海洋石油161平臺液位遙測系統錯誤信號及關斷故障的處理

張文平，鄭慶軍，李丙焱，曲雙杰，王 鵬

(中海油能源發展采油服務公司天津作業公司 天津 300452)

海洋石油161平臺隸屬于中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，2012年7月投產于中海油天津分公司渤中3-2油田，其油、水艙的液位遙測系統的跳變給油田安全高效生產帶來了很多不穩定因素。液位遙測系統作為平臺的核心系統，與海上作業平臺的安全可靠運行緊密相關，平臺所應用的液位遙測系統集成了不同測量液位的方法來對油艙、水艙等各艙液位值進行監控并報警。該系統可以通過與液位顯示儀表連接直接將液位計數值進行顯示，除此之外，還能夠采用現場總線的通信方式將傳感器采集到的數據上載到上位機，利用上位機組態及人機交互界面實現現場各液位的顯示和監控[1]。海上采油平臺的液位遙測系統按其實現功能大致可以分為3項：①對現場的油、水各個大艙的壓力、溫度、液位均能進行準確的測量、監控、顯示[2]；②液位超過設定報警限位時進行報警；③液位超過關斷設定點時關停相關聯鎖設備。

1 現有問題分析

1.1 液位遙測系統簡介

海洋石油161平臺共有6個原油艙(左油1、中油1、右油1、左油2、中油2、右油2)，每個艙的有效艙高約為5.5m，每個油艙有2個液位傳感器、2個溫度傳感器、1個壓力傳感器。測量方式分別為超聲波液位計和導波雷達液位計，可以實現各艙液位的低、高報警和低低、高高關斷功能。鑒于在以往的實踐中導波雷達和超聲波測液位均出現跳變，2種變送器在目前情況下均不能可靠工作，為了避免因液位高高造成三級關斷，只能將6個油艙和左、右生產水艙的液位高高信號進行旁通，這就使得平臺處于不受保護的狀態。

導波雷達式的液位計如圖1所示，是根據時域反射原理(TDR)為基礎的雷達液位計。雷達液位計的電磁脈沖是以光的速度沿鋼纜或探棒傳播，每當傳播到被測介質表面時，雷達液位計的一大部分脈沖就會被介質表面反射而形成回波，并沿原路徑返回到脈沖發出的原始點，發射的設備與被測介質的表面之間距離和脈沖在其間的傳播時間成正比，通過算法便能得到各艙液位的高度。

圖1 導波雷達液位傳感器 Fig.1 Guided wave radar liquid level sensor

超聲波液位計如圖2所示，安裝在大艙頂部，在主電路板模塊的控制下，探頭會向所要測量的液體介質發射一束超聲波脈沖，其聲波被介質的表面反射，一部分反射回波由探頭接收并將其轉為電壓或電流信號。從超聲波發射出去到被反射回來重新被接收，所經歷的時間與探頭到被測物體間的距離成正比。主電路板模塊檢測出這段時間，并根據聲音的傳播速度計算出被測的距離。通過減法運算(艙高-空高)就可以算出液體介質的液位高度[3]。

圖2 超聲波液位傳感器 Fig.2 Ultrasonic liquid level sensor

1.2 液位遙測系統問題概述

使用超聲波測液位的右油2液位發生跳變，由1.26m跳變到0m，平臺發生四級關斷。為了檢查這一問題，緊固右油2超聲波液位變送器的儀表接線和現場控制盤的所有接線，整個緊固過程中未發現任何端子有明顯松動。右油2的液位在2日后又一次發生了跳變，由0.86m跳變到0m，造成平臺四級關斷；當天晚上又陸續出現數次跳變；第2天上午跳變情況更加嚴重，不到1min就出現1次，同時觸發四級關斷，現場檢查液位并未發現任何異常故障情況。

由于每個油艙共有2個液位傳感器，導波雷達液位計和超聲波液位計都屬于液位遙測系統，所以主監控傳感器可以在兩者之間互相切換，也可以同時互相作為備用。

基于上述右油二液位跳變頻發的情況，將超聲波液位變送器的接線斷開，改為由導波雷達液位變送器測量，二者液位差值達0.16m，但仍出現跳變現象，并觸發了現場的關斷。

導波雷達液位計和超聲波測液位計所測量的液位值的準確性也無法得到驗證，在外輸結束后對6個油艙的液位進行了記錄，數據如表1所示，差值中最大的將近0.4m，小的近0.03m。

表1 外輸后6個油艙的液位值(單位：m) Tab.1 Liquid level values of six oil tanks after offloading

1.3 跳變造成的后果與影響

僅通過一次外輸后液位值的對比觀察效果可能很不好。但據維修人員記錄，液位計跳變頻率最高的除了左油2、右油2、中油1和右油1外，中油1也出現了多次跳變。污油艙等在每次跳變后對導波雷達液位計濾除干擾信號后都能保持穩定運行一段時間，但并不能從根本上解決問題，針對其中6個油艙超聲波液位變送器本身跳變的故障只是暫時在軟件上做了設置，即在發生誤動作跳變時不產生關斷。各個油艙的液位高高信號均可以造成三級關斷，三級關斷頻繁發生的后果非常嚴重，不僅可以造成井上井下安全閥的關閉，而且會造成電潛泵停運，繼而影響油田的原油產量、增加平臺人員的工作壓力、降低油井電泵的使用壽命。

2 改進方案

2.1 改進計劃

鑒于導波雷達和超聲波測液位均出現跳變，2種液位變送器在目前情況下均不能可靠工作，為了避免因液位高高造成三級關斷，只能將6個油艙和左、右生產水艙的液位高高信號旁通，然而這就使得平臺處于不受保護的狀態。

為了避免因液位計的跳變信號的輸出達到關斷點造成三級或四級關斷，將油艙的超聲波傳感器更換成西門子的超聲波傳感器，該超聲波傳感器工作溫度高于原超聲波變送器。除了硬件上的改進，也要在軟件上下足功夫，通過對源程序進行修改，將超聲波液位計改為備用、導波雷達變送器改為主用；在程序中增加輸入點和輸出點，增加判斷液位是否跳變的程序，對液位跳變后輸出關斷信號的延時功能(延時關斷時間：油艙設定為20min，水艙設定為10min)， 并對導波雷達的測量結果進行修正，避免假信號的 干擾。

2.2 實施措施

①將平臺艙室的主監控傳感器改為VEGA導波雷達傳感器，導波雷達是基于時間行程原理的“俯視”式測量，其測量結果不受溫度、液位密度、霧氣和泡沫工藝條件的影響，且抗干擾能力強、電磁波恒定，調校時只需輸入量程等參數即可[4]，所以上位機采用導波雷達傳感器的測量值，關斷信號同樣采用導波雷達傳感器的測量值，而超聲波傳感器作為備用，其測量值不進入監控程序，只作為參考值。

②為了利用軟件來識別有用信號和干擾信號，并濾除干擾信號，設計了軟件濾波。在之前程序中就已有濾波程序，但是在實際應用中這種算法的濾波程序不能滿足現場需求，所以通過比較各種濾波算法的優缺點對濾波程序進行了調整，減少了信號跳變的頻率和幅值，切實提高了設備的容錯及抗干擾能力。

③增加了跳變信號程序，當導波雷達傳感器發生異常信號(信號突然變化的值＞0.1m)時，也就是跳變信號的值超過關斷設定點，程序將自動跳轉到跳變信號程序。當數據大于高報警值或低于低報警值時會正常顯示報警和觸發報警器發聲，但卻能夠保證系統在10min內不輸出關斷信號，此時維修人員有足夠時間觀察跳變信號的變化。如果在10min內能夠恢復到正常狀態，則消除報警后繼續運行；如果還未恢復到正常狀態，且顯示值仍然超過關斷設定值，那么10min后發出關斷信號，程序跳轉去執行關斷程序，這就給維修人員進行旁通此通道的時間。另外，生產水艙和凈水艙的導波雷達液位計當發生信號跳變時同樣按此步驟執行。

④當導波雷達液位計出現斷線導波雷達傳感器的測量值顯示0時，此時中控監控顯示界面將在1min后自動切入到超聲波液位計測量值，備用超聲波液位計發揮作用。超聲波液位計的測量值為監控程序的顯示值和輸出關斷值，系統執行主液位計導波雷達液位計的功能，此時中控畫面上顯示值旁邊出現藍色方框圖標，表示傳感器值為超聲波傳感器值。待導波雷達傳感器恢復正常后，監控程序將自動執行導波雷達傳感器的測量值。

⑤加裝內容存儲功能，通過液位遙測系統人機界面對數據進行運算，實現各參數的監控，如液位、溫度、壓力等的檢測，檢測軟件包括通信檢測、參數設置、圖標顯示等模塊，同時還新增了存儲區域和加裝了存儲功能，以此來輔助硬件系統達到液位計的技術指標，實現液位數據的自動采集、存儲、運輸、圖形顯示、參數修改、報警等功能。如在信號發生跳變時會將跳變瞬間的生產狀態、艙室溫度、壓力、液位等數據生成報表并記錄保存，以方便日后參考，并作為分析故障排查原因的依據。

3 結論和建議

關于延時信號關斷的改造理念源于巧妙創新的思路，通過對液位傳感器跳變問題分析，開展了硬件的升級、軟件的完善，徹底解決了平臺上由于錯誤信號導致發生意外關斷的問題。針對液位遙測系統的升級改造，保證了平臺核心系統的正常運行，保障了油田安全穩定生產，降低了設備的故障率，節約了維修成本，該理念可以應用到整個海上采油平臺，具有推廣借鑒意義。

根據設備在平臺上的實際運行情況找出在某些程序設計上的不足，并據此提出建議，使各艙室液位監控系統運行更加平穩、可靠。對于油田來說，這樣可以避免由于液位遙測系統的跳變輸出錯誤的液位關斷值而造成系統關斷的問題，所以增加跳變程序、延時輸出的程序能及時有效地過渡跳變檢測、延遲關斷程序的執行、降低觸發平臺關斷的概率；同時，可減少因關斷造成的產量的損失和維修費用，延長設備的使用壽命，提高工作效率。■