海上天然氣平臺(tái)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的工程實(shí)踐

唐俊冰，姚樹(shù)超

（中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司，海南海口 570100）

0 引言

某海上天然氣氣田是中國(guó)對(duì)外合作開(kāi)發(fā)的天然氣氣田，于1996 年投產(chǎn)，現(xiàn)已運(yùn)行25 年，進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，產(chǎn)量遞減，桶油成本逐年增加，經(jīng)濟(jì)效益逐年下降。為了進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，提高氣田經(jīng)濟(jì)效益，氣田結(jié)合自身現(xiàn)狀，針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)狀及增產(chǎn)挖潛措施研究氣田將來(lái)的生產(chǎn)方式[1]；針對(duì)設(shè)備設(shè)施現(xiàn)狀，研究如何提高設(shè)備設(shè)施的自動(dòng)化水平及可靠性、穩(wěn)定性。在綜合上述因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究成果，實(shí)施國(guó)產(chǎn)化相關(guān)改造研究及運(yùn)用[2]。

該氣田中控系統(tǒng)的整體國(guó)產(chǎn)化改造成功實(shí)施，應(yīng)用采購(gòu)了國(guó)產(chǎn)廠家和利時(shí)的集散控制系統(tǒng)DCS[3]、安全儀表系統(tǒng)SIS，以及控制軟件，替換了原有國(guó)外的生產(chǎn)控制系統(tǒng)PCS、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)ESD、火氣消防系統(tǒng)F&G，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品完全替換國(guó)外控制系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)國(guó)外系統(tǒng)的編輯、控制、運(yùn)算、通信以及數(shù)據(jù)交換等功能，為國(guó)內(nèi)油氣工業(yè)的控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化及智能化應(yīng)用提供了參考[4]。綜合考慮項(xiàng)目增量及少人化后費(fèi)用節(jié)約的共同影響，該項(xiàng)應(yīng)用降低了該氣田桶油成本，效益顯著。

1 國(guó)產(chǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體概況

該項(xiàng)目通過(guò)平臺(tái)控制室作為控制中心，匯聚了4 種控制系統(tǒng)：天然氣生產(chǎn)控制系統(tǒng)（PCS）、設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)（FPS）、火氣系統(tǒng)（FGS）、小型機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)。各系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)均配備冗余網(wǎng)絡(luò)、冗余硬件，保障生產(chǎn)工藝流程穩(wěn)固安全。另外，平臺(tái)天然氣生產(chǎn)控制中心配備了衛(wèi)星通信功能，實(shí)現(xiàn)陸地遠(yuǎn)程遙控海上平臺(tái)生產(chǎn)。

各控制系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)站控制儀表設(shè)備采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)控制、保護(hù)聯(lián)鎖，通過(guò)控制中心操作站通信現(xiàn)場(chǎng)站，顯示現(xiàn)場(chǎng)儀表狀態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)工藝流程調(diào)節(jié)。小型PLC機(jī)組控制系統(tǒng)直接通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PLC 通信到平臺(tái)控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及狀態(tài)檢測(cè)。

1.2 控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)

各控制系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，各系統(tǒng)安全等級(jí)不同，火氣保護(hù)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)安全級(jí)別高于生產(chǎn)控制系統(tǒng)和小型機(jī)組PLC 控制系統(tǒng)。FGS 系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)任何角落的火氣狀態(tài)，出現(xiàn)火情時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警，啟動(dòng)消防設(shè)備，生產(chǎn)緊急關(guān)停，平臺(tái)進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)。火氣報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)紽PS，它將執(zhí)行所有與安全相關(guān)的停機(jī)功能和設(shè)備安全監(jiān)控，以及手動(dòng)和自動(dòng)的應(yīng)急系統(tǒng)啟動(dòng)。FPS 的所有指示傳送到在平臺(tái)控制中心。另外，PCS 系統(tǒng)為工藝流程提供操作界面并執(zhí)行模擬控制，記錄所有關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。PLC 的關(guān)聯(lián)是通過(guò)各撬塊的PLC控制系統(tǒng)硬件通信到交換機(jī)，將數(shù)據(jù)傳輸給PCS 系統(tǒng)，對(duì)其系統(tǒng)儀表狀態(tài)檢測(cè)。PCS、FPS、FGS 及小型PLC 控制系統(tǒng)之間主要通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，整個(gè)控制中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 控制中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.3 控制系統(tǒng)軟硬件

該控制系統(tǒng)使用和利時(shí)MACS V6 軟件編寫(xiě)完成，采用集中管理、分散控制，將PCS、FPS、FGS 及PLC 控制系統(tǒng)共同集成到平臺(tái)控制中心，在任何一臺(tái)操作員站都可進(jìn)行監(jiān)控平臺(tái)生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，可以調(diào)用不同服務(wù)器數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)硬件選型如下：①工作站為DELL T5820；②集散控制系統(tǒng)硬件為和利時(shí)K 系列和SM 系列；③和利時(shí)工業(yè)交換機(jī)GM010 系列交換機(jī)；④自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)Catalyst 2950；⑤PLC控制系統(tǒng)硬件為和利時(shí)LK 系列。

2 天燃?xì)馍a(chǎn)系統(tǒng)及設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)控制系統(tǒng)包含3 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)站，每個(gè)站都配備和利時(shí)集散控制系統(tǒng)全面冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程穩(wěn)定、可靠控制，PCS 系統(tǒng)由控制中心統(tǒng)一監(jiān)控調(diào)整。其主要功能為采集現(xiàn)場(chǎng)工藝流程的壓力、溫度、液位及流量等物理參數(shù)、檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、記錄報(bào)警和歷史趨勢(shì)、實(shí)時(shí)生成生產(chǎn)報(bào)表、設(shè)備控制指令的發(fā)出、切換控制器和歷史站。

同樣，設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)包含3 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)站，配備安全儀表系統(tǒng)冗余硬件及冗余安全網(wǎng)絡(luò)，用于現(xiàn)場(chǎng)具有關(guān)停信號(hào)的儀表變送器、控制閥門(mén)及各類(lèi)安全閥門(mén)等儀表設(shè)備的集中管理和分散控制，防止現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)突發(fā)危險(xiǎn)的擴(kuò)散，保障生產(chǎn)平臺(tái)的安全。生產(chǎn)控制系統(tǒng)與設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 生產(chǎn)控制系統(tǒng)與設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火氣系統(tǒng)是用來(lái)探測(cè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是否出現(xiàn)火情、危險(xiǎn)氣體是否泄漏，從而判斷是否釋放對(duì)應(yīng)區(qū)域的滅火設(shè)備，該系統(tǒng)通過(guò)FGS 硬件獲取各類(lèi)探頭探測(cè)平臺(tái)各個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，將探頭采集的現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，傳到控制中心，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)某一個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能夠及時(shí)的將報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦行模鹎橛|發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯判斷，進(jìn)一步下達(dá)是否執(zhí)行FPS 和PCS 系統(tǒng)關(guān)停生產(chǎn)的指令。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的該區(qū)域的消防設(shè)備自動(dòng)開(kāi)啟，阻止危險(xiǎn)進(jìn)一步擴(kuò)散。火氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3 所示。

4 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

和利時(shí)LK 系列PLC 屬于大型PLC，其借鑒了國(guó)外主流產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)，融合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化技術(shù)控制、通信等領(lǐng)域的最新技術(shù)。海上平臺(tái)PLC 控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于空氣壓縮機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、三甘醇加熱爐，配合PCS、FPS 及FGS 形成完整的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。

空氣壓縮機(jī)有4 臺(tái)，每?jī)膳_(tái)空氣壓縮機(jī)采用1 套PLC 控制，為平臺(tái)儀表風(fēng)、公用氣提供氣源。三甘醇撬塊有2 套PLC 進(jìn)行控制，分別為來(lái)自A、B 串聯(lián)的天然氣進(jìn)行脫水處理。應(yīng)急發(fā)電機(jī)采用1 臺(tái)獨(dú)立的PLC 控制，平臺(tái)主發(fā)電機(jī)關(guān)停，將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，為平臺(tái)提供臨時(shí)用電。氮?dú)獍l(fā)生器設(shè)置1 臺(tái)PLC 控制，制出合格的氮?dú)庥糜谄脚_(tái)工藝管線的吹掃氣及覆蓋氣。平臺(tái)的6 臺(tái)機(jī)組設(shè)備，需要將機(jī)組溫度、壓力、振動(dòng)、報(bào)警等相關(guān)參數(shù)，利用以太網(wǎng)通信到PCS 系統(tǒng)中。

5 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

平臺(tái)原有控制系統(tǒng)采用DeltaV、羅克韋爾AB 系統(tǒng)，以RS232、RS485、DH+等協(xié)議通信，系統(tǒng)邏輯龐大、復(fù)雜，并且三大系統(tǒng)之間又有大量數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化升級(jí)后，各通信網(wǎng)絡(luò)都是雙交換機(jī)、雙網(wǎng)卡、雙網(wǎng)絡(luò)、雙網(wǎng)段，采用光纖網(wǎng)絡(luò)通信，經(jīng)過(guò)平臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，各系統(tǒng)之間進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)傳輸，升級(jí)后的通信網(wǎng)絡(luò)為信號(hào)傳輸提供可靠傳輸通道，提升了控制系統(tǒng)傳輸通信效率，保證生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速的采集數(shù)據(jù)。另外，生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通信到衛(wèi)星交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)陸地對(duì)海上平臺(tái)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控。

6 結(jié)束語(yǔ)

闡述國(guó)產(chǎn)化工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)代替國(guó)外控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及部署實(shí)施，操作人員在控制中心集中監(jiān)視、管理全線的工藝生產(chǎn)運(yùn)行，將平臺(tái)原有分散的各個(gè)系統(tǒng)，整合到同一系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)統(tǒng)一實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)國(guó)內(nèi)工業(yè)控制系統(tǒng)的開(kāi)放、穩(wěn)定性。軟硬件配置靈活、控制安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。

該海上天然氣平臺(tái)生產(chǎn)控制系統(tǒng)于2021 年3 月完成國(guó)產(chǎn)化工作，該系統(tǒng)自投產(chǎn)以來(lái)系統(tǒng)硬件與軟件具有良好的穩(wěn)定性、可靠性，綜合設(shè)備維護(hù)費(fèi)用、生產(chǎn)效益取得了不錯(cuò)的成果，說(shuō)明該國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足現(xiàn)有國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)要求。