緊急聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)在埕島海洋采油平臺(tái)中的應(yīng)用

1、緊急聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)在海洋采油平臺(tái)中的應(yīng)用1 前言勝利埕島油田是擁有3座中心平臺(tái)和90多座采油井組平臺(tái)的大型灘海油田，采油平臺(tái)完成采油、計(jì)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(tái)進(jìn)行油、氣、水處理，最后輸送至陸地。緊急聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)通過對油井生產(chǎn)集輸關(guān)鍵參數(shù)（單井回壓、外輸干壓、加熱器溫度、火災(zāi)報(bào)警、可燃?xì)怏w報(bào)警等）的連續(xù)監(jiān)視，檢測其相對與預(yù)定安全條件的變化，當(dāng)參數(shù)值超出安全限值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即對相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)施關(guān)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(tái)井口來油靠井口壓力流經(jīng)計(jì)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(tái) 進(jìn)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(tái)工藝流程設(shè)備主要包括了井口采油樹、計(jì)量流程中的計(jì)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(tái)生產(chǎn)工藝流程3 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)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(luò)，兩級控制”的架構(gòu)，中心平臺(tái)和陸地中心站均可以遙測遙控各采油平臺(tái)，采油平臺(tái)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(guān)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(yīng)生產(chǎn)參數(shù)的變化實(shí)施對相應(yīng)井口電潛泵、電加熱

3、器、緊急切斷閥等設(shè)備的緊急停車。FGS系統(tǒng)主要完成對采油平臺(tái)火災(zāi)報(bào)警信號、可燃?xì)怏w報(bào)警信號的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)不同安全區(qū)域的火災(zāi)或可燃?xì)怏w報(bào)警信號聯(lián)鎖關(guān)斷井口電潛泵、井上井下安全閥和緊急切斷閥等設(shè)備，并控制4種不同顏色平臺(tái)狀態(tài)燈的開啟和熄滅。3.1.2 關(guān)鍵參數(shù)為保障采油平臺(tái)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(tái)原油外輸干壓作為聯(lián)鎖關(guān)停油井的觸發(fā)條件；將加熱器出口溫度作為聯(lián)鎖關(guān)停生產(chǎn)或計(jì)量加熱器觸發(fā)條件；將可燃?xì)怏w或火災(zāi)報(bào)警作為聯(lián)鎖關(guān)斷切斷閥、電潛泵等設(shè)備的觸發(fā)條件。將火災(zāi)、可燃?xì)怏w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?xì)怏w誤報(bào)警，規(guī)定同一區(qū)域需兩個(gè)以上可燃?xì)怏w報(bào)警才會(huì)觸發(fā)聯(lián)鎖關(guān)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(jī)架之間采用冗余的ConrtolNet網(wǎng)絡(luò)通訊，最大限度的保證系統(tǒng)的安全、正常、平穩(wěn)運(yùn)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(jī)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(jī)界面的開發(fā)。3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)（1）四級關(guān)斷根據(jù)國內(nèi)外油氣田設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合海洋采油的實(shí)際情況，將緊急聯(lián)鎖關(guān)斷等級分為四級：ESD-0：此級別關(guān)斷為最高級別關(guān)斷，所有設(shè)備全部停車，棄平臺(tái)，并點(diǎn)亮棄平臺(tái)狀態(tài)燈，此關(guān)斷為人工觸發(fā)。ESD-1：此級別關(guān)斷為全平臺(tái)關(guān)斷，點(diǎn)亮火災(zāi)狀態(tài)燈，由火災(zāi)及人工確認(rèn)觸發(fā)。PSD：此級別關(guān)斷為工藝設(shè)備關(guān)斷，不泄壓，只停工藝設(shè)備，由外輸管線干壓和可燃?xì)怏w報(bào)警觸發(fā)。USD：此級別關(guān)斷為單元設(shè)備關(guān)斷，為不影響整體工藝流程的單獨(dú)設(shè)備停車，由單元設(shè)備參數(shù)觸發(fā)。（2）儀表獨(dú)立井口單井回壓、原油外輸干壓等重要生產(chǎn)參數(shù)均設(shè)獨(dú)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(dú)立分開。（3）冗余SIS系統(tǒng)實(shí)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(guān)斷概率。4 關(guān)斷設(shè)計(jì)方案4.1 ESD-0級關(guān)斷此為棄平臺(tái)關(guān)斷，所有設(shè)備關(guān)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(yù)知自然災(zāi)害，經(jīng)人工確認(rèn)棄平臺(tái)。關(guān)斷輸出：觸發(fā)ESD-1級別關(guān)斷。激活平臺(tái)藍(lán)色狀態(tài)燈。HMI報(bào)警。4.2 ESD-1級關(guān)斷此關(guān)斷為全平臺(tái)關(guān)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(guān)斷，此級別關(guān)斷平臺(tái)所有設(shè)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)。現(xiàn)場發(fā)生火災(zāi)、爆管等重大事故并經(jīng)人工確認(rèn)。 井口工藝區(qū)火災(zāi)報(bào)警。關(guān)斷輸出：觸發(fā)PSD關(guān)斷。 激活平臺(tái)紅色狀態(tài)燈。 關(guān)斷所有油井井上井下安全閥。 HMI報(bào)警。4.3 PSD級關(guān)斷此級別為工藝流程的關(guān)斷，當(dāng)工藝流程中某一參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，引起相應(yīng)流程設(shè)備的關(guān)斷。本系統(tǒng)中外輸管線干壓超高或超低都會(huì)對整個(gè)管網(wǎng)造成影響，因而在外輸干壓超限時(shí)需要關(guān)停所有生產(chǎn)設(shè)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(bào)警。 同一區(qū)域兩臺(tái)可燃?xì)怏w高報(bào)警。關(guān)斷輸出：關(guān)斷外輸管線緊急切斷閥。 關(guān)停所有油井井口電潛泵。 停計(jì)量加熱器、停生產(chǎn)加熱

8、器。HMI報(bào)警。4.4 USD關(guān)斷此關(guān)斷為單元關(guān)斷，由采油平臺(tái)工藝流程中單元設(shè)備參數(shù)引起的本設(shè)備關(guān)斷，目的在于保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備。井口回壓作為單井井口出口壓力，壓力過高或過低都會(huì)對整個(gè)采油井組的原油輸出造成影響，壓力過高會(huì)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(huì)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(dāng)提高油溫有利于原油的輸送，但油溫過高會(huì)對設(shè)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(huì)產(chǎn)生水蒸氣，致使管線和設(shè)備承受壓力增大，易發(fā)生危險(xiǎn)。觸發(fā)原因：單井井口管線出口壓力高高或低低壓報(bào)警。計(jì)量加熱器出口溫度高高報(bào)警。 生產(chǎn)加熱器出口溫度高高報(bào)警

9、。關(guān)斷輸出：關(guān)停相應(yīng)單井井口電潛泵。 停計(jì)量加熱器、停生產(chǎn)加熱器。 HMI報(bào)警。5 緊急聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)的實(shí)施5.1 系統(tǒng)的搭建與開發(fā)圖2 緊急聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖緊急聯(lián)鎖關(guān)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(shè)備關(guān)斷，本系統(tǒng)采用了PLC實(shí)現(xiàn)緊急聯(lián)鎖關(guān)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(yùn)行，F(xiàn)GS和ESD共用一套PLC的CPU，但I(xiàn)/O槽架嚴(yán)格區(qū)分，各槽架之間采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)通訊，PLC與中控室服務(wù)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(jié)構(gòu)圖PLC系統(tǒng)完成各參數(shù)的采集、邏輯運(yùn)算和輸出控制等功能，并與中心

10、平臺(tái)中控室進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，響應(yīng)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(guān)斷系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。5.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）關(guān)斷邏輯的實(shí)現(xiàn)，需要PLC通過編程實(shí)現(xiàn)。針對海洋采油的特點(diǎn)，對緊急關(guān)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(guān)控制的功能塊（AOI），有效的將緊急關(guān)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(diǎn)。 圖4 ESD關(guān)斷邏輯主程序框圖 圖5 回壓聯(lián)鎖關(guān)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(jìn)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(zāi)、可燃?xì)怏w、回壓、干壓等關(guān)鍵參數(shù)是否超限，如若超限，各超限參數(shù)會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警狀態(tài)位，此報(bào)警狀態(tài)位作為關(guān)斷輸出的輸入條件，為真時(shí)觸發(fā)相應(yīng)關(guān)斷。圖5為單井回壓超限聯(lián)鎖關(guān)斷的程序圖，是ESD聯(lián)鎖關(guān)斷一個(gè)典型的例子。5.3 系統(tǒng)應(yīng)用情況緊急聯(lián)鎖關(guān)斷技術(shù)已在勝利埕島海洋采油平臺(tái)展開應(yīng)用，目前已有30多座采油平臺(tái)、6座采修一體化平臺(tái)使用了該技術(shù)。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(guān)斷，未發(fā)生更高級別的聯(lián)鎖關(guān)斷，關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間均小于1s，均實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確對設(shè)備的關(guān)停，保障了本平臺(tái)生產(chǎn)的安全。6 結(jié)束語緊急關(guān)斷邏輯的制定和實(shí)施是個(gè)極其復(fù)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(tái)集輸管網(wǎng)的連接，一條集輸管線所連接的所有采油平臺(tái)的相互協(xié)調(diào)關(guān)斷是影響輸油管道集輸安全的重大問題，實(shí)際實(shí)施中要認(rèn)真分析，確保把一條集輸管線上所有平臺(tái)的緊急關(guān)斷有機(jī)的結(jié)合成一個(gè)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(xué)（華東）檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，主要從事自動(dòng)化專業(yè)的設(shè)計(jì)、科研等工作，任工程師。7 參考文獻(xiàn)1黃少偉,謝騰騰.提高埕島油田無人值守平臺(tái)測控系統(tǒng)可靠性初探J.電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(11):64-66.2高進(jìn),周彬.ESD系統(tǒng)在忠縣天然氣凈化廠的應(yīng)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(dòng)化，2005,24(3):5-8.4譚傳強(qiáng),趙旭東,黃朝陽.科威特大型集油站工程自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與投運(yùn)J.石油化工自動(dòng)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(jì)算機(jī)信息，2005,21(7):59-61.6 張江維. 基于雙CPU的冗余控制研究與實(shí)現(xiàn)J. 機(jī)電工程技術(shù)，2005,34(4):64-65.7 周林,廖長初.提高可編