改造遠(yuǎn)程接口，接入系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)無人化遠(yuǎn)程送電和設(shè)備啟停的功能。

1 項(xiàng)目改造技術(shù)分析

1.1 井口平臺(tái)無人化遠(yuǎn)程送電具體需求

通過對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的分析，井口平臺(tái)的日常供電主要由外部海底電纜進(jìn)線供電到6.3kV母排，再由6.3kV分兩個(gè)開關(guān)通過兩個(gè)并聯(lián)變壓器給0.4kV母排供電，平臺(tái)油井、空調(diào)、各種生產(chǎn)輔助設(shè)備均掛載再低壓盤正常段，正常段母排通過一根電纜與應(yīng)急盤相連，應(yīng)急盤配備有一臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，應(yīng)急斷電情況下可以供應(yīng)平臺(tái)的重要負(fù)載，平臺(tái)的UPS、空壓機(jī)、應(yīng)急照明等重要負(fù)荷均掛載在應(yīng)急盤。具體電氣聯(lián)絡(luò)如圖1所示：

有人狀態(tài)下平臺(tái)失電之后的操作：應(yīng)急機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)（若自動(dòng)模式啟動(dòng)不了，可轉(zhuǎn)為手動(dòng)啟動(dòng)），待電氣人員查明斷電原因之后，從高壓盤開始向低壓盤逐級(jí)復(fù)位合閘送電，并相應(yīng)啟動(dòng)空調(diào)、空壓機(jī)、油井等重要負(fù)載和其他生產(chǎn)輔助設(shè)備，具體流程如圖2所示。

為實(shí)現(xiàn)后續(xù)的無人化管控需求，需按流程將原本需要手動(dòng)操作的設(shè)備全部改造遠(yuǎn)程控制接口并接入中控和PMS系統(tǒng)。形成改造具體需求如下：

高壓開關(guān)柜遠(yuǎn)程復(fù)位、分合閘控制改造;

正常盤、應(yīng)急盤低壓開關(guān)柜遠(yuǎn)程復(fù)位、分合閘控制改造;

變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)視功能改造;

應(yīng)急機(jī)遠(yuǎn)程控制改造;

油井變頻器遠(yuǎn)程控制改造;

空調(diào)、空壓機(jī)等大型設(shè)備改造;

1.2 無人化電氣改造設(shè)計(jì)

考慮平臺(tái)無人化改造的成本效益，設(shè)備遠(yuǎn)程操作的安全性，改造的主題思路是：以PMS系統(tǒng)為電氣遠(yuǎn)程控制監(jiān)視平臺(tái)，改造現(xiàn)場電氣設(shè)備，使日常有人平臺(tái)需要手動(dòng)操作的送電的設(shè)備，改造為遠(yuǎn)程操作。以中控系統(tǒng)為生產(chǎn)遠(yuǎn)程控制監(jiān)視平臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備，改造現(xiàn)場設(shè)備使日常有人平臺(tái)需要手動(dòng)操作啟停的設(shè)備，改為遠(yuǎn)程操作，接入系統(tǒng)。具體改造設(shè)計(jì)方案如下：

1.3 高壓開關(guān)柜改造

高壓開關(guān)柜的主體結(jié)構(gòu)是一臺(tái)真空斷路器，真空斷路器的二次控制回路都有合閘回路、分閘回路，在海上平臺(tái)建設(shè)初期，一般已經(jīng)將高壓開關(guān)柜的合閘、分閘、運(yùn)行狀態(tài)等信號(hào)接入了PMS系統(tǒng)，其目的是為了遠(yuǎn)程操作保護(hù)操作人員的安全。

而設(shè)備的復(fù)位目前沒有接入到EMS系統(tǒng)，海上平臺(tái)的高壓開關(guān)在斷電時(shí)會(huì)觸發(fā)綜保的低電壓跳閘關(guān)斷輸出，該信號(hào)需要進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，以海上運(yùn)用比較廣泛的施耐德高壓開關(guān)為例，開關(guān)配套使用的施耐德MICOM系列的綜保均可以通過內(nèi)部程序配置，開放遠(yuǎn)程復(fù)位接口。

無人化改造的內(nèi)容主要為，高壓開關(guān)柜綜保的遠(yuǎn)程復(fù)位，通過綜保程序配置遠(yuǎn)程復(fù)位接口，從EMS系統(tǒng)接入DO信號(hào)在掉電故障時(shí)對(duì)綜保進(jìn)行復(fù)位，如圖所示：

1.4 低壓開關(guān)柜改造

低壓開關(guān)在海上平臺(tái)是主要的供電回路，其中饋線開關(guān)為ACB（框架式斷路器），大功率供電設(shè)備使用MCCB（塑殼斷路器）供電開關(guān)，小型供電設(shè)備且需要頻繁啟停的使用MCCB配合接觸器的形式，目前開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)在有人平臺(tái)情況下，已經(jīng)接入了PMS系統(tǒng)。

需要將以上幾個(gè)類型的開關(guān)均接入系統(tǒng)，ACB框架式斷路器由于自帶分合閘回路，可將合閘＼分閘＼復(fù)位回路直接接入PMS系統(tǒng)，塑殼斷路器可通過增加電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)由PMS輸出觸點(diǎn)控制，接觸器可由PMS系統(tǒng)直接輸出干觸點(diǎn)控制合分閘回路。

同時(shí)為了遠(yuǎn)程監(jiān)視供電開關(guān)的運(yùn)行情況，在開關(guān)增加多功能電能表，并將數(shù)據(jù)傳送到PMS系統(tǒng)。

整體設(shè)計(jì)方案如下圖所示：

1.5 變壓器部分改造

針對(duì)變壓器，目前平臺(tái)對(duì)該設(shè)備主要關(guān)注的重點(diǎn)是變壓器高、低壓側(cè)三相繞組的溫度和溫度超標(biāo)之后冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。以本次無人化改造所在平臺(tái)的變壓器為例，現(xiàn)場共有兩臺(tái)35/0.4kV的2500kVA干式變壓器，生產(chǎn)廠家為：順特電氣設(shè)備有限公司，高低壓側(cè)三相繞組中均有預(yù)埋溫度探頭，且變壓器殼體上有一臺(tái)溫控器，變壓器冷卻風(fēng)機(jī)由溫控器控制啟停。

通過現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研和收集資料，現(xiàn)在主流的變壓器溫度控制器均有Modbus RTU數(shù)據(jù)接口可以將變壓器溫度數(shù)據(jù)和冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)上傳到外部系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)可由變壓器溫控器按預(yù)設(shè)溫度報(bào)警值啟動(dòng)。

現(xiàn)場改造方案直接敷設(shè)一根RS485通訊線至PMS系統(tǒng)即可，由PMS系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組態(tài)。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)部分改造：

應(yīng)急發(fā)電機(jī)在海上原始的狀態(tài)是一直處于自動(dòng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)有一個(gè)電壓傳感器安裝在應(yīng)急母排上，當(dāng)檢測到應(yīng)急母排掉電，應(yīng)急機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開燃油關(guān)斷閥和外層進(jìn)排風(fēng)百葉窗，發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速從0-1500rpm上升過程中，PLC報(bào)警面板會(huì)瞬間顯示generator filed falter和cw pressure low alarm報(bào)警，這屬于正?，F(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)額定速度并穩(wěn)定以后，該報(bào)警會(huì)自動(dòng)消除。

當(dāng)主電網(wǎng)恢復(fù)供電以后，需要手動(dòng)停止發(fā)電機(jī)組。在本次改造過程個(gè)針對(duì)應(yīng)急發(fā)電機(jī)主要有兩個(gè)功能：

①在自動(dòng)啟動(dòng)失效的情況下，遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組;

②遠(yuǎn)程停止發(fā)電機(jī)組。

要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組，首先需要將自動(dòng)模式切換到收到模式，然后遠(yuǎn)程點(diǎn)擊手動(dòng)啟動(dòng)按鈕。

遠(yuǎn)程停止發(fā)電機(jī)組可直接將遠(yuǎn)程停止信號(hào)接入到現(xiàn)場發(fā)電機(jī)停止回路，如圖所示：

2 變頻器部分改造

油井變頻器在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，平臺(tái)生產(chǎn)對(duì)該設(shè)備的控制要求主要為遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止、復(fù)位、調(diào)頻功能。經(jīng)過項(xiàng)目調(diào)研和技術(shù)分析，目前主流的變頻器均有預(yù)留遠(yuǎn)程控制的接口，通過軟件配置就可以實(shí)現(xiàn)。以本次改造的ABB ACS800 變頻器為例，調(diào)頻接口可在A41板的5、6 AI接口編程實(shí)現(xiàn)，啟動(dòng)、停止、復(fù)位在A41板的1、2、3、4、5、6DI接口接口編程實(shí)現(xiàn)。

2.1 空調(diào)、空壓機(jī)等大型設(shè)備改造

在平臺(tái)諸如空調(diào)、空壓機(jī)等大型設(shè)備都是以撬裝的形式在平臺(tái)獨(dú)立自動(dòng)運(yùn)行，撬內(nèi)設(shè)置一套就地控制盤，控制盤的主控制器一般為一套PLC系統(tǒng)，PLC接入了撬內(nèi)的所有傳感器信號(hào)和控制信號(hào)。

對(duì)該類型的大型設(shè)備可通過中控系統(tǒng)直接與撬塊本地控制盤進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過修改程序完成遠(yuǎn)程控制。

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

基于PMS系統(tǒng)和中控系統(tǒng)為中心平臺(tái)的電氣控制改造，在海油無人化改造項(xiàng)目中是最底層也是最重要一部分，通過對(duì)各類型電氣設(shè)備無人化改造的研究設(shè)計(jì)與探索，目前項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施完成，可在中心平臺(tái)遠(yuǎn)程對(duì)井口平臺(tái)進(jìn)行的遠(yuǎn)程送電和設(shè)備啟停控制。

3 結(jié)束語

針對(duì)海上石油平臺(tái)無人化管理的電氣改造，自實(shí)施投入運(yùn)行以來，通過運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，控制運(yùn)行效果良好，克服了海上石油平臺(tái)人力資源緊張的問題，推動(dòng)了中海油數(shù)字化建設(shè)，為海上油田安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供了可靠的保障。無人化項(xiàng)目的投用，減少人力資源，有極大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于爾鏗，能量管理系統(tǒng)（EMS）[D].北京：科學(xué)出版社，2001.

[2]陳端陽，工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程[D].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]趙軍詳.電氣工程自動(dòng)化改造的重點(diǎn)研究[J].中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，2010，28（10）：28-31.