I/A Series系統在油田轉油站中的應用

李興候

(中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司,北京 100085)

乍得共和國Great Baobab及其周邊油田地面2.1期建設工程主要新建了3個部分的油田處理設施，即在Great Baobab新建6個計量站(OGM)和一個站內轉油站(FPF)，Prosopis擴建一個計量站(OGM)。其中，Great Baobab FPF建成投入使用后，年處理能力為160×104t/a，所接收和處理后的原油輸送到一期Ronier中央處理站(CPF)。站內FPF的主要生產工藝裝置有生產匯管、分離器、水套爐、緩沖罐、提升泵、化學注藥器、氣體洗滌器、火炬分液罐、火炬、儀表風系統、給排水裝置、污水處理裝置及其他輔助設施等。由于FPF裝置種類繁多、生產流程復雜，因此系統需要設置多種控制邏輯，且自動化程度要求較高。針對此要求，為實現生產工藝平穩、裝置安全運行的目的，Baobab FPF站內自控系統采用開放式I/A Series系統。

1 系統結構與配置①

整個站內控制系統采用兩級網絡結構，對油田工藝參數進行采集和集中監控。控制系統網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 控制系統網絡拓撲結構

第一級為Baobab FPF站內相關工藝設施設置的控制系統；第二級為Baobab FPF所屬的OGM站內設置的控制系統。第二級控制系統的主要工藝參數將在第一級控制系統同時監控。同時，站內控制系統還通過光纖與Ronier CPF中心控制室的SCADA連接，實現整個區域油田的集中監視和控制。考慮系統升級和將來擴展，控制系統配有備用接口；考慮系統的可靠性，控制處理機和相關硬件設置1∶1冗余。

站內I/A Series控制系統采用了一個工程師站(H92 Workstation)、一個操作員站(H92 Workstation)、一個工程師/操作員站(H92 Workstation)、3對冗余控制器(P0917YZ)、3個PC終端(DELL 21″)、一臺打印機(2055D)、一對冗余電源模塊(P0922YU)、一對冗余以太網接口、12個Modbus通信卡接口(P0926GG)、各種輸入輸出卡件(FBM)及其他配件等。控制系統構成示意圖如圖2所示。

圖2 控制系統構成示意圖

2 系統功能與特點

控制系統實現的功能包括：模擬全站工藝流程并分組、分級顯示各子單元流程，實時顯示各主要生產工藝參數和主要設備的運行狀態，并以聲光報警的形式顯示生產和安全的異常狀態；各井口來油計量、儲油罐與注水罐液位計量、原油含水含氣分離控制、加熱爐原油加熱溫度控制及其他原油處理等；火炬氣的遠程點火控制；手/自動兩種方式控制全站內各類泵的啟停；實現全站注水系統、消防系統和外輸系統的聯鎖控制；顯示各類撬裝化設備的工作狀態和故障狀態，同時控制相應的啟停；歷史數據的存儲和趨勢分析；記錄并打印報警信息。

系統的硬件、軟件和通信網絡采用通用國際標準，對第三方標準產品完全兼容，具有良好的開放性與擴展性[1]。系統通信網絡、供電電源和工作站采用冗余設計，同時，中央處理機具備容錯機制，輸入、輸出組件應用先進的SMT技術，能夠保證系統的正常運行，且具有良好的可靠性。系統具備自整定及多變量自整定等復雜計算能力，具有模擬量、數字量、順序控制、梯形邏輯和批處理控制功能，具有比常規控制更先進的基于模型的約束控制和實時優化的預測控制。系統能夠靈活地在線和離線組態，組態軟件設計的顯示畫面、控制算法、歷史趨勢及報表等可直接下載到中央處理器，不需要重新編譯和轉換，因此在系統調試和運行維護時可以節省時間，同時節省成本。系統容量大，其中進入站控系統的溫度測量點86個、壓力測量點103個、流量測量點12個、液位測量點14個、火焰監測點8個、可燃性氣體檢測點29個、流量PID調節回路5個、液位調節回路8個，污水處理順序控制(72個I/O點)和消防聯鎖控制系統(320個I/O點)各一套。

3 主要控制方案的實施

3.1 油氣水三相分離器的控制

油氣水三相分離器是油田地面工程項目中的常用設備，能夠將各站收集來的混合液以相應密度差為動力進行油氣水分離[2]。其控制原理如圖3所示，分離器的分離效果直接與腔內天然氣壓力、油室液面高度和混合腔混合液界面高度3個參數的合理控制密切相關，原因是：

a. 收集的混合液組成多樣，既有氣態烴甲烷，也有復雜烴化合物，因此腔內天然氣壓力變化頻繁，為了保證分離效果，需要控制腔內天然氣壓力恒定于合理值附近。腔內天然氣壓力檢測采用帶隔膜壓力變送器，傳送到I/A Series系統運算輸出控制信號，送往氣出口管線的氣動調節閥控制閥門開度保證腔內壓力在合理范圍之內。

b. 油室油面高度設定在合理值之內，主要是防止油室內石油全部排干，腔內天然氣串到下游裝置中，損害設備。檢測采用雙法蘭液位變送器，傳送到I/A Series系統運算輸出，送往油出口管線的氣動調節閥調節閥門開度保證腔內油面液位在合理值之內。

c. 混合腔混合液界面高度設定在合理值之內，一方面防止水位過高，溢過混合腔與油腔的隔離板，污染已分離的石油；另一方面防止水位過低，處在界面上層的石油通過出水管線流出三相分離器造成浪費。檢測采用射頻導納界面儀，傳送到I/A Series系統運算輸出控制信號，送往水出口管線的氣動調節閥控制閥門開度保證混合腔內界面在合理范圍之內。

圖3 油氣水三相分離器控制原理

油氣水三相分離器采用I/A Series系統的集散型控制方式，通過軟件將成熟的PID控制算法編寫在內核中，上位機可以靈活整定PID各環節的控制參數。執行機構選用帶閥門定位器的氣動調節閥，有開關時間短和反應靈活的特點。

3.2 4臺潛水泵啟動順序的控制

4臺潛水泵啟動順序控制原理如圖4所示。潛水泵的最大揚程56m，最大排液量120m3/h。為了使潛水泵高效、可靠并經濟地運行，根據水泵兩用、兩備的工藝設計思路，控制策略采用包括注水罐液面及泵自身運行和故障狀態等因素在內的4臺潛水泵自動輪流運行與均衡出力的控制方式[3]。

圖4 4臺潛水泵啟動順序控制原理

具體控制策略為：

a. 根據注水罐內水位高低決定泵的運行臺數。將注水罐內的水位分為5個級別，依次為最低水位、低水位、中水位、高水位和最高水位。注水罐內實際水位的測量采用普通的具備遠傳功能的磁浮子液位計，I/A Series系統接收液位計的實際水位信號后，與5個設定水位級別值比較，從而決定潛水泵投入運行的臺數。需要多臺潛水泵投入運行時，多臺潛水泵依次延時投入運行。在4臺潛水泵完好且沒有故障的情況下，當注水罐內實際水位高于最高水位時，4臺潛水泵全部停止運行；當注水罐內實際水位處于高水位和最高水位之間時，一臺潛水泵投入運行；當注水罐內實際水位處于中水位和高水位之間時，兩臺潛水泵投入運行；當注水罐內實際水位處于最低水位和中水位之間時，3臺潛水泵投入運行；當注水罐內實際水位低于最低水位時，4臺潛水泵全部投入運行。

b. 正常工作時，注水罐內液位保持在中水位和高水位之間(有兩臺潛水泵運行，兩臺處于備用不工作狀態)。考慮每隔一段時間切換一次泵運行，即備用泵轉為運行泵，運行泵中運行時間最長的泵優先轉為備用泵。因此，每臺泵運行時間比較平均，出力也比較均衡，泵出故障的機率會降低，可靠性會相應提高。

c. 單臺或多臺泵出現故障的可能性是隨機事件，泵出故障的機率隨臺數的增加而降低。自動控制要求同一時刻只能有不大于兩臺潛水泵出故障，如果有多于兩臺泵出故障，則改為手動控制。一臺或兩臺泵發生故障時，通過設定故障泵為備用泵來保證生產過程的正常進行。因此維護人員能夠利用間隔時間維修故障泵，排除故障。

4 存在的問題與不足

系統運行的可靠性除了與系統本身有關外，還與外圍設備有關。投產運行結果表明：該項目設計中大部分一次儀表都安裝在合理位置，但油氣水三相分離器上用于測量混合液界面的帶遠傳磁浮子液位計，安裝在進液口方向三相分離器罐體長度的1/3處，由于安裝位置離進液口太近，使得進入分離器的混合液波動較大，導致液位計測量值變化頻繁，測量精度較差，這在進行閉環控制時極大地降低了系統的可靠性。因此，將三相分離器的安裝位置適當往后調整，改進后的液位計測量準確性和閉環控制的可靠性均得到了提高。

設計中所有被控變量仍然采用傳統方法，即通過電纜逐個送往中控室。但各生產裝置分散，離中控室較遠，因此，項目所需的材料費和人工成本比較高。目前可擴展的現場總線技術比較成熟，因此將來可以考慮將現行的就地總線形式改進為可擴展的現場總線，縮減項目成本。

5 結束語

在乍得共和國Great Baobab及周邊2.1期建設項目DCS應用中，采用I/A Series系統順利地完成了工程的設計、施工、調試及開車等幾個階段，控制系統經過短時間的調試，全部一次性投入自動運行，控制精度完全符合生產要求。

[1] 周琨,周雪花,趙東凱.I/A Series控制系統在水煤漿氣化中的應用[J].遼寧化工,2011,40(8):854～856.

[2] 蔡金龍,韓永嘉,張鵬宇,等.三相分離器設計及其應用[J].機械設計與制造,2010,(8):79～81.

[3] 卜祥泉,周樹志,龐科旺.煤礦井下排水泵控制系統設計[J].工礦自動化,2007,(3):5～7.