分析傳感器技術(shù)在海洋平臺(tái)儀控系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫婧

海上平臺(tái)儀控系統(tǒng)作為海上油氣田安全生產(chǎn)的重要核心設(shè)備，為確保其平穩(wěn)運(yùn)行和安全生產(chǎn)，本研究在概述海上平臺(tái)儀控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)傳感器技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用展開(kāi)了分析，并以平臺(tái)測(cè)量控制系統(tǒng)為例，對(duì)傳感器技術(shù)在其中的具體應(yīng)用展開(kāi)了探索。

對(duì)于海洋平臺(tái)而言，其不僅所處的環(huán)境非常復(fù)雜，而且大多是距離海岸比較遠(yuǎn)的地方。在海洋平臺(tái)上，其涉及諸多設(shè)備，如壓力設(shè)備、溫度設(shè)備等等。而海洋平臺(tái)上的諸多設(shè)備，其能否正常運(yùn)行將直接決定整個(gè)海上油氣田能否高效、穩(wěn)定并安全地運(yùn)行。其中，海洋平臺(tái)儀控系統(tǒng)起到非常關(guān)鍵的作用。在海上平臺(tái)日益發(fā)展和進(jìn)步的今天，其對(duì)海上平臺(tái)儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。海洋平臺(tái)儀控系統(tǒng)應(yīng)用水平的提升，其不僅有助于降低勞動(dòng)力的強(qiáng)度，而且有助于在最大的限度內(nèi)提升海洋平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在海洋平臺(tái)儀控系統(tǒng)中，主要以物理型傳感器為主，傳感器技術(shù)的應(yīng)用，其可以檢測(cè)出海上油氣田生產(chǎn)中的主要參數(shù)和環(huán)境狀態(tài)，進(jìn)而能夠?qū)τ诔霈F(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)的處理，從而確保安全生產(chǎn)。

近年來(lái)，伴隨傳感器技術(shù)的日益進(jìn)步，其逐漸被應(yīng)用于各個(gè)系統(tǒng)中，如應(yīng)急開(kāi)關(guān)系統(tǒng)、可燃性氣體預(yù)警系統(tǒng)等。除此之外，傳感器技術(shù)還被應(yīng)用在海洋平臺(tái)儀控系統(tǒng)中，具體而言，傳感器技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用領(lǐng)域，如表1所示。

以溫度測(cè)量為例，接觸式測(cè)量方式、非接觸式測(cè)量方式是相對(duì)較為常見(jiàn)的測(cè)量方法。其中，接觸式測(cè)量方式的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量?jī)x表簡(jiǎn)單且具有較高的精確度。然而，在這一測(cè)量方式下，需要考慮測(cè)量介質(zhì)與原件是否能夠充分進(jìn)行熱交換，由于需要時(shí)間，因而并不適宜現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。而非接觸測(cè)量方式，其測(cè)量?jī)x表較為多樣，且普遍采用的原理是傳感器原理，如熱點(diǎn)偶、熱電阻、雙金屬溫度計(jì)以及壓力式。

海上平臺(tái)儀控系統(tǒng)，全稱為海上平臺(tái)儀表與控制系統(tǒng)。在海上油氣田生產(chǎn)的眾多設(shè)備中，儀控系統(tǒng)是中央控制系統(tǒng)，同時(shí)也是生產(chǎn)自動(dòng)化的核心設(shè)備和關(guān)鍵設(shè)備。不僅如此，該系統(tǒng)還是海上平臺(tái)的完全衛(wèi)士。對(duì)于海上平臺(tái)儀控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其管理方式大多采用的是集中監(jiān)管和分散控制方式。通常情況下，該系統(tǒng)典型的構(gòu)成部分主要可包括中央控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)儀表等。

該系統(tǒng)中的中央控制系統(tǒng)由三套獨(dú)立的控制系統(tǒng)組成，即應(yīng)急關(guān)斷控制系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)以及火氣探測(cè)控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括打印機(jī)、控制系統(tǒng)以及應(yīng)急操作盤等。中央控制系統(tǒng)的功能是實(shí)時(shí)采集海上平臺(tái)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行警報(bào)等。應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的功能則主要是在發(fā)生危險(xiǎn)的時(shí)候，為保障海上平臺(tái)工作人員以及生產(chǎn)設(shè)備安全而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。通常情況下，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)主要包括四個(gè)等級(jí)，分別為棄平臺(tái)關(guān)斷、火氣關(guān)斷。生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)斷以及單元關(guān)斷?；饸馓綔y(cè)系統(tǒng)的功能是準(zhǔn)確并及時(shí)探測(cè)可能或已經(jīng)發(fā)生的事故，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施?，F(xiàn)場(chǎng)儀表也是一個(gè)重要的組成部分，其主要包括溫度儀表、壓力儀表。液體儀表以及流量計(jì)等。井口控制盤主要由兩個(gè)部分組成，即單井模塊和公用模塊。就地控制盤的功能是與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，以起到遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的作用。

（一）非接觸式溫度測(cè)量?jī)x表

從溫度測(cè)量的角度來(lái)說(shuō)，非接觸式溫度測(cè)量方式的依據(jù)是傳感器原理。因此，對(duì)非接觸測(cè)量方式中的各個(gè)測(cè)量?jī)x表展開(kāi)分析尤為必要。在眾多測(cè)量?jī)x表中，熱點(diǎn)偶主要是通過(guò)串聯(lián)不同的導(dǎo)體，并在閉合電路形成的過(guò)程中在結(jié)合點(diǎn)位置產(chǎn)生溫差，也就是熱點(diǎn)效應(yīng)，那么在回路中就會(huì)產(chǎn)生電流。其中，熱電偶是導(dǎo)體組合。熱電阻在對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，其原理是基于溫度和電阻兩者之間成函數(shù)關(guān)系的半導(dǎo)體或金屬導(dǎo)體制作成而感溫元件展開(kāi)測(cè)量的。由此可見(jiàn)，對(duì)于熱電阻溫度儀表來(lái)說(shuō)，其最為重要的元件就是感溫元件。而制成感溫元件的材料則主要有兩類，一類是半導(dǎo)體，另一類則是金屬導(dǎo)體。其中，由半導(dǎo)體制成的感溫元件，其大多是碳、鍺及熱敏電阻。而由金屬材料制成的感溫元件，其則大多是柏?zé)犭娮?，這也是最為常見(jiàn)的。對(duì)于鉑熱電阻而言，其優(yōu)勢(shì)在于具有較好的復(fù)線性能，同時(shí)還具有較穩(wěn)定的物理性能。另外，還具有低成本和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)。除此之外，在測(cè)量精度方面也比較高。然而，與銅熱電阻相比，其具有較小的測(cè)量范圍。上述兩個(gè)溫度測(cè)量?jī)x表很好地利用了傳感器原理，其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，如表2所示。雙金屬溫度計(jì)在應(yīng)用的過(guò)程中，其主要是通過(guò)將固體受熱而產(chǎn)生的幾何移位視為溫信號(hào)。壓力式溫度計(jì)則主要是將溫度變化轉(zhuǎn)化為液體或氣體，受熱后通過(guò)觀察壓力的變化或體積膨脹的情況，以獲得檢測(cè)信號(hào)。無(wú)論是雙金屬溫度計(jì)，還是壓力式溫度計(jì)，其都僅僅是簡(jiǎn)單應(yīng)用了傳感器技術(shù)。

綜上所述，在選取溫度測(cè)量?jī)x的過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)不同的情況和應(yīng)用進(jìn)行合理的選擇。其中，對(duì)于就地溫度儀表，為確保測(cè)量范圍及精確度，雙金屬溫度計(jì)是較好的選擇。而在選擇溫度檢測(cè)元件時(shí)，海洋平臺(tái)可選擇熱電阻。

（二）壓力測(cè)量?jī)x表

在海洋平臺(tái)中，其擁有較多的高壓設(shè)備。因此，壓力測(cè)量也是海洋平臺(tái)監(jiān)控和測(cè)量的重要關(guān)鍵。從壓力測(cè)量?jī)x表的角度來(lái)說(shuō)，其具體分類，如表3所示。其中，前三種壓力表又可稱為彈性壓力表，其制作依據(jù)是彈性元件受壓后，與被測(cè)量的壓力大小成比例形變。此類壓力測(cè)量?jī)x表也充分利用了傳感器技術(shù)，通過(guò)傳感器原理的利用，依據(jù)變形大小直觀地測(cè)量壓力。

依據(jù)檢測(cè)原理，可將壓力變送器分為六種，即電阻式、電容式、電感式以及壓電式變送器。其中，電阻式是以固體壓阻效應(yīng)作為依據(jù)制作而成的變動(dòng)器；電容式在檢測(cè)的過(guò)程中，其是以被測(cè)量改變線圈的電感量作為基礎(chǔ)和依據(jù)的；電感式變送器又可以分為渦流式、差動(dòng)式以及磁阻式；壓電式變送器在制作的過(guò)程中，其是以特殊壓電材料的壓電效應(yīng)為依據(jù)，促使內(nèi)部靜電荷產(chǎn)生變化而制成的。

我國(guó)海洋石油工業(yè)歷經(jīng)多年發(fā)展，現(xiàn)階段我國(guó)國(guó)內(nèi)的年產(chǎn)油氣當(dāng)量已突破5600萬(wàn)噸，并成為當(dāng)下乃至未來(lái)我國(guó)國(guó)內(nèi)油氣產(chǎn)量增加的主陣地。海上油氣田直接關(guān)系到我國(guó)能源的安全性。而海上平臺(tái)儀控系統(tǒng)作為海上平臺(tái)油氣田生產(chǎn)設(shè)施的核心設(shè)備，在海上油氣田生產(chǎn)日益復(fù)雜化和自動(dòng)化的今天，對(duì)其安全性和可靠性提出了更高的要求。傳感器作為重要器件，其是感受規(guī)定的被測(cè)量的各種量且依據(jù)一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有價(jià)值信號(hào)的裝置。

作者單位： 中海油海油發(fā)展裝備技術(shù)公司研發(fā)中心