基于dcs和ips的新型控制系統(tǒng)在長北氣田開發(fā)中的應(yīng)用

基于dcs和ips的新型控制系統(tǒng)在長北氣田開發(fā)中的應(yīng)用

0開發(fā)中國天然氣發(fā)電項(xiàng)目長北氣田位于鄂爾多斯盆地東北部、陜西省和內(nèi)蒙古省，儲量96.1億噸。2005年4月,長北合作項(xiàng)目正式進(jìn)入商業(yè)開發(fā),計(jì)劃2007年全面建成投產(chǎn)。該項(xiàng)目是迄今為止中國陸上天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域較大的對外合作項(xiàng)目,20年合同期內(nèi)可采儲量480Tm3,具備年供氣3Tm3、穩(wěn)產(chǎn)10年的能力。項(xiàng)目計(jì)劃投資6.17億美元,設(shè)計(jì)生產(chǎn)井53口,其中雙分支水平井35口,水平井18口,中央處理廠(CPF)1座。氣田建成后主要向北京、天津、河北等地供氣。殼牌中國勘探與生產(chǎn)有限公司與中國石油共同承擔(dān)了長北氣田的開發(fā)作業(yè)任務(wù)。截至目前,CPF已投入使用,已有6口天然氣井正常生產(chǎn),日供氣量為4Mm3/d。1氣液混合計(jì)量長北氣田集輸系統(tǒng)共有23座井叢,各井叢由2~3口天然氣井組成,井口的天然氣先經(jīng)孔板流量計(jì)進(jìn)行氣液混合計(jì)量,然后經(jīng)節(jié)流閥將下游壓力降至所需的壓力值后,與該井叢其它井的天然氣混合,由集氣支線將天然氣匯集至干線后送至中央處理廠。此外,為防止開井、天然氣輸送過程中產(chǎn)生水合物,減緩采集氣管道的腐蝕,在井口節(jié)流閥前設(shè)置甲醇和緩蝕劑霧化器,并有配套的甲醇、緩蝕劑注入流程和注入泵。2基于cs環(huán)境的6個(gè)井叢自動職守氣井井口控制系統(tǒng)主要由DCS(distributedcontrolsystem)、IPS(instrumentedprotectivesystem)、MCC(motorcontrolcenter)、WHCP(wellheadcontrolpanel)等組成,采用DCS和IPS相結(jié)合的控制方法。DCS主要實(shí)現(xiàn)對井叢生產(chǎn)工藝過程的監(jiān)視和控制;IPS是在生產(chǎn)非正常時(shí),為保護(hù)人員和工藝設(shè)備的安全而進(jìn)行緊急停車的控制系統(tǒng)。合理的工藝流程和先進(jìn)的自控水平,使長北氣田天然氣井井口生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了無人職守。氣井井口控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。DCS硬件主要包括工程師站(engineerstation)、操作員站(operatorHIS)和FCS(fieldcontrolsystem),軟件采用橫河公司的CENTUM-CS3000。FCS采用橫河公司的具有VNET/IP功能的CP451-11控制器。整個(gè)氣田共用1套DCS系統(tǒng),采用C/S結(jié)構(gòu),在CPF的中控室有1臺工程師站、5臺操作員站,各井叢的控制室分別有1臺操作員站。工程師站、操作員站和FCS之間通過以太網(wǎng)連接,采用橫河公司自行開發(fā)的Vnet/IP協(xié)議通信。在CPF的工程師站可以實(shí)現(xiàn)對井口控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)與管理,操作員站可以實(shí)現(xiàn)對各井叢的遠(yuǎn)程控制。IPS硬件包括安全工程師站(SENG)和安全控制器SCS(safetycontrolsystem),系統(tǒng)軟件采用日本橫河公司的ProSafe-RS,SCS采用日本橫河公司的SSC10D-S控制器。工程師站和SCS之間通過以太網(wǎng)連接,采用Vnet協(xié)議。SCS中的邏輯程序根據(jù)設(shè)計(jì)提供的因果關(guān)系圖進(jìn)行編寫,測試正常后寫入處理器中,一般不需要修改。FCS與SCS、MCC之間采用ModbusRTU協(xié)議進(jìn)行通信,數(shù)據(jù)可以在DCS的監(jiān)控界面上進(jìn)行顯示。FCS、SCS與WHCP之間、SCS與MCC之間用硬件線連接。在整個(gè)系統(tǒng)中,FCS、SCS的處理器均采用雙冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu),其它硬件從外部電源到內(nèi)部的電源模塊、通信線路、I/O模塊等均采用冗余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用熱切換技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)等一系列措施,可用性已達(dá)到99.99999%。此外,FCS、SCS系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表回路之間還有浪涌保護(hù)器,確保了系統(tǒng)的安全。3生產(chǎn)管理及維護(hù)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求,氣井井口控制系統(tǒng)主要包括以下功能:①生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)視(如井口壓力、溫度、流量、外輸壓力、井口注醇量、甲醇罐的液位、泵的狀態(tài)等)。②遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)控制(主要為井口天然氣流量和井叢外輸壓力的控制、閥門和泵的控制)。③井叢生產(chǎn)工藝的緊急停車。④生產(chǎn)管理(包括報(bào)警信息、生產(chǎn)報(bào)表打印、故障記錄)。要求系統(tǒng)具有快速性、實(shí)時(shí)性、可靠性、靈活性和網(wǎng)絡(luò)化功能。3.1控制內(nèi)容3.1.1顯示和輸出流量控制井口流量和節(jié)流后壓力都是通過控制流量調(diào)節(jié)閥的開度來實(shí)現(xiàn)的,流量調(diào)節(jié)閥采用流量和壓力選擇控制的方式。以CB1-1井為例,孔板計(jì)量裝置中的壓力、差壓、溫度變送器(位號分別為001PT014、001FT011、001TT011)將檢測到的不同參數(shù)轉(zhuǎn)換成4~20mA電流信號;通過儀表電纜傳到FCS的AI模塊,在DCS系統(tǒng)內(nèi)通過PVI模塊進(jìn)行顯示;然后輸入到CALCU模塊進(jìn)行天然氣流量計(jì)算,對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示;同時(shí)對實(shí)際流量值進(jìn)行PID運(yùn)算,將運(yùn)算結(jié)果輸出到低選器001FC011_AS;節(jié)流后壓力(變送器位號為001TT011)在DCS系統(tǒng)內(nèi)通過PVI模塊進(jìn)行顯示后,直接進(jìn)行PID運(yùn)算;同樣將運(yùn)算結(jié)果輸出到低選器001FC011_AS。低選器001FC011_AS自動將流量和壓力的PID運(yùn)算結(jié)果中最小的輸出值作用到手操器001HC011上。當(dāng)手操器001HC011在自動狀態(tài)時(shí),低選器001FC011_AS的輸出值將作為手操器001HC011的輸出值;當(dāng)手操器在001HC011手動狀態(tài)時(shí),手動設(shè)定輸出值將作為手操器001HC011的輸出值。手操器001HC011的輸出值直接通過FCS的AO模塊輸出,來控制流量調(diào)節(jié)閥。正常運(yùn)行時(shí),流量調(diào)節(jié)閥001FCV011接收運(yùn)算器001FC011的輸出值來進(jìn)行相應(yīng)動作,確保流量穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)。當(dāng)節(jié)流后壓力001PC011超過設(shè)定值時(shí),低選器001FC011_AS會自動選擇運(yùn)算器001PC011的輸出值來控制流量調(diào)節(jié)閥001FCV011,使閥門關(guān)小,此時(shí),不再考慮流量的大小,只保證節(jié)流后壓力不大于設(shè)定值。當(dāng)節(jié)流后壓力低于設(shè)定值時(shí),流量調(diào)節(jié)閥001FCV011的開度將自動切換到用流量來控制。此外,在DCS上還可以直接給定一個(gè)設(shè)定值到手操器001HC011來控制流量調(diào)節(jié)閥001FCV011。井口流量和節(jié)流后壓力控制回路如圖2所示。3.1.2ssv和scssv開關(guān)操作在對井口閥門的控制中,除了流量控制閥外,還可以對井下安全閥SCSSV、采氣樹主閥SSV、井叢出口切斷閥SDV等進(jìn)行控制。正常情況下,在DCS界面上進(jìn)行SSV和SCSSV開關(guān)操作時(shí),FCS將閥門的開關(guān)信號通過ModbusRTU通信給SCS,SCS通過硬線控制WHCP中的SSV和SCSSV電磁控制閥的開關(guān),就可以實(shí)現(xiàn)SSV和SCSSV的開關(guān);井叢出口切斷閥SDV的開關(guān)控制信號從FCS通過ModbusRTU通信給SCS,SCS通過硬線控制SDV的儀表風(fēng)電磁閥,就可以實(shí)現(xiàn)對SDV的開關(guān)操作。非正常情況時(shí),IPS將根據(jù)不同的TRIP信號,直接通過SCS與MCC之間的硬件線,緊急關(guān)閉相應(yīng)的閥門。3.1.3mcc泵的關(guān)閉井叢主要有甲醇泵、緩蝕劑泵、井口控制盤液壓油泵。正常情況下,甲醇泵、緩蝕劑泵可以在DCS界面上進(jìn)行啟停。啟泵時(shí),泵的啟動控制信號從FCS通過ModbusRTU通信給MCC,閉合MCC中該泵的電源繼電器;停泵時(shí),泵的停止控制信號從FCS通過ModbusRTU通信給SCS,SCS再通過硬件線斷開MCC中該泵的電源繼電器。非正常情況時(shí),IPS將根據(jù)不同的TRIP信號,直接通過SCS與MCC之間的硬件線,強(qiáng)制MCC中相應(yīng)泵的電源繼電器斷開。井口控制盤液壓油泵為全自動泵,一備一用。當(dāng)井口控制盤油壓低于設(shè)定值時(shí),所選擇的泵就會自動啟動;當(dāng)油壓高于設(shè)定值時(shí),泵會自動停止。3.2應(yīng)急啟動和設(shè)備保護(hù)功能3.2.1火災(zāi)情況下井生產(chǎn)情況當(dāng)中央處理廠出現(xiàn)緊急停車、井叢緊急手動停車啟動或井叢發(fā)生火災(zāi)時(shí),IPS系統(tǒng)會關(guān)閉井叢所有井的流量控制閥、采氣樹主閥SSV、井下安全閥SCSSV、外輸緊急切斷閥SDV以及所有的注醇泵、緩蝕劑泵和井口控制盤液壓油泵。3.2.2井和工廠的出口壓力低且緊急啟動當(dāng)井叢出口壓力001PZ019低于設(shè)定低限時(shí),IPS系統(tǒng)會關(guān)閉井叢所有井的流量控制閥、采氣樹主閥SSV以及注醇泵和緩蝕劑泵。3.2.3降低成本后壓力高且緊急啟動當(dāng)節(jié)流后壓力(如001PZ015)高于設(shè)定高限時(shí),IPS系統(tǒng)會關(guān)閉該井流量控制閥、采氣樹主閥SSV以及對應(yīng)的注醇泵和緩蝕劑泵。3.3生產(chǎn)過程的管理3.3.1參數(shù)設(shè)置和修改根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求可以實(shí)時(shí)在線修改報(bào)警上下限參數(shù)、控制回路中的設(shè)定值、PID參數(shù)等。3.3.2畫面鍵或功能指示鍵操作站上的監(jiān)控界面由主畫面和6個(gè)子畫面組成,全面直觀地反映了井口的生產(chǎn)動態(tài)。畫面之間的切換用鼠標(biāo)簡單地點(diǎn)擊工藝畫面鍵或功能指示鍵即可。畫面主要功能有:反映實(shí)時(shí)控制的生產(chǎn)流程,井口液壓控制盤界面,報(bào)警匯總;反映網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置的示意圖,監(jiān)視操作站和FCS、IPS的工作狀態(tài),并監(jiān)視操作站與FCS、IPS、MCC之間的工作狀態(tài)和各I/O模塊的工作狀態(tài)。為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)提供更直觀的幫助。3.3.3趨勢曲線的應(yīng)用對主要的過程參數(shù)編制實(shí)時(shí)趨勢和歷史趨勢曲線,在組態(tài)中可以根據(jù)數(shù)據(jù)的重要程度做分鐘趨勢和秒趨勢,便于對故障進(jìn)行分析或優(yōu)化控制參數(shù)的設(shè)定計(jì)算。3.3.4自動顯示故障總表在生產(chǎn)過程中,各類工藝參數(shù)或設(shè)備發(fā)生異常時(shí),除了它們所在的畫面會自動顯示出來,故障總表中會記錄報(bào)警發(fā)生的時(shí)間、來源和恢復(fù)的時(shí)間。此外,還伴有聲音提示操作人員,便于及時(shí)找出故障原因并予以排除,提高了現(xiàn)場處理故障的能力。3.3.5報(bào)告打印按工藝要求,實(shí)時(shí)或定時(shí)打印生產(chǎn)報(bào)表。如日報(bào)表、月報(bào)表和故障信息等。4對孔板和三閥組伴熱和保溫自CB1井叢投產(chǎn)以來,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了對氣井井口生產(chǎn)的自動化控制。但還需要注意以下幾方面:①由于高壓天然氣未經(jīng)氣水分離就進(jìn)行計(jì)量,因此,冬季運(yùn)行時(shí)要對孔板計(jì)量裝置前后的取壓管路和三閥組加電伴熱和保溫,防止由于計(jì)量差壓不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的流量失控;②氣井在開井初期,由于井口溫度不高、節(jié)流閥前后壓差比較大(大約為7MPa左右),節(jié)流后管線溫度過低,振動較大,容易造成節(jié)流后溫變和壓變出現(xiàn)故障,因此,在儀表選型時(shí)要選用耐低溫、抗振動的儀表;③在IPS系