緊急聯鎖關斷系統在海洋采油平臺中的應用

韓小磊

(中石化石油工程設計有限公司,山東 東營 257026)

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緊急聯鎖關斷系統在海洋采油平臺中的應用

韓小磊

(中石化石油工程設計有限公司,山東 東營 257026)

摘要：為保障海洋采油平臺生產、集輸的安全運行，避免污染海洋環境的事故發生，根據采油平臺生產工藝流程，結合埕島油田SCADA測控系統的自身特點，將采油平臺緊急聯鎖關斷等級分為四級，明確了每個級別聯鎖關斷的觸發條件和關斷動作，通過PLC系統的編程實現聯鎖關斷邏輯，豐富了SCADA系統的功能，確保了采油平臺安全、平穩、高效的運行。

關鍵詞：采油平臺緊急關斷系統可編程邏輯控制器過程控制系統

勝利埕島油田是擁有3座中心平臺和90多座采油井組平臺的大型灘海油田，采油平臺完成采油、計量及加熱等生產工藝流程，原油通過海底輸油管道輸送至中心平臺進行油、氣、水處理，最后輸送至陸地。緊急關斷系統(ESD)通過對油井生產集輸關鍵參數(單井回壓、外輸干壓、加熱器溫度、火災報警、可燃氣體報警等)的連續監視，檢測其相對于預定安全條件的變化，當參數值超出安全限值時，系統會立即對相應生產設備實施關斷，保障生

產和集輸的安全，使發生惡性事故的可能性降到最低。

1生產工藝流程

采油平臺井口來油靠井口壓力流經計量流程或生產流程后，原油通過海底管線輸送至中心平臺，進行簡易的油氣水處理，最后輸送至陸地。采油平臺生產工藝流程如圖1所示，設備主要包括井口采油樹、計量流程中的計量電加熱器和混輸流程中的生產電加熱器[1]。

圖1　采油平臺生產工藝流程示意

2系統組成及特點

2.1系統組成

2.1.1安全儀表系統(SIS)

該油田SCADA系統采用了“三級網絡，兩級控制”的架構，中心平臺和陸地中心站均可以遙測遙控各采油平臺，采油平臺端的控制系統由過程控制系統(PCS)和SIS組成，其中SIS又由ESD和火氣系統(FGS)組成。ESD主要完成對工藝生產參數的監控，包括干溫、干壓、加熱器出口溫度、井口回壓等參數，并根據生產參數的變化實施對相應井口電潛泵、電加熱器、緊急切斷閥等設備的緊急停車。FGS主要完成對采油平臺火災報警信號、可燃氣體報警信號的實時監控，并根據不同安全區域的火災或可燃氣體報警信號聯鎖關斷井口電潛泵、井上井下安全閥和緊急切斷閥等設備，并控制4種不同顏色平臺狀態燈的開啟和熄滅。

2.1.2關鍵參數

為保障采油平臺穩定、安全的生產，根據工藝流程確定了影響工藝的重要生產參數[2]，如： 為保障井口原油的正常外輸，將單井回壓、平臺原油外輸干壓作為聯鎖關停油井的觸發條件；將加熱器出口溫度作為聯鎖關停生產或計量加熱器觸發條件；將可燃氣體或火災報警作為聯鎖關斷切斷閥、電潛泵等設備的觸發條件等。將火災與可燃氣體檢測的安全區域分為生活樓區、井口區、配電樓區、工藝區、修井區等，為避免可燃氣體誤報警，規定同一區域需2個以上可燃氣體報警才會觸發聯鎖關斷。

2.1.3系統軟硬件

SIS硬件由Conrtollogix系列可編程邏輯控制器(PLC)組成，CPU和通信模塊采用熱備冗余配置，CPU槽架和IO機架之間采用冗余的ConrtolNet網絡通信，最大限度地保證系統的安全、正常、平穩運行。

系統軟件采用了RSlogix5000作為PLC的編程軟件，通過梯形圖及AOI功能塊的使用，完成ESD和FGS的邏輯控制。HMI人機界面和數據庫采用EPKS軟件，通過HMIWeb Display Builder編寫畫面，通過Quick Builder編寫數據庫，完成人機界面的開發。

2.2系統特點

2.2.1四級關斷

根據國內外油氣田設計經驗，結合海洋采油的實際情況，將緊急聯鎖關斷等級分為四級：

1) ESD-0。此級別關斷為最高級別關斷，所有設備全部停車，棄平臺，并點亮棄平臺狀態燈，此關斷為人工觸發。

2) ESD-1。此級別關斷為全平臺關斷，點亮火災狀態燈，由火災及人工確認觸發。

3) PSD。此級別關斷為工藝設備關斷，不泄壓，只停工藝設備，由外輸管線干壓和可燃氣體報警觸發。

4) USD。此級別關斷為單元設備關斷，為不影響整體工藝流程的單獨設備停車，由單元設備參數觸發。

2.2.2儀表獨立

井口單井回壓、原油外輸干壓等重要生產參數均設獨立儀表，同一參數現場安裝2塊儀表，SIS和PCS儀表獨立分開。

2.2.3冗余

SIS實現了CPU的熱備冗余和輸入輸出模板I/O冗余，降低硬件、儀表回路故障所引發的誤關斷概率。

3關斷設計方案

3.1ESD-0級關斷

此為棄平臺關斷，所有設備關停，泄壓閥泄壓，切斷電源，給予最高級別警示。

觸發原因： 不可預知自然災害，經人工確認棄平臺。

關斷輸出： 觸發ESD-1級別關斷；激活平臺藍色狀態燈；HMI報警。

3.2ESD-1級關斷

此關斷為全平臺關斷，為避免事故發生或者減少事故損失，需要觸發級別關斷，此級別關斷平臺所有設備，且油井井上、井下泄壓閥泄壓，保證油井本質安全。與ESD-0級別不同在于指示燈顏色不同。

觸發原因： ESD-0觸發；現場發生火災、爆管等重大事故并經人工確認；井口工藝區火災報警。

關斷輸出： 觸發PSD關斷；激活平臺紅色狀態燈；關斷所有油井井上井下安全閥；HMI報警。

3.3PSD級關斷

此級別為工藝流程的關斷，當工藝流程中某一參數發生變化時，引起相應流程設備的關斷。該系統中外輸管線干壓超高或超低都會對整個管網造成影響，因而在外輸干壓超限時需要關停所有生產設備，并切斷外輸管線的切斷閥，但油井井上及井下不泄壓。

觸發原因： ESD-1觸發；海底外輸管線干壓高高壓或低低壓報警；同一區域兩臺可燃氣體高報警。

關斷輸出： 關斷外輸管線緊急切斷閥；關停所有油井井口電潛泵；停計量加熱器、停生產加熱器；HMI報警。

3.4USD關斷

此關斷為單元關斷，由采油平臺工藝流程中單元設備參數引起的本設備關斷，目的在于保護生產設備。井口回壓作為單井井口出口壓力，壓力過高或過低都會對整個采油井組的原油輸出造成影響。壓力過高會對其他油井的出油量產生影響，從而影響電潛泵，壓力過低則會受到其他油井的影響[3]。原油加熱器出口溫度作為加熱器的重要生產參數，適當提高油溫有利于原油的輸送，但油溫過高會對設備和管線產生損害，且油溫一旦超過100 ℃，原油中的水分會轉化為水蒸氣，致使管線和設備承受壓力增大，易發生危險。

觸發原因： 單井井口管線出口壓力高高或低低壓報警；計量加熱器出口溫度高高報警；生產加熱器出口溫度高高報警。

關斷輸出： 關停相應單井井口電潛泵；停計量加熱器、停生產加熱器；HMI報警。

4緊急聯鎖關斷系統的實施

4.1系統的搭建與開發

緊急聯鎖關斷系統包括ESD和FGS，根據不同觸發條件，執行不同的設備關斷，系統結構如圖2所示。該系統采用了PLC實現緊急聯鎖關斷的控制方式，PLC采用了CPU的熱備冗余方式，保障系統的可靠運行，FGS和ESD共用一套PLC的CPU，但I/O槽架嚴格區分，各槽架之間采用冗余的ControlNet網絡通信，PLC與中控室服務器采用以太網鏈接，保證通信的質量和可靠性。

圖2　緊急聯鎖關斷系統結構示意

PLC系統完成各參數的采集、邏輯運算和輸出控制等功能，并與中心平臺中控室進行數據交換，響應中控室的各種控制指令。該系統采用的PLC數據處理能力、穩定性、可靠性均屬同行業頂尖水平，有效地保障了緊急聯鎖關斷系統的運行質量。

4.2系統軟件開發

ESD關斷邏輯的實現，需要PLC通過編程實現。針對海洋采油的特點及對緊急關斷輸出的要求，編制了電潛泵、切斷閥、井下安全閥及普通開關控制的功能塊(AOI)，有效地將緊急關斷及普通的遙測遙控融合到了一起，且具有高效、直觀等優點。主程序框圖如圖3所示。

該系統在完成數據采集后，程序進入ESD觸發原因狀態位邏輯檢測部分，這一部分中需要判斷火災、可燃氣體、回壓、干壓等關鍵參數是否超限，如若超限，各超限參數會觸發相應的報警狀態位，此報警狀態位作為關斷輸出的輸入條件，為真時觸發相應關斷。

圖3　ESD關斷邏輯主程序框圖示意

4.3系統應用情況

緊急聯鎖關斷技術已在該采油平臺展開應用，系統自投產以來，出現多次單井回壓超限引起的USD級別關斷，未發生更高級別的聯鎖關斷，關斷響應時間均小于1s，實現了對設備的準確關停，保障了該平臺生產的安全。

5結束語

緊急關斷邏輯的制訂和實施是個極其復雜的工程，不同工藝的流程對因果邏輯影響很大，隨著采油平臺集輸管網的連接，一條集輸管線所連接的所有采油平臺的相互協調關斷是影響輸油管道集輸安全的重要因素，實際實施中要認真分析，確保把一條集輸管線上所有平臺的緊急關斷有機地結合成一個整體。

參考文獻：

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中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0068-03

作者簡介：韓小磊(1981—)，男，山東東營人，2009年畢業于中國石油大學(華東)檢測技術與自動化裝置專業，獲碩士學位，現就職于中石化石油工程設計有限公司，主要從事自動化設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-01-28，修改稿收到日期： 2015-03-15。