某海上設施智能氣田建設項目工藝閥門 改造技術應用創新

向富明 陳建宏

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳 518000； 2.中海油能源發展裝備技術有限公司南海工程分公司，湛江 524057）

某海上設施臺風模式升級改造，為了實現生產關停后的遠程復產和調產，保證工藝流程的暢通，將原來流程中的手動閥門改為遠程自動控制閥門，將采氣樹手動調節的氣嘴改為遠程可調產量的氣嘴，將緊急關斷閥（ShutDown Valve，SDV）從手動復位型更換為自動復位型。本文主要對以上3個工藝部分的技術創新應用進行總結。

1 智能氣田改造工藝部分改造介紹

1.1 工藝系統現狀

某海上設施工藝系統可以在臺風模式下遠程無人運行，可以遠程關停裝置。動設備原設計有遠程啟動按鈕，但平臺三級關停后，動設備無法遠程送電（合閘）。本次改造的主要目標是在原臺風模式運行的基礎上，使設施具備在出現生產關斷后通過陸地終端控制室實現遠程復產的功能。在復產前應遠程排查關停原因，確保在安全可靠的前提下復產，且在復產時保持工藝參數遠程監測。火災、油氣泄漏、電站故障等原因引起的停產不考慮遠程復產，待人員到現場后處理。平臺復產的操作程序見表1。

表1 生產關斷后恢復正常生產的操作程序

1.2 工藝閥門的升級改造

為了實現平臺三級關停后工藝系統可遠程復產和調產，對平臺工藝閥門進行升級改造，主要技術應用創新點歸納如下：將SDV現場復位式電磁閥更換為新型的可切換復位方式的電磁閥，使SDV在遙控生產模式下具備遠程復位功能，同時在有人模式下可將SDV切換為現場復位式；將平臺采氣樹的氣嘴更換為國產可遠程調節電動氣嘴，同時改造井口控制盤閥門控制系統，實現遠程開井和關井；改造后，實現組塊井口遠程開井及產量調整；將流程上的手動閥更換為有電動執行機構的遙控開關閥，實現工藝流程的遠程切換；閥門的遠程與就地控制開關、閥門開到位、閥門關到位以及閥門故障報警等新增信號接入中控系統。

2 工藝部分實用性研究和應用

2.1 可遠程自動復位電磁閥應用

根據油氣處理系統設計規范，關斷命令不允許自動復位，重要的關斷設備在觸發關斷后應該由操作人員現場手動復位。但在臺風模式下，海上平臺是無人化生產，要實現生產關斷后的遠程復產，必須要實現關斷閥的遠程復位。要實現在臺風模式期間，關斷閥關斷后可遠程復位。非臺風模式期間，保留關斷閥現場復位的功能，必須對現有的關斷閥進行改造。

應急關斷閥的現場手動復位功能是通過執行器儀表氣控制回路上的電磁閥實現的，選用帶手動復位功能的電磁閥即可。帶手動復位功能的電磁閥閥芯內部設有一個機械鎖定結構，當電磁閥通電時，電磁閥不會立刻打開，指導操作人員手動按下（或拉起）電磁閥本體上的手動復位裝置，電磁閥才能打開。若要實現應急關斷閥的遠程復位，必須實現該電磁閥的遠程復位。

將現有手動復位電磁閥更換為一種特殊結構的電磁閥，這種電磁閥本身帶手動復位功能，但該電磁閥的手動復位裝置可以解除，使其成為自動復位電磁閥。

圖1中虛線框內為手動復位電磁閥。電磁閥為三通閥，1#入口接儀表氣源，2#出口接啟動執行機構氣缸，3#出口為放空口。該電磁閥在正常生產過程中電磁鐵一直保持通電，電磁閥1#口和2#口接通，3#口封閉。儀表氣通過電磁閥進入氣動關斷閥執行機構的氣缸，關斷閥保持打開位置。一旦發生工藝參數超限、天然氣泄漏或火災，應急關斷系統會自動切斷電磁閥的供電。此時，電磁閥的1#口封閉，而2#口和3#口接通。氣動關斷閥執行機構氣缸中的壓縮空氣將通過電磁閥泄放到大氣中，同時關斷閥在彈簧力的作用下迅速關閉。當排除所有觸發關斷的條件后，應急關斷系統復位并重新接通電磁閥的電源，但此時電磁閥內部手動復位裝置仍將閥芯鎖死，電磁閥不會打開，直到操作員巡視現場且確保安全后，手動按下電磁閥上的手動復位按鈕，電磁閥才能打開。

為實現臺風模式下關斷閥的遠程復位，可以將電磁閥更換為圖2虛線框中所示的電磁閥。

該閥的手動復位按鈕形式是拉起復位式。一般情況下，此電磁閥的供電被切斷后恢復通電時閥芯將保持斷電時位置，氣動關斷閥也維持關閉狀態，直到操作員到現場拉起電磁閥手動復位按鈕，電磁閥閥芯才會復位，然后啟動關斷閥重新打開。如果這個電磁閥的手動復位按鈕始終保持在拉起的位置，此電磁閥的供電被切斷后恢復通電時閥芯將不會被鎖死。這個電磁閥可作為一個自動復位的電磁閥使用，即一通電閥芯就會復位。臺風模式下，用一個金屬卡子將電磁閥上的復位按鈕固定在拉起的狀態。此后若發生關斷，在排除全部故障后，可在中控系統的操作畫面上點擊軟復位按鈕恢復電磁閥通電，完成關斷閥的遠程復位。

2.2 國產遠程調節氣嘴的應用

海上油氣生產裝置的采氣樹采用手動節流閥，行業內稱之為氣嘴。平時需要調節產量時，需要操作員到采氣樹位置調節節流閥的開度。臺風模式下，為實現遠程調節產量，需要將原手動節流閥改為遙控電動節流閥。本文所述海上設施采用籠套式節流閥，按照API 6A和NACE MR0175標準設計并制造[1-2]。

本設施選用的籠套節流閥具有諸多特點。第一，節流閥分外籠套式和內籠套式兩種。前者適用于投產初期高壓差、中小產量的油氣井，后者適用于后期低壓差、大流量的油氣井，同時可用于管道、井口、生產管匯、節流壓井管匯、測井和清理[3-5]。第二，根據節流口徑要求精確設計閥芯開孔大小及分布。較小的下部端口提供最初15%的控制范圍，較大的上部端口提供整體的控制。這種設計具備等比流量特性，可以在整個運行范圍中實現最大的控制能力。端口結構帶有很高的翻轉率，具有很廣的控制范圍和靈活性。同時，該節流閥能夠鎖定在某一位置。第三，閥芯內件材料采用YG8硬質合金，具有卓越抗腐蝕性和高硬度（HRA≥89），耐沖損，使用壽命長。第四，閥體上設有泄壓閥，以便操作者在打開閥蓋前安全地釋放腔內的壓力。第五，閥桿的密封采用了增壓彈性的非橡膠FCM結構桿密封（通過ISO 15848-2試驗），適用于高溫高壓的流體。第六，閥蓋的密封采用特殊的結構形式和密封材質，耐壓高，密封可靠，使用壽命長。第七，閥門通過API Std 6FA耐火性能試驗。第八，閥門的電動執行機構選用國際知名品牌Rotork，最小控制精度在開關行程過程中可達1%。閥體和執行機構的技術參數，分別如表2和表3 所示。

表2 閥門技術參數實例

表3 執行機構技術參數實例

2.3 可遠程開關自控閥的應用

需要將流程上手動閥改為自動閥時，自動閥的選型必須考慮安裝空間的限制、采集數據的難易程度、安全性、可靠性以及交貨期等要素。

最終選擇了一款由國外的電動執行機構和國內手動閥門搭配而成的遠程開關自控閥門，其相對于氣動執行機構具有諸多優點。第一，電動執行機構的數據采集更加容易，可連續追蹤閥位，遠程監控閥門狀態。第二，執行機構體積小，安裝方便，交貨期短。第三，大尺寸的電動執行機構在價格上相對于氣動執行機構有明顯優勢，如20英寸閥門的電動執行機構比氣動執行機構便宜60%～70%。

在油氣生產裝置處使用，對閥門的電動執行機構的安全性要求很高。本次改造選取的電動執行機構具備以下安全性能。第一，執行機構配備直接驅動或齒輪傳動的手輪，保證閥門手動操作簡易高效，可通過手/自動切換桿進行操作模式切換。切換桿位置可鎖定，即使在電機運轉的情況下，也能安全操作。第二，環境密封的防護等級為IP66/6820 m 10 d，采用了雙密封結構端子盤，可保證執行器完全密封，保護其不受環境侵蝕。第三，顯示屏有極寬的可視角度，方便在遠處觀察。屏幕的雙層結構使其能顯示詳細的圖形信息，并可在-50～+70 ℃的環境下正常工作。第四，開/關旋鈕及就地/停止/遠程旋鈕與端蓋內的固態開關磁力耦合，配合雙密封結構，進一步加強了非侵入性能保護。第五，通過電池為顯示屏、遠程指示及無主電源時的組態設定提供電源。第六，可通過絕對編碼器（專利產品）在任何情況下，包括主電源丟失的情況下，實現可靠且高精度的閥位測量（最大可測圈數為8000圈），實現準確的閥位控制。第七，采用最先進的壓敏力矩傳感器，可在廣泛的溫度范圍下實現可靠的力矩測量。第八，執行機構的驅動傳動簡單、可靠、堅固，其所有部件均采用了終生免維護的油浴浸潤，并可在任何安裝方向上使用。第九，執行器所有規格的推力及非推力底座皆可以拆卸并與中心殼體分離，使安裝和維護變得簡單方便。第十，采用Rotork藍牙設定器，可用于調試及數據下載。第十一，Rotork防爆殼體在中心主殼體與端子盤之間有一條火道，意味著任意一面發生爆炸都不會波及到另外一面或外部環境，可應用于危險區域。

3 結語

市場上電磁閥廠家眾多，但目前只有Versa的產品能夠滿足要求。Versa牌電磁閥可在海上設施正常的有人模式下作為手動復位型閥門使用，在遙控生產模式下則可通過固定復位按鈕將電磁閥改為遠程復位型閥門。此外，上海神開所生產的外籠套式氣嘴和ROTORK牌的電動執行機構配套結合構成的國產遙控可調節氣嘴，較好地滿足了使用要求。國產方正球閥或截止閥與ROTORK牌的電動執行機構配套結合構成的國產遙控電動閥，較好地適應了現場的狹小空間，滿足了高可靠性和高可操作性的要求。