海上無人駐守井口平臺控制方案研究

李麗年

(中海油能源發展股份有限公司油田建設工程設計研發中心 天津300452)

海上無人駐守井口平臺控制方案研究

李麗年

(中海油能源發展股份有限公司油田建設工程設計研發中心 天津300452)

海上無人駐守井口平臺是海上固定平臺群的重要組成部分，無人駐守井口平臺上生產設施較少，工藝流程相對簡單。針對此特點，在確保操作人員與設備安全的基礎上，提出了高集成化、簡化設計、降低成本的控制方案，并進行研究分析，為今后無人平臺設計和推廣應用起到借鑒作用。

無人平臺 控制系統 PLC

海上無人駐守井口平臺(以下簡稱“無人平臺”)是海上固定平臺群的重要組成部分，一般采用3個“1”的模式進行開發，即1座平臺、1根海管、1根電纜。生產出的物流經節流后直接進入海底管線，輸送至相鄰井口或中心平臺進行處理。常規無人平臺設有多路閥、多相流量計、清管球發射器等，電力系統一般由相鄰平臺供給。

根據無人平臺的特點，平臺中央控制系統能動態顯示生產流程、多路閥和多相流量計的主要工藝參數，并以聲光報警形式顯示平臺生產和安全的異常狀態，同時在相鄰的依托平臺遠程監控無人平臺的生產狀況。因此無人駐守平臺的安全性、可靠性要求更高，控制系統的安全級別至少為 SIL 2級。系統的控制邏輯由安全監控系統實現，可及時、準確地探測到可能發生或已經發生的火情或可燃氣體泄漏，并采取相應的安全措施(如報警、關斷、消防等)，以保護平臺人員和設備的安全。以上控制方案已在渤中 29-4,WHPB平臺和渤中26-3,WHPB平臺得到了應用。

1 中央控制系統

1.1 配置

常規無人平臺設置 2套 PLC控制系統，用于實現過程控制系統(PCS)、緊急關斷系統(ESD)和火氣探測系統(F&G)的功能。中控室至少設置 1臺操作站兼做工程師站，操作站作為控制系統的人機接口，用于系統組態、調試及參數調整。打印機可用于生產報表及事件記錄打印。無人平臺對于儀表的配置要求更高，控制系統選用安全儀表系統(SIS)實現。依托平臺可實現對無人平臺控制系統的遠程監控。

在可靠性設計上，控制系統的 CPU模塊、電源模塊、通訊模塊、數據通信總線和 I/O模塊等采用1∶1冗余配置?？刂葡到y的安全級別(SIL)要求至少為SIL 2級。

1.2 PLC的基本功能及原理

1.2.1 PLC的基本功能

①顯示井口采油樹、電潛泵、多路閥、多相流量計、海管關斷閥等主要設備的運行狀態及各設備的壓力、溫度、液位和流量等；②監控生產流程，并具有自診斷功能，監視和診斷控制系統、現場儀表的工作狀態；③對異常情況進行報警，自動/手動實現相應級別的關斷操作，可實現 4個級別的關斷；④顯示無人平臺火氣探測系統狀態，火災和可燃氣體泄漏時聲光報警，自動/手動執行火氣狀態控制；⑤實現中控與電潛泵控制盤以及相關平臺的通訊傳送。

1.2.2 PLC的構成及原理

PLC可編程控制器具有功能強大、體積小、靈活可靠等優點，PLC框架結構圖如圖1所示。

圖1 PLC的框架結構圖Fig.1 Frame structure of PLC

現以PLC SLC 5/04可編程控制器為例，介紹其硬件和軟件配置：①硬件配置。CPU模塊(1746-L541)是該控制系統的核心，按照事先裝載的程序，對輸入模塊提供的各種信號進行邏輯判斷和算術運算，并可根據依托平臺的控制命令，控制輸出模塊。輸入模塊，從現場傳感器獲取信號，經過處理變成可編程控制器內部信號，供可編程控制器進行運算、比較、傳輸等。輸出模塊，從現場傳感器獲取信號，經過處理后直接由相應的可編程控制器輸出信號給現場設備，從而實現工藝關斷或調節。②軟件組態。SLC 5/04可編程控制器可利用 Rslogix 500進行在線/離線編程，Rslogix 500具有方便易用的操作界面，可在Windows下運行，同時還具有高級診斷能力和可靠的通訊能力，可通過Rslinx或Wintelligent linx直接從可編程控制器獲取數據，并可監測處理過程，實現在線編程，方便系統的操作和維護。

綜上所述，大規模應用的 PLC已全面使用計算機系統。和 DCS一樣，控制器與 IO站使用現場總線，上位機平臺使用以太網結構。小型 PLC將向更專業化的實用角度發展，大型PLC與DCS的界線將逐步淡化，直至完全融和。針對無人平臺的特點，中央控制系統采用 PLC控制可以滿足中央控制要求，且比 DCS控制器更具有經濟性，是無人平臺中央控制系統的首選。

1.3 SIL等級

安全完整性水平(SIL，Safety IntegrityLevel)，是一種離散的水平，用于規定分配給安全系統的安全功能的完整性要求。安全完整性水平越高，安全功能的失敗可能性就越低。IEC 61508中規定系統有4種安全完整性水平，如表1所示，SIL 4最高，SIL 1最低。

表1 SIL等級劃分表Tab.1 SIL hierarchy table

基于無人平臺的特點，平臺夜間無人值守，雖然平臺工藝流程簡單，生產設備較少，但一旦中控失靈，后果無法估計。因此需要提高控制系統的安全級別，根據標準IEC 61508和IEC 61511的要求，控制系統的安全級別至少為SIL 2級。

2 邏輯聯鎖

中央控制系統一般是無人操作、獨立的自動控制系統，該系統能獨立完成無人平臺的就地控制功能，并能將平臺的生產、安全信息傳送至依托平臺以實現遠程監控，同時可接收并執行依托平臺的控制指令。

根據無人平臺的特點，應急關斷系統分為4級。

2.1 ESD 1級關斷為棄平臺關斷

該關斷級別最高，此關斷只能由平臺主要負責人或指定專人手動啟動。操作人員在平時檢修或值班期間經允許可觸發棄平臺按鈕，并在中控室以及依托平臺中控室設置有ESD 1級按鈕，ESD 1級動作時設備除應急支持系統延時關斷外全部關停。ESD 1級關斷將引起 ESD 2級關斷發生。ESD 1級邏輯如圖 2所示。

按常規海上平臺邏輯，ESD 1動作時要停主電，由于無人平臺無儀表氣，主電源無需給空壓機供電，因此 ESD 2動作時就停主電。在依托平臺中控室設置無人平臺的平臺狀態燈，用于監控和遙控關斷，提高平臺的安全可靠性能。

2.2 ESD 2級關斷為火氣關斷

該級關斷可由平臺火災或可燃氣體嚴重泄漏引起，來自火氣系統，并在按鈕盤上設置有確認火和確認氣的按鈕，該級別與井口區確認火/確認氣、生產區的確認火/確認氣、電控房間和中控房間的確認火/確認氣相關，它可由操作人員觀察到火情后手動啟動，也可由火氣控制邏輯自動啟動。除執行本級關斷的功能外，ESD 2級關斷將引起ESD 3、4級關斷發生。典型的ESD 2級邏輯如圖3所示。

圖2 典型的ESD 1級邏輯圖Fig.2 Typical ESD-1 logic diagram

圖3 典型的ESD 2級邏輯圖Fig.3 Typical ESD-2 logic diagram

為了避免無人平臺的誤報警和增強安全可靠性，ESD 2級手動時，停平臺主電，應急電和UPS電制不停；自動邏輯時，只有當電控房間和中控房間產生ESD 2時脫相應電制，其他區域ESD 2不停主電。

2.3 ESD 3級關斷為生產/公用關斷

該級關斷由主電源斷電、依托平臺的生產及以上關斷、井口盤油箱液位過低、井口盤液壓泵出口壓力過低、閉排罐液位過高、ESD手動站氣壓過低以及海管壓力過高或過低引起的，可手動和自動啟動。除執行本級關斷的功能外，ESD 3級關斷將引起ESD 4級關斷。ESD 3級邏輯如圖4所示。

注水系統一般來自依托平臺，在生產流程發生故障時，注水系統并不會受影響，因此ESD 3時不停止注水系統。另外，對于加熱器和攪拌器等作為生產設備的服務設備，為了防止停產時設備出現干燒和冷凝現象，ESD 3時不停止加熱器和攪拌器。

圖4 典型的ESD 3級邏輯圖Fig.4 Typical ESD-3 logic diagram

2.4 ESD 4級關斷為單元關斷

由單個設備或單井故障引起的關斷，具體是由單井出口管線的壓力高/低、開排/閉排罐液位低、注水海管壓力高/低、化學藥劑罐液位低等引起的，此關斷僅關斷故障設備或單井，而不影響其他設備的正常操作。ESD 4級關斷可手動/自動啟動。

3 工藝流程控制

無人平臺的工藝流程儀表控制較為簡單，一般不設置儀表風系統，且無需設置調節回路。在井口管線、海管上設置現場儀表，通過工藝設定點來控制設備及管線出入口的關斷閥和多路閥，關斷閥采用液壓驅動，液壓源來自井口盤。

無人平臺常規設置多路閥、多相流量計、清管球發射器等，生產物流在無人平臺上不處理，直接靠電潛泵的壓力通過海底管道輸送至依托平臺進行處理。需計量的單井物流經多路閥導入計量流程，進入多相流量計進行油、氣、水三相計量，計量后的物流再與生產物流匯合。

在設計井口控制盤時需考慮相應預留井模塊的安裝空間，井口控制盤通常采用電驅動液壓泵方式，易熔塞和 ESD手動站的氣源通常由 N2瓶供給，井口管線壓力開關由常規的氣動儀表改為電動儀表，以提高安全可靠性能。井口控制盤實現對井下安全閥和井上安全閥等裝置進行監控，并將井口狀態傳給中控 PLC，同時接收中控發來的應急關斷信號，此控制方案滿足工藝要求。

4 結 語

提出了無人駐守井口平臺的基本特點和儀控的基本方案，儀控系統一般是無人操作、獨立的自動控制系統，系統采用先進的PLC進行獨立集成，控制系統的安全級別至少滿足SIL 2等級，能獨立完成無人平臺的就地控制功能，并能將平臺的生產、安全信息傳送至依托平臺的中央控制系統以實現遠程監測，同時可接收并執行中央控制系統的控制指令以完成遠程控制。整個控制系統簡易高效、功能完善、安全可靠。無人平臺一般無儀表風系統，多為電動或液動儀表或用N2氣驅動。氣動儀表氣源采用N2氣瓶或天然氣，儀表盡量采用就地儀表，以減少控制儀表數量，整個流程不設置調節回路，無人平臺通常設有多路閥、多相流量計的單井計量系統以實現遠程控制自動倒井。

無人駐守平臺的 PLC簡易控制已經在諸多平臺中得到了廣泛應用，現提出無人平臺最基本的中控系統、邏輯聯鎖和流程控制方案，以便更好地進行無人平臺設計，支持邊際油田開發。

［1］胡壽松.自動控制原理[M].4版.北京：科學出版社.2001.

［2］錢曉龍.循序漸進 SLC500控制系統與Panel View 訓練課[M].北京：機械工業出版社，2008.

［3］何衍慶.集散控制系統原理及應用[M].北京：化學工業出版社，2009.

［4］IEC61508標準[S].國際電工委員會，2010.

［5］IEC61511標準[S].國際電工委員會，2003.

Study of Control Scheme for Unmanned Offshore Wellhead Platforms

LI Linian
(CNOOC Energy Technology & Services-Oilfield Construction Engineering Co.R&D Center，Tianjin 300452，China)

As an important part of fixed offshore platforms，an unmanned wellhead platform features less production equipments and simpler technological processes.Based on such characteristics and the safety of both the operator and equipment，the paper presented a control scheme with high integration，simplified design and cost reduction.Then，the scheme was analyzed，aiming to offer reference to the design，application and popularization of unmanned platforms.

unmanned platform；control system；PLC

TE931

A

1006-8945(2014)12-0003-03

2014-11-12