海上浮式生產儲油裝置儀表控制系統的設計

何驍勇 洪 毅 徐正海 周學軍

(中海油研究總院，北京 100028)

海上浮式生產儲油裝置儀表控制系統的設計

何驍勇 洪 毅 徐正海 周學軍

(中海油研究總院，北京 100028)

以具體項目為例，闡述在海上浮式生產儲油裝置儀表控制系統一體化設計時，以安全可靠、經濟實用、操作維護方便為基本原則，根據裝置的功能特點及其生產操作對控制系統的要求，統籌考慮，優化設計，選擇合適的總體控制方案，來提高其整體自動化水平和安全可靠性。指出了設計過程中應注意的問題。

儀表控制系統 浮式生產儲油裝置 設計原則 組成結構 注意事項

我國海洋油氣資源儲量豐富。隨著海洋油氣勘探開發技術的不斷進步，海洋油氣資源已成為國內油氣資源的接替主力，海上油氣田能否實現安全高效開發，直接關系到我國的能源安全。特別是近年來，不斷有一些新海域的油田被開發，在這些新油田開發中，由于海域周邊無舊油田生產設施可依托，且離岸一般較遠，大多采用獨立的全海式油田開發方案，即采用浮式生產儲油裝置(FPSO)直接在海上完成井底原油的處理、存儲和外輸。

儀表控制系統是海上油氣田開發的關鍵環節之一，是FPSO的控制核心和安全衛士。作為整個油田的集輸和控制中心，FPSO上儀表控制系統的合理設計，不僅直接影響FPSO的自動化水平和人員與設備的安全，也關系到整個油田的安全平穩生產。在此，筆者以實際項目為背景，介紹FPSO裝置儀表控制系統的系統組成、設計原則和設計要點。

目前，我國海上油田FPSO儀表控制系統大多采用集中監視管理、分散控制的方式。通常情況下，海上FPSO儀表控制系統主要由6部分組成：

a. 中控系統。主要由過程控制系統(PCS)、應急關斷系統(ESD)和火氣探測系統(FGS)3套獨立的控制系統組成[1]，同時還包括人機界面(操作站和應急操作盤)、控制網絡及對外通信接口等。

b. 現場儀表。包括現場的各類變送器、流量計、調節閥、關斷閥及電磁閥等檢測儀表與控制閥門。

c. 火氣探測報警設備。包括分布在生產現場、電氣房間和艙室內的火焰探頭、可燃氣探頭、硫化氫探頭、氫氣探頭、煙探頭、熱探頭、手動報警站、平臺狀態燈、CO2/FM200按鈕及報警燈鈴等。

d. 就地控制盤。主要由一些專用大型設備或設施生產廠家自帶，這些現場就地控制盤與中控系統之間有相應的接口，可在中控室進行集中監控。

e. 單點控制系統。單點系泊系統(SPM)廠家一般都會自帶控制系統，該控制系統與中控系統之間有通信接口，可在中控室進行集中監控。

f. 原油外輸計量系統。通常在FPSO的外輸口前端設有專門的原油外輸貿易交接計量系統，原油外輸計量系統一般由位于現場的計量撬、標定撬和位于中控室的控制設備組成[2]。

根據設計慣例和操作習慣，FPSO通常被劃分成上部模塊(TOPSIDE)和船體(HULL)兩大塊進行設計和操作管理。為此，FPSO的儀表控制系統結構也相應地分為上部模塊和船體兩部分，儀表控制系統的上部模塊部分主要負責原油處理、生產水處理、燃料氣處理、化學藥劑注入、氮氣、惰性氣體、熱介質爐及發電機組等油氣水處理設備，以及公用系統的過程監控、應急關斷和相關區域的火氣探測報警；儀表控制系統的船體部分主要負責貨油與壓載、洗掃艙、柴油、海水冷卻、空壓機、應急發電機及淡海水等船體各系統的過程監控、應急關斷和相關區域的火氣探測報警。

2 設計原則

FPSO儀表控制系統的設計需本著上部模塊與船體控制系統一體化設計的理念，以安全可靠、經濟實用、控制管理和操作維護靈活方便為基本原則，充分共享中控系統資源，合理分配系統控制功能，以方便管理并減少投資。在設計過程中要合理選擇控制系統的結構和規模，采用技術上先進可靠的PCS、ESD和FGS，確保海上FPSO人員與設備的安全，避免環境污染并維持油田生產安全正常運行。

PCS的設計應以安全可靠、經濟實用、控制管理和操作維護靈活方便為基本原則。采用就地檢測，集中監控的控制方式，綜合考慮系統的先進性和開放性，選擇合理的控制系統。系統的主要功能是對生產過程數據進行實時采集、顯示、監控、報警，并生成生產日志和報警記錄。另外，還要實現與其他海上平臺控制系統間的數據通信和報警信號傳輸。

ESD的設計目的是確保海洋油氣生產設施上人員和設備的安全，防止環境污染，對于已經發生的事故需將損失控制到最小[3]。ESD的設計應遵循獨立設置并采用中間環節最少和故障安全型的原則，同時采用滿足相應SIL等級要求的安全儀表系統(SIS)。ESD聯鎖關斷邏輯的設計原則：某一級別關斷均不能引起較高級別的關斷，只能啟動本級和所有較低級別的關斷。

FGS的設計目的主要是能及時準確地探測到可能發生或已經發生的火情和可燃氣體泄漏事故或火災情況，并及時采取相應措施以保護海洋油氣生產設施上人員和設備的安全。FGS應具有自動探測火災、可燃氣體泄漏；自動/手動啟動報警(包括PA/GA系統)、消防系統、HVAC系統、自動/手動執行火氣關斷邏輯的功能；還應具有故障容錯，對控制網絡和現場火氣探測報警設備進行自診斷的功能。

上部模塊與船體現場儀表、閥門、火氣探測報警設備及其附件應保證選型統一，盡量選用標準系列化的產品和型號，以減少現場儀表、閥門與火氣探測報警設備的品種、類型和備品備件。另外，現場儀表盡量采用帶HART協議的智能儀表，并在操作站配置相應的管理軟件，實現對現場智能儀表的診斷和管理。

火氣探測報警設備的數量由FPSO生產設施的特性決定。火氣探測報警設備的布置應根據FPSO生產設施的具體特點和需要，參考NFPA 72等有關標準和規范，并結合廠家有關產品的性能參數和對布置的要求進行經濟有效合理的布置。

3 設計要點

FPSO作為整個海上油田的集輸和控制中心，與周邊采油平臺或其他生產設施間一般都會有物流或電氣關系。為了確保整個油田的安全生產，FPSO與周邊平臺控制系統間需根據物流或電氣關系，設置相應的聯鎖關斷。另外，如果有必要FPSO還應具有監控周邊平臺生產的功能。這就要求在進行FPSO儀表控制系統的系統設計時，首先搞清楚整個油田的物流走向和電氣連接方案，選擇技術上安全可靠的平臺間控制系統數據通信和關斷信號的傳輸方式。

由于FPSO上各種生產設備分散，且距中控室較遠，設置控制系統遠程I/O柜很有必要。FPSO中控室通常設在位于船艏或船尾的生活樓內，現場儀表到中控室的進線非常多，且進線非常不方便，在FPSO生產現場設置遠程I/O柜，不僅可以減少儀表電纜，方便儀表電纜布線和接線，而且也便于系統現場調試和后期的升級改造。海上室外環境溫度及濕度等條件比較惡劣，特別是在南海，夏季溫度比較高，如果在現場設置遠程I/O柜，最好布置在電氣房間、艙室或其他有空調的房間內，如果必須設置在室外，需考慮為遠程I/O柜加裝正壓通風、氣動降溫、遮陽及擋雨等防護措施。

中控系統在選型時要考慮其先進性和開發性，并根據系統點數選擇規模合適的控制系統。PCS設計選型時要考慮海洋環境和FPSO的運動特性，是否有船級社證書。ESD除了考慮以上因素外，還需考慮冗余設計，并根據SIL等級需求分析結果選擇合適的安全儀表系統。

由于FPSO的面積較大，各種生產設備分散，艙室和房間較多，需要布置大量的火氣探測報警設備。對于如此數量龐大和分散的火氣探測報警設備，如果采用傳統的點對點式火氣系統，將會有儀表電纜布線及接線等大量的工作。因此FGS設計選型中要優先考慮可尋址火氣系統，以減少火氣系統的儀表電纜和接線。

在控制系統設計時，還需考慮中控系統與單點控制系統間的接口界面問題。單點系泊系統廠家一般都自帶控制系統，且單點控制系統也涉及過程控制、應急關斷和火氣探測報警。建議單點控制系統分別通過PCS、ESD和FGS 3個獨立的接口接線箱接入FPSO中控系統。

通常情況下，FPSO中控室要安裝很多與船體相關的第三方設備。所以在中控室預留面積和布置上應統籌考慮其他第三方設備的布置，提前為其他第三方設備預留安裝空間和接口。另外，在中控室布置時盡量將操作室和控制室隔開，以減小控制室內機柜散熱和噪音對操作人員的影響。

現場儀表設計選型時除了要考慮海洋環境腐蝕(儀表外殼盡量采用不銹鋼材料，不建議采用鋁)和FPSO的運動特性外，還要考慮未來其他油田接入或FPSO應用于其他海域所帶來的原油物性和海況條件的變化，特別是流量儀表和液位儀表選型設計時，要考慮其通用性和用于不同原油和海況條件下的適用性。另外，隨著無線儀表技術的日趨成熟，可考慮在FPSO上一些非關鍵控制回路采用無線儀表進行監測，以節省儀表電纜。

在原油外輸計量系統的流量計選型和計量系統設計時要綜合考慮油品性質、外輸量、系統壓降要求、計量標定撬的尺寸和重量限制及FPSO運行特性等因素。由于FPSO離岸較遠，外輸流量計送檢不方便，為了實現流量計的現場檢定和在線標定功能，FPSO上需配有體積管標定撬及其水標系統，并且要求整個外輸計量系統由廠家成撬提供，以保證計量的可靠性和精度。

4 實例介紹

某海上油田采用全海式開發方案，工程方案為新建3座采油平臺(簡稱平臺)和一艘15萬t級FPSO和一套單點系泊系統(簡稱單點)，平臺與FPSO之間通過海底混輸管道和海底復合電纜連接。各平臺上井口產物流經初步分離后，通過海底管道混輸至FPSO上進一步處理成合格原油后儲存和外輸。另外，FPSO上的發電機組除了為FPSO提供電力外，還通過海底復合電纜為周邊3個平臺提供動力。

該項目FPSO的儀表控制系統分為上部模塊和船體兩部分，全船儀表控制系統采用一體化設計，上部模塊與船體共用一套控制系統和兩路UPS電源，共享控制網絡、人機界面、通信接口及打印機等設備。FPSO上的中控系統由PCS、ESD和FGS 3套獨立的系統組成，PCS、ESD和FGS在控制層及其以下相互獨立，在管理層則共享人機界面和通信網絡。FPSO儀表控制系統結構框圖如圖1所示，FPSO上部模塊主開關間和船體開關間、機艙及船艏等區域設置遠程I/O柜，遠程I/O柜與中控系統通過光纖進行通信。原油外輸計量系統、貨油與壓載系統及液位遙測系統等專用控制系統，以及各種大型設備自帶的現場就地控制盤，則采用串行通信和硬接線方式接入中控系統進行集中監控。為了便于與第三方設備進行通信，中控系統還設置有兩臺OPC服務器。根據物理和電氣關系，FPSO與周邊平臺間設置相應的聯鎖關斷邏輯。

FGS由主火氣系統和可尋址火災盤兩部分組成，可尋址火災盤與主火氣系統之間設有通信接口。主火氣系統與火焰探頭、可燃氣探頭、氫氣探頭、平臺狀態燈、FM200按鈕及報警燈鈴等現場火氣探測報警設備之間采用點對點方式連接；可尋址火災盤與煙探頭、熱探頭及手動報警站等現場火氣探測報警設備采用總線方式連接。單點艙內的火氣探測報警設備接入上部模塊主火氣系統控制柜和可尋址火災盤。

FPSO與各平臺控制系統之間通過海底復合電纜進行雙向通信。為了提高FPSO與平臺間控制系統數據傳輸的可靠性，本項目FPSO上采用同步傳輸協議(SDH)進行光電信號的接入和轉換，SDH組網方式是每兩個平臺一組，通過環網方式通信。本項目中控系統控制網和安全網分別以以太網形式接入SDH，FPSO與平臺之間設置單模光纖分別傳輸生產數據和關斷信號。

本項目FPSO中控室設置在船尾的生活樓內，分為操作室和控制室兩部分。中控室內除布置有中控系統設備外，還布置有通信設備和其他第三方設備。其中操作室內布置有:操作站、原油外輸計量系統操作站、單點監測系統操作站、貨油和壓載計算機、應急操作盤、OPC服務器、數據服務器、LED顯示器和打印機；VHF、UHF、廣播遙控板、自動電話和CCTV顯示器；信號燈、航行燈、直升機甲板照明控制箱和室外燈遙控開關柜；主甲板和直升機甲板泡沫泵遙控板；惰性氣體控制柜和應急開關閥控制箱。控制室內布置有:PCS、ESD和FGS控制柜、通信與CCTV柜、電源柜、外輸計量系統控制柜、液位遙測系統控制柜、上部模塊和船體可尋址火災盤。

圖1 FPSO儀表控制系統結構框圖

5 結束語

FPSO的儀表控制系統是全船的控制核心和安全衛士，是保證FPSO上生產、安全、平穩、高效運行的關鍵。作為整個油田的集輸和控制中心，FPSO儀表控制系統組成與結構復雜，被控對象與控制功能多樣，對控制系統的總體設計要求較高。在FPSO儀表控制系統設計時，要遵循上部模塊與船體控制系統一體化設計理念，以安全可靠、經濟實用、操作維護靈活方便為基本原則，根據項目特點和生產操作對控制系統的要求，深入了解FPSO的功能結構和性能特點，選擇合適的總體控制方案，合理搭建系統結構并分配控制系統功能，充分整合與共享系統資源，以提高FPSO的整體自動化水平和安全可靠性。

[1] 徐正海,何驍勇,洪毅,等.海上平臺儀控系統發展現狀[J].儀器儀表用戶,2013,20(5):21～23.

[2] 何驍勇,徐正海,紀超,等.液超聲流量計在海上原油貿易交接計量中的應用[J].化工自動化及儀表,2015,42(7):749～752.

[3] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程設計指南:海洋石油工程電氣、儀控、通信設計[M].北京:石油工業出版社,2007:315～316.

DesignofInstrumentControlSystemforFPSO

HE Xiao-yong, HONG Yi, XU Zheng-hai, ZHOU Xue-jun

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Taking a project as an example, the integrated instrument control system for the offshore oilfield FPSO was described and the principle of safety, reliability, both economic and practical and the convenience in operation and maintenance has to be considered, including the characteristics and requirements of FPSO and the system’s optimal design so as to improve its automation level. The matters needing attention in the design were presented.

instrument control system, FPSO, design principle, composition and structure, matters needing attention

TH862

A

1000-3932(2016)02-0140-04

2015-11-12(修改稿)