何驍勇 洪 毅 徐正海 周學(xué)軍

(中海油研究總院，北京 100028)

海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何驍勇 洪 毅 徐正海 周學(xué)軍

(中海油研究總院，北京 100028)

以具體項(xiàng)目為例，闡述在海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置儀表控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)時(shí)，以安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作維護(hù)方便為基本原則，根據(jù)裝置的功能特點(diǎn)及其生產(chǎn)操作對控制系統(tǒng)的要求，統(tǒng)籌考慮，優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇合適的總體控制方案，來提高其整體自動(dòng)化水平和安全可靠性。指出了設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題。

儀表控制系統(tǒng) 浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置 設(shè)計(jì)原則 組成結(jié)構(gòu) 注意事項(xiàng)

我國海洋油氣資源儲(chǔ)量豐富。隨著海洋油氣勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，海洋油氣資源已成為國內(nèi)油氣資源的接替主力，海上油氣田能否實(shí)現(xiàn)安全高效開發(fā)，直接關(guān)系到我國的能源安全。特別是近年來，不斷有一些新海域的油田被開發(fā)，在這些新油田開發(fā)中，由于海域周邊無舊油田生產(chǎn)設(shè)施可依托，且離岸一般較遠(yuǎn)，大多采用獨(dú)立的全海式油田開發(fā)方案，即采用浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)直接在海上完成井底原油的處理、存儲(chǔ)和外輸。

儀表控制系統(tǒng)是海上油氣田開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是FPSO的控制核心和安全衛(wèi)士。作為整個(gè)油田的集輸和控制中心，F(xiàn)PSO上儀表控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，不僅直接影響FPSO的自動(dòng)化水平和人員與設(shè)備的安全，也關(guān)系到整個(gè)油田的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。在此，筆者以實(shí)際項(xiàng)目為背景，介紹FPSO裝置儀表控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

目前，我國海上油田FPSO儀表控制系統(tǒng)大多采用集中監(jiān)視管理、分散控制的方式。通常情況下，海上FPSO儀表控制系統(tǒng)主要由6部分組成：

a. 中控系統(tǒng)。主要由過程控制系統(tǒng)(PCS)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)和火氣探測系統(tǒng)(FGS)3套獨(dú)立的控制系統(tǒng)組成[1]，同時(shí)還包括人機(jī)界面(操作站和應(yīng)急操作盤)、控制網(wǎng)絡(luò)及對外通信接口等。

b. 現(xiàn)場儀表。包括現(xiàn)場的各類變送器、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、關(guān)斷閥及電磁閥等檢測儀表與控制閥門。

c. 火氣探測報(bào)警設(shè)備。包括分布在生產(chǎn)現(xiàn)場、電氣房間和艙室內(nèi)的火焰探頭、可燃?xì)馓筋^、硫化氫探頭、氫氣探頭、煙探頭、熱探頭、手動(dòng)報(bào)警站、平臺狀態(tài)燈、CO2/FM200按鈕及報(bào)警燈鈴等。

d. 就地控制盤。主要由一些專用大型設(shè)備或設(shè)施生產(chǎn)廠家自帶，這些現(xiàn)場就地控制盤與中控系統(tǒng)之間有相應(yīng)的接口，可在中控室進(jìn)行集中監(jiān)控。

e. 單點(diǎn)控制系統(tǒng)。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(SPM)廠家一般都會(huì)自帶控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)與中控系統(tǒng)之間有通信接口，可在中控室進(jìn)行集中監(jiān)控。

f. 原油外輸計(jì)量系統(tǒng)。通常在FPSO的外輸口前端設(shè)有專門的原油外輸貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)，原油外輸計(jì)量系統(tǒng)一般由位于現(xiàn)場的計(jì)量撬、標(biāo)定撬和位于中控室的控制設(shè)備組成[2]。

根據(jù)設(shè)計(jì)慣例和操作習(xí)慣，F(xiàn)PSO通常被劃分成上部模塊(TOPSIDE)和船體(HULL)兩大塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作管理。為此，F(xiàn)PSO的儀表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地分為上部模塊和船體兩部分，儀表控制系統(tǒng)的上部模塊部分主要負(fù)責(zé)原油處理、生產(chǎn)水處理、燃料氣處理、化學(xué)藥劑注入、氮?dú)?、惰性氣體、熱介質(zhì)爐及發(fā)電機(jī)組等油氣水處理設(shè)備，以及公用系統(tǒng)的過程監(jiān)控、應(yīng)急關(guān)斷和相關(guān)區(qū)域的火氣探測報(bào)警；儀表控制系統(tǒng)的船體部分主要負(fù)責(zé)貨油與壓載、洗掃艙、柴油、海水冷卻、空壓機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)及淡海水等船體各系統(tǒng)的過程監(jiān)控、應(yīng)急關(guān)斷和相關(guān)區(qū)域的火氣探測報(bào)警。

2 設(shè)計(jì)原則

FPSO儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需本著上部模塊與船體控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)的理念，以安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、控制管理和操作維護(hù)靈活方便為基本原則，充分共享中控系統(tǒng)資源，合理分配系統(tǒng)控制功能，以方便管理并減少投資。在設(shè)計(jì)過程中要合理選擇控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模，采用技術(shù)上先進(jìn)可靠的PCS、ESD和FGS，確保海上FPSO人員與設(shè)備的安全，避免環(huán)境污染并維持油田生產(chǎn)安全正常運(yùn)行。

PCS的設(shè)計(jì)應(yīng)以安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、控制管理和操作維護(hù)靈活方便為基本原則。采用就地檢測，集中監(jiān)控的控制方式，綜合考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性和開放性，選擇合理的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要功能是對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示、監(jiān)控、報(bào)警，并生成生產(chǎn)日志和報(bào)警記錄。另外，還要實(shí)現(xiàn)與其他海上平臺控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信和報(bào)警信號傳輸。

ESD的設(shè)計(jì)目的是確保海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施上人員和設(shè)備的安全，防止環(huán)境污染，對于已經(jīng)發(fā)生的事故需將損失控制到最小[3]。ESD的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循獨(dú)立設(shè)置并采用中間環(huán)節(jié)最少和故障安全型的原則，同時(shí)采用滿足相應(yīng)SIL等級要求的安全儀表系統(tǒng)(SIS)。ESD聯(lián)鎖關(guān)斷邏輯的設(shè)計(jì)原則：某一級別關(guān)斷均不能引起較高級別的關(guān)斷，只能啟動(dòng)本級和所有較低級別的關(guān)斷。

FGS的設(shè)計(jì)目的主要是能及時(shí)準(zhǔn)確地探測到可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的火情和可燃?xì)怏w泄漏事故或火災(zāi)情況，并及時(shí)采取相應(yīng)措施以保護(hù)海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施上人員和設(shè)備的安全。FGS應(yīng)具有自動(dòng)探測火災(zāi)、可燃?xì)怏w泄漏；自動(dòng)/手動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警(包括PA/GA系統(tǒng))、消防系統(tǒng)、HVAC系統(tǒng)、自動(dòng)/手動(dòng)執(zhí)行火氣關(guān)斷邏輯的功能；還應(yīng)具有故障容錯(cuò)，對控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場火氣探測報(bào)警設(shè)備進(jìn)行自診斷的功能。

上部模塊與船體現(xiàn)場儀表、閥門、火氣探測報(bào)警設(shè)備及其附件應(yīng)保證選型統(tǒng)一，盡量選用標(biāo)準(zhǔn)系列化的產(chǎn)品和型號，以減少現(xiàn)場儀表、閥門與火氣探測報(bào)警設(shè)備的品種、類型和備品備件。另外，現(xiàn)場儀表盡量采用帶HART協(xié)議的智能儀表，并在操作站配置相應(yīng)的管理軟件，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場智能儀表的診斷和管理。

火氣探測報(bào)警設(shè)備的數(shù)量由FPSO生產(chǎn)設(shè)施的特性決定?；饸馓綔y報(bào)警設(shè)備的布置應(yīng)根據(jù)FPSO生產(chǎn)設(shè)施的具體特點(diǎn)和需要，參考NFPA 72等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并結(jié)合廠家有關(guān)產(chǎn)品的性能參數(shù)和對布置的要求進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效合理的布置。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

FPSO作為整個(gè)海上油田的集輸和控制中心，與周邊采油平臺或其他生產(chǎn)設(shè)施間一般都會(huì)有物流或電氣關(guān)系。為了確保整個(gè)油田的安全生產(chǎn)，F(xiàn)PSO與周邊平臺控制系統(tǒng)間需根據(jù)物流或電氣關(guān)系，設(shè)置相應(yīng)的聯(lián)鎖關(guān)斷。另外，如果有必要FPSO還應(yīng)具有監(jiān)控周邊平臺生產(chǎn)的功能。這就要求在進(jìn)行FPSO儀表控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先搞清楚整個(gè)油田的物流走向和電氣連接方案，選擇技術(shù)上安全可靠的平臺間控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信和關(guān)斷信號的傳輸方式。

由于FPSO上各種生產(chǎn)設(shè)備分散，且距中控室較遠(yuǎn)，設(shè)置控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O柜很有必要。FPSO中控室通常設(shè)在位于船艏或船尾的生活樓內(nèi)，現(xiàn)場儀表到中控室的進(jìn)線非常多，且進(jìn)線非常不方便，在FPSO生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置遠(yuǎn)程I/O柜，不僅可以減少儀表電纜，方便儀表電纜布線和接線，而且也便于系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試和后期的升級改造。海上室外環(huán)境溫度及濕度等條件比較惡劣，特別是在南海，夏季溫度比較高，如果在現(xiàn)場設(shè)置遠(yuǎn)程I/O柜，最好布置在電氣房間、艙室或其他有空調(diào)的房間內(nèi)，如果必須設(shè)置在室外，需考慮為遠(yuǎn)程I/O柜加裝正壓通風(fēng)、氣動(dòng)降溫、遮陽及擋雨等防護(hù)措施。

中控系統(tǒng)在選型時(shí)要考慮其先進(jìn)性和開發(fā)性，并根據(jù)系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)選擇規(guī)模合適的控制系統(tǒng)。PCS設(shè)計(jì)選型時(shí)要考慮海洋環(huán)境和FPSO的運(yùn)動(dòng)特性，是否有船級社證書。ESD除了考慮以上因素外，還需考慮冗余設(shè)計(jì)，并根據(jù)SIL等級需求分析結(jié)果選擇合適的安全儀表系統(tǒng)。

由于FPSO的面積較大，各種生產(chǎn)設(shè)備分散，艙室和房間較多，需要布置大量的火氣探測報(bào)警設(shè)備。對于如此數(shù)量龐大和分散的火氣探測報(bào)警設(shè)備，如果采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)式火氣系統(tǒng)，將會(huì)有儀表電纜布線及接線等大量的工作。因此FGS設(shè)計(jì)選型中要優(yōu)先考慮可尋址火氣系統(tǒng)，以減少火氣系統(tǒng)的儀表電纜和接線。

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還需考慮中控系統(tǒng)與單點(diǎn)控制系統(tǒng)間的接口界面問題。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)廠家一般都自帶控制系統(tǒng)，且單點(diǎn)控制系統(tǒng)也涉及過程控制、應(yīng)急關(guān)斷和火氣探測報(bào)警。建議單點(diǎn)控制系統(tǒng)分別通過PCS、ESD和FGS 3個(gè)獨(dú)立的接口接線箱接入FPSO中控系統(tǒng)。

通常情況下，F(xiàn)PSO中控室要安裝很多與船體相關(guān)的第三方設(shè)備。所以在中控室預(yù)留面積和布置上應(yīng)統(tǒng)籌考慮其他第三方設(shè)備的布置，提前為其他第三方設(shè)備預(yù)留安裝空間和接口。另外，在中控室布置時(shí)盡量將操作室和控制室隔開，以減小控制室內(nèi)機(jī)柜散熱和噪音對操作人員的影響。

現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)選型時(shí)除了要考慮海洋環(huán)境腐蝕(儀表外殼盡量采用不銹鋼材料，不建議采用鋁)和FPSO的運(yùn)動(dòng)特性外，還要考慮未來其他油田接入或FPSO應(yīng)用于其他海域所帶來的原油物性和海況條件的變化，特別是流量儀表和液位儀表選型設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其通用性和用于不同原油和海況條件下的適用性。另外，隨著無線儀表技術(shù)的日趨成熟，可考慮在FPSO上一些非關(guān)鍵控制回路采用無線儀表進(jìn)行監(jiān)測，以節(jié)省儀表電纜。

在原油外輸計(jì)量系統(tǒng)的流量計(jì)選型和計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮油品性質(zhì)、外輸量、系統(tǒng)壓降要求、計(jì)量標(biāo)定撬的尺寸和重量限制及FPSO運(yùn)行特性等因素。由于FPSO離岸較遠(yuǎn)，外輸流量計(jì)送檢不方便，為了實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的現(xiàn)場檢定和在線標(biāo)定功能，F(xiàn)PSO上需配有體積管標(biāo)定撬及其水標(biāo)系統(tǒng)，并且要求整個(gè)外輸計(jì)量系統(tǒng)由廠家成撬提供，以保證計(jì)量的可靠性和精度。

4 實(shí)例介紹

某海上油田采用全海式開發(fā)方案，工程方案為新建3座采油平臺(簡稱平臺)和一艘15萬t級FPSO和一套單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(簡稱單點(diǎn))，平臺與FPSO之間通過海底混輸管道和海底復(fù)合電纜連接。各平臺上井口產(chǎn)物流經(jīng)初步分離后，通過海底管道混輸至FPSO上進(jìn)一步處理成合格原油后儲(chǔ)存和外輸。另外，F(xiàn)PSO上的發(fā)電機(jī)組除了為FPSO提供電力外，還通過海底復(fù)合電纜為周邊3個(gè)平臺提供動(dòng)力。

該項(xiàng)目FPSO的儀表控制系統(tǒng)分為上部模塊和船體兩部分，全船儀表控制系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，上部模塊與船體共用一套控制系統(tǒng)和兩路UPS電源，共享控制網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)界面、通信接口及打印機(jī)等設(shè)備。FPSO上的中控系統(tǒng)由PCS、ESD和FGS 3套獨(dú)立的系統(tǒng)組成，PCS、ESD和FGS在控制層及其以下相互獨(dú)立，在管理層則共享人機(jī)界面和通信網(wǎng)絡(luò)。FPSO儀表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，F(xiàn)PSO上部模塊主開關(guān)間和船體開關(guān)間、機(jī)艙及船艏等區(qū)域設(shè)置遠(yuǎn)程I/O柜，遠(yuǎn)程I/O柜與中控系統(tǒng)通過光纖進(jìn)行通信。原油外輸計(jì)量系統(tǒng)、貨油與壓載系統(tǒng)及液位遙測系統(tǒng)等專用控制系統(tǒng)，以及各種大型設(shè)備自帶的現(xiàn)場就地控制盤，則采用串行通信和硬接線方式接入中控系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控。為了便于與第三方設(shè)備進(jìn)行通信，中控系統(tǒng)還設(shè)置有兩臺OPC服務(wù)器。根據(jù)物理和電氣關(guān)系，F(xiàn)PSO與周邊平臺間設(shè)置相應(yīng)的聯(lián)鎖關(guān)斷邏輯。

FGS由主火氣系統(tǒng)和可尋址火災(zāi)盤兩部分組成，可尋址火災(zāi)盤與主火氣系統(tǒng)之間設(shè)有通信接口。主火氣系統(tǒng)與火焰探頭、可燃?xì)馓筋^、氫氣探頭、平臺狀態(tài)燈、FM200按鈕及報(bào)警燈鈴等現(xiàn)場火氣探測報(bào)警設(shè)備之間采用點(diǎn)對點(diǎn)方式連接；可尋址火災(zāi)盤與煙探頭、熱探頭及手動(dòng)報(bào)警站等現(xiàn)場火氣探測報(bào)警設(shè)備采用總線方式連接。單點(diǎn)艙內(nèi)的火氣探測報(bào)警設(shè)備接入上部模塊主火氣系統(tǒng)控制柜和可尋址火災(zāi)盤。

FPSO與各平臺控制系統(tǒng)之間通過海底復(fù)合電纜進(jìn)行雙向通信。為了提高FPSO與平臺間控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕卷?xiàng)目FPSO上采用同步傳輸協(xié)議(SDH)進(jìn)行光電信號的接入和轉(zhuǎn)換，SDH組網(wǎng)方式是每兩個(gè)平臺一組，通過環(huán)網(wǎng)方式通信。本項(xiàng)目中控系統(tǒng)控制網(wǎng)和安全網(wǎng)分別以以太網(wǎng)形式接入SDH，F(xiàn)PSO與平臺之間設(shè)置單模光纖分別傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)和關(guān)斷信號。

本項(xiàng)目FPSO中控室設(shè)置在船尾的生活樓內(nèi)，分為操作室和控制室兩部分。中控室內(nèi)除布置有中控系統(tǒng)設(shè)備外，還布置有通信設(shè)備和其他第三方設(shè)備。其中操作室內(nèi)布置有:操作站、原油外輸計(jì)量系統(tǒng)操作站、單點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)操作站、貨油和壓載計(jì)算機(jī)、應(yīng)急操作盤、OPC服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、LED顯示器和打印機(jī)；VHF、UHF、廣播遙控板、自動(dòng)電話和CCTV顯示器；信號燈、航行燈、直升機(jī)甲板照明控制箱和室外燈遙控開關(guān)柜；主甲板和直升機(jī)甲板泡沫泵遙控板；惰性氣體控制柜和應(yīng)急開關(guān)閥控制箱?？刂剖覂?nèi)布置有:PCS、ESD和FGS控制柜、通信與CCTV柜、電源柜、外輸計(jì)量系統(tǒng)控制柜、液位遙測系統(tǒng)控制柜、上部模塊和船體可尋址火災(zāi)盤。

圖1 FPSO儀表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)束語

FPSO的儀表控制系統(tǒng)是全船的控制核心和安全衛(wèi)士，是保證FPSO上生產(chǎn)、安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。作為整個(gè)油田的集輸和控制中心，F(xiàn)PSO儀表控制系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，被控對象與控制功能多樣，對控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求較高。在FPSO儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循上部模塊與船體控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)理念，以安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作維護(hù)靈活方便為基本原則，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和生產(chǎn)操作對控制系統(tǒng)的要求，深入了解FPSO的功能結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，選擇合適的總體控制方案，合理搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并分配控制系統(tǒng)功能，充分整合與共享系統(tǒng)資源，以提高FPSO的整體自動(dòng)化水平和安全可靠性。

[1] 徐正海,何驍勇,洪毅,等.海上平臺儀控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀[J].儀器儀表用戶,2013,20(5):21～23.

[2] 何驍勇,徐正海,紀(jì)超,等.液超聲流量計(jì)在海上原油貿(mào)易交接計(jì)量中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2015,42(7):749～752.

[3] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南:海洋石油工程電氣、儀控、通信設(shè)計(jì)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007:315～316.

DesignofInstrumentControlSystemforFPSO

HE Xiao-yong, HONG Yi, XU Zheng-hai, ZHOU Xue-jun

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Taking a project as an example, the integrated instrument control system for the offshore oilfield FPSO was described and the principle of safety, reliability, both economic and practical and the convenience in operation and maintenance has to be considered, including the characteristics and requirements of FPSO and the system’s optimal design so as to improve its automation level. The matters needing attention in the design were presented.

instrument control system, FPSO, design principle, composition and structure, matters needing attention

TH862

A

1000-3932(2016)02-0140-04

2015-11-12(修改稿)