天然氣累積取樣器控制改造升級

王桂鈞 徐正倫 劉海城

(1.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南，?？?70312）

(2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東，湛江524057）

天然氣累積取樣器是某海上天然氣開采平臺商業(yè)貿(mào)易計量系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于對外輸天然氣持續(xù)間歇性取樣，然后將一段時間內(nèi)累計取樣的天然氣送回陸地第三方機構(gòu)進行組分化驗。該氣田天然氣計量需要依據(jù)外輸天然氣組分進行能量貿(mào)易計量，因此需要保證累計取樣器的正?？煽窟\轉(zhuǎn)，一旦出現(xiàn)故障勢必影響天然氣商貿(mào)計量的準確性甚至引起不必要的商業(yè)貿(mào)易糾紛。累計取樣器運轉(zhuǎn)一段時間后，作為核心部件的“取樣參數(shù)控制器”（下稱：控制器）出現(xiàn)包括液晶面板無法顯示等的故障，導致設(shè)備無法正常操作。該設(shè)備為進口設(shè)備，備件采購費用高且周期長，受疫情影響供貨周期還不確定，為盡快恢復累積取樣器功能，通過對設(shè)備結(jié)構(gòu)和控制功能的分析后決定對其控制系統(tǒng)進行改造，最終通過在平臺中控集散控制系統(tǒng)中新增控制功能的方式實現(xiàn)累積取樣器的遠程控制，快速恢復累積取樣器功能，有效簡化現(xiàn)場設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 取樣器系統(tǒng)原理

1.1 工作模式及原理

某氣田采用PGI公司NOVA系列取樣系統(tǒng)器對進入外輸計量管線的天然氣進行取樣，該款累積取樣器使用安裝在現(xiàn)場的集成控制板G-2000對取樣程序進行本地控制，控制方式分為兩種：分別為“基于流量的取樣”以及“基于時間的取樣”。

流量取樣模式下，可滿足現(xiàn)場外輸管道實際測量流量達到操作員預設(shè)流量值后自動取樣。流量取樣在中控系統(tǒng)操作畫面進行操作，操作人員在畫面設(shè)置流量值后，中控控制系統(tǒng)讀取外輸計量計算機的實時流量，并將兩個參數(shù)進行比對，當實時累積流量達到操作員預設(shè)值時，會在持續(xù)2s的時間內(nèi)輸出20mA模擬信號到累積取樣器的J-100模擬信號轉(zhuǎn)換器中，進而通過控制板輸出電磁閥控制信號，儀表風驅(qū)動取樣泵動作，完成一次流量取樣。

時間取樣模式下，可滿足系統(tǒng)計時時間達到操作員預設(shè)取樣時間（取樣周期）后自動取樣。時間取樣在現(xiàn)場控制板G-2000上操作，操作人員設(shè)置取樣時間后，由現(xiàn)場控制板控制完成倒計時，倒計時時間到達0s時，控制板輸出控制信號至電磁閥，電磁閥得電后，儀表風回路導通，儀表風驅(qū)動取樣電磁閥動作一次完成一個周期的取樣，隨后進入下一周期并重新進行倒計時。在氣田日常使用中，一般將累積取樣器的控制程序設(shè)置為“時間取樣”。

1.2 系統(tǒng)控制回路

累積取樣器以控制器為核心，搭配模擬信號控制板完成信號的處理，同時利用取樣氣瓶上的滿瓶檢測磁性開關(guān)，繼電器，電磁閥等輔助控制取樣泵的啟停。外接電源包括直流電源DC24V和交流電源AC110V,預留有外部模擬量及數(shù)字量輸入接口以接收外部控制信號和反饋狀態(tài)，系統(tǒng)回路結(jié)構(gòu)圖如下所示：

圖1 系統(tǒng)控制回路圖

2 控制回路改造方案

由于現(xiàn)場控制板及電磁閥工作電壓等級為DC12V，而中控系統(tǒng)輸出工作電壓為DC24V，為實現(xiàn)利用中控PCS輸出控制信號對電磁閥進行控制，需首先對現(xiàn)場控制回路進行改造，主要有以下兩種方案。

方案一：中控PCS提供繼電器控制信號。新增一個繼電器，利用現(xiàn)場設(shè)備中的小型變壓器P-60輸出的DC12V，由PCS經(jīng)繼電器控制電磁閥的供電回路通斷。

圖2 方案一控制回路圖

方案二：中控PCS直接提供電磁閥控制信號。為匹配中控系統(tǒng)的DC24V輸出，需先對電磁閥進行換型，同時改造取樣泵的儀表氣源管線，將中控輸出控制信號接入電磁閥即可實現(xiàn)電磁閥的直接控制。改造后的回路圖如圖3所示。

圖3 方案二控制回路圖

由于方案一基本保留原設(shè)備中的變壓器P-60及工作電壓為DC12V的電磁閥，因此現(xiàn)場涉及改動量較小，但設(shè)備工作穩(wěn)定性多一個現(xiàn)場變壓器的工作狀態(tài)，且保留原配套變壓器及電磁閥需增加額外的庫存管理及采購成本；方案二需要對電磁閥儀表氣源回路進行改造，需要在現(xiàn)場預制安裝儀表管線，但采用現(xiàn)場通用性更高的DC24V電磁閥，不再需要采購原累積取樣器備件，減少對井口備件的依賴，備件管理方面具有更優(yōu)的經(jīng)濟性。綜合上述多方考慮后，最終選取方案二對累積取樣器控制系統(tǒng)回路進行改造施工。

基于安全考慮，為保證80%滿瓶開關(guān)動作時能斷開電磁閥，停下取樣泵，避免取樣氣瓶過充，將該電磁閥控制回路接入80%滿瓶開關(guān)控制繼電器常開觸點，對方案二控制回路進行優(yōu)化后控制回路如圖4所示：

圖4 優(yōu)化后控制回路圖

3 改造方案實施

3.1 回路硬件改造

在中控系統(tǒng)控制柜新增電磁閥控制回路，對現(xiàn)場控制回路進行改造，接入滿瓶開關(guān)用以實現(xiàn)氣瓶取滿后斷開取樣回路電磁閥實現(xiàn)聯(lián)鎖功能，實現(xiàn)本質(zhì)安全避免氣瓶過充損失氣瓶。同時將滿瓶信號接入到中控系統(tǒng)，以便監(jiān)控累積取樣狀態(tài)，滿瓶時及時更換取樣氣瓶。同時對現(xiàn)場電磁閥控制取樣氣瓶的儀表氣源管線回路進行改造以實現(xiàn)控制原氣動泵功能。

圖5 PCS硬件通道接入點

3.2 控制程序畫面改造

在中控系統(tǒng)PLC程序中新增累積取樣器控制程序，實現(xiàn)原有累積取樣器的控制功能，該程序段主要用于完成“間隔時間”與“取樣時間”的單位轉(zhuǎn)換運算，并將換算結(jié)果置入計時器。當按下啟動按鈕后，計時器按置入數(shù)值進行倒計時，并在完成計時后輸出電磁閥控制信號，按下停止按鈕則切斷控制信號的輸出。將原程序中“流量模式”輸出的20mA模擬量信號，修改為開關(guān)量信號，用以直接對信號“FT_2705X_DO”進行控制。具體控制程序段見圖6。

圖6 中控系統(tǒng)控制程序

在中控系統(tǒng)操作站的監(jiān)控畫面新增累積取樣器的操作功能，以替代原有累積取樣器的操作面板，包括“啟停按鈕”、“間隔時間”、“取樣時間”、“動作指示燈”、按鈕和數(shù)據(jù)輸入框等功能，新增畫面見圖7所示。

圖7 新增監(jiān)控畫面

3.3 聯(lián)合調(diào)試

檢查硬件控制回路通斷狀態(tài)，測量回路電壓，確認DC 24V供電電壓正常，操作站上點擊“啟動”、“停止”按鈕，測量電壓檢查輸出通斷狀態(tài)。操作站上點擊“啟動”、“停止”按鈕，檢查現(xiàn)場電磁閥動作狀態(tài)，對電磁閥進行單回路動作測試。現(xiàn)場導通取樣泵儀表風氣源，監(jiān)控畫面上輸入操作參數(shù)：間隔時間及取樣時間，點擊“啟動”按鈕，檢查現(xiàn)場取樣泵工作狀態(tài)。監(jiān)控畫面上預設(shè)“流量值”，點擊啟動，檢查現(xiàn)場取樣泵工作狀態(tài)。取樣氣動泵按“預設(shè)周期”及“預設(shè)流量”參數(shù)進行取樣，取樣氣動泵正常工作，至此累積取樣器控制系統(tǒng)回路功能完全實現(xiàn)系統(tǒng)投入正常運行。

4 結(jié)束語

本文以海上平臺實際案例出發(fā)，通過充分利用中控系統(tǒng)控制功能，對本地控制的取樣系統(tǒng)控制回路進行重新設(shè)計改造,將現(xiàn)場小型控制系統(tǒng)功能融合進中控系統(tǒng)進行集中控制，充分挖掘中控系統(tǒng)性能，解決了國外設(shè)備故障時備件采購費用高，訂貨周期長等一系列問題，同時提出一種“替代法”的故障解決思路，對現(xiàn)場小型控制系統(tǒng)的故障處理具有較強的指導意義，也具有較高的創(chuàng)新性及推廣價值。