胡永和
中海油信息科技有限公司天津分公司 天津 300452
海油總提出渤海2019年實(shí)現(xiàn)5000~6500萬(wàn)m的宏偉目標(biāo),其中開(kāi)發(fā)邊際油氣田是非常重要的組成部分。為了降低海洋石油工程開(kāi)發(fā)成本,有效開(kāi)發(fā)海洋石油邊際油氣田,探索低成本的簡(jiǎn)易設(shè)施設(shè)計(jì)技術(shù)是必由之路,這便對(duì)邊際油氣田的總體開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了很高的要求。
海上油氣田自動(dòng)控制的基本內(nèi)容一般是采用合適的自動(dòng)化機(jī)械對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)、分析和操縱。包括原油處理終端、油氣集輸、天然氣污水處理、油氣儲(chǔ)運(yùn)等項(xiàng)目[1]。這種操作過(guò)程首先要安裝在油深水井、注水計(jì)量站、轉(zhuǎn)運(yùn)站、脫干站、含油廢水站、油穩(wěn)定站、氣溶站、石化站。但是,要有效地執(zhí)行制造的日常任務(wù),僅靠這種工藝技術(shù)可能還不夠。必須有各種自動(dòng)化機(jī)械,及其制造方法和管理人員。工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在海洋石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用具有以下特點(diǎn):①海上平臺(tái)之間的距離一般比較大(多少公里到幾十公里),所以規(guī)定了遠(yuǎn)距離傳輸;②井站無(wú)人遠(yuǎn)程作業(yè)決策以具備應(yīng)對(duì)極端天氣和自然環(huán)境的能力;③整個(gè)系統(tǒng)龐大,檢測(cè)井站總數(shù)多,通信系統(tǒng)要強(qiáng),循環(huán)響應(yīng)速度快;④作為我國(guó)不可或缺的資源,其所選擇的工業(yè)系統(tǒng)具有極強(qiáng)先進(jìn)性以及可靠性的設(shè)備,故而為核心部分,確保通信鏈路穩(wěn)定性。伴隨油氣田現(xiàn)代化管理進(jìn)程不斷深入,現(xiàn)階段繼續(xù)一種能夠?qū)崿F(xiàn)全天候無(wú)人值守的監(jiān)管方式,從而確保此類復(fù)雜工作得以簡(jiǎn)化,避免不必要的損失[2]。
第一是安全生產(chǎn)必備:溫度、工作壓力、液位計(jì)限位報(bào)警、潛水泵停機(jī)報(bào)警、遙控潛水泵啟停、遙控緊急停機(jī)、火災(zāi)事故、易燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警、消防安全等。第二類是企業(yè)生產(chǎn)管理所必需的:溫度、壓力、流量、液位、應(yīng)用程序運(yùn)行的主要參數(shù)、燃?xì)夂退?jì)量驗(yàn)證等,以及海底管道的干溫、干壓、總流量和相對(duì)密度[3]。
①全自動(dòng)步進(jìn)法。自動(dòng)步進(jìn)法是指通過(guò)將計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)按鍵置于電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控屏幕上,自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)終止步進(jìn),它是操作系統(tǒng)的一種特定方法。②現(xiàn)場(chǎng)手工法。該方法是指現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的電源開(kāi)關(guān)或按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作,關(guān)鍵是用于機(jī)器設(shè)備的校準(zhǔn)和維護(hù),在系統(tǒng)調(diào)整和資金投入之前,檢查安裝設(shè)備和接線是否合適,投入運(yùn)行后,檢查儀器的常見(jiàn)故障。
現(xiàn)階段,隨著我國(guó)海上油氣田開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)深海已基本建成一批智能水油氣田,邊界油氣田散布在這組油氣田周?chē)I(lǐng)域,因此,油氣田的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)可以附加在原有油氣田的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上[4]。如何在無(wú)人井筒平臺(tái)上采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和信息,并在中心平臺(tái)上完成實(shí)時(shí)監(jiān)控,對(duì)保障生產(chǎn)安全具有重要意義。這就規(guī)定了數(shù)字通信系統(tǒng)可以具有安全可靠的安全系數(shù)。某海上油氣田連續(xù)多年保持百萬(wàn)噸以上的產(chǎn)量,是一個(gè)具有良好開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)前景的海上油氣田。在無(wú)人井筒簡(jiǎn)易設(shè)備設(shè)計(jì)的研究中,應(yīng)用通信系統(tǒng),選用新型先進(jìn)設(shè)備和實(shí)時(shí)設(shè)備。在設(shè)備規(guī)劃方案中,不可避免地要考慮監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)采集和調(diào)整,中心平臺(tái)進(jìn)行全自動(dòng)遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)監(jiān)控,尤其是無(wú)人井平臺(tái)ESD和PLC系統(tǒng),安全等級(jí)非常高,有數(shù)以千計(jì)的溝通方式。根據(jù)海上油氣田的特點(diǎn),有兩種傳輸技術(shù)用于科學(xué)研究,一種是無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸技術(shù),另一種是光纖線路系統(tǒng)的傳輸技術(shù)。新建的海上采油廠平臺(tái)采用無(wú)人值守采油廠方式,具有世界其他海上采油廠無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
在每個(gè)子站(即小型平臺(tái)或無(wú)人專職的簡(jiǎn)易平臺(tái))上配備無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)微波裝置,然后按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)配備PLC(可編程控制器)分站和現(xiàn)場(chǎng)信息的需求。并使用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)信息端口號(hào)與PLC連接,然后根據(jù)分站內(nèi)置的發(fā)送無(wú)線天線,將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息以藍(lán)牙傳輸?shù)男问絺鬏數(shù)街行钠脚_(tái)。典型的結(jié)構(gòu)體系架構(gòu)圖有兩種:一種是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信;另一種是點(diǎn)對(duì)多通信。該無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)易于安裝、易于維護(hù)、可擴(kuò)展性好、成本低。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信使互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)更快更安全,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更高;選擇這種結(jié)構(gòu)并不容易。使用這種類型的通信并不容易,由于Serve通信板短,網(wǎng)絡(luò)通信受阻,一對(duì)一的通訊方式合理的防止了互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的宕機(jī)。
X710系列的主要性能指標(biāo)如下:發(fā)送頻率220~240MHz 330~512MHz 800~960MHz信道帶寬12.5(X710A) 25kHz(X710C),步進(jìn)電機(jī)頻率6.25KHz,接收頻率220~240MHz~123MHz,800~960MHz。信號(hào)規(guī)格RS~232,api接口DB~25母。數(shù)據(jù)信息特性:api接口速度(多線程):110/300hps~38.4kbps,包括1200、2400、4800、9600bps。MODEM傳輸速度:9600/19200bps傳輸數(shù)據(jù)延遲:最大7-10ms。調(diào)頻發(fā)射機(jī)部署類型:二進(jìn)制連續(xù)相位差頻移鍵控(CPFSK)載波通信輸出功率:0.1~5W(可調(diào))。工作時(shí)循環(huán)系統(tǒng):連續(xù)輸出阻抗:50Ω,頻率穩(wěn)定度:±1.5×10-6。接收機(jī)類型:超外差雙變頻,靈敏度更高;-111/105dBm(BER10-6)。頻率穩(wěn)定性:±1.55×10-6,網(wǎng)絡(luò)帶寬:12.5/25kHz,電源直流工作電壓:額定值13.8V(10.5~16V),TX電源系統(tǒng)電流容量:2.5A,RX電源系統(tǒng)電流容量:125mA,儲(chǔ)備(睡眠質(zhì)量法)電流:15mA,保險(xiǎn)絲:4A,工作溫度范圍:-30°~60°(所有特性)-40°~70°(工作條件),環(huán)境濕度:40°時(shí)95%,物理插座,無(wú)線天線插座:N型,母數(shù)據(jù)信息端口號(hào):DB-25母頭連接器,診斷端口號(hào):RJ-11。
生產(chǎn)監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)由三個(gè)關(guān)鍵部分組成;通信部分、數(shù)據(jù)采集與操作部分(RTU)、上位機(jī)軟件部分,數(shù)據(jù)采集與運(yùn)行部分(RTU)可根據(jù)油氣田的具體信息量進(jìn)行配置,選擇適合室外廠區(qū)安裝水平標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。中央平臺(tái)主控室與簡(jiǎn)易無(wú)人平臺(tái)之間,可采用數(shù)傳電臺(tái)完成無(wú)人平臺(tái)的測(cè)控技術(shù)數(shù)據(jù)信息、工作電壓、電流、運(yùn)行、終止及常見(jiàn)故障信號(hào)井筒電潛泵和輸油管道的工作壓力根據(jù)PLC(RTU)采集溫度、溫度等信息,根據(jù)RS-232接口與數(shù)據(jù)廣播站相連,傳輸至中央平臺(tái)主控室,主控室顯示、報(bào)警、打??;主控室對(duì)井筒平臺(tái)的控制信號(hào)也將通過(guò)數(shù)據(jù)廣播站傳輸給PLC控制潛水電泵和閥門(mén);同時(shí),PLC還可以按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)潛水電泵和閥門(mén)進(jìn)行自動(dòng)控制。中央平臺(tái)主控室和簡(jiǎn)易無(wú)人平臺(tái)還可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸站完成對(duì)講系統(tǒng)的語(yǔ)音通信,配置多路復(fù)用器和多串口卡,完成數(shù)據(jù)、電話、圖像綜合傳輸。
對(duì)于簡(jiǎn)易無(wú)人平臺(tái)設(shè)備供電方供電系統(tǒng)形式,可采用海底電纜輸送220V50Hz交流電源。如果沒(méi)有開(kāi)關(guān)電源,可以采用光伏供電系統(tǒng)的方法。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)利用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù),將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電磁能,可以說(shuō)是取之不盡,用之不竭。一方面,采用該技術(shù)制造的太陽(yáng)能電池(太陽(yáng)能電池板)使用方便,尤其是近年來(lái)微型半導(dǎo)體逆變電源的超速發(fā)展趨勢(shì),促進(jìn)了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的簡(jiǎn)單化和應(yīng)用的便利性。太陽(yáng)能電源開(kāi)關(guān)電源提供全天候UPS電源,可為輸電系統(tǒng)提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的開(kāi)關(guān)電源。在簡(jiǎn)單的無(wú)人平臺(tái)上,為了更好地降低風(fēng)險(xiǎn),減少資金投入??梢钥紤]選擇太陽(yáng)能作為通信和傳輸數(shù)據(jù)系統(tǒng)的供電系統(tǒng),并選擇一組最重要的設(shè)備——太陽(yáng)能光伏發(fā)電板、蓄電池充電控制板、逆變電源和蓄電池。即使在連續(xù)多日陰雨天氣的情況下,太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)仍能維持設(shè)施的正常運(yùn)行。對(duì)于簡(jiǎn)單的無(wú)人平臺(tái),如果發(fā)射數(shù)據(jù)電臺(tái)的功能是30W,數(shù)據(jù)采集PLC的功能是100W,那么12V50W和24V100W的太陽(yáng)能電池板就可以滿足要求。
海上平臺(tái)明確提出了非常高的安全生產(chǎn)規(guī)定。也就是說(shuō),對(duì)機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定性的要求非常高,不能有誤操作,否則會(huì)影響生產(chǎn),甚至導(dǎo)致油田停產(chǎn)?,F(xiàn)階段,絕大多數(shù)中海油海上油田采用深海復(fù)合電纜(電力電纜和光纜)配置光端機(jī)械設(shè)備,傳輸制造、應(yīng)急等數(shù)據(jù)信息操縱信號(hào)。在新建的水上平臺(tái)上最常見(jiàn)的用途是配備SDH同步數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)備的深海復(fù)合電纜,用于傳輸制造控制信號(hào)、視頻監(jiān)控信號(hào)、電話、廣播節(jié)目等通信信號(hào)。緊急停機(jī)是作為干接點(diǎn)信號(hào)傳輸?shù)?,它?guī)定了SDH專用卡供電電路中的各個(gè)電路必須完全隔離和保護(hù)。DTT卡中傳輸干接點(diǎn)信號(hào)的4種電路原理必須完全隔離和保護(hù),協(xié)調(diào)器只有在收到完全合理的96位幀時(shí)才會(huì)發(fā)出預(yù)定的姿勢(shì)信號(hào)。正常傳輸下,誤操作的概率優(yōu)于10-72,這也是具體應(yīng)用中的最低值。同時(shí),即使連續(xù)0.1的誤差(最壞情況),誤操作的概率也只有10-16,也就是每30000年一次。一般來(lái)說(shuō),A平臺(tái)向B平臺(tái)傳輸合閘信號(hào)的關(guān)鍵延遲來(lái)自機(jī)械設(shè)備本身的延遲(海底光纜上的信號(hào)傳輸速率為5μs/km,可以忽略不計(jì)),以及專業(yè)設(shè)備卡的端到端延遲為3ms,可以滿足最嚴(yán)格的關(guān)機(jī)信號(hào)延遲規(guī)定。項(xiàng)目為例,該項(xiàng)目有7個(gè)簡(jiǎn)易平臺(tái),于2017年建成投產(chǎn),使用專用的DTT設(shè)備,以及FPSO應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī),運(yùn)行時(shí),需在10ms內(nèi)斷開(kāi)超載(甩負(fù)荷,即發(fā)射干接點(diǎn)信號(hào)),并保證電潛泵的正常運(yùn)行。原因是因其開(kāi)關(guān)電源是50Hz,一個(gè)周期是20ms,在負(fù)載較大之前,即半個(gè)周期以上,從A平臺(tái)到B平臺(tái)的信號(hào)需要在10ms內(nèi)完成?,F(xiàn)階段,多個(gè)海上油田已經(jīng)使用該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸和監(jiān)管,例如; BZ28-2S油田、JZ21-1油田、JZ9-3油田及東海部分海上油氣田群。
①?gòu)南到y(tǒng)的需求分析報(bào)告考慮,為實(shí)現(xiàn)中心平臺(tái)對(duì)無(wú)人平臺(tái)的監(jiān)控,應(yīng)明確系統(tǒng)作用,將中心平臺(tái)采油技術(shù)及其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)化在監(jiān)控系統(tǒng)的基本概念上,明確提出了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。②利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)微波加熱數(shù)據(jù)傳輸模塊技術(shù),制定海上采油平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。選擇工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器作為監(jiān)管系統(tǒng)的所有關(guān)鍵設(shè)備,構(gòu)建監(jiān)管系統(tǒng)的硬件配置互聯(lián)網(wǎng)。③針對(duì)海上采油平臺(tái)周邊環(huán)境的特點(diǎn)和監(jiān)管系統(tǒng)的一些獨(dú)特規(guī)定,系統(tǒng)分析了系統(tǒng)可能存在的弱點(diǎn),并在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)中采取了相關(guān)的抗干擾對(duì)策方案。④監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件配置創(chuàng)建后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組裝和調(diào)整,對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)控和報(bào)警顯示功能進(jìn)行了全方位的實(shí)驗(yàn)考察。