海洋石油161平臺液位遙測系統(tǒng)錯誤信號及關(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、水艙的液位遙測系統(tǒng)的跳變給油田安全高效生產(chǎn)帶來了很多不穩(wěn)定因素。液位遙測系統(tǒng)作為平臺的核心系統(tǒng)，與海上作業(yè)平臺的安全可靠運行緊密相關(guān)，平臺所應(yīng)用的液位遙測系統(tǒng)集成了不同測量液位的方法來對油艙、水艙等各艙液位值進行監(jiān)控并報警。該系統(tǒng)可以通過與液位顯示儀表連接直接將液位計數(shù)值進行顯示，除此之外，還能夠采用現(xiàn)場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，利用上位機組態(tài)及人機交互界面實現(xiàn)現(xiàn)場各液位的顯示和監(jiān)控[1]。海上采油平臺的液位遙測系統(tǒng)按其實現(xiàn)功能大致可以分為3項：①對現(xiàn)場的油、水各個大艙的壓力、溫度、液位均能進行準(zhǔn)確的測量、監(jiān)控、顯示[2]；②液位超過設(shè)定報警限位時進行報警；③液位超過關(guān)斷設(shè)定點時關(guān)停相關(guān)聯(lián)鎖設(shè)備。

1 現(xiàn)有問題分析

1.1 液位遙測系統(tǒng)簡介

海洋石油161平臺共有6個原油艙(左油1、中油1、右油1、左油2、中油2、右油2)，每個艙的有效艙高約為5.5m，每個油艙有2個液位傳感器、2個溫度傳感器、1個壓力傳感器。測量方式分別為超聲波液位計和導(dǎo)波雷達液位計，可以實現(xiàn)各艙液位的低、高報警和低低、高高關(guān)斷功能。鑒于在以往的實踐中導(dǎo)波雷達和超聲波測液位均出現(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關(guān)斷，只能將6個油艙和左、右生產(chǎn)水艙的液位高高信號進行旁通，這就使得平臺處于不受保護的狀態(tài)。

導(dǎo)波雷達式的液位計如圖1所示，是根據(jù)時域反射原理(TDR)為基礎(chǔ)的雷達液位計。雷達液位計的電磁脈沖是以光的速度沿鋼纜或探棒傳播，每當(dāng)傳播到被測介質(zhì)表面時，雷達液位計的一大部分脈沖就會被介質(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，發(fā)射的設(shè)備與被測介質(zhì)的表面之間距離和脈沖在其間的傳播時間成正比，通過算法便能得到各艙液位的高度。

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

超聲波液位計如圖2所示，安裝在大艙頂部，在主電路板模塊的控制下，探頭會向所要測量的液體介質(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。從超聲波發(fā)射出去到被反射回來重新被接收，所經(jīng)歷的時間與探頭到被測物體間的距離成正比。主電路板模塊檢測出這段時間，并根據(jù)聲音的傳播速度計算出被測的距離。通過減法運算(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 液位遙測系統(tǒng)問題概述

使用超聲波測液位的右油2液位發(fā)生跳變，由1.26m跳變到0m，平臺發(fā)生四級關(guān)斷。為了檢查這一問題，緊固右油2超聲波液位變送器的儀表接線和現(xiàn)場控制盤的所有接線，整個緊固過程中未發(fā)現(xiàn)任何端子有明顯松動。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，造成平臺四級關(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，同時觸發(fā)四級關(guān)斷，現(xiàn)場檢查液位并未發(fā)現(xiàn)任何異常故障情況。

由于每個油艙共有2個液位傳感器，導(dǎo)波雷達液位計和超聲波液位計都屬于液位遙測系統(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，改為由導(dǎo)波雷達液位變送器測量，二者液位差值達0.16m，但仍出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，并觸發(fā)了現(xiàn)場的關(guān)斷。

導(dǎo)波雷達液位計和超聲波測液位計所測量的液位值的準(zhǔn)確性也無法得到驗證，在外輸結(jié)束后對6個油艙的液位進行了記錄，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個油艙的液位值(單位：m) Tab.1 Liquid level values of six oil tanks after offloading

1.3 跳變造成的后果與影響

僅通過一次外輸后液位值的對比觀察效果可能很不好。但據(jù)維修人員記錄，液位計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導(dǎo)波雷達液位計濾除干擾信號后都能保持穩(wěn)定運行一段時間，但并不能從根本上解決問題，針對其中6個油艙超聲波液位變送器本身跳變的故障只是暫時在軟件上做了設(shè)置，即在發(fā)生誤動作跳變時不產(chǎn)生關(guān)斷。各個油艙的液位高高信號均可以造成三級關(guān)斷，三級關(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，而且會造成電潛泵停運，繼而影響油田的原油產(chǎn)量、增加平臺人員的工作壓力、降低油井電泵的使用壽命。

2 改進方案

2.1 改進計劃

鑒于導(dǎo)波雷達和超聲波測液位均出現(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關(guān)斷，只能將6個油艙和左、右生產(chǎn)水艙的液位高高信號旁通，然而這就使得平臺處于不受保護的狀態(tài)。

為了避免因液位計的跳變信號的輸出達到關(guān)斷點造成三級或四級關(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，也要在軟件上下足功夫，通過對源程序進行修改，將超聲波液位計改為備用、導(dǎo)波雷達變送器改為主用；在程序中增加輸入點和輸出點，增加判斷液位是否跳變的程序，對液位跳變后輸出關(guān)斷信號的延時功能(延時關(guān)斷時間：油艙設(shè)定為20min，水艙設(shè)定為10min)， 并對導(dǎo)波雷達的測量結(jié)果進行修正，避免假信號的 干擾。

2.2 實施措施

①將平臺艙室的主監(jiān)控傳感器改為VEGA導(dǎo)波雷達傳感器，導(dǎo)波雷達是基于時間行程原理的“俯視”式測量，其測量結(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、電磁波恒定，調(diào)校時只需輸入量程等參數(shù)即可[4]，所以上位機采用導(dǎo)波雷達傳感器的測量值，關(guān)斷信號同樣采用導(dǎo)波雷達傳感器的測量值，而超聲波傳感器作為備用，其測量值不進入監(jiān)控程序，只作為參考值。

②為了利用軟件來識別有用信號和干擾信號，并濾除干擾信號，設(shè)計了軟件濾波。在之前程序中就已有濾波程序，但是在實際應(yīng)用中這種算法的濾波程序不能滿足現(xiàn)場需求，所以通過比較各種濾波算法的優(yōu)缺點對濾波程序進行了調(diào)整，減少了信號跳變的頻率和幅值，切實提高了設(shè)備的容錯及抗干擾能力。

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

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

⑤加裝內(nèi)容存儲功能，通過液位遙測系統(tǒng)人機界面對數(shù)據(jù)進行運算，實現(xiàn)各參數(shù)的監(jiān)控，如液位、溫度、壓力等的檢測，檢測軟件包括通信檢測、參數(shù)設(shè)置、圖標(biāo)顯示等模塊，同時還新增了存儲區(qū)域和加裝了存儲功能，以此來輔助硬件系統(tǒng)達到液位計的技術(shù)指標(biāo)，實現(xiàn)液位數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、運輸、圖形顯示、參數(shù)修改、報警等功能。如在信號發(fā)生跳變時會將跳變瞬間的生產(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)于延時信號關(guān)斷的改造理念源于巧妙創(chuàng)新的思路，通過對液位傳感器跳變問題分析，開展了硬件的升級、軟件的完善，徹底解決了平臺上由于錯誤信號導(dǎo)致發(fā)生意外關(guān)斷的問題。針對液位遙測系統(tǒng)的升級改造，保證了平臺核心系統(tǒng)的正常運行，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)用到整個海上采油平臺，具有推廣借鑒意義。

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