紧急联锁关断系统在埕岛海洋采油平台中的应用

紧急联锁关断系统在海洋采油平台中的应用 1 前言 胜利埕岛油田是拥有 3 座中心平台和 90 多座采油井组平台的大型滩海油田 采油平台 完成采油 计量及加热等生产工艺流程 原油通过海底输油管道输送至中心平台进行油 气 水处理 最后输送至陆地 紧急联锁关断系统通过对油井生产集输关键参数 单井回 压 外输干压 加热器温度 火灾报警 可燃气体报警等 的连续监视 检测其相对与预 定安全条件的变化 当参数值超出安全限值时 系统会立即对相应生产设备实施关断 保 障生产和集输的安全 使发生恶性事故的可能性降到最低 2 生产工艺流程 采油平台井口来油靠井口压力流经计量流程或生产流程后 原油通过海底管线输送至 中心平台 进行简易的油气水处理 最后输送至陆地 如图 1 所示 采油平台工艺流程设备 主要包括了井口采油树 计量流程中的计量电加热器和混输流程中的生产电加热器 1 井 口 区 1 井 P PT T回压 2 井 P PT T回压 N 井 P PT T回压 计量流程 生产流程 计量加热器计量分离器 生产加热器 气相流量 液相流量 P PT T 干压 S SD DV V 紧急切断阀 原油去海底管线 T TT T 加热器出口温度 T TT T 加热器出口温度 图 1 采油平台生产工艺流程 3 系统组成及特点 3 1 系统组成 3 1 1 SIS 系统 埕岛油田 SCADA 系统采用了 三级网络 两级控制 的架构 中心平台和陆地中心站 均可以遥测遥控各采油平台 采油平台端的控制系统由过程控制系统 PCS 和安全控制系 统 SIS 组成 其中 SIS 系统又由紧急关断系统 ESD 和火气系统 FGS 组成 ESD 系统主要完成了对工艺生产参数的监控 包括干温 干压 加热器出口温度 井 口回压等参数 并根据相应生产参数的变化实施对相应井口电潜泵 电加热器 紧急切断 阀等设备的紧急停车 FGS 系统主要完成对采油平台火灾报警信号 可燃气体报警信号的实时监控 并根据 不同安全区域的火灾或可燃气体报警信号联锁关断井口电潜泵 井上井下安全阀和紧急切 断阀等设备 并控制 4 种不同颜色平台状态灯的开启和熄灭 3 1 2 关键参数 为保障采油平台稳定 安全的生产 根据工艺流程确定了影响工艺的重要生产参数 2 如 为保障井口原油的正常外输 将单井回压 平台原油外输干压作为联锁关停油井的触 发条件 将加热器出口温度作为联锁关停生产或计量加热器触发条件 将可燃气体或火灾 报警作为联锁关断切断阀 电潜泵等设备的触发条件 将火灾 可燃气体检测的安全区域分为生活楼区 井口区 配电楼区 工艺区 修井 区等区域 为避免可燃气体误报警 规定同一区域需两个以上可燃气体报警才会触发联锁 关断 3 1 3 系统软硬件 SIS 系统硬件由 Rockwell 公司 Conrtollogix 系列 PLC 组成 CPU 和通讯模块采用热备冗 余配置 CPU 槽架和 IO 机架之间采用冗余的 ConrtolNet 网络通讯 最大限度的保证系统的 安全 正常 平稳运行 系统软件采用了 Rockwell 公司的 RSlogix5000 作为 PLC 的编程软件 通过梯形图及 AOI 功能块的使用 完成 ESD 和 FGS 的逻辑控制 HMI 人机界面和数据库采用 Honeywell 公司 的 EPKS 软件 通过 HMIWeb Display Builder 编写画面 通过 Quick Builder 编写数据库 完 成人机界面的开发 3 2 系统特点 1 四级关断 根据国内外油气田设计经验 结合海洋采油的实际情况 将紧急联锁关断等级分为四 级 ESD 0 此级别关断为最高级别关断 所有设备全部停车 弃平台 并点亮弃平台状态 灯 此关断为人工触发 ESD 1 此级别关断为全平台关断 点亮火灾状态灯 由火灾及人工确认触发 PSD 此级别关断为工艺设备关断 不泄压 只停工艺设备 由外输管线干压和可燃 气体报警触发 USD 此级别关断为单元设备关断 为不影响整体工艺流程的单独设备停车 由单元 设备参数触发 2 仪表独立 井口单井回压 原油外输干压等重要生产参数均设独立仪表 同一参数现场安装两块 仪表 SIS 系统和 PCS 系统仪表独立分开 3 冗余 SIS 系统实现了 CPU 的热备冗余和输入输出模板 I O 冗余 降低硬件 仪表回路故障所 引发的误关断概率 4 关断设计方案 4 1 ESD 0 级关断 此为弃平台关断 所有设备关停 泄压阀泄压 切断电源 给予最高级别警示 触发原因 不可预知自然灾害 经人工确认弃平台 关断输出 触发 ESD 1 级别关断 激活平台蓝色状态灯 HMI 报警 4 2 ESD 1 级关断 此关断为全平台关断 为避免事故发生或者避免事故损失更大 需要出触发级别关断 此级别关断平台所有设备 并油井井上井下泄压阀泄压 保证油井本质安全 与 ESD 0 级 别不同在于指示灯颜色不同 触发原因 ESD 0 触发 现场发生火灾 爆管等重大事故并经人工确认 井口工艺区火灾报警 关断输出 触发 PSD 关断 激活平台红色状态灯 关断所有油井井上井下安全阀 HMI 报警 4 3 PSD 级关断 此级别为工艺流程的关断 当工艺流程中某一参数发生变化时 引起相应流程设备的 关断 本系统中外输管线干压超高或超低都会对整个管网造成影响 因而在外输干压超限 时需要关停所有生产设备 并切断外输管线的切断阀 但油井井上及井下不泄压 触发原因 ESD 1 触发 海底外输管线干压高高压或低低压报警 同一区域两台可燃气体高报警 关断输出 关断外输管线紧急切断阀 关停所有油井井口电潜泵 停计量加热器 停生产加热器 HMI 报警 4 4 USD 关断 此关断为单元关断 由采油平台工艺流程中单元设备参数引起的本设备关断 目的在 于保护生产设备 井口回压作为单井井口出口压力 压力过高或过低都会对整个采油井组 的原油输出造成影响 压力过高会对其他油井的出油量产生影响 从而影响电潜泵 压力 过低则会受到其他油井的影响 3 原油加热器出口温度作为加热器的重要生产参数 适当 提高油温有利于原油的输送 但油温过高会对设备和管线产生损害 且油温一旦超过 100 摄氏度 原油中的水分会产生水蒸气 致使管线和设备承受压力增大 易发生危险 触发原因 单井井口管线出口压力高高或低低压报警 计量加热器出口温度高高报警 生产加热器出口温度高高报警 关断输出 关停相应单井井口电潜泵 停计量加热器 停生产加热器 HMI 报警 5 紧急联锁关断系统的实施 5 1 系统的搭建与开发 ESDFGS 现 场 执 行 终 端 PLC 现 场 执 行 终 端 工艺参数 可燃气体检测及火灾 报警 ESD按钮 中心平台监控中心 图 2 紧急联锁关断系统结构图 紧急联锁关断系统包括了 ESD 系统和 FGS 火气系统 根据不同触发条件 执行不同的 设备关断 本系统采用了 PLC 实现紧急联锁关断的控制方式 PLC 采用了 CPU 的热备冗余 方式 保障系统的可靠运行 FGS 和 ESD 共用一套 PLC 的 CPU 但 I O 槽架严格区分 各槽 架之间采用冗余的 ControlNet 网络通讯 PLC 与中控室服务器采用以太网链接 保证通讯 的质量和可靠性 1756 CN2R 1756 CN2R 1756 RM21756 RM21756 L711756 L71 1756 EN2T1756 EN2T 交换机交换机 1756 IO模块 1756 PA751756 PA75 1786 TPS 1756 PA75 1756 CN2R 图 3 PLC 系统结构图 PLC 系统完成各参数的采集 逻辑运算和输出控制等功能 并与中心平台中控室进行 数据交换 响应中控室的各种控制指令 本系统采用了 Rockwell 公司旗下 ControlLogix 系列 PLC 其数据处理能力 稳定性 可靠性均属同行业顶尖水平 有效的保障了紧急联 锁关断系统的运行质量 5 2 系统软件开发 紧急关断系统 ESD 关断逻辑的实现 需要 PLC 通过编程实现 针对海洋采油的特点 对紧急关断输出的要求 编制了电潜泵 切断阀 井下安全阀及普通开关控制的功能块 AOI 有效的将紧急关断及普通的遥测遥控融合到了一起 且具有高效 直观等优点 初始化 数据采集 ESD触发原因 状态位逻辑检测 状态位送入各关断AOI 模块的输入端 关断输出 结束 i N 初始化 各单井回压超限 状态位置位 将状态位送入电潜 泵AOI关断模块 结束 单井回压判 断是否超限 电潜泵AOI 关断模块执行 关断输出 N为井数量 图 4 ESD 关断逻辑主程序框图 图 5 回压联锁关断程序框图 主程序框图如图 4 所示 系统在完成数据采集后 程序进入 ESD 触发原因状态位逻辑 检测部分 这一部分中需要判断火灾 可燃气体 回压 干压等关键参数是否超限 如若 超限 各超限参数会触发相应的报警状态位 此报警状态位作为关断输出的输入条件 为 真时触发相应关断 图 5 为单井回压超限联锁关断的程序图 是 ESD 联锁关断一个典型的 例子 5 3 系统应用情况 紧急联锁关断技术已在胜利埕岛海洋采油平台展开应用 目前已有 30 多座采油平台 6 座采修一体化平台使用了该技术 系统自投产以来 有多次单井回压超限引起的 USD 级 别关断 未发生更高级别的联锁关断 关断响应时间均小于 1s 均实现了准确对设备的关 停 保障了本平台生产的安全 6 结束语 紧急关断逻辑的制定和实施是个极其复杂的工程 不同工艺的流程对因果逻辑影响很 大 随着采油平台集输管网的连接 一条集输管线所连接的所有采油平台的相互协调关断 是影响输油管道集输安全的重大问题 实际实施中要认真分析 确保把一条集输管线上所 有平台的紧急关断有机的结合成一个整体 作者简介 韩小磊 1981 男 山东东营人 2009 年毕业于中国石油大学 华东 检测 技术与自动化装置专业 获硕士学位 现就职于中石化石油工程设计有限公司 主要从事 自动化专业的设计 科研等工作 任工程师 7 参考文献 1 黄少伟 谢腾腾 提高埕岛油田无人值守平台测控系统可靠性初探 J 电子设计工程 2012 20 11 64 66 2 高进 周彬 ESD 系统在忠县天然气净化厂的应用及优化 J 石油与天然气化工 2008 37 4 347 348 3 管丰年 生产过程控制系统的可靠性措施 J 石油化工自动化 2005 24 3 5 8 4 谭传强 赵旭东 黄朝阳 科威特大型集油站工程自控系统设计与投运 J 石油化工自动化 2001 13 6 13 17 5 衡军山 甄成刚 基于软件的双 CPU 冗余控制研究 J 微计算机信息 2005 21 7 59 61 6 张江维 基于双CPU的冗余控制研究与实现 J 机