中東某油田脫氣站及井口控制系統(tǒng)過渡性改造

李高鵬，樓海龍

（1.中海油伊拉克公司，天津 300459；2.中海油采油技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300459）

0 引言

中東某陸地油田井口分散于方圓200 km2范圍內(nèi)，其控制系統(tǒng)至今仍沿用20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)的氣動(dòng)控制系統(tǒng)，沒有任何的報(bào)警和關(guān)斷設(shè)備，且現(xiàn)有儀控設(shè)備年久失修、老化嚴(yán)重、缺乏備件，勉強(qiáng)維持運(yùn)行，更不具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能，無法實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄井場(chǎng)及脫氣站內(nèi)的生產(chǎn)過程參數(shù)，如壓力、液位和溫度等。加之受戰(zhàn)爭(zhēng)沖擊，給生產(chǎn)管理造成極大的困難。中資油企接管后制定了一系列大的改造計(jì)劃，但面對(duì)該國戰(zhàn)后復(fù)雜的社會(huì)環(huán)境，物資采購、物流運(yùn)輸、施工資源協(xié)調(diào)等都面臨巨大的困難，決定在原有設(shè)施基礎(chǔ)上對(duì)井場(chǎng)和脫氣站進(jìn)行了過渡性改造。

為了滿足中資公司接手后大規(guī)模生產(chǎn)和健康安全環(huán)保要求，主要實(shí)施了2個(gè)部分改造：（1）在脫氣站建立了基于某國產(chǎn)ECS－700中控DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井場(chǎng)及脫氣站的遠(yuǎn)程監(jiān)控；（2）在各個(gè)井場(chǎng)建立了基于橫河FCN－RTU小型PLC的井口數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控井場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)。

通過改造項(xiàng)目的實(shí)施，建立了從井場(chǎng)到脫氣站的DCS生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)，提高了油田的數(shù)字化和自動(dòng)化水平，同時(shí)也為在特殊的社會(huì)和自然條件下的工程實(shí)踐積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 脫氣站DCS升級(jí)改造

1.1 脫氣站概況

脫氣站（De－Gas Station）的原有流程相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)各個(gè)井場(chǎng)的原油進(jìn)行3級(jí)脫氣處理：一級(jí)分離器設(shè)定控制壓力1 MPa；二級(jí)分離器設(shè)定壓力0.5 MPa；三級(jí)分離器常壓，氣相直接通過火炬放空，經(jīng)過3級(jí)分離的油水混合液送往氣動(dòng)外輸泵（依靠一級(jí)分離器高壓燃?xì)庾鳛閯?dòng)力源）和電動(dòng)外輸泵，泵送至終端廠。脫氣站內(nèi)還配有一臺(tái)計(jì)量分離器用來計(jì)量單井的氣/液產(chǎn)量。同時(shí)脫氣站還配備了生產(chǎn)相關(guān)輔助系統(tǒng)，如化學(xué)藥劑系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、柴油系統(tǒng)及生活辦公設(shè)施等。脫氣站的主流程如圖1所示。

圖1 脫氣站的主流程Fig.1 Main De－Gas station process

1.2 脫氣站控制系統(tǒng)改造背景及必要性

由于脫氣站內(nèi)之前采用的基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)已投用多年，如圖2所示。該系統(tǒng)一方面是存在老化備件采購苦難；另一方面，由于氣動(dòng)式控制儀表的信號(hào)傳輸介質(zhì)是壓縮空氣，其原理是將壓力、液位等信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓縮空氣的壓力變化傳輸?shù)綒鈩?dòng)控制器，氣動(dòng)控制器再通過杠桿、噴嘴/擋板等機(jī)械機(jī)構(gòu)輸出相應(yīng)壓力的壓縮空氣到執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥），進(jìn)而引起調(diào)節(jié)閥開度的變化以期達(dá)到對(duì)壓力/液位的控制。因此氣動(dòng)控制儀表存在諸如精度低、響應(yīng)慢、無法遠(yuǎn)傳進(jìn)行集中監(jiān)控，及無法查看歷史數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，進(jìn)行DCS的現(xiàn)代化改造是很有必要的。

圖2 基地式氣控系統(tǒng)原理Fig.2 Field mounted control system schematic

本項(xiàng)目通過引入ECS－700 DCS系統(tǒng)，對(duì)脫氣站進(jìn)行數(shù)字化改造。如圖3所示。經(jīng)過改造后，過程控制主要是通過電信號(hào)完成，消除了原來氣動(dòng)控制系統(tǒng)精度低、響應(yīng)慢、無法遠(yuǎn)程監(jiān)控和記錄歷史的缺點(diǎn)[1]。

圖3 DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)原理Fig.3 DCS field control schematic

1.3 ECS－700DCS控制系統(tǒng)

ECS－700系統(tǒng)是某國產(chǎn)大型高端DCS控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備完善的工程管理功能，包括多工程師協(xié)同工作、組態(tài)完整性管理、在線單點(diǎn)組態(tài)下載、組態(tài)和操作權(quán)限管理等，并提供相關(guān)操作記錄的歷史追溯。系統(tǒng)支持16個(gè)控制域和16個(gè)操作域，每個(gè)控制域和操作域均支持60個(gè)控制站和操作站，單域支持位號(hào)數(shù)量達(dá)到65 000點(diǎn)。

ECS－700系統(tǒng)安全可靠。系統(tǒng)所有部件都支持冗余，在任何單一部件故障情況下系統(tǒng)仍能正常工作。ECS－700系統(tǒng)具備故障安全功能，輸出模塊在網(wǎng)絡(luò)故障情況下，進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全狀態(tài)，保證人員、工藝系統(tǒng)或設(shè)備的安全。

ECS－700系統(tǒng)融合了最新的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持PROFIBUS、MODBUS、FF、HART等國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線的接入和多種異構(gòu)系統(tǒng)的綜合集成。

ECS－700系統(tǒng)由控制節(jié)點(diǎn)、操作節(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。本系統(tǒng)主要包括ECS700控制器、操作站和工程師站、I/O通訊模塊、I/O模塊、交換機(jī)、COM741以太網(wǎng)Modbus通訊擴(kuò)展模塊[2]。

1.4 脫氣站DCS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)系統(tǒng)加裝各類型的電子傳感器，該DCS系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)脫氣站生產(chǎn)狀況的全面監(jiān)控，具體功能及控制系統(tǒng)架構(gòu)如下所示[3－4]。

圖4 ECS－700系統(tǒng)數(shù)據(jù)流Fig.4 ECS－700 system data stream

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)控：采集并監(jiān)控各級(jí)分離器的壓力、液位、流量、溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和液位的精準(zhǔn)控制。

（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸量的控制：對(duì)外輸泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)于氣動(dòng)外輸泵GDP（GasDrivenPump）將根據(jù)第3級(jí)分離器的液位調(diào)節(jié)GDP的供氣調(diào)節(jié)閥開度，進(jìn)而控制GDP的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制3級(jí)分離器液位的目的；對(duì)于電動(dòng)外輸泵EDP，則根據(jù)第3級(jí)分離器的液位來控制EDP出口的調(diào)節(jié)閥開度來控制外輸量，以達(dá)到控制3級(jí)分離器液位。

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸泵的控制：在中控DCS界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)GDP/EDP的啟停、電機(jī)和泵體的溫度、震動(dòng)監(jiān)測(cè)及主備泵的切換。

（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)其他系統(tǒng)的監(jiān)控：同時(shí)對(duì)化學(xué)藥劑的液位情況、柴油罐的液位、消防水罐的液位引入DCS進(jìn)行監(jiān)控。

（5）實(shí)現(xiàn)對(duì)DCS電源系統(tǒng)的監(jiān)控：對(duì)DCS系統(tǒng)的UPS電源的工作狀態(tài)的監(jiān)控。

（6）實(shí)現(xiàn)對(duì)井口生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)控：由于各個(gè)井場(chǎng)分散，井場(chǎng)到脫氣站距離幾百米到幾千米不等，給井場(chǎng)的管理帶來極大的不便?；贒CS系統(tǒng)強(qiáng)大的集成功能，通過在井場(chǎng)建立一套基于橫河FCN－RTU的井口控制系統(tǒng)，通過微波通訊建立井場(chǎng)和中控DCS的數(shù)據(jù)通訊，從而將各個(gè)井場(chǎng)也納入到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)從井口到脫氣站上下游一體化的集中管理。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控井場(chǎng)生產(chǎn)參數(shù)極大地提高管理的便利性，節(jié)約成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。第2章節(jié)將著重介紹井口控制系統(tǒng)。脫氣站及井場(chǎng)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 脫氣站及井場(chǎng)控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 De－Gas station and wellpad control system plot

2 井口控制系統(tǒng)

井口控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)井口出現(xiàn)異常高低壓、火災(zāi)情況時(shí)，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的遠(yuǎn)程關(guān)斷和井口控制盤就地自主關(guān)斷，以期達(dá)到安全生產(chǎn)和環(huán)保的目的。該系統(tǒng)主要包括井口控制盤，關(guān)斷閥，橫河STARDOM系列FCN－RTU控制器，太陽能電池電源系統(tǒng)，微波/光纖數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)[5]。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 井口控制系統(tǒng)Fig.6 Wellhead control systems chematic

2.1 井口控制盤

該油田共有2種井口控制盤，其控制邏輯完全一樣，只是根據(jù)驅(qū)動(dòng)關(guān)斷閥的介質(zhì)不同主要分為氣動(dòng)井口控制盤和液壓井口控制盤。其動(dòng)力源均來自2個(gè)15 MPa的氮?dú)馄?。本文以氣?dòng)井口盤為例，氮?dú)馄康膲毫?jīng)過減壓閥后，將壓力降至50～70 PSI作為系統(tǒng)的控制氣源及氣動(dòng)關(guān)斷閥的驅(qū)動(dòng)氣源。

井口控制盤下部的防爆接線箱，同時(shí)也是RTU、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、太陽能控制器、微波調(diào)制器等控制元件安裝位置。

井口盤主要通過4種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)井口關(guān)斷閥的開關(guān)操作：

（1）通過安裝在井口生產(chǎn)管線上的高低壓壓力開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。當(dāng)井口發(fā)生異常壓力時(shí)，高（344.75 MPa）/低壓（4.8 MPa），觸動(dòng)高低壓開關(guān)，切斷井口盤的控制回路氣源，引起關(guān)斷閥關(guān)閉。

（2）通過井口采油樹附近的易熔塞回路動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。當(dāng)井口發(fā)生異常高溫時(shí)（＞139℃），導(dǎo)采油樹附近的易熔塞融化，引起井口盤控制回路失壓，進(jìn)一步引起關(guān)斷閥的關(guān)閉。

（3）RTU接受脫氣站中控指令，切斷井口盤內(nèi)的電磁閥24 V供電，從而切斷控制氣源，引起關(guān)斷閥關(guān)閉。

（4）通過井口控制盤盤面的手柄，手動(dòng)泄放控制回路氣源壓力，引起關(guān)斷閥關(guān)閉。

2.2 太陽能系統(tǒng)

起初由于各個(gè)井口比較分散，無法通過市電供電，在設(shè)計(jì)上為每個(gè)井口配備了太陽能24 V直流電源系統(tǒng)，為井口的RTU控制器，壓力變送器，微波通訊系統(tǒng)，CCTV視頻攝像頭等供電。該系統(tǒng)由48 VDC太陽能板，24 V蓄電池組，和PHOCOS－PL40太陽能充電控制器組成。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 太陽能電源系統(tǒng)Fig.7 Solar power system

太陽能系統(tǒng)將為井口各種傳感器、CCTV系統(tǒng)、RTU控制器、微波通訊系統(tǒng)等提供電源。

2.3 RTU控制器

RTU控制器是實(shí)現(xiàn)油井遠(yuǎn)程監(jiān)控的核心。該項(xiàng)目采用了日本橫河出品的低功耗、高可靠性的FCN－RTU，其主要由電源模塊、CPU和通訊模塊以及I/O模塊組成。該控制器結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低，可適應(yīng)－40～70℃環(huán)境，該控制器集成了4個(gè)串口通訊接口和1個(gè)以太網(wǎng)通訊接口以及集成I/O卡（AI：12點(diǎn)，AO：2點(diǎn)，DI：16點(diǎn)，DO:8點(diǎn)，Pulse：2點(diǎn)，電池電壓：1點(diǎn)），便于和下級(jí)設(shè)備及上級(jí)DCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成[6]。

2.3.1 RTU主要實(shí)現(xiàn)功能

（1）通過2線制儀表電纜直接采集油嘴上游采油樹的壓力、油嘴下游生產(chǎn)管線的壓力和溫度、井口控盤的控制回路氣源壓力，及太陽能系統(tǒng)電池壓力，并將以上信號(hào)傳送到脫氣站的中控DCS系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控。

（2）通過RTU自帶的RS485接口和Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)井口控制盤和井下電潛泵ESP控制柜的通訊，讀取變頻柜（VSD）的運(yùn)行狀態(tài)和井下電潛泵的溫度壓力等數(shù)據(jù)，并傳送到脫氣站DCS進(jìn)行監(jiān)控。

（3）接受來自脫氣站中控DCS的指令，遠(yuǎn)程關(guān)斷井口生產(chǎn)管線上的關(guān)斷閥，或遠(yuǎn)程關(guān)停ESP。

2.3.2 RTU的數(shù)據(jù)采集和傳輸

RTU和VSD之間是通過RJ45和RS485接口的Mod?bus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而RTU和中控DCS之間是通過RJ45接口的TCPIP Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[7]，如圖8所示。

圖8 井場(chǎng)與脫氣站DCS間數(shù)據(jù)流Fig.8 Data stream between wellhead and DCS

當(dāng)RTU和VSD之間建立通訊，此時(shí)RTU作為Mod?bus通訊的Master主站，而VSD作為Slave從站。在RTU內(nèi)通過編程，根據(jù)要讀取的各個(gè)數(shù)據(jù)的VSD側(cè)Modbus地址，從而讀取到ESP的運(yùn)行參數(shù)，以及向VSD發(fā)送停機(jī)命令[8]。

當(dāng)RTU和脫氣站DCS進(jìn)行通訊時(shí)，此時(shí)RTU又作為Modbus從站，而中控DCS作為Modbus主站。在RTU內(nèi)通過編程，按照預(yù)設(shè)的各個(gè)參數(shù)的Modbus地址讀寫相關(guān)參數(shù)。

2.4 微波通訊系統(tǒng)

微波通信是使用波長(zhǎng)在0.1 mm～1 m之間，頻率范圍在300 MHz～300 GHz的電磁波進(jìn)行的通信。微波通信最大的特點(diǎn)是不需要固體介質(zhì)的視距通信（50 km左右），超過視距需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)微波具有通信容量大、質(zhì)量好的特點(diǎn)。

鑒于以上特點(diǎn)，BUS2脫氣站距離周邊井場(chǎng)一般在10 km內(nèi)，而且安裝運(yùn)維方便。項(xiàng)目初期，井場(chǎng)和脫氣站的通訊主要依靠微波通訊，后期隨著新井井場(chǎng)的建設(shè)，將沿著生產(chǎn)管線同時(shí)鋪設(shè)光纖連接井場(chǎng)和脫氣站，屆時(shí)將采用光纖和微博雙通道互為備用的通訊模式。依靠太陽能電源，通過POE交換機(jī)實(shí)現(xiàn)將RTU的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和CCTV視頻信號(hào)通過微波發(fā)射單元傳送至脫氣站，同時(shí)接受中控指令。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 井場(chǎng)與脫氣站DCS間通訊拓?fù)鋱DFig.9 Communication Topological graph between wellhead and DCS

3 結(jié)束語

通過本文改造基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)脫氣站生產(chǎn)處理設(shè)施過程控制參數(shù)及脫氣站生產(chǎn)相關(guān)輔助系統(tǒng)，如化學(xué)藥劑、消防水、柴油等參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)井口的遠(yuǎn)程監(jiān)控，極大地降低了人工巡檢的強(qiáng)度，節(jié)約了人力物力成本。同時(shí)，該項(xiàng)目的改造完成，為在戰(zhàn)亂地區(qū)進(jìn)行油田的過渡性改造積累了經(jīng)驗(yàn)，為我國在海外油田的經(jīng)營提供了參考和借鑒意義。