海上天然氣平臺控制系統(tǒng)國產(chǎn)化的工程實踐

唐俊冰，姚樹超

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南?？?570100）

0 引言

某海上天然氣氣田是中國對外合作開發(fā)的天然氣氣田，于1996 年投產(chǎn)，現(xiàn)已運行25 年，進入開發(fā)后期，產(chǎn)量遞減，桶油成本逐年增加，經(jīng)濟效益逐年下降。為了進一步降低生產(chǎn)成本，提高氣田經(jīng)濟效益，氣田結(jié)合自身現(xiàn)狀，針對生產(chǎn)現(xiàn)狀及增產(chǎn)挖潛措施研究氣田將來的生產(chǎn)方式[1]；針對設(shè)備設(shè)施現(xiàn)狀，研究如何提高設(shè)備設(shè)施的自動化水平及可靠性、穩(wěn)定性。在綜合上述因素的基礎(chǔ)上，通過研究成果，實施國產(chǎn)化相關(guān)改造研究及運用[2]。

該氣田中控系統(tǒng)的整體國產(chǎn)化改造成功實施，應(yīng)用采購了國產(chǎn)廠家和利時的集散控制系統(tǒng)DCS[3]、安全儀表系統(tǒng)SIS，以及控制軟件，替換了原有國外的生產(chǎn)控制系統(tǒng)PCS、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)ESD、火氣消防系統(tǒng)F&G，國產(chǎn)產(chǎn)品完全替換國外控制系統(tǒng)，全面實現(xiàn)國外系統(tǒng)的編輯、控制、運算、通信以及數(shù)據(jù)交換等功能，為國內(nèi)油氣工業(yè)的控制系統(tǒng)國產(chǎn)化及智能化應(yīng)用提供了參考[4]。綜合考慮項目增量及少人化后費用節(jié)約的共同影響，該項應(yīng)用降低了該氣田桶油成本，效益顯著。

1 國產(chǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體概況

該項目通過平臺控制室作為控制中心，匯聚了4 種控制系統(tǒng)：天然氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)（PCS）、設(shè)備保護系統(tǒng)（FPS）、火氣系統(tǒng)（FGS）、小型機組PLC 控制系統(tǒng)。各系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)均配備冗余網(wǎng)絡(luò)、冗余硬件，保障生產(chǎn)工藝流程穩(wěn)固安全。另外，平臺天然氣生產(chǎn)控制中心配備了衛(wèi)星通信功能，實現(xiàn)陸地遠程遙控海上平臺生產(chǎn)。

各控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場站控制儀表設(shè)備采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)控制、保護聯(lián)鎖，通過控制中心操作站通信現(xiàn)場站，顯示現(xiàn)場儀表狀態(tài)及現(xiàn)場工藝流程調(diào)節(jié)。小型PLC機組控制系統(tǒng)直接通過現(xiàn)場PLC 通信到平臺控制中心進行數(shù)據(jù)交換及狀態(tài)檢測。

1.2 控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)

各控制系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，各系統(tǒng)安全等級不同，火氣保護系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備保護系統(tǒng)安全級別高于生產(chǎn)控制系統(tǒng)和小型機組PLC 控制系統(tǒng)。FGS 系統(tǒng)檢測平臺任何角落的火氣狀態(tài)，出現(xiàn)火情時，觸發(fā)聲光報警，啟動消防設(shè)備，生產(chǎn)緊急關(guān)停，平臺進入應(yīng)急狀態(tài)?；饸鈭缶盘杺鬏?shù)紽PS，它將執(zhí)行所有與安全相關(guān)的停機功能和設(shè)備安全監(jiān)控，以及手動和自動的應(yīng)急系統(tǒng)啟動。FPS 的所有指示傳送到在平臺控制中心。另外，PCS 系統(tǒng)為工藝流程提供操作界面并執(zhí)行模擬控制，記錄所有關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。PLC 的關(guān)聯(lián)是通過各撬塊的PLC控制系統(tǒng)硬件通信到交換機，將數(shù)據(jù)傳輸給PCS 系統(tǒng)，對其系統(tǒng)儀表狀態(tài)檢測。PCS、FPS、FGS 及小型PLC 控制系統(tǒng)之間主要通過以太網(wǎng)進行通信，整個控制中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 控制中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.3 控制系統(tǒng)軟硬件

該控制系統(tǒng)使用和利時MACS V6 軟件編寫完成，采用集中管理、分散控制，將PCS、FPS、FGS 及PLC 控制系統(tǒng)共同集成到平臺控制中心，在任何一臺操作員站都可進行監(jiān)控平臺生產(chǎn)運行狀態(tài)，可以調(diào)用不同服務(wù)器數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)硬件選型如下：①工作站為DELL T5820；②集散控制系統(tǒng)硬件為和利時K 系列和SM 系列；③和利時工業(yè)交換機GM010 系列交換機；④自動化網(wǎng)絡(luò)交換機Catalyst 2950；⑤PLC控制系統(tǒng)硬件為和利時LK 系列。

2 天燃氣生產(chǎn)系統(tǒng)及設(shè)備保護系統(tǒng)設(shè)計

生產(chǎn)控制系統(tǒng)包含3 個現(xiàn)場站，每個站都配備和利時集散控制系統(tǒng)全面冗余技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)流程穩(wěn)定、可靠控制，PCS 系統(tǒng)由控制中心統(tǒng)一監(jiān)控調(diào)整。其主要功能為采集現(xiàn)場工藝流程的壓力、溫度、液位及流量等物理參數(shù)、檢測設(shè)備運行狀態(tài)、記錄報警和歷史趨勢、實時生成生產(chǎn)報表、設(shè)備控制指令的發(fā)出、切換控制器和歷史站。

同樣，設(shè)備保護系統(tǒng)包含3 個現(xiàn)場站，配備安全儀表系統(tǒng)冗余硬件及冗余安全網(wǎng)絡(luò)，用于現(xiàn)場具有關(guān)停信號的儀表變送器、控制閥門及各類安全閥門等儀表設(shè)備的集中管理和分散控制，防止現(xiàn)場生產(chǎn)突發(fā)危險的擴散，保障生產(chǎn)平臺的安全。生產(chǎn)控制系統(tǒng)與設(shè)備保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 生產(chǎn)控制系統(tǒng)與設(shè)備保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 火氣系統(tǒng)設(shè)計

火氣系統(tǒng)是用來探測生產(chǎn)現(xiàn)場是否出現(xiàn)火情、危險氣體是否泄漏，從而判斷是否釋放對應(yīng)區(qū)域的滅火設(shè)備，該系統(tǒng)通過FGS 硬件獲取各類探頭探測平臺各個區(qū)域的數(shù)據(jù)，將探頭采集的現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，傳到控制中心，當現(xiàn)場某一個點出現(xiàn)問題時，能夠及時的將報警信號傳輸?shù)娇刂浦行?，火情觸發(fā)信號經(jīng)過邏輯判斷，進一步下達是否執(zhí)行FPS 和PCS 系統(tǒng)關(guān)停生產(chǎn)的指令。同時，現(xiàn)場的該區(qū)域的消防設(shè)備自動開啟，阻止危險進一步擴散?；饸庀到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3 所示。

4 PLC 系統(tǒng)設(shè)計

和利時LK 系列PLC 屬于大型PLC，其借鑒了國外主流產(chǎn)品優(yōu)點，融合了計算機、自動化技術(shù)控制、通信等領(lǐng)域的最新技術(shù)。海上平臺PLC 控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于空氣壓縮機、應(yīng)急發(fā)電機、三甘醇加熱爐，配合PCS、FPS 及FGS 形成完整的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。

空氣壓縮機有4 臺，每兩臺空氣壓縮機采用1 套PLC 控制，為平臺儀表風、公用氣提供氣源。三甘醇撬塊有2 套PLC 進行控制，分別為來自A、B 串聯(lián)的天然氣進行脫水處理。應(yīng)急發(fā)電機采用1 臺獨立的PLC 控制，平臺主發(fā)電機關(guān)停，將會自動啟動應(yīng)急發(fā)電機，為平臺提供臨時用電。氮氣發(fā)生器設(shè)置1 臺PLC 控制，制出合格的氮氣用于平臺工藝管線的吹掃氣及覆蓋氣。平臺的6 臺機組設(shè)備，需要將機組溫度、壓力、振動、報警等相關(guān)參數(shù)，利用以太網(wǎng)通信到PCS 系統(tǒng)中。

5 系統(tǒng)通信設(shè)計

平臺原有控制系統(tǒng)采用DeltaV、羅克韋爾AB 系統(tǒng)，以RS232、RS485、DH+等協(xié)議通信，系統(tǒng)邏輯龐大、復(fù)雜，并且三大系統(tǒng)之間又有大量數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)國產(chǎn)化升級后，各通信網(wǎng)絡(luò)都是雙交換機、雙網(wǎng)卡、雙網(wǎng)絡(luò)、雙網(wǎng)段，采用光纖網(wǎng)絡(luò)通信，經(jīng)過平臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機，各系統(tǒng)之間進行頻繁的數(shù)據(jù)傳輸，升級后的通信網(wǎng)絡(luò)為信號傳輸提供可靠傳輸通道，提升了控制系統(tǒng)傳輸通信效率，保證生產(chǎn)現(xiàn)場實時快速的采集數(shù)據(jù)。另外，生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)過自動化網(wǎng)絡(luò)交換機通信到衛(wèi)星交換機，實現(xiàn)陸地對海上平臺生產(chǎn)控制系統(tǒng)的遠程遙控。

6 結(jié)束語

闡述國產(chǎn)化工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)代替國外控制系統(tǒng)的設(shè)計及部署實施，操作人員在控制中心集中監(jiān)視、管理全線的工藝生產(chǎn)運行，將平臺原有分散的各個系統(tǒng)，整合到同一系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備參數(shù)統(tǒng)一實時監(jiān)視、控制。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)國內(nèi)工業(yè)控制系統(tǒng)的開放、穩(wěn)定性。軟硬件配置靈活、控制安全可靠的優(yōu)點。

該海上天然氣平臺生產(chǎn)控制系統(tǒng)于2021 年3 月完成國產(chǎn)化工作，該系統(tǒng)自投產(chǎn)以來系統(tǒng)硬件與軟件具有良好的穩(wěn)定性、可靠性，綜合設(shè)備維護費用、生產(chǎn)效益取得了不錯的成果，說明該國產(chǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計滿足現(xiàn)有國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)要求。