井口控制盤安全聯鎖研究

楊建義

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津300452)

井口控制盤是實現海上油井控制的關鍵設備，在生產工藝需要實施關斷或油井、平臺出現異常，能自動按照邏輯順序關斷地面安全閥及井下安全閥，可有效地防止油井事故，從而保護平臺人員、財產安全和海洋環境。若平臺井口數量較多，需要3～4面井口控制盤，為了確保整個平臺的油井安全閥關斷，井口控制盤設備之間需要安全聯鎖。

1 井口控制盤的組成

一般井口控制盤主要有氣動回路和液壓回路組成，氣動回路主要是設備內部邏輯和先導控制液壓，其中易熔塞回路是監測平臺火區火災，手動報警站回路是現場報警按鈕，易熔塞回路和手動報警站回路是高級控制回路，可控制整個平臺的油井關斷；液壓回路主要是給地面安全閥和井下安全閥提供驅動動力。井口控制盤的組成如圖1所示。

圖1 井口控制盤的組成

2 井口控制盤安全聯鎖

在海洋石油開采的特殊環境中，油井損壞可能造成重大的經濟損失及重大環境污染，因此要求井口控制盤具有高可靠性，其設備安全聯鎖系統同樣要求高可靠性[1]。井口控制盤采用失效安全型設計[2]，系統的高可靠性必然使設備的關停次數增多，降低系統的可用性[3]。所以在安全聯鎖系統設計時需要充分考慮誤操作、誤動作及必要的人工確認環節。針對企業而言，安全聯鎖系統的設計要以保證生產工藝系統安全運行為基本，提高企業的經濟效益為出發點，結合生產實際工況，從系統的可靠性、易維護、易擴展等因素綜合考慮[4]。

3 安全聯鎖方案設計

井口控制盤中有手動報警站回路、易熔塞回路及邏輯控制回路，從原理上均可實現安全聯鎖，但是需要考慮聯鎖設備連接問題、聯鎖動作中控確認問題以及方案的經濟性等[5]。針對某平臺井口控制盤安全聯鎖的要求，設計了四種安全聯鎖關斷方案。

3.1 關斷回路直接聯鎖

關斷回路直接聯鎖即將井口控制盤手動報警站回路和易熔塞回路直接串聯。該方案優點是現場連接簡單，成本較低。開井前，需要將易熔塞回路和手動報警站回路充氣，聯鎖系統不參與井口控制盤的開關井順序邏輯[6]。該方案缺點是當出現聯鎖關斷的時候，中控系統無法判定問題的地點或者區域，只能現場查找問題。聯鎖關斷時間與控制盤的間距有關，即與串聯管線長度有關。若距離過長，需要在串聯回路上增加快速泄放元件，用以保證關斷時間。該方案有一定的局限性，關斷回路直接聯鎖如圖2所示。

圖2 關斷回路直接聯鎖示意

3.2 控制回路元件聯鎖

在控制回路中增加先導換向閥，當某一面井口控制盤關斷時，會引發另一面井口控制盤控制回路中的先導換向閥的先導端失壓，從而實現聯鎖盤的關斷。該方案優點是機械聯鎖，中控系統可以直接判定關斷原因；缺點是現場連接相對復雜，且在設備啟動時，聯鎖盤必須同時啟動，該方案現場調試操作有一定的局限性。控制回路元件聯鎖系統如圖3所示。

圖3 控制回路元件聯鎖系統示意

3.3 主副盤安全聯鎖

按照主副盤設計理念實現聯鎖，主盤是完整控制盤，副盤從屬于主盤控制。從主盤的一級關斷回路引出管線至副盤的驅動回路，在副盤上進行邏輯一、二級和三級分級，實現對副盤的控制。只要主盤啟動后，就可以實現在副盤上正常開井。當主盤觸發一級關斷后，則直接觸發副盤一級關斷。三級關斷可以在副盤自行控制。單井的控制可以按照邏輯，先關閉地面安全閥，延時后關閉井下安全閥，完成油井的關斷。該方案優點是中控系統可以直接判斷發生關斷原因，且優化了副盤的設計，降低成本，但是對副盤中參與聯鎖元件選型有較高的要求[7]，例如聯鎖閥門的泄放率和延時閥的調節，以確保滿足關井時間要求。主副盤聯鎖系統如圖4所示。

圖4 主副盤聯鎖系統示意

3.4 主副盤先導式安全聯鎖

在主副盤安全聯鎖的基礎上進行優化，從主盤的一級關斷回路引出管線至副盤換向閥的先導端，主盤的控制氣源只引起副盤關斷，不參與副盤的控制回路，從而降低了對副盤中聯鎖元件的要求，更進一步降低成本。主副盤先導式聯鎖系統如圖5所示。

圖5 主副盤先導式聯鎖系統示意

4 方案對比分析

四種聯鎖方案的對比分析見表1所列。

通過對比，主副盤先導式安全聯鎖方案，具有可靠性高、誤動作因素少、經濟性較高、滿足關井時間要求、檢修維護方便、可用性較高等優點，完全能滿足項目的需求。

表1 聯鎖方案對比分析

5 結束語

本文以井口控制盤安全聯鎖的需求為出發點，分析了安全聯鎖系統的要求，結合項目實際情況，提出了四種安全聯鎖解決方案。通過現場試驗測試，其中主副盤先導式安全聯鎖方案，可靠性高、誤動作因素少，經濟性較高，滿足油井開關井的時間要求，達到了預期的目的，同時也為井口控制盤其他聯鎖解決方案提供一定參考。