紧急联锁关断系统在埕岛海洋采油平台中的应用

1、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

2、 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PTPT回压2#井PTPT回压N#井PTPT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PTPT干压SDVSDV紧急切断阀原油去海底管线TTTT加热器出口温度TTTT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3.1.1SIS 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

3、）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

4、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

5、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

6、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

7、，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

8、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

9、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

10、， 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。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

11、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。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

12、，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

13、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):13-175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. 机电工程技术，2005,34(4):64-