海洋平臺自控系統對標分析與探討

徐慶松,邢增亮

(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026)

隨著近年來科技技術的不斷進步，中國海洋平臺開發技術取得了突破性的進展，但是與國外先進的生產開發技術相比仍然具有很大差異，特別是在自動化系統的應用上存在很大的不足，制約了中國石油開發技術向國際先進技術邁進的步伐。

海洋平臺自控系統的應用不僅提高了工藝生產運行效率，減少人工勞動強度，更保障了人員和生產設施的安全，避免了石油開發故障造成的海洋污染。本文結合某油田海洋平臺，在自控系統設計方式方面與中海油平臺、國外海洋平臺進行對標分析，在引用規范、設計方式、技術方案等方面進行探討，為國內海洋平臺自控系統設計積累寶貴經驗[1-2]。

該油田目前共有109座海洋平臺，包括采油平臺、中心平臺等，是國家海洋平臺的一支重要力量。隨著生產運行的時間增加，一些問題逐漸顯現，如： 部分平臺缺少完善的安全控制措施而造成設備損壞或人身傷害，火災報警系統(FAS)頻繁誤報警對工藝生產過程造成影響，平臺結構、布局需要優化等。為保證平臺連續安全生產運行,本文結合實際，引入新技術和方法，切實提高自動化水平。

1 主要規范對比

規范的引用決定工程投資、設計水平、工程質量及本質安全等。該油田、中海油、美國EDC平臺自控系統主要采用的設計標準對比見表1所列。

表1 主要設計標準對比

續表1

該油田一直執行SY 5747—2008《淺(灘)海鋼制固定平臺安全規則》，該規范要求火災報警系統按照GB 50116—2013《火災自動報警系統設計規范》設置，而GB50116—2013要求火災及消防產品必須具有火災消防強制認證(CCC)，目前通過CCC認證的主流火災報警設備多是民用產品，較難適用于惡劣的海上工作環境，這是該油田火災報警設備誤報率較高的主要原因[3-4]。

中海油/EDC平臺的火災報警系統設置主要參照NFPA和API RP14C的標準，采用易熔塞進行井口、主要管匯和罐體區域的火災探測，輔助以火焰探測器等電動探測裝置。工藝裝置區火災探測器信號直接進安全儀表系統(SIS)，全系統均是工業級產品且有多年海上應用實例，所以可靠性非常高。

在過程控制方面，參照SY/T 0310，API 554，IEC 61511，該油田與中海油/EDC平臺在儀表選型和計算機控制系統設計上基本一致，主要區別在于中海油/EDC平臺采用氣動控制回路，更注重失效安全；該油田主要采用電動控制，更注重連續生產和安全之間的平衡。

2 設計方式對比

2.1 HAZOP分析

平臺上油氣生產處理、動力、消防、應急救生等設施都集中在有限的空間內，且作業人員生活也處在該環境之中，安全生產被提到了空前的高度。通過進行HAZOP分析，能夠歸納與整理海上平臺儀表系統的安全性與應急可操作性問題，分析識別出系統及平臺裝置設備可能存在的問題，提出相應的建議及整改措施，對儀表系統安全事故預防和安全穩定運行起到重要作用。同時，對提升海上石油平臺整體設備運行的安全性、穩定性和應急性具有十分重要的意義，HAZOP分析過程如圖1所示[5]。

圖1 HAZOP分析過程示意

中海油海洋平臺已在設計階段普遍應用HAZOP分析，EDC平臺在設計過程中也應用HAZOP分析。結合該油田中心1，2號平臺經驗，中心3號平臺在設計初級階段進行了HAZOP分析，尤其針對關鍵工藝流程、設備進行探討，確定安全措施及SIL定級，從而指導詳細設計。目前，中心3號平臺自投產以來未出現任何偏差過程而造成的財產損失或人員傷害等，自控系統的安全性及可靠性比較高。

2.2 數字化集成設計

與陸上油氣處理站相比，海上平臺最大的特點是空間狹小，結構布局緊湊，管網、橋架等縱橫交錯，在設計過程中很容易出現疏漏，在生產運行中，對日常巡視、檢維修、逃生等具有較不利影響，結構布局等急需優化。

隨著軟件技術的發展，海洋平臺的設計方式也經歷了幾個階段，從最早期的手工繪制和CAD，到三維輔助設計軟件3DMAX和PDS,再到目前大型工程中使用的PDMS，由于其三維功能完備、且各專業在同一平臺集成設計等突出特點，該設計方式受到投資方的推崇[6]。

近年來，工程項目的運行維護備受業主的關注，全生命周期的概念被越來越多地提及，以SmartPant3D系列軟件為基礎的數字化設計方式，可從設計、采購、施工、運行、維護、管理等方面提供全面的技術支持。該油田使用SmartPant3D系列軟件對某平臺一體化設計效果如圖2所示。

這種全新的數字化集成設計方式，所有專業在同一平臺進行設計，保證了設計的實時性、同步性；所有設備、材料參數、屬性均建立數據庫，并隨三維模型一齊提交業主，完成數字化交付，實現模擬仿真及全生命周期管理。

圖2 三維集成設計平臺示意

3 技術方案對比

3.1 計算機控制系統

海洋平臺自控系統不僅提高了工藝生產運行效率，減小人工勞動強度，更是保障人員和生產設施的安全，避免了石油開發故障造成的海洋污染。

以該油田中心平臺綜合控制系統(ICS)為例，其系統結構如圖3所示，中心平臺ICS負責整個平臺的過程和安全監控，根據功能與安全要求，ICS由過程控制系統(PCS)和SIS組成；SIS包括火氣系統(FGS)和緊急停車系統(ESD)兩部分。PCS負責監控平臺的生產運行，保障平臺日常生產操作，FGS完成火氣探測、報警及聯動輸出功能。

對比該油田采油平臺、中心平臺、EDC平臺、中海油平臺，根據每座平臺的規模、工藝流程、功能作用及所引用標準等，其控制系統設置對比見表2所列。

圖3 某油田中心平臺控制系統結構示意

表2 控制系統設置對比

項 目某 油 田采油平臺中心平臺EDC平臺中海油平臺 PCS與SIS共用獨立設置獨立設置獨立設置SISESD與PCS共用與FGS共用與FGS共用獨立設置FGS與PCS共用與ESD共用與ESD共用獨立設置FAS室內及工藝區火災報警室內及工藝區火災報警室內火災報警室內火災報警遠程I/O無采用采用無

該油田采油平臺由于規模較小，采用PCS和SIS共用冗余CPU架構，中心平臺和中海油、EDC平臺因規模較大，工藝流程較為復雜，都采用了PCS和SIS獨立設置的方式，將過程控制與安全功能分開，保證系統的安全及可靠性。EDC平臺和中心平臺采用了遠程I/O架構，有效減少了電纜用量和敷設工作量，優化布置了控制系統。

在控制系統結構方面，各平臺基本一致，在火災報警系統(FAS)設置方面差別較大，下文對FAS進行分析。

3.2 火災報警系統

FAS作為石油天然氣和化工等行業的重要安全保障設施之一，對可靠性要求非常高，目前火災是海洋平臺可能存在的最大危險[7]。FAS由火災報警控制器(FAP)和探測儀表組成，其系統結構形式如圖4所示。

GB 50116—2013第1.0.2條：“本規范適用于工業與民用建筑內設置的火災自動報警系統”，因此對于不同平臺，其室內火災報警基本相同,火災探測儀表以總線的方式接入火災報警控制盤(FAP)。

圖4 FAS對比示意

該規范未對海洋平臺室外(工藝裝置區)火災報警做出要求，對于室外火災報警，該油田依然采用了總線方式接入FAP；中海油/EDC平臺采用NFPA和API規范，設置獨立的FGS，并且室外井口區和工藝區設易熔塞火災檢測系統，井口區易熔塞直接聯動井口盤關斷。易熔塞采用熱熔原理探測火災，氣動方式聯鎖關斷，具有更高的安全性及可靠性；火災探測儀表直接接入工業級的FGS，減少了誤報警的發生，并能夠實現更為復雜的區域火災報警、消防聯動、工藝聯鎖關斷。

3.3 控制方式

該油田以電動控制方式為主，即控制閥動力源為電源，接收控制系統信號實現控制。中海油平臺以氣動控制為主，即控制閥動力源為壓縮空氣，接收控制系統信號實現控制。EDC平臺以就地氣動控制為主，即采用氣動控制儀表和控制閥，主要控制回路和安全切斷均通過就地機械聯鎖實現，中控室控制系統僅用于監控和報警。

該油田中心平臺、中海油平臺、EDC平臺以氣動為主的控制方式是海上平臺主流技術，依托于可靠性高的氣動儀表、控制閥和管閥件，可實現失效安全，安全性更高。該采油平臺因無人值守，主要采用ESD功能的電動控制，更注重連續生產和安全性之間的平衡。

4 結束語

海洋平臺有著特殊的工作環境，為保證平臺安全、可靠地運行，在工程設計初期進行HAZOP分析十分必要；數字化集成設計方式可對工程項目的設計、采購、施工、運行、維護等全生命周期提供技術支持，也必將成為一種趨勢。

按照GB 50116—2013，海洋平臺室內火災報警以總線方式接入FAP；對于室外火災報警，可參考API標準，共用或獨立設置FGS，對平臺安全性、可靠性等方面有著很大的提升作用。