FPSO轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李彤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

基于不同的工作環(huán)境和所在海洋結(jié)構(gòu)中的位置,可以將單點(diǎn)系泊系統(tǒng)分為三種主要類型,內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)(Internal Turret Mooring System)、外轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)(External Turret Mooring System)、塔架式軟剛臂單點(diǎn)系泊以及懸鏈錨腿式單點(diǎn)系泊(CALM)等類型[1]。轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)(Turret Mooring System, TMS)是FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的一個(gè)重要類型,主要包括內(nèi)轉(zhuǎn)塔和外轉(zhuǎn)塔兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)形式,是FPSO能夠安全、穩(wěn)定系泊定位在海上油田核心設(shè)備。常見的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)主要有3種:浮筒式轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)、浸沒式轉(zhuǎn)塔裝卸系統(tǒng)以及浸沒式轉(zhuǎn)塔生產(chǎn)系統(tǒng)。基于南海東部的FPSO項(xiàng)目,介紹FPSO轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)相關(guān)的過程控制、火氣探測(cè)和緊急關(guān)斷系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和遠(yuǎn)程控制站的配置。

1 TMS系統(tǒng)構(gòu)造

以南海某海上油田FPSO所采用的TMS系泊系統(tǒng)為例,該區(qū)域海底到水面之間的管線、電纜、控制管線等采用柔性連接,再通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與FPSO連接[2]。其系統(tǒng)構(gòu)造組成主要包括以下幾部分。

1)塔架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)位于FPSO船體首部甲板上,環(huán)繞轉(zhuǎn)臺(tái)頂部以容納滑環(huán)塔等驅(qū)動(dòng)裝置、管道、系泊纜絞車、動(dòng)力控制設(shè)施等[3]。該結(jié)構(gòu)主要功能是提供從FPSO船體到TMS轉(zhuǎn)臺(tái)的支撐和通道,為人員日常操作、巡檢和維護(hù)轉(zhuǎn)臺(tái)上的設(shè)備提供支持,并隨著船體轉(zhuǎn)動(dòng)。TMS系統(tǒng)總體構(gòu)造示意圖和塔架結(jié)構(gòu)見圖1、2。

圖1 TMS系統(tǒng)總體構(gòu)造示意

圖2 塔架結(jié)構(gòu)示意

2)上轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)位于TMS下轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)的頂部,在船體甲板上方的固定側(cè)。上轉(zhuǎn)塔內(nèi)主要安裝有管道、閥門、滑環(huán)等設(shè)備,并跟隨FPSO船體在風(fēng)標(biāo)的作用下一起轉(zhuǎn)動(dòng),見圖3。

圖3 上轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)示意

3)下轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)位于船體單點(diǎn)艙內(nèi)部,上轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)的正下方。下轉(zhuǎn)塔與系泊腿連接,通系泊腿連接錨樁固定在海床上,內(nèi)部的管線和電纜接頭與水下柔性立管和臍帶纜連接,不隨船體轉(zhuǎn)動(dòng),見圖4。

圖4 下轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)示意

4)滑環(huán)?；h(huán)即旋轉(zhuǎn)接頭,該設(shè)備位于上轉(zhuǎn)塔,主要包括能夠旋轉(zhuǎn)的生產(chǎn)滑環(huán)通道、高低壓電滑環(huán)通道、儀控滑環(huán)通道和光纖滑環(huán)通道,接收來自立管和臍帶纜的氣液相混輸液、電力和光電信號(hào),實(shí)現(xiàn)將來自水下立管和臍帶纜的非轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)井液、電力和通訊信號(hào)傳輸?shù)睫D(zhuǎn)動(dòng)側(cè)的FPSO船體上,是TMS系統(tǒng)的核心設(shè)備集成件,見圖5。

圖5 滑環(huán)設(shè)備示意

2 TMS監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

儀表控制系統(tǒng)是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的控制核心,也是單點(diǎn)安全生產(chǎn)和運(yùn)營的守衛(wèi)系統(tǒng)。TMS的儀表控制系統(tǒng)是FPSO單點(diǎn)項(xiàng)目開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,其系統(tǒng)架構(gòu)的合理設(shè)計(jì),不僅直接影響單點(diǎn)的自動(dòng)化水平,也關(guān)系到整個(gè)海上油田的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)廠家一般都自行設(shè)計(jì)和開發(fā)控制系統(tǒng),且單點(diǎn)控制系統(tǒng)也涉及過程控制(Process Control System, PCS)、應(yīng)急關(guān)斷(Emergency Shutdown System, ESD)和火氣探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)(Fire and Gas System, FGS),采用單點(diǎn)控制系統(tǒng)分別通獨(dú)立的遠(yuǎn)程控制站、I/O機(jī)柜或控制盤接入FPSO中控系統(tǒng)。

本項(xiàng)目在TMS塔架結(jié)構(gòu)上設(shè)置過程控制系統(tǒng),應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng),火氣系統(tǒng)三套遠(yuǎn)程控制站,作為FPSO中控系統(tǒng)的子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)TMS單點(diǎn)系統(tǒng)相關(guān)監(jiān)控功能。由于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)上的設(shè)備比較分散,且距位于生活樓的中央控制室較遠(yuǎn),進(jìn)線多且引線不便,單點(diǎn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制站(I/O機(jī)柜)的設(shè)置是十分必要的。在船首單點(diǎn)塔架結(jié)構(gòu)上設(shè)置遠(yuǎn)程控制站,不僅可以方便儀表電纜布線和接線,減少儀表電纜,而且便于系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和后期的升級(jí)改造。遠(yuǎn)程控制站與FPSO中控系統(tǒng)間通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通訊,可互傳控制信號(hào)。塔架結(jié)構(gòu)上的工藝設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)儀表、應(yīng)急關(guān)斷閥(SDV)、火氣探測(cè)及報(bào)警設(shè)備等通過硬線分別接入PCS、ESD、FGS遠(yuǎn)程控制站,與中控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊。TMS監(jiān)控系統(tǒng)組成及原理見圖6。

圖6 TMS監(jiān)控系統(tǒng)組成及原理

TMS上轉(zhuǎn)塔上非轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)側(cè)上的工藝設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)儀表、應(yīng)急關(guān)斷閥、火氣探測(cè)及報(bào)警設(shè)備的硬線匯集到各自的接線盒,經(jīng)儀控信號(hào)滑環(huán)分別接入PCS、ESD、FGS遠(yuǎn)程控制站,通過數(shù)據(jù)總線與FPSO上部組塊中控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊。需要著重考慮的是,位于船首的單點(diǎn)區(qū)域所處環(huán)境溫度及大氣濕度條件比較惡劣,夏季溫度比較高,冬季溫度較低,在甲板上設(shè)置遠(yuǎn)程控制站,需要考慮設(shè)置在首部艙室或裝有空調(diào)的空間里。如果設(shè)置在室外,要為遠(yuǎn)控制站加裝正壓通風(fēng)、遮陽擋雨等防護(hù)措施。

2.2 PCS遠(yuǎn)程控制站的配置

PCS遠(yuǎn)程控制站安裝在上轉(zhuǎn)塔上,采用就地檢測(cè)、集中監(jiān)控的控制方式,對(duì)單點(diǎn)各種工藝設(shè)備、公用設(shè)施的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控、報(bào)警,生成日志和報(bào)警記錄,并與FPSO中控系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸,主要包括以下組成部分。

1)艙壁安裝的壁掛式Exd級(jí)防爆控制箱,防爆控制箱內(nèi)部集成Exe級(jí)防爆接線盒,用于現(xiàn)場(chǎng)電纜端與控制箱的連接。

2)防爆控制箱內(nèi)安裝PLC控制器的硬件,主要包含電源、CPU、I/O卡件和通訊卡件。

3)PCS控制站不配備用于本地控制和監(jiān)視的設(shè)備,如觸摸屏或按鈕。人機(jī)界面由FPSO中控的操作員站集成顯示。

4)控制站與PCS遠(yuǎn)程控制站的接口將通過串行數(shù)字鏈路進(jìn)行通訊。

5)所有現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備的控制信號(hào)都硬線連接。

2.3 ESD遠(yuǎn)程控制站的配置

ESD遠(yuǎn)程控制站安裝在上轉(zhuǎn)塔上,遵循獨(dú)立設(shè)置且中間環(huán)節(jié)最少和故障安全型的原則,能夠滿足相應(yīng)SIL等級(jí)要求的一套SIS儀表系統(tǒng)。ESD按照設(shè)置好的因果邏輯運(yùn)行和處理TMS上的應(yīng)急關(guān)斷功能,聯(lián)鎖關(guān)斷邏輯的配置原則主要涵蓋低級(jí)別的關(guān)斷不能觸發(fā)比其級(jí)別高的關(guān)斷,只能觸發(fā)本級(jí)和所有較低級(jí)別的關(guān)斷。單點(diǎn)ESD控制站包括以下組成部分。

1)壁掛式Exd級(jí)防爆控制箱,防爆控制箱內(nèi)部集成Exe級(jí)防爆接線盒,用于現(xiàn)場(chǎng)電纜端與控制箱的連接,并通過1類危險(xiǎn)區(qū)的認(rèn)證。

2)防爆控制箱內(nèi)安裝PLC控制器的硬件,主要包含電源、CPU、I/O卡件和通訊卡件。

3)ESD控制站面板根據(jù)IEC 61508/61511要求獲得SIL 3等級(jí)認(rèn)證。

4)控制站不配備用于本地控制和監(jiān)視的設(shè)備,如觸摸屏或按鈕。

5)控制站與ESD遠(yuǎn)程控制站的接口將通過串行數(shù)字鏈路進(jìn)行通訊。

6)所有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)都硬接線。

7)所有關(guān)斷信號(hào)都應(yīng)是故障安全的。

2.4 FGS遠(yuǎn)程控制站的配置

FGS遠(yuǎn)程控制站安裝在上轉(zhuǎn)塔上,是FPSO FGS的一個(gè)子系統(tǒng),被配置為TMS FGS的獨(dú)立邏輯求解器,能實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確地探測(cè)到單點(diǎn)塔架和單點(diǎn)艙內(nèi)正在發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的火災(zāi)和可燃?xì)怏w泄漏事件,及時(shí)觸發(fā)關(guān)斷邏輯、聲光報(bào)警、PA/GA廣播、消防系統(tǒng)啟動(dòng)等措施以保護(hù)人員和設(shè)備的安全?；饸馓綔y(cè)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的布置按照單點(diǎn)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和安全需求,按照設(shè)備廠家的產(chǎn)品性能要求,結(jié)合NFPA72和船級(jí)社有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,進(jìn)行合理布置。本項(xiàng)目FGS的控制站配置包括下列組成部分。

1)壁掛式Exd級(jí)防爆控制箱,防爆控制箱內(nèi)部集成Exe級(jí)防爆接線盒,用于現(xiàn)場(chǎng)電纜端與控制箱的連接,并通過1類危險(xiǎn)區(qū)的認(rèn)證。

2)防爆控制箱內(nèi)安裝PLC控制器的硬件,主要包含電源、CPU、I/O卡件和通訊卡件。

高似孫撰《剡錄》時(shí)，剡已改嵊，新昌早從剡縣中析出，但高氏依然以剡為地域范圍來記述，將新嵊交界處王罕嶺發(fā)生的古金庭逸事記入了《剡錄》。到后來，隨著世事的變遷，人們對(duì)地處深山王罕嶺的古金庭漸漸淡忘，而以華堂新金庭替代了古金庭。筆者認(rèn)為古金庭另有遺址存在于王罕嶺，新金庭是古金庭在異地的延續(xù)和發(fā)展。

3)按照IEC 61508/61511進(jìn)行SIL 3認(rèn)證,并考慮冗余設(shè)計(jì)。

4)不配備本地控制和監(jiān)控設(shè)施,如觸摸屏或按鈕。

5)與FPSO FGS系統(tǒng)通過串行數(shù)據(jù)接口連接。

6)所有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)都將硬連線。

7)位于塔架結(jié)構(gòu)上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不連接到TMS的FGS面板,而是直接路由到FPSO FGS遠(yuǎn)程機(jī)柜。

2.5 光纖設(shè)備的配置

TMS和FPSO中控室之間的光纖鏈路,需提供以下設(shè)備。

1)光纖接口的接線盒將安裝在塔架結(jié)構(gòu)上。

2)光纖滑環(huán)將作為滑環(huán)堆棧一部分。

3)FPSO通過單點(diǎn)與各平臺(tái)控制系統(tǒng)之間通過海纜進(jìn)行雙向通信,采用同步傳輸協(xié)議(SDH)進(jìn)行光電信號(hào)的接入和轉(zhuǎn)換,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4)海上平臺(tái)與FPSO設(shè)置單模光纖的傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)和關(guān)斷信號(hào),并以太網(wǎng)形式將中控系統(tǒng)的控制網(wǎng)和安全網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

2.6 FPSO中控室

FPSO的中控室主要包括主控制室和設(shè)備操作室,分別布置在生活樓內(nèi)。中控室內(nèi)除布置有中控系統(tǒng)設(shè)備外,還設(shè)有通信設(shè)備和其他第三方設(shè)備。

1)控制室內(nèi)主要布置。帶有UPS的電源柜、過程控制系統(tǒng)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)和火氣系統(tǒng)的控制柜、通信機(jī)柜、液位遙測(cè)系統(tǒng)控制柜、原油外輸計(jì)量系統(tǒng)控制柜、閉路電視CCTV機(jī)柜、船體和上部模塊的可尋址火災(zāi)盤等。

2)操作室主要內(nèi)布置。單點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作站、貨油和裝載計(jì)算機(jī)控制站、原油外輸計(jì)量系統(tǒng)操作站、OPC服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)急操作盤、打印機(jī);VHF、UHF、廣播遙控板、自動(dòng)電話和CCTV顯示器;信號(hào)燈、航行燈、直升機(jī)甲板照明控制箱和室外燈遙控開關(guān)柜;主甲板和直升機(jī)甲板泡沫泵遙控板;惰性氣體控制柜和應(yīng)急開關(guān)閥控制箱[4]。

2.7 其他設(shè)計(jì)考量

TMS監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命為30年,更換部件的使用壽命應(yīng)與國際通用標(biāo)準(zhǔn)一致。該設(shè)備應(yīng)適用于在潮濕、含鹽空氣條件下的嚴(yán)重海洋腐蝕性大氣中運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的電氣設(shè)備和儀器儀表的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求。

1)相對(duì)濕度,100%。

2)環(huán)境溫度,11.5～36.0 ℃。

3)空氣質(zhì)量,含鹽腐蝕性空氣。現(xiàn)場(chǎng)儀表選型時(shí)要充分考慮海洋環(huán)境帶來的腐蝕情況,盡量采用不銹鋼材料的儀表外殼,鋁制材料耐鹽腐蝕較差,不建議采用。

4)百年一遇海況FPSO運(yùn)動(dòng)參數(shù),需充分考慮FPSO的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)控制系統(tǒng)帶來的影響,本項(xiàng)目FPSO升沉運(yùn)動(dòng)11.3 m,橫搖運(yùn)動(dòng)20.6°,縱搖運(yùn)動(dòng)9.7°。

5)無線儀表,無線儀表設(shè)備的使用已經(jīng)比較可靠,可考慮在空間有限的單點(diǎn)艙內(nèi),對(duì)于非關(guān)鍵控制的回路安裝一些無線儀表,減少儀表電纜的使用,也為未來系統(tǒng)擴(kuò)展打下基礎(chǔ)。

6)OPC服務(wù)器的利用,除了通過硬線連接控制信號(hào)外,對(duì)于單點(diǎn)艙內(nèi)一些成系統(tǒng)的第三方的設(shè)備信號(hào),可以充分利用FPSO中控系統(tǒng)的OPC服務(wù)器來進(jìn)行串行通訊。

3 結(jié)論

1)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施效果,PCS、ESD及FGS系統(tǒng)架構(gòu)和控制站配置能夠滿足TMS轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)的過程控制、火氣監(jiān)測(cè)和應(yīng)急關(guān)斷要求。

2)連接TMS轉(zhuǎn)動(dòng)與非轉(zhuǎn)動(dòng)部分控制信號(hào)所需的儀控滑環(huán)設(shè)備技術(shù)可靠,能夠保證控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。