緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)在埕島海洋采油平臺中的應用

1、緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)在海洋采油平臺中的應用1 前言勝利埕島油田是擁有3座中心平臺和90多座采油井組平臺的大型灘海油田，采油平臺完成采油、計量及加熱等生產(chǎn)工藝流程，原油通過海底輸油管道輸送至中心平臺進行油、氣、水處理，最后輸送至陸地。緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)通過對油井生產(chǎn)集輸關鍵參數(shù)（單井回壓、外輸干壓、加熱器溫度、火災報警、可燃氣體報警等）的連續(xù)監(jiān)視，檢測其相對與預定安全條件的變化，當參數(shù)值超出安全限值時，系統(tǒng)會立即對相應生產(chǎn)設備實施關斷，保障生產(chǎn)和集輸?shù)陌踩?，使發(fā)生惡性事故的可能性降到最低。2 生產(chǎn)工藝流程采油平臺井口來油靠井口壓力流經(jīng)計量流程或生產(chǎn)流程后，原油通過海底管線輸送至中心平臺 進行簡易的油氣

2、水處理，最后輸送至陸地。如圖1所示，采油平臺工藝流程設備主要包括了井口采油樹、計量流程中的計量電加熱器和混輸流程中的生產(chǎn)電加熱器1。圖1 采油平臺生產(chǎn)工藝流程3 系統(tǒng)組成及特點3.1 系統(tǒng)組成3.1.1 SIS系統(tǒng)埕島油田SCADA系統(tǒng)采用了“三級網(wǎng)絡，兩級控制”的架構，中心平臺和陸地中心站均可以遙測遙控各采油平臺，采油平臺端的控制系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)（PCS）和安全控制系統(tǒng)（SIS）組成，其中SIS系統(tǒng)又由緊急關斷系統(tǒng)（ESD）和火氣系統(tǒng)（FGS）組成。ESD系統(tǒng)主要完成了對工藝生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)控，包括干溫、干壓、加熱器出口溫度、井口回壓等參數(shù)，并根據(jù)相應生產(chǎn)參數(shù)的變化實施對相應井口電潛泵、電加熱

3、器、緊急切斷閥等設備的緊急停車。FGS系統(tǒng)主要完成對采油平臺火災報警信號、可燃氣體報警信號的實時監(jiān)控，并根據(jù)不同安全區(qū)域的火災或可燃氣體報警信號聯(lián)鎖關斷井口電潛泵、井上井下安全閥和緊急切斷閥等設備，并控制4種不同顏色平臺狀態(tài)燈的開啟和熄滅。3.1.2 關鍵參數(shù)為保障采油平臺穩(wěn)定、安全的生產(chǎn)，根據(jù)工藝流程確定了影響工藝的重要生產(chǎn)參數(shù)2，如：為保障井口原油的正常外輸，將單井回壓、平臺原油外輸干壓作為聯(lián)鎖關停油井的觸發(fā)條件；將加熱器出口溫度作為聯(lián)鎖關停生產(chǎn)或計量加熱器觸發(fā)條件；將可燃氣體或火災報警作為聯(lián)鎖關斷切斷閥、電潛泵等設備的觸發(fā)條件。將火災、可燃氣體檢測的安全區(qū)域分為生活樓區(qū)、井口區(qū)、配電樓區(qū)

4、、工藝區(qū)、修井區(qū)等區(qū)域，為避免可燃氣體誤報警，規(guī)定同一區(qū)域需兩個以上可燃氣體報警才會觸發(fā)聯(lián)鎖關斷。3.1.3 系統(tǒng)軟硬件SIS系統(tǒng)硬件由Rockwell公司Conrtollogix系列PLC組成，CPU和通訊模塊采用熱備冗余配置，CPU槽架和IO機架之間采用冗余的ConrtolNet網(wǎng)絡通訊，最大限度的保證系統(tǒng)的安全、正常、平穩(wěn)運行。系統(tǒng)軟件采用了Rockwell公司的RSlogix5000作為PLC的編程軟件，通過梯形圖及AOI功能塊的使用，完成ESD和FGS的邏輯控制。HMI人機界面和數(shù)據(jù)庫采用Honeywell公司的EPKS軟件，通過HMIWeb Display Builder編寫畫面，

5、通過Quick Builder編寫數(shù)據(jù)庫，完成人機界面的開發(fā)。3.2 系統(tǒng)特點（1）四級關斷根據(jù)國內(nèi)外油氣田設計經(jīng)驗，結合海洋采油的實際情況，將緊急聯(lián)鎖關斷等級分為四級：ESD-0：此級別關斷為最高級別關斷，所有設備全部停車，棄平臺，并點亮棄平臺狀態(tài)燈，此關斷為人工觸發(fā)。ESD-1：此級別關斷為全平臺關斷，點亮火災狀態(tài)燈，由火災及人工確認觸發(fā)。PSD：此級別關斷為工藝設備關斷，不泄壓，只停工藝設備，由外輸管線干壓和可燃氣體報警觸發(fā)。USD：此級別關斷為單元設備關斷，為不影響整體工藝流程的單獨設備停車，由單元設備參數(shù)觸發(fā)。（2）儀表獨立井口單井回壓、原油外輸干壓等重要生產(chǎn)參數(shù)均設獨立儀表，同一參

6、數(shù)現(xiàn)場安裝兩塊儀表，SIS系統(tǒng)和PCS系統(tǒng)儀表獨立分開。（3）冗余SIS系統(tǒng)實現(xiàn)了CPU的熱備冗余和輸入輸出模板I/O冗余，降低硬件、儀表回路故障所引發(fā)的誤關斷概率。4 關斷設計方案4.1 ESD-0級關斷此為棄平臺關斷，所有設備關停，泄壓閥泄壓，切斷電源，給予最高級別警示。觸發(fā)原因：不可預知自然災害，經(jīng)人工確認棄平臺。關斷輸出：觸發(fā)ESD-1級別關斷。激活平臺藍色狀態(tài)燈。HMI報警。4.2 ESD-1級關斷此關斷為全平臺關斷，為避免事故發(fā)生或者避免事故損失更大，需要出觸發(fā)級別關斷，此級別關斷平臺所有設備，并油井井上井下泄壓閥泄壓，保證油井本質(zhì)安全。與ESD-0級別不同在于指示燈顏色不同。觸發(fā)

7、原因：ESD-0觸發(fā)?，F(xiàn)場發(fā)生火災、爆管等重大事故并經(jīng)人工確認。 井口工藝區(qū)火災報警。關斷輸出：觸發(fā)PSD關斷。 激活平臺紅色狀態(tài)燈。 關斷所有油井井上井下安全閥。 HMI報警。4.3 PSD級關斷此級別為工藝流程的關斷，當工藝流程中某一參數(shù)發(fā)生變化時，引起相應流程設備的關斷。本系統(tǒng)中外輸管線干壓超高或超低都會對整個管網(wǎng)造成影響，因而在外輸干壓超限時需要關停所有生產(chǎn)設備，并切斷外輸管線的切斷閥，但油井井上及井下不泄壓。觸發(fā)原因：ESD-1觸發(fā)。海底外輸管線干壓高高壓或低低壓報警。 同一區(qū)域兩臺可燃氣體高報警。關斷輸出：關斷外輸管線緊急切斷閥。 關停所有油井井口電潛泵。 停計量加熱器、停生產(chǎn)加熱

8、器。HMI報警。4.4 USD關斷此關斷為單元關斷，由采油平臺工藝流程中單元設備參數(shù)引起的本設備關斷，目的在于保護生產(chǎn)設備。井口回壓作為單井井口出口壓力，壓力過高或過低都會對整個采油井組的原油輸出造成影響，壓力過高會對其他油井的出油量產(chǎn)生影響，從而影響電潛泵，壓力過低則會受到其他油井的影響3。原油加熱器出口溫度作為加熱器的重要生產(chǎn)參數(shù)，適當提高油溫有利于原油的輸送，但油溫過高會對設備和管線產(chǎn)生損害，且油溫一旦超過100攝氏度，原油中的水分會產(chǎn)生水蒸氣，致使管線和設備承受壓力增大，易發(fā)生危險。觸發(fā)原因：單井井口管線出口壓力高高或低低壓報警。計量加熱器出口溫度高高報警。 生產(chǎn)加熱器出口溫度高高報警

9、。關斷輸出：關停相應單井井口電潛泵。 停計量加熱器、停生產(chǎn)加熱器。 HMI報警。5 緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)的實施5.1 系統(tǒng)的搭建與開發(fā)圖2 緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)結構圖緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)包括了ESD系統(tǒng)和FGS火氣系統(tǒng)，根據(jù)不同觸發(fā)條件，執(zhí)行不同的設備關斷，本系統(tǒng)采用了PLC實現(xiàn)緊急聯(lián)鎖關斷的控制方式，PLC采用了CPU的熱備冗余方式，保障系統(tǒng)的可靠運行，F(xiàn)GS和ESD共用一套PLC的CPU，但I/O槽架嚴格區(qū)分，各槽架之間采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡通訊，PLC與中控室服務器采用以太網(wǎng)鏈接，保證通訊的質(zhì)量和可靠性。圖3 PLC系統(tǒng)結構圖PLC系統(tǒng)完成各參數(shù)的采集、邏輯運算和輸出控制等功能，并與中心

10、平臺中控室進行數(shù)據(jù)交換，響應中控室的各種控制指令。本系統(tǒng)采用了Rockwell公司旗下ControlLogix系列PLC，其數(shù)據(jù)處理能力、穩(wěn)定性、可靠性均屬同行業(yè)頂尖水平，有效的保障了緊急聯(lián)鎖關斷系統(tǒng)的運行質(zhì)量。5.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)緊急關斷系統(tǒng)（ESD）關斷邏輯的實現(xiàn)，需要PLC通過編程實現(xiàn)。針對海洋采油的特點，對緊急關斷輸出的要求，編制了電潛泵、切斷閥、井下安全閥及普通開關控制的功能塊（AOI），有效的將緊急關斷及普通的遙測遙控融合到了一起，且具有高效、直觀等優(yōu)點。 圖4 ESD關斷邏輯主程序框圖 圖5 回壓聯(lián)鎖關斷程序框圖主程序框圖如圖4所示，系統(tǒng)在完成數(shù)據(jù)采集后，程序進入ESD觸發(fā)原因狀

11、態(tài)位邏輯檢測部分，這一部分中需要判斷火災、可燃氣體、回壓、干壓等關鍵參數(shù)是否超限，如若超限，各超限參數(shù)會觸發(fā)相應的報警狀態(tài)位，此報警狀態(tài)位作為關斷輸出的輸入條件，為真時觸發(fā)相應關斷。圖5為單井回壓超限聯(lián)鎖關斷的程序圖，是ESD聯(lián)鎖關斷一個典型的例子。5.3 系統(tǒng)應用情況緊急聯(lián)鎖關斷技術已在勝利埕島海洋采油平臺展開應用，目前已有30多座采油平臺、6座采修一體化平臺使用了該技術。系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，有多次單井回壓超限引起的USD級別關斷，未發(fā)生更高級別的聯(lián)鎖關斷，關斷響應時間均小于1s，均實現(xiàn)了準確對設備的關停，保障了本平臺生產(chǎn)的安全。6 結束語緊急關斷邏輯的制定和實施是個極其復雜的工程，不同工藝的流

12、程對因果邏輯影響很大，隨著采油平臺集輸管網(wǎng)的連接，一條集輸管線所連接的所有采油平臺的相互協(xié)調(diào)關斷是影響輸油管道集輸安全的重大問題，實際實施中要認真分析，確保把一條集輸管線上所有平臺的緊急關斷有機的結合成一個整體。作者簡介：韓小磊（1981-），男，山東東營人，2009年畢業(yè)于中國石油大學（華東）檢測技術與自動化裝置專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)就職于中石化石油工程設計有限公司，主要從事自動化專業(yè)的設計、科研等工作，任工程師。7 參考文獻1黃少偉,謝騰騰.提高埕島油田無人值守平臺測控系統(tǒng)可靠性初探J.電子設計工程,2012,20(11):64-66.2高進,周彬.ESD系統(tǒng)在忠縣天然氣凈化廠的應用及優(yōu)化J.石油與天然氣化工,2008,37(4):347-348.3管豐年.生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的可靠性措施J.石油化工自動化，2005,24(3):5-8.4譚傳強,趙旭東,黃朝陽.科威特大型集油站工程自控系統(tǒng)設計與投運J.石油化工自動化,2001,13(6):13-175衡軍山,甄成剛.基于軟件的雙CPU冗余控制研究J.微計算機信息，2005,21(7):59-61.6 張江維. 基于雙CPU的冗余控制研究與實現(xiàn)J. 機電工程技術，2005,34(4):64-65.7 周林,廖長初.提高可編