圓筒型生產儲油平臺智能中控系統集成設計

譚 瞳

(中遠船務(啟東)海洋工程有限公司 江蘇南通226200)

“丹納”FPSO的中控系統(Safety and Automation System)架構設計主要分為 5大子系統：工藝模塊智能控制系統PCS(Process Control System)、船用設備控制管理系統RMS(Rig Management System)、火氣智能監測管理系統F&G(Fire and Gas system)、應急關斷系統 ESD(Emergency Shutdown system)& PSD(Process Shutdown system)、智能功率管理系統PDCS(Power Distribution Control System)。其架構如圖1所示[1]。

圖1 “丹納”FPSO中控系統架構圖Fig.1 Architecture of DANA FPSO Safety and Automation System

采用這種分布式控制架構，并且是多重保護雙冗余的智能控制系統，滿足英國UK HSE安全標準，其中的應急關斷系統和火氣智能監測管理系統完全滿足SIL2的安全等級認證。在組成上，有40個大型的智能本地信號采集站，采集站滿足危險區 Zone 1的安裝要求，為Exd IIB T6 IP66等級，采集信號總數超過17,000點。

“丹納”FPSO選用的是 SIL3認證的 S800高完整性輸入輸出卡件，輸入輸出卡件又分為模擬量輸入輸出卡件、開關量輸入輸出卡件、串行通訊卡、HART卡件等。其中，模擬量輸入卡分為 RTD輸入卡、熱電偶輸入卡、電位器輸入卡、二線制 4～20,mA輸入卡等，串行通訊卡采用 MODBUS串行通訊卡。根據現場采用總線協議的不同，又分為基于 Profibus協議的HART卡和基于FF協議的HART卡。整個中控網絡是基于標準的百兆/千兆自適應的 TCP/IP光纖通信網絡，所有過程和安全控制器、服務器和操作站都連接到主用和備用兩套網絡，當其中一套網絡發生故障，數據通訊會自動切換，同時故障將上報至報警/事件系統或資產狀態監測系統。

在系統設計時，主要依據基本設計原理對系統架構和功能進行多視角、多層次的分析，將相關設計思路和邏輯控制原理送審船東和船檢以及第三方 IVB評估，安全控制相關系統取得 SIL2認證，在功能試驗和出廠驗證時，引入 UK HSE的相關標準，嚴格把控。

1 工藝模塊智能控制系統(PCS)

工藝模塊智能控制系統采用本地分散信號采集和集中控制的設計原理，主要服務于壓縮機模塊，注水模塊，一級分離、二級分離模塊，化學注入模塊等，為原油采集加工過程中的相關工藝流程提供動態的生產流程信息、顯示工藝參數、監控各生產設備的運行情況，及時監控設備的工作狀態，提供監測信息，使生產順利安全進行，也為操作員提供便利的人機交互對話。在設計時，采用了基于 NORSORK I-005標準的 SCD邏輯控制圖對系統進行描述，相對于文字性功能描述，SCD圖能更直接、清晰地反映控制邏輯，更易于軟件設計和功能的分解。

2 船用設備控制管理系統(RMS)

船用設備控制管理系統主要用于平臺船舶運營及對公共生活系統的服務和管理。主要包括對各類油艙水艙壓載艙的監測管理、貨油系統、海水淡水系統、消防系統、壓載系統、壓縮空氣系統、氮氣及惰氣系統、錨機吊車、生活水處理等設備的控制和監測，使平臺的公共服務系統處于平穩安全運行狀態，為平臺的安全生產提供必要保障。

3 火氣智能監測管理系統(F&G)

火氣系統主要功能有：自動探測火災報警和可燃氣體泄露報警，自動觸發報警及對相應區域進行切斷保護，自動啟動消防系統參與滅火消防。火氣系統使用的各類探頭及報警裝置有一千多個，均采用雙UPS供電，任意一路 UPS失電自動切換到另外一路UPS供電。各類探頭、手動按鈕、信號采集箱及控制箱內的繼電器、輸入輸出模塊、控制器乃至系統軟件全部取得SIL2或者SIL3安全認證，火氣系統整體符合 SIL2安全功能要求。為避免單個探頭故障而引起誤操作，該系統采用智能表決確認邏輯，即 3個或者大于 3個探頭中的任意 2個探頭同時報警或者故障時，視為確認報警。

4 應急關斷系統(ESD/PSD)

ESD應急關斷系統是保證平臺安全的重要環節，該系統一旦接收到危險信號，通過預先設定的邏輯判斷程序自動對平臺上相應的設備或系統進行切斷，同時具備手動功能，從而保證人員和設備的安全。該系統分為 3個等級：棄平臺切斷(APS)、高危險等級切斷ESD1、較低危險等級切斷ESD2。從“故障安全”的設計原則考慮，通常應急切斷系統采用“常閉”回路，以保證緊急狀態下的可靠切斷。對于安全關鍵系統及 UPS系統，應采用帶有線路監測保護的“常開”回路，以避免誤關斷。PSD工藝關斷系統主要是工藝生產的應急切斷系統，由于生產模塊是FPSO上最重大的危險源，因此PSD系統是保證原油生產安全的一個重要環節，通過接收在原油生產過程中的各種顯著狀態偏離信號，在智能邏輯判斷后自動對原油生產環節相應進行整體或部分切斷，以保證生產人員及生產設備的安全。

5 智能功率管理系統(PDCS)

“丹納”FPSO的功率管理系統選用的是 ABB功率管理系統(Industrial IT 800xA)，系統簡圖如圖2所示[2]。

圖2 FPSO功率管理系統簡圖Fig.2 Simple graph of FPSO power management system

功率管理系統的主要功能有：電網的實時檢測、負載的優先脫扣、智能分配負荷、逆功率保護、調頻調載、自動同步、快速恢復電網，以及其他的報警和監測功能。正常工作時，11,kV配電盤是形成整體一塊配電盤的架構，如果出現中壓配電盤失電，配電盤間的母線耦合開關會立即分段，將中壓配電盤分解為獨立的 3段。發生中壓配電盤失電時，對應失電配電母盤的處于待機狀態的透平發電機會依據指定的啟動優先級順序自動啟動，待電壓、頻率建立起來自動合閘恢復中壓配電盤的供電。當中壓配電盤側失電時，11,kV/690,V 變壓器原邊和副邊斷路器自動斷開，對應的 690,V低壓配電盤失電。當中壓配電盤側快速恢復供電后，功率管理系統會自動合閘變壓器原邊副邊開關，使690,V低壓配電盤恢復供電。

智能中控系統集成設計，除了架構和功能設計要特別重視，在信號的篩選和系統控制分級上也要做好前期規劃，尤其是通信接口的選用，一定要注意不同通信協議之間的兼容性。

［1］ DANA Project SAS Functional Design Specification [Z].

［2］ DANA Project SAS System Philosophy[Z].

［3］ 劉貴強，黃潔，馬海驕，等. 基于MESH技術的油井遠程監控系統在華北油田的應用[J]. 油氣田地面工程，2016(11)：58-60.