海洋石油161平臺(tái)液位遙測(cè)系統(tǒng)錯(cuò)誤信號(hào)及關(guān)斷故障的處理

張文平，鄭慶軍，李丙焱，曲雙杰，王 鵬

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司天津作業(yè)公司 天津 300452)

海洋石油161平臺(tái)隸屬于中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，2012年7月投產(chǎn)于中海油天津分公司渤中3-2油田，其油、水艙的液位遙測(cè)系統(tǒng)的跳變給油田安全高效生產(chǎn)帶來(lái)了很多不穩(wěn)定因素。液位遙測(cè)系統(tǒng)作為平臺(tái)的核心系統(tǒng)，與海上作業(yè)平臺(tái)的安全可靠運(yùn)行緊密相關(guān)，平臺(tái)所應(yīng)用的液位遙測(cè)系統(tǒng)集成了不同測(cè)量液位的方法來(lái)對(duì)油艙、水艙等各艙液位值進(jìn)行監(jiān)控并報(bào)警。該系統(tǒng)可以通過(guò)與液位顯示儀表連接直接將液位計(jì)數(shù)值進(jìn)行顯示，除此之外，還能夠采用現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上載到上位機(jī)，利用上位機(jī)組態(tài)及人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)各液位的顯示和監(jiān)控[1]。海上采油平臺(tái)的液位遙測(cè)系統(tǒng)按其實(shí)現(xiàn)功能大致可以分為3項(xiàng)：①對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的油、水各個(gè)大艙的壓力、溫度、液位均能進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量、監(jiān)控、顯示[2]；②液位超過(guò)設(shè)定報(bào)警限位時(shí)進(jìn)行報(bào)警；③液位超過(guò)關(guān)斷設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)停相關(guān)聯(lián)鎖設(shè)備。

1 現(xiàn)有問(wèn)題分析

1.1 液位遙測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

海洋石油161平臺(tái)共有6個(gè)原油艙(左油1、中油1、右油1、左油2、中油2、右油2)，每個(gè)艙的有效艙高約為5.5m，每個(gè)油艙有2個(gè)液位傳感器、2個(gè)溫度傳感器、1個(gè)壓力傳感器。測(cè)量方式分別為超聲波液位計(jì)和導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)各艙液位的低、高報(bào)警和低低、高高關(guān)斷功能。鑒于在以往的實(shí)踐中導(dǎo)波雷達(dá)和超聲波測(cè)液位均出現(xiàn)跳變，2種變送器在目前情況下均不能可靠工作，為了避免因液位高高造成三級(jí)關(guān)斷，只能將6個(gè)油艙和左、右生產(chǎn)水艙的液位高高信號(hào)進(jìn)行旁通，這就使得平臺(tái)處于不受保護(hù)的狀態(tài)。

導(dǎo)波雷達(dá)式的液位計(jì)如圖1所示，是根據(jù)時(shí)域反射原理(TDR)為基礎(chǔ)的雷達(dá)液位計(jì)。雷達(dá)液位計(jì)的電磁脈沖是以光的速度沿鋼纜或探棒傳播，每當(dāng)傳播到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)的一大部分脈沖就會(huì)被介質(zhì)表面反射而形成回波，并沿原路徑返回到脈沖發(fā)出的原始點(diǎn)，發(fā)射的設(shè)備與被測(cè)介質(zhì)的表面之間距離和脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，通過(guò)算法便能得到各艙液位的高度。

圖1 導(dǎo)波雷達(dá)液位傳感器 Fig.1 Guided wave radar liquid level sensor

超聲波液位計(jì)如圖2所示，安裝在大艙頂部，在主電路板模塊的控制下，探頭會(huì)向所要測(cè)量的液體介質(zhì)發(fā)射一束超聲波脈沖，其聲波被介質(zhì)的表面反射，一部分反射回波由探頭接收并將其轉(zhuǎn)為電壓或電流信號(hào)。從超聲波發(fā)射出去到被反射回來(lái)重新被接收，所經(jīng)歷的時(shí)間與探頭到被測(cè)物體間的距離成正比。主電路板模塊檢測(cè)出這段時(shí)間，并根據(jù)聲音的傳播速度計(jì)算出被測(cè)的距離。通過(guò)減法運(yùn)算(艙高-空高)就可以算出液體介質(zhì)的液位高度[3]。

圖2 超聲波液位傳感器 Fig.2 Ultrasonic liquid level sensor

1.2 液位遙測(cè)系統(tǒng)問(wèn)題概述

使用超聲波測(cè)液位的右油2液位發(fā)生跳變，由1.26m跳變到0m，平臺(tái)發(fā)生四級(jí)關(guān)斷。為了檢查這一問(wèn)題，緊固右油2超聲波液位變送器的儀表接線和現(xiàn)場(chǎng)控制盤的所有接線，整個(gè)緊固過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)任何端子有明顯松動(dòng)。右油2的液位在2日后又一次發(fā)生了跳變，由0.86m跳變到0m，造成平臺(tái)四級(jí)關(guān)斷；當(dāng)天晚上又陸續(xù)出現(xiàn)數(shù)次跳變；第2天上午跳變情況更加嚴(yán)重，不到1min就出現(xiàn)1次，同時(shí)觸發(fā)四級(jí)關(guān)斷，現(xiàn)場(chǎng)檢查液位并未發(fā)現(xiàn)任何異常故障情況。

由于每個(gè)油艙共有2個(gè)液位傳感器，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)都屬于液位遙測(cè)系統(tǒng)，所以主監(jiān)控傳感器可以在兩者之間互相切換，也可以同時(shí)互相作為備用。

基于上述右油二液位跳變頻發(fā)的情況，將超聲波液位變送器的接線斷開(kāi)，改為由導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器測(cè)量，二者液位差值達(dá)0.16m，但仍出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，并觸發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)斷。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)和超聲波測(cè)液位計(jì)所測(cè)量的液位值的準(zhǔn)確性也無(wú)法得到驗(yàn)證，在外輸結(jié)束后對(duì)6個(gè)油艙的液位進(jìn)行了記錄，數(shù)據(jù)如表1所示，差值中最大的將近0.4m，小的近0.03m。

表1 外輸后6個(gè)油艙的液位值(單位：m) Tab.1 Liquid level values of six oil tanks after offloading

1.3 跳變?cè)斐傻暮蠊c影響

僅通過(guò)一次外輸后液位值的對(duì)比觀察效果可能很不好。但據(jù)維修人員記錄，液位計(jì)跳變頻率最高的除了左油2、右油2、中油1和右油1外，中油1也出現(xiàn)了多次跳變。污油艙等在每次跳變后對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)濾除干擾信號(hào)后都能保持穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，但并不能從根本上解決問(wèn)題，針對(duì)其中6個(gè)油艙超聲波液位變送器本身跳變的故障只是暫時(shí)在軟件上做了設(shè)置，即在發(fā)生誤動(dòng)作跳變時(shí)不產(chǎn)生關(guān)斷。各個(gè)油艙的液位高高信號(hào)均可以造成三級(jí)關(guān)斷，三級(jí)關(guān)斷頻繁發(fā)生的后果非常嚴(yán)重，不僅可以造成井上井下安全閥的關(guān)閉，而且會(huì)造成電潛泵停運(yùn)，繼而影響油田的原油產(chǎn)量、增加平臺(tái)人員的工作壓力、降低油井電泵的使用壽命。

2 改進(jìn)方案

2.1 改進(jìn)計(jì)劃

鑒于導(dǎo)波雷達(dá)和超聲波測(cè)液位均出現(xiàn)跳變，2種液位變送器在目前情況下均不能可靠工作，為了避免因液位高高造成三級(jí)關(guān)斷，只能將6個(gè)油艙和左、右生產(chǎn)水艙的液位高高信號(hào)旁通，然而這就使得平臺(tái)處于不受保護(hù)的狀態(tài)。

為了避免因液位計(jì)的跳變信號(hào)的輸出達(dá)到關(guān)斷點(diǎn)造成三級(jí)或四級(jí)關(guān)斷，將油艙的超聲波傳感器更換成西門子的超聲波傳感器，該超聲波傳感器工作溫度高于原超聲波變送器。除了硬件上的改進(jìn)，也要在軟件上下足功夫，通過(guò)對(duì)源程序進(jìn)行修改，將超聲波液位計(jì)改為備用、導(dǎo)波雷達(dá)變送器改為主用；在程序中增加輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)，增加判斷液位是否跳變的程序，對(duì)液位跳變后輸出關(guān)斷信號(hào)的延時(shí)功能(延時(shí)關(guān)斷時(shí)間：油艙設(shè)定為20min，水艙設(shè)定為10min)， 并對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，避免假信號(hào)的 干擾。

2.2 實(shí)施措施

①將平臺(tái)艙室的主監(jiān)控傳感器改為VEGA導(dǎo)波雷達(dá)傳感器，導(dǎo)波雷達(dá)是基于時(shí)間行程原理的“俯視”式測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果不受溫度、液位密度、霧氣和泡沫工藝條件的影響，且抗干擾能力強(qiáng)、電磁波恒定，調(diào)校時(shí)只需輸入量程等參數(shù)即可[4]，所以上位機(jī)采用導(dǎo)波雷達(dá)傳感器的測(cè)量值，關(guān)斷信號(hào)同樣采用導(dǎo)波雷達(dá)傳感器的測(cè)量值，而超聲波傳感器作為備用，其測(cè)量值不進(jìn)入監(jiān)控程序，只作為參考值。

②為了利用軟件來(lái)識(shí)別有用信號(hào)和干擾信號(hào)，并濾除干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)了軟件濾波。在之前程序中就已有濾波程序，但是在實(shí)際應(yīng)用中這種算法的濾波程序不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，所以通過(guò)比較各種濾波算法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)濾波程序進(jìn)行了調(diào)整，減少了信號(hào)跳變的頻率和幅值，切實(shí)提高了設(shè)備的容錯(cuò)及抗干擾能力。

③增加了跳變信號(hào)程序，當(dāng)導(dǎo)波雷達(dá)傳感器發(fā)生異常信號(hào)(信號(hào)突然變化的值＞0.1m)時(shí)，也就是跳變信號(hào)的值超過(guò)關(guān)斷設(shè)定點(diǎn)，程序?qū)⒆詣?dòng)跳轉(zhuǎn)到跳變信號(hào)程序。當(dāng)數(shù)據(jù)大于高報(bào)警值或低于低報(bào)警值時(shí)會(huì)正常顯示報(bào)警和觸發(fā)報(bào)警器發(fā)聲，但卻能夠保證系統(tǒng)在10min內(nèi)不輸出關(guān)斷信號(hào)，此時(shí)維修人員有足夠時(shí)間觀察跳變信號(hào)的變化。如果在10min內(nèi)能夠恢復(fù)到正常狀態(tài)，則消除報(bào)警后繼續(xù)運(yùn)行；如果還未恢復(fù)到正常狀態(tài)，且顯示值仍然超過(guò)關(guān)斷設(shè)定值，那么10min后發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，程序跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行關(guān)斷程序，這就給維修人員進(jìn)行旁通此通道的時(shí)間。另外，生產(chǎn)水艙和凈水艙的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)當(dāng)發(fā)生信號(hào)跳變時(shí)同樣按此步驟執(zhí)行。

④當(dāng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)出現(xiàn)斷線導(dǎo)波雷達(dá)傳感器的測(cè)量值顯示0時(shí)，此時(shí)中控監(jiān)控顯示界面將在1min后自動(dòng)切入到超聲波液位計(jì)測(cè)量值，備用超聲波液位計(jì)發(fā)揮作用。超聲波液位計(jì)的測(cè)量值為監(jiān)控程序的顯示值和輸出關(guān)斷值，系統(tǒng)執(zhí)行主液位計(jì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的功能，此時(shí)中控畫面上顯示值旁邊出現(xiàn)藍(lán)色方框圖標(biāo)，表示傳感器值為超聲波傳感器值。待導(dǎo)波雷達(dá)傳感器恢復(fù)正常后，監(jiān)控程序?qū)⒆詣?dòng)執(zhí)行導(dǎo)波雷達(dá)傳感器的測(cè)量值。

⑤加裝內(nèi)容存儲(chǔ)功能，通過(guò)液位遙測(cè)系統(tǒng)人機(jī)界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的監(jiān)控，如液位、溫度、壓力等的檢測(cè)，檢測(cè)軟件包括通信檢測(cè)、參數(shù)設(shè)置、圖標(biāo)顯示等模塊，同時(shí)還新增了存儲(chǔ)區(qū)域和加裝了存儲(chǔ)功能，以此來(lái)輔助硬件系統(tǒng)達(dá)到液位計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)液位數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、圖形顯示、參數(shù)修改、報(bào)警等功能。如在信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)會(huì)將跳變瞬間的生產(chǎn)狀態(tài)、艙室溫度、壓力、液位等數(shù)據(jù)生成報(bào)表并記錄保存，以方便日后參考，并作為分析故障排查原因的依據(jù)。

3 結(jié)論和建議

關(guān)于延時(shí)信號(hào)關(guān)斷的改造理念源于巧妙創(chuàng)新的思路，通過(guò)對(duì)液位傳感器跳變問(wèn)題分析，開(kāi)展了硬件的升級(jí)、軟件的完善，徹底解決了平臺(tái)上由于錯(cuò)誤信號(hào)導(dǎo)致發(fā)生意外關(guān)斷的問(wèn)題。針對(duì)液位遙測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)改造，保證了平臺(tái)核心系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保障了油田安全穩(wěn)定生產(chǎn)，降低了設(shè)備的故障率，節(jié)約了維修成本，該理念可以應(yīng)用到整個(gè)海上采油平臺(tái)，具有推廣借鑒意義。

根據(jù)設(shè)備在平臺(tái)上的實(shí)際運(yùn)行情況找出在某些程序設(shè)計(jì)上的不足，并據(jù)此提出建議，使各艙室液位監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)、可靠。對(duì)于油田來(lái)說(shuō)，這樣可以避免由于液位遙測(cè)系統(tǒng)的跳變輸出錯(cuò)誤的液位關(guān)斷值而造成系統(tǒng)關(guān)斷的問(wèn)題，所以增加跳變程序、延時(shí)輸出的程序能及時(shí)有效地過(guò)渡跳變檢測(cè)、延遲關(guān)斷程序的執(zhí)行、降低觸發(fā)平臺(tái)關(guān)斷的概率；同時(shí)，可減少因關(guān)斷造成的產(chǎn)量的損失和維修費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，提高工作效率?！?/p>