譚龍飛

(中國海洋石油國際有限公司伊拉克公司,北京 100010)

新型油氣田自動化適應(yīng)新的管理和效益要求,已發(fā)展成為融合計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)為一體的綜合管控系統(tǒng)[1]。在油田自控體系中,集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,簡稱DCS)承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集存儲和控制、裝置間網(wǎng)絡(luò)通訊、不同數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的整合管理等重任,已成為油田自動化建設(shè)的基礎(chǔ)平臺,是油田自控系統(tǒng)的重中之重,因此服務(wù)于大型油田的先進(jìn)DCS系統(tǒng)必須具有良好的控制性能、可靠的安全性能、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)服務(wù)性能以及開放的第三方設(shè)備接入性能。這些性能將保證油田生產(chǎn)遠(yuǎn)程化、管理可視化、預(yù)警自動化、故障及時化,真正做到油田開采、生產(chǎn)過程中的自動安全運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)人力成本的降低及資源的整合。同時油田生產(chǎn)管理者可以通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化,促進(jìn)油田開采、運(yùn)輸以及生產(chǎn)的效率的提升[2]。

1 本項(xiàng)目DCS系統(tǒng)國產(chǎn)化背景

油氣田行業(yè)內(nèi)DCS在相當(dāng)長的一段時間被國外產(chǎn)品所壟斷,例如愛默生、霍尼韋爾、ABB等品牌,與米桑油田相近的魯邁拉、哈法亞等油田均采用了這些國外品牌。據(jù)調(diào)研了解,在項(xiàng)目建設(shè)和投產(chǎn)過程中,這些項(xiàng)目的DCS系統(tǒng)暴露出了以下問題:

1)供貨周期長、靈活性差,對現(xiàn)場的緊急設(shè)備需求常常以公司流程為由不響應(yīng)或者響應(yīng)極慢;

2)現(xiàn)場服務(wù)的附加條件多,如安保、生活條件等要求較高,且服務(wù)響應(yīng)時效性差;

3)產(chǎn)品技術(shù)封鎖,很多技術(shù)參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置對使用者的儀表人員保密,不利于后期使用過程中的維保及故障處理工作,且邏輯控制組態(tài)較繁瑣,操作人員不易上手;

4)備品備件、現(xiàn)場服務(wù)以及培訓(xùn)費(fèi)用高,且議價空間很小,對項(xiàng)目實(shí)施過程中增補(bǔ)的合同之外物品常以天價供貨。

在米桑油田項(xiàng)目中一些成橇設(shè)備,如西門子發(fā)電機(jī)組、日立壓縮機(jī)機(jī)組,因控制系統(tǒng)由機(jī)組廠家成套供貨,選用的國外控制系統(tǒng)也暴露出以上問題,如發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)增加通訊口的實(shí)際合理價格在1萬美元左右,卻面臨20萬美金的報價,而壓縮機(jī)組空冷單元增加控制的報價也達(dá)到了30萬美元(實(shí)際合理價格3萬美金左右)。

鑒于以上國外控制系統(tǒng)使用中的種種弊端,中海油伊拉克有限公司的決策層秉承中海油總公司長期以來對各子公司技術(shù)和管理創(chuàng)新的要求,堅(jiān)決落實(shí)已成為工作綱領(lǐng)的“三新三化”精神,從項(xiàng)目伊始就把國產(chǎn)化的DCS控制系統(tǒng)列入了供貨廠商考察名錄,在多方面系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u估后,選用了浙江中控技術(shù)股份有限公司(以下簡稱中控)ECS700型號的DCS作為項(xiàng)目的配套控制系統(tǒng)。

為確保國產(chǎn)DCS能滿足大型油田的控制需求,前期評估的內(nèi)容包括:

1)產(chǎn)品先進(jìn)性:該系統(tǒng)是中控自主研發(fā)和投運(yùn)的最新控制系統(tǒng),軟硬件和其他國外品牌的最新產(chǎn)品處于同一技術(shù)水平,在組態(tài)便利和維護(hù)方便等方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢;

2)產(chǎn)品應(yīng)用業(yè)績:該產(chǎn)品投運(yùn)后,在中國市場上因技術(shù)和服務(wù)優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用,在多個第三方統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中都是國內(nèi)市場份額第一,超過了所有其他國外品牌。其在中石化獨(dú)攬了近5年來所有的大型聯(lián)合煉油項(xiàng)目,在中海油也成功中標(biāo)中捷、大榭、泰州等大型石化項(xiàng)目,因此該DCS是業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的產(chǎn)品;

3)產(chǎn)品安全性能:該產(chǎn)品在多個項(xiàng)目投運(yùn)后,未發(fā)現(xiàn)因DCS原因?qū)е碌难b置停工、裝置安全事故等現(xiàn)象,具有較高的安全性和穩(wěn)定性;

4)公司的服務(wù):該公司相比國外品牌在用戶需求的緊急響應(yīng)(如緊急供貨、現(xiàn)場服務(wù))一直有較好口碑,工程實(shí)施質(zhì)量與國外品牌相當(dāng)。

基于以上評估,伊拉克公司最終選擇了中控的DCS作為米桑油田的集散控制系統(tǒng),同時選擇中控作為主自控供應(yīng)商(MAC),深度參與了項(xiàng)目的前期自控方案和全廠控制系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

2 本項(xiàng)目國產(chǎn)化DCS技術(shù)指標(biāo)

DCS的技術(shù)方案和整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需根據(jù)油田現(xiàn)場生產(chǎn)流程和DCS本身的技術(shù)特點(diǎn)綜合考慮,方能達(dá)成良好的自控效果。國產(chǎn)控制系統(tǒng)ECS700采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的分層系統(tǒng)架構(gòu),從下至上分別為基礎(chǔ)控制層、生產(chǎn)操作層、生產(chǎn)管理層,同時為企業(yè)ERP層提供數(shù)據(jù)接口。主要由以下幾部分組成:

1)系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)包括現(xiàn)場控制站及過程控制網(wǎng)上與異構(gòu)系統(tǒng)連接的通信接口[3];

2)系統(tǒng)操作節(jié)點(diǎn)包括主工程師站、擴(kuò)展工程師站、操作員站、組態(tài)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等連接在過程信息網(wǎng)和過程控制網(wǎng)上的人機(jī)會話接口站點(diǎn)[4];

3)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò):包括I/O總線、過程控制網(wǎng)、過程信息網(wǎng)和企業(yè)管理網(wǎng)等。

系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接,全網(wǎng)數(shù)據(jù)互通,在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不同的功能。管理節(jié)點(diǎn)通過企業(yè)管理網(wǎng)連接,管理服務(wù)器從過程信息網(wǎng)中獲取控制系統(tǒng)信息[5],各管理節(jié)點(diǎn)從管理服務(wù)器獲得數(shù)據(jù),同時對生產(chǎn)過程進(jìn)行管理或?qū)嵤┻h(yuǎn)程監(jiān)控。

控制系統(tǒng)中所有工程師站、操作員站、組態(tài)服務(wù)器(主工程師站)、數(shù)據(jù)服務(wù)器等操作節(jié)點(diǎn)通過過程信息網(wǎng)連接,實(shí)現(xiàn)操作節(jié)點(diǎn)間歷史數(shù)據(jù)、報警信息和操作記錄等的傳輸[6]。對于掛在過程信息網(wǎng)上的各應(yīng)用站點(diǎn)可以通過各操作域的數(shù)據(jù)服務(wù)器訪問實(shí)時和歷史信息、下發(fā)操作指令。

過程控制網(wǎng)連接工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)服務(wù)器等操作節(jié)點(diǎn)和控制站,在操作節(jié)點(diǎn)和控制站間傳輸實(shí)時數(shù)據(jù)和各種操作指令。

擴(kuò)展I/O總線和本地I/O總線為控制站內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)。擴(kuò)展I/O總線連接控制器和各類通信接口模塊(如I/O連接模塊、PROFIBUS通信模塊、串行通信模塊等),本地I/O總線連接控制器和I/O模塊,或者連接I/O連接模塊和I/O模塊。擴(kuò)展I/O總線和本地I/O總線均冗余配置[7]。

3 本項(xiàng)目DCS的整體控制方案

米桑油田DCS方案從設(shè)計(jì)之初就定位于全油田一體化的控制和管理體系,要求滿足分布在近600 km2廣大區(qū)域內(nèi)各裝置控制獨(dú)立可靠,且從井口到外輸?shù)娜鞒炭刂坪蛿?shù)據(jù)整合的原則。同時由于本項(xiàng)目是舊有油田改造升級,其改造和新建裝置分階段實(shí)施,DCS方案還考慮到舊有裝置的控制整合和近期擴(kuò)容的要求。最終整體設(shè)計(jì)方案經(jīng)過多次嚴(yán)格評審,滿足大型油田的生產(chǎn)和管理要求,確定為全油田DCS控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、裝置獨(dú)立控制、控制間分散及數(shù)據(jù)流匯總中心控制室(Central Control Room,簡稱CCR)的方案。

3.1 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流方案

按照油田的生產(chǎn)流程,各裝置和單元的簡要控制方案如下:

1)井口:井口本身由RTU控制,井口的數(shù)據(jù)通過MODBUS-RTU、MODBUS-TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至DCS系統(tǒng),脫氣站DCS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)監(jiān)測的人機(jī)界面,可對井口的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,同時可下發(fā)操作指令到井口;

2)脫氣站:舊有脫氣站利用滿足控制系統(tǒng)環(huán)境要求的改造集裝箱作為臨時機(jī)柜間,對現(xiàn)場儀表進(jìn)行改造引入脫氣站DCS系統(tǒng),DCS系統(tǒng)對脫氣站流程進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測,回路控制,同時脫氣站數(shù)據(jù)上傳至中控室CCR;

3)中心處理設(shè)施(Central Processing Facility,簡稱CPF):各裝置按區(qū)域設(shè)計(jì)和控制,設(shè)有現(xiàn)場的DCS機(jī)柜間和控制室,CPF內(nèi)投運(yùn)的DCS機(jī)柜間包括水處理裝置(FCR16)、BUT UPGRADE(CCR)、NEW CPF(CCR)、電廠(FCR24)、NGP(FCR12/FAR13)等裝置。各裝置的DCS數(shù)據(jù)采集、控制、操作在本區(qū)域內(nèi)的控制室內(nèi)完成,同時設(shè)有CCR,對全油田的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)測,全油田DCS系統(tǒng)的管理和維護(hù)也在CCR內(nèi)進(jìn)行。在需要的情況下,管理人員可根據(jù)授權(quán)登錄,對各裝置進(jìn)行直接操作。

除控制之外,DCS系統(tǒng)還是各類控制系統(tǒng)的整合平臺。第三方控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù),包括機(jī)組、電源管理系統(tǒng)(Power Management System,簡稱PMS)、PLC、RTU等將通過通訊協(xié)議與DCS互聯(lián),消除油田生產(chǎn)中可能存在的信息孤島。

3.2 全油田的DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

全油田的DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1。

DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有以下技術(shù)特點(diǎn)[8]:

1)滿足生產(chǎn)管理的“誰管誰控”的原則,操作和生產(chǎn)靈活,各裝置的DCS系統(tǒng)自成體系,局部DCS的故障不會影響到全廠的安全生產(chǎn);

2)通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò),保證了全廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通,便于高層管理人員基于全廠數(shù)據(jù)開展生產(chǎn)指揮和管理工作;

3)便于滿足油田分步實(shí)施和投運(yùn),通過新增DCS控制節(jié)點(diǎn)的模式,后期擴(kuò)容和新建裝置不會影響到現(xiàn)有裝置的控制,適合油田的發(fā)展規(guī)劃。

3.3 全廠的操作功能的設(shè)計(jì)和管理

為適應(yīng)油田長流程、多工段、多操作區(qū)域的生產(chǎn)特點(diǎn),本項(xiàng)目DCS參照生產(chǎn)管理的組織機(jī)構(gòu)及CCR-FCR的系統(tǒng)架構(gòu)特點(diǎn),詳細(xì)設(shè)計(jì)了操作權(quán)限,包括裝置級別、工段級別、全油田級別的操作權(quán)限。以天然氣處理廠(NGP)工段為例,包含公用工程、脫硫、硫磺回收等裝置,DCS按照各裝置操作員-班組長操作員-工段管理人員-油田監(jiān)控人員-油田高級管理人員分層設(shè)置,這種操作權(quán)限模式滿足正常生產(chǎn)時以車間、工段為生產(chǎn)管理單元,在事故情況下全油田流程統(tǒng)一調(diào)度和指揮的需要。

權(quán)限設(shè)計(jì)見表1。

表1 操作功能權(quán)限設(shè)計(jì)表

在DCS系統(tǒng)中有完整的操作記錄和事件記錄,任何權(quán)限的崗位登錄、操作站所做的任何操作和調(diào)整均被完整記錄。通過權(quán)限分配,既滿足了不同崗位對操作功能的需求, 明確了各崗位操作的職權(quán),同時在管理上也更加方便。

DCS的數(shù)據(jù)操作不僅限于DCS控制系統(tǒng)本身,同時DCS在本油田中承擔(dān)了裝置層面的數(shù)據(jù)匯總、顯示及對第三方設(shè)備(操作系統(tǒng))的遠(yuǎn)程啟停及控制等功能。本項(xiàng)目DCS采用MODBUS、OPC等通訊協(xié)議可與上百種不同的第三方設(shè)備相連,包括大型機(jī)組、成套PLC設(shè)備等。

全廠的歷史數(shù)據(jù)和事件記錄、智能儀表管理(AMS)采用分級記錄、分級管理模式,在機(jī)柜間層面各單元具有獨(dú)立記錄和查閱能力,同時全廠配有大型歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、AMS總站模式,可適應(yīng)各裝置獨(dú)立開、停工以及油田分期建設(shè)和分期控制整合的需要。

油田所有的人機(jī)界面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為簡單實(shí)用且兼顧美觀,操作使用便捷,可以清晰有效地監(jiān)控生產(chǎn)過程。以流程圖為例:工藝流程圖整體采用了設(shè)備立體管道平面的風(fēng)格,在繪制上細(xì)節(jié)嚴(yán)謹(jǐn),顏色選擇以避免視覺疲勞并突出重要事件(如關(guān)鍵過程參數(shù)報警)為原則。細(xì)致區(qū)分的顏色結(jié)合設(shè)備形狀、標(biāo)簽、聲音、閃爍和大小等給工藝操作人員提供了一個良好的操作界面。

人機(jī)界面的樣例見圖2。

圖2 工藝流程圖例

4 效果總結(jié)

米桑油田自第一套DCS投運(yùn)以來,根據(jù)項(xiàng)目整體進(jìn)度要求,至2020年全油田已陸續(xù)投運(yùn)8套DCS控制系統(tǒng),包括自備電站、終端處理廠以及脫氣站等。這些DCS的投運(yùn)為油田高效開發(fā)、安全生產(chǎn)、降低操作人員勞動強(qiáng)度、提高工作效率和管理水平等方面提供了可靠的保障[9]。結(jié)合近兩年國產(chǎn)DCS運(yùn)行情況和供貨商的服務(wù)情況,對國產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行了綜合評估,整體效果均達(dá)到甚至超越了進(jìn)口系統(tǒng),總結(jié)如下:

1)生產(chǎn)控制水平:裝置采用國產(chǎn)DCS后參數(shù)檢測全面、回路控制平穩(wěn),同時該DCS實(shí)時性強(qiáng)、誤差小、操作靈活,裝置自動化程度大幅提高,人員工作效率和工藝指標(biāo)質(zhì)量亦有較大提升;

2)運(yùn)行穩(wěn)定性:在伊拉克極端高溫等惡劣氣候環(huán)境下,國產(chǎn)DCS在長達(dá)5年多的運(yùn)行周期內(nèi),沒有出現(xiàn)任何嚴(yán)重故障,包括卡件損壞、控制失靈、配件更換等現(xiàn)象,充分說明該系統(tǒng)硬件質(zhì)量優(yōu)良、軟件設(shè)計(jì)合理;

3)信息化水平:全油田采用統(tǒng)一的國產(chǎn)DCS控制系統(tǒng),集成各個生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息,向上提供數(shù)據(jù)開放的平臺,同時計(jì)劃在此平臺上進(jìn)行調(diào)度管理和應(yīng)用開發(fā)。隨著系統(tǒng)的不斷完善,米桑油田已在全油田做到了消滅信息孤島,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、信息共享、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的初始目標(biāo)[10];

4)成本控制:國產(chǎn)DCS系統(tǒng)的成本優(yōu)勢已在項(xiàng)目啟動之初的報價中體現(xiàn),此外在項(xiàng)目建設(shè)過程中對于NGP壓縮機(jī)組、電廠燃?xì)鈾C(jī)組等進(jìn)口橇的外圍設(shè)備配套控制中,采用國產(chǎn)DCS替代國外廠商供貨的控制系統(tǒng),價格僅為國外廠商報價的20%甚至更低,極大節(jié)約了成本,且功能上完全滿足機(jī)組配套控制功能的需求;

5)服務(wù)優(yōu)勢:國產(chǎn)DCS系統(tǒng)供貨商在本項(xiàng)目中充分體現(xiàn)了國內(nèi)企業(yè)的服務(wù)優(yōu)勢,包括現(xiàn)場服務(wù)緊急響應(yīng)、緊急現(xiàn)場供貨、靈活的項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃等,在各方面能充分配合油田施工和生產(chǎn)需要。此外國產(chǎn)DCS系統(tǒng)供應(yīng)商從事主自控供應(yīng)商(MAC)職責(zé),在油田上層控制系統(tǒng)的整合、全流程的協(xié)調(diào)控制、各裝置的控制設(shè)計(jì)方面提供了大量的合理化建議,有效助力了公司的高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié)語

米桑油田采用國產(chǎn)DCS的成功案例,不僅消除了采用國外進(jìn)口設(shè)備的各種弊端,同時對踐行中海油“三新三化”起到了一定的推動作用,也為中央經(jīng)濟(jì)工作會議中要求的2021年的重點(diǎn)任務(wù)“增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈自主可控能力”打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。