海洋石油供電平臺儀表控制系統應用及調試

孫法強

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

海洋石油供電平臺是把陸地上的電能,通過高壓海底電纜傳輸到供電平臺,通過平臺上的變壓器降壓至工作電壓,再將電能分配到附近生產平臺,實現陸地電能在海洋石油平臺的應用。該供電方案由陸地升壓站-海洋供電平臺(降壓、配電)-海洋石油生產平臺(用電)組成。其優(yōu)勢一是節(jié)能環(huán)保:陸地傳輸過來的電能無論是火電還是其他新能源發(fā)電,其效率和環(huán)保性相對于石油平臺的發(fā)電機供電都高得多;二是能擺脫發(fā)電機的限制,海洋平臺發(fā)電機多為透平式,一直被國外廠家壟斷,導致配件價格昂貴,服務效率低下。供電平臺電氣設備高度、壓力等級、電氣線路復雜,平臺的電氣火災風險大,對平臺的控制系統設計提出新的要求。

1 供電平臺儀表控制系統

常規(guī)生產平臺控制系統包括:過程控制系統、應急關斷系統和火氣系統。過程控制系統是實現對生產過程信息的采集、監(jiān)測、轉換、處理,以實現生產過程的正常運行。應急關斷系統是用來提高工藝生產裝置及其輔助設施的安全操作,以保證海上工程實施的生產人員、生產設備和周圍環(huán)境的安全?；饸庀到y通過探測可能發(fā)生或 已經發(fā)生的火情和可燃氣體泄漏事故,通過火氣控制盤采取一系列的安全措施,來保持平臺人員和設施的安全[1]。供電平臺工藝只有污水回收系統和事故油回收系統,系統設計時把其并入到火氣控制系統,因此,供電平臺儀表控制系統只包括火氣系統。另外一個不同就是由于供電平臺房間多,HVAC(通風空調)系統設備較多,獨立于火氣控制系統設計了專門的通風空調控制系統,對風機、風閘、空調等設備,火氣系統只能火災發(fā)生時緊急關停,其正常運行由通風控制系統控制,狀態(tài)信息通過485通訊傳至火氣系統。

1.1 儀表控制系統構成

供電平臺儀表控制系統見圖1。

圖1 供電平臺儀表控制系統

由圖1可知,供電平臺儀表控制系統的構成與石油平臺一樣,包括操作站、控制器、I/O卡件和現場儀表構成。現場儀表包括:煙、熱、可燃氣、聲光報警等,還有常規(guī)平臺屬于PCS系統的差壓變送器,因其數量較少,并不單獨設計PCS系統,而是合并到火氣系統。另外,纜式感溫探測器、對射式煙探測器用于高壓變壓器火區(qū)監(jiān)測,在常規(guī)石油平臺是沒有的。由圖1還可知,除了石油平臺應用的FM200和消防水滅火方式,供電平臺還有高壓細水霧滅火方式,用于高壓變壓器及高壓配電室的滅火。

1.2 儀表控制系統設計

儀表控制系統最初被霍尼韋爾、艾默生、橫河等國外自動化公司壟斷,20世紀90年代中期,在政府項目和資金的大力支持下,北京和利時、浙大中控、上海新華等企業(yè)開始快速發(fā)展,并初具規(guī)模。隨著技術的發(fā)展和系統的成熟完善,特別是國家政策扶持和戰(zhàn)略選擇等因素的影響下,國產儀表控制系統的國內市場占有率不斷提高,岸電平臺的自動控制系統采用具有自主知識產權的國產系統。

如圖2,和利時HollySys自動控制系統,主機籠提供19個槽位,由左到右,1、2槽是冗余通訊模塊,3、4、5是三系控制器模塊,6～19是I/O模塊,安裝專有的HiaGuard I/O模塊。為滿足安全等級的要求,系統采用冗余設計,通訊模塊和I/O模塊都采用1主1備冗余,如果一個模塊故障,報警的同時,自動切換到備用模塊工作。控制器模塊為2oo3架構,正常為2個控制器工作狀態(tài),1個備用狀態(tài),工作/備用狀態(tài)可以通過軟件手動切換,如果一個控制器模塊故障,備用模塊自動切換到工作狀態(tài),同時發(fā)出故障報警信息。

圖2 儀表系統控制柜

端子柜,用于現場儀表的接線、繼電器安裝、端子模塊的安裝。右邊綠色部分為端子模塊,通過專用的DB78預制電纜與控制柜I/O模塊連接。端子模塊具有過電流和過電壓保護功能,需要注意模塊通道保險絲可能會燒斷。電源分配柜,為控制系統和操作站供電。1個電源分配柜,由兩路UPS電源和一路后備蓄電池供電,實現冗余功能。正常工作時UPS電源1和UPS電源2同時供電,電源1還負責給蓄電池充電。單路UPS電源失電,系統仍有另一路電源供電,系統正常工作。兩路UPS同時失電的情況下,火氣系統由蓄電池供電,此時,盤柜的照明系統用電被切除,以保證火氣控制系統由蓄電池供電工作時間不低于2 h。

2 供電平臺現場儀表

2.1 手動報警按鈕

手動報警按鈕包括:手動報警站、FM200釋放/抑制按鈕、高壓細水霧釋放按鈕、棄平臺按鈕等。手動報警按鈕由儀表控制系統供DC24V電源,按鈕內部連接2個阻值分別為1 kΩ和3 kΩ的電阻,正常工作時,2個電阻串聯,回路電阻4 kΩ,電流大約在6 mA(24 V/4 kΩ),按鈕按下,3 kΩ電阻被短路,回路電阻變成1 kΩ,電流大約24 mA。控制系統根據回路電流的變化確定手動報警按鈕的狀態(tài)。另外,如果回路出現斷線問題,回路開路,控制系統會故障報警,實現該回路的回路斷線故障監(jiān)測。

2.2 煙、熱探測器

煙探測器中有一個光學迷宮,光學迷宮內有一對紅外對射管(紅外發(fā)射管和紅外接收管),在正常狀態(tài)下,紅外接收管接收不到紅外發(fā)射管所發(fā)出的光信號,當煙霧進入光學迷宮后,由于“煙粒子”的漫射作用,使接收管接收到發(fā)射管所發(fā)出的光信號,產生光電流,驅動開關電路,回路電流的變化被控制系統檢測到,從而實現報警功能。

(2)進行600m～1500m拋射高度的仿真,得到子彈散布變化規(guī)律,隨著開艙高度的增加,子彈散布范圍增大,但范圍增大量不斷減小。

熱探測器是根據熱敏電阻效應原理,隨著探測器周圍溫度的變化,電阻值相應變化,回路電流變化,進而控制系統檢測到并報警。

2.3 可燃氣探測器

基于氣體的光譜本征吸收原理,利用可燃氣體對特定波段的紅外光吸收實現對可燃氣體的探測,這種探測原理是傳感器件通過接收紅外光光通量的物理變化實現對可燃氣體的探測,探測靈敏度高、響應速度快,探測器能夠在野外惡劣環(huán)境下長期可靠穩(wěn)定運行。

2.4 纜式感溫探測器

用熱敏材料絕緣兩根彈性鋼絲,熱敏材料受熱后電阻降低,從而觸發(fā)溫度報警。探測器包括轉換盒、感溫線纜和終端盒。感溫探測器輸出的是干接點信號,包括報警信號和故障信號。在供電平臺用于高壓變壓器本體的溫度監(jiān)測,安裝時需要注意線纜最大使用長度的限制和纏繞方式的要求。

2.5 反射式煙探測器

反射式煙探測器用于開闊區(qū)域的防火,供電平臺布置在高壓變壓器區(qū)域的上方。反射式煙探測器由發(fā)射器、接收器和反光鏡組成。其工作原理是:進入發(fā)射器/接收器組合單元和反光鏡之間區(qū)域的煙使到達接收器的信號減弱,當減光率達到設定閾值時,探測器產生報警信號。發(fā)射器和接收器合二為一的設計,另一端只需安裝反光鏡,方便了安裝與現場布線。

3 儀表控制系統的調試策略

儀表控制系統的調試分儀表回路測試和邏輯測試兩部分。由于邏輯測試涉及電氣、通風及工藝等專業(yè),多數項目陸地能夠回路測試完成,邏輯測試在海上完成。

3.1 回路測試

回路測試的目的是檢查儀表能否正常工作及接線的正確性。通常的做法是打開現場儀表,拆下接線進行校線,確保接線正確后再對儀表供電,驗證儀表能否正常工作,并在中控操作站顯示正確。這樣就需要待控制系統盤柜和工程師站安裝完成后才能開始回路測試工作,對調試工期的要求極為不利。通過對現場儀表的類型和特點進行分析,對手動報警按鈕和煙熱探測器使用萬用表測量電阻的方法進行回路測試,該方法一是避免打開按鈕盒和拆線的環(huán)節(jié),提高效率;二是避免了操作站安裝并調試完成的制約,提前發(fā)現現場儀表到中控盤柜段回路的安裝及接線問題;三是可以解放一名儀表調試工程師,一名調試工程師帶一名調試配合人員即可完成回路測試。

手動按鈕測試時,現場人員首先確認按鈕盒位號及安裝正確,調試工程師依次測量單根電纜線芯是否接地,確保沒有接地后,再測量兩根電纜線芯電阻,如果阻值為4 kΩ現場人員按下按鈕,阻值變?yōu)? kΩ,就可確保此回路手動報警按鈕和線路正確,完成現場至中控段的回路測試。

對于數字量輸出信號,關停其他設備的,只能按照常規(guī)方法,逐次校線。對于常閉觸點,校線完成后可以對電纜做好標記,暫時不接線,用臨時短接線替代,避免影響其他專業(yè)調試。常開觸點的輸出信號,校線完成后可以接線,在控制盤柜處斷開保險,并做好標記,避免誤操作影響其他專業(yè)調試。聲光報警設備,都在高處,拆裝不方便,可以用萬用表測量電阻,確認接線不短接,不對地的情況下,利用外加臨時24 V直流電源從控制盤柜處給聲光報警設備供電,以驗證設備完好和接線的正確性。

3.2 邏輯測試

邏輯測試涉及多專業(yè),會關停電氣、通風、機械專業(yè)的設備,還會啟動FM200、消防水、高壓細水霧等消防設備。因此在邏輯測試時要與其他專業(yè)調試工程師及廠家做好充分溝通,保證安全、可靠和完整的邏輯測試。

通常,在邏輯測試自測階段,對會影響其他專業(yè)的設備運行或者有較大風險的信號線,暫時不接線,儀表調試工程師,從電纜現場端用萬用表測量輸出信號的狀態(tài),以驗證邏輯的正確性。邏輯測試階段需要對照因果邏輯圖,按照火區(qū),逐條測試,發(fā)現的問題應做好記錄,由相關責任方做出相應的整改,整改完畢后,對整改內容再次測試,確保整改的正確性。因為邏輯關系會有相互的交叉,如果需要修改邏輯,需要把所有有影響的邏輯重新測試,而不是只對修改項邏輯測試。

待邏輯自測試完成后,確保自測階段發(fā)現的問題全部解決無誤后,再通知其他相關專業(yè)的調試工程師和廠家一起把未接的電纜恢復接線。重要的設備,需要在中控強制的,做好相應的強制,避免調試階段對其他專業(yè)造成不必要麻煩,甚至危險。

4 調試常見問題及解決方法

4.1 聲光報警器長短音

供電平臺有FM200和高壓細水霧兩種滅火方式。由于FM200會造成人員窒息,因此從報警觸發(fā)到FM200釋放中間有30 s的預報警時間供人員撤離,如果為誤觸發(fā),30 s內可以觸發(fā)抑制按鈕,取消FM200的釋放。預報警聲音提示為短音,30 s以后,變?yōu)殚L音。在調試過程中,發(fā)現有的長短音是反的。造成該問題的原因有兩種,一是接線錯誤,需要把兩對聲音接線對調;二是聲光報警器的撥碼開關設置問題,需要按照廠家資料,重新設置撥碼開關。

4.2 煙、熱探測器無法觸發(fā)

煙、熱探測器電纜接線正確,供電后現場指示燈閃爍,但無法觸發(fā)報警。煙、熱探測器由探頭和底座兩部分組成,現場調試發(fā)現多是探頭損壞和底座電阻連接不牢固導致。更換探頭后,如果正常工作,說明探頭損壞,需要廠家更換。如果更換探頭仍不能正常工作,拆下底座,檢查里面電阻接線并緊固。

4.3 繼電器接觸不良

聲光報警器只有光報警,沒有聲音。通過校線、更換報警器,都沒查出問題,現場測量電路電壓正常,盤柜到控制器回路檢查也沒發(fā)現問題。最后才發(fā)現,繼電器供電后有動作,但是接觸不良,回路有幾kΩ電阻,導致報警器端電壓不足,無法驅動報警器動作。此問題較少發(fā)生,并且比較隱蔽,很難發(fā)現,需要特別注意。

4.4 差壓變送器中控顯示不一致

如圖3所示,現場差壓變送器數值LIT-4201和LIT-4202顯示數值不一致。以詳細設計的該變送器的數據表為依據,核對中控的量程設置是否一致,另外還需要使用手操器核對現場儀表的量程設置是否與數據表一致,都調整一致后,中控顯示才能一致。

圖3 現場差壓變送器

另外還發(fā)現,中控轉換過來的液位和現場磁翻轉液位計的顯示不一致,是由于現場磁翻轉液位計安裝的起點是罐體的底部,差壓變送器的測量起點距罐底200 mm,需要在中控設置補償,使現場與中控顯示保持一致。

4.5 常開/常閉觸點問題

儀表控制系統設計中,涉及其他專業(yè)設備的關停,比如控制高壓細水霧系統的房間電動閥的啟動,詳設給的I/O list邏輯狀態(tài)與高壓細水霧廠家圖紙對不起來,詳設要求Open=Release,廠家圖紙為Closed=Release。調試發(fā)現該問題,需要找詳設和廠家確認更改方案,并把最終的修改反饋給詳設或廠家,以升版圖紙。

4.6 干接點與DC24V輸出

電動風閘的火氣關停信號,通風廠家圖紙需要DC24V,中控廠家提供依據詳細設計圖紙?zhí)峁└山狱c,導致無法火氣關停風閘。需要聯合詳設、中控廠家、風閘廠家一起協商,給出合理的修改方案,現場整改并升版相關的圖紙。

5 總結

洋石油供電平臺近幾年設計并逐步應用,平臺的儀表控制系統有其顯著特點,針對此特點制定的調試策略,在效率上有了顯著的提升,以某期項目單個組塊650余硬點的控制系統為例,2個調試工程師帶領2個調試輔助工,8 d全部完成陸地的回路測試工作,并解決了調試過程中發(fā)現的50余處問題。海上邏輯測試比業(yè)主要求完工日期提前10 d,并協助廠家、詳設、施工等各方解決了調試中發(fā)現的問題,保證了項目質量與項目工期。