FPSO外輸控制系統優化設計

FPSO外輸控制系統優化設計

劉連進,江濤

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300452)

摘要：針對國內FPSO外輸系統工作特點，分析獨立的外輸控制系統模式與和集成在中央控制系統中的外輸控制系統模式，比較兩種模式的區別及其優缺點，給出國產DCS在用于FPSO外輸控制系統時存在的問題，提煉外輸控制系統的優化設計原則。

關鍵詞：FPSO，外輸系統，DCS，優化設計，控制系統

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.034

中圖分類號：U674.38；P751

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0123-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一劉連進(1970-)，男，學士，高級工程師

Abstract:In light of the operation features of the crude oil transfer system, the separated control system mode and the integrated mode embedding in central control system are studied comparatively. Important factors to be considered are given while using domestic DCS to control the crude oil transfer system. Some optimal principles for designing the control system of FPSO crude oil transfer system are presented.

修回日期：2015-09-01

資助項目：工信部項目(20697-1130020)

研究方向:海洋工程技術

E-mail:liulj@cnooc.com.cn

浮式生產儲油卸油裝置(floating production storage & offloading，FPSO)上的各個環節形成了一個極其復雜的海上油氣加工系統，包含了系泊系統、載體系統、生產工藝系統及外輸系統4個主要子系統，其中外輸系統負責在FPSO的貨油艙原油儲量達到一定體積時，將原油外輸到運輸油輪。FPSO的存儲和外輸功能解決了油田連續生產和貨油間斷外運之間的矛盾，而原油外輸系統能否成功運行直接關系到油田的連續和安全生產[1]。

原油外輸控制系統作為原油外輸過程的主要控制系統，承擔著非常重要的任務。以艉靠式原油外輸系統為例，原油外輸控制系統包括對貨油艙系統、外輸油系統、惰氣系統、洗艙系統、掃艙系統、氮氣系統等[2]的監控。此外，還包括原油外輸計量系統、外輸軟管、軟管滾筒、液壓動力系統等控制系統；同時，外輸系統也配有用于在異常生產工況下緊急關斷相關設備的緊急管段ESD(emergency shutdown system)系統,以及用于探測火災或可燃氣體泄漏情況火氣FGS(fire and gas system)系統。

目前FPSO的制造正向著大型化、國產化發展[3]。作為其四大系統之一的原油外輸系統部分，設備設計制造的關鍵技術被一些國外供應商所封鎖，FPSO上的外輸控制系統也是為國外的控制系統設備商所壟斷。針對這種情況，分析目前外輸控制系統存在的兩種模式，給出外輸控制系統的優化設計原則，討論國產DCS在用于FPSO外輸控制系統時存在的問題。

1FPSO外輸控制系統的兩種模式

1.1獨立的外輸控制系統

FPSO上的各個子系統可以采用獨立的控制系統進行控制，同時FPSO上還設有中央控制系統，各獨立的控制系統可以采用與中央控制系統同一個廠家的控制系統，也可以采用不同廠家的控制系統。各獨立控制系統與中央控制系統通過通信協議進行，連接如OPC、Modbus、RS485、TCP/IP協議等。

在早期的FPSO的控制系統中，就有采用這種系統結構的，如“渤海明珠號”FPSO的外輸控制系統。其貨油艙監控系統、外輸系統都是采用的獨立的系統。

在該FPSO控制系統中，中央控制系統采用的是艾默生公司的RS3型DCS系統[4]。外輸控制系統中，油艙監控系統是一套相對獨立的系統，采用德國KROHNE公司的Skarpenord，主要監測艙室介質的液位、壓力、溫度、體積等。外輸控制系統則采用美國AB公司的SLC500系列PLC完成，該PLC控制系統主要使用模塊有電源模塊一塊，CPU模塊(SLC5/05)一塊，開關量輸入模塊兩塊，模擬量輸入模塊一塊，模擬量輸出模塊兩塊，設有工作站一個，監控組態軟件使用的是美國Emerson公司的IFIX。

由此可見，FPSO各個子系統的控制系統可以采用不同廠家系統實現控制，最后與中央控制系統通過通信協議連接即可實現FPSO所有控制系統的集成。這種模式的優點就是系統組成方式靈活，可以選取不同廠家最先進技術的系統組成整個FPSO系統，同時可以將故障影響限制在最小的系統內；對一些特殊的場合，用PLC就可以低成本實現控制任務。

另一方面，獨立的外輸控制系統缺點也是明顯的，一個顯著的缺點就是采用不同廠家所造成的通信協議不兼容的問題，容易造成通信故障。同時，在設計規劃時，無法統一設計規劃整個控制系統，在布線、設備冗余、系統集成測試方面存在著較大的隱患。

1.2集成控制系統

目前大多數FPSO在建造時，都采用集成控制系統多整個FPSO實行統一監視與控制[5-7]。

集成控制系統設計中，將FPSO的中央控制系統按照控制功能分成PCS、ESD、FGS 3個系統，見圖1。

圖1　集成控制系統結構

在圖1中，PCS(process control system)是生產過程控制系統，負責生產工藝系統的監控。ESD系統則負責在對生產工藝流程和船艙的異常進行監控，通過現場的壓力變送器、壓力開關、液位開關、溫度開關等儀表檢測各設備的運行異常，如超壓、超溫、溢流等異常工況，按預先規定的聯鎖邏輯及時采取保護措施，緊急關斷相關設備，以確保安全，降低損失。FGS系統則是用于在工藝設備周圍、船艙、員工生活區各處設置有毒、有害氣體檢測和火焰檢測器，對各區域有毒有害氣體的排放進行監測，對各區域的火星、火苗等明火進行監測，發現異常時及時報警，并采取相應消防措施。

PCS、ESD、FGS 3個系統都可以在操作站與工程師站上進行監控，實現了界面的統一，有利于操作。3個系統中，每個系統都有獨立的控制器，采用Modbus或者RS485通信協議進行連接，這樣可以將FPSO上所有的IO 、控制點全部納入集成控制系統中，形成一個有機整體，實現對FPSO生產系統的的集中監控。

在集成控制系統模式下，外輸控制系統的監控被統一在PCS的功能中， PCS不僅負責FPSO上尤其生產處理的工藝過程監控，而且負責整個外輸系統的監控，將外輸系統的控制系統集成在統一的中央控制系統中。

集成控制系統設計方法避免了多個廠家的子系統在連接時需要考慮通信協議的問題，可以從整體上規劃整個控制系統，避免了1.1中的設計方案將FPSO工藝生產控制部分和外輸控制部分開設計、分開控制的局面，從單條FPSO上看，實現了監控的統一；從一個區域的油田生產看，也有利于與現行海上大規模油田控制系統相對接。

2FPSO外輸控制系統優化設計

隨著我國海洋石油的快速發展，作為開發油田資源的FPSO起著越來越重要的作用，已經成為海上油氣田開發的主流生產方式。

FPSO對生產和控制的自動化程度要求很高，每一艘FPSO上都設有一套先進的中央控制系統。中央控制系統是整個FPSO的控制中心，對整艘FPSO的生產和安全進行監控，確保工作人員的人身安全，保證油氣生產的持續性，保護油氣生產系統及其設施。因此，要對FPSO外輸控制系統進行優化設計，首先實現要對FPSO的中央控制系統進行優化設計。

2.1中央控制系統優化設計

本文討論的僅限于PCS部分的設計，不包含ESD和FGS設計。

PCS部分設計的基本結構見圖2。

圖2　PCS系統結構設計

一個基本的PCS系統包括操作員站、控制站、工程師站和通訊網絡。

生產過程的控制主要由PCS完成，通過變送器，檢測現場的溫度、壓力、流量、液位、成分參數，調節調節閥或電磁閥，使得各個參數保持在期望值附近，保證生產正常運行。

PCS系統中，操作員站為操作員提供了完善的人機界面，供操作員監控到現場裝置或者設備的運行狀態，了解裝置設備參數的實時變化，并對現場的工藝過程或者設備進行控制和調節，以保證生產過程的安全、可靠運行。工程師站的主要功能是對PCS進行應用組態，同時進行整個控制系統系統診斷和維護，在線實時地監視PCS網絡上各個節點的運行情況，使系統工程師可以通過工程師站及時調整系統配置及一些系統參數的設定，使PCS隨時處在最佳的工作狀態之下。

在PCS結構設計中，現場控制站是PCS的核心，系統主要的控制功能由它來完成。系統的性能、可靠性等重要指標也都要依靠現場控制站保證，因此對它的設計、生產及安裝都有很高的要求。現場控制站的硬件一般都采用專門的工業級計算機系統，其中除了計算機系統所必需的主CPU、存儲器外，還包括了現場測量單元、執行單元等輸入/輸出設備，即過程量I/O，包括模擬量輸入、輸出、開關量輸入、輸出等。通訊網絡包括兩層，第一層是操作員站與控制站之間的通訊網絡，目前多采用以太網；第二層是控制站與I/O模塊之間的通訊網絡，一般為系統生產廠家專用網絡，對實時性、可靠性要求較高。若網絡1或者操作員站出現故障，控制站仍可獨立完成實時控制。服務器及其他站的作用是向上擴展更多級，構成管理層。

PCS系統設計原則：安全可靠、操作維護方便、實時性強、通用性強及高經濟效益[5]。PCS系統設計包括硬件設計和軟件設計，一般的設計遵循以下步驟。

1)熟悉工藝流程，確定需要檢測和控制的變量。

2)根據工藝要求確定各裝置的檢測和控制方案，繪制P&ID圖。

3)統計進入控制室的I/O信號。

4)控制系統選型和配置。

PCS系統設計的核心是控制系統的選型。目前PCS系統從類型上來說控制站一般有集散控制系統(DCS)、現場總線控制系統(FCS)和可編程控制器PLC三種類型。PLC的優勢是不僅可以組成小的系統，實現閉環控制功能，還可以組成大型監控網絡，實現大型的監控。而DCS則是石油石化行業得到成功應用與驗證的成熟系統，，同時經過多年的研究和開發，目前DCS不僅保留了集中管理，分散控制的優點，還和PLC互相補充，形成了新的混合系統，目前新型的DCS已有很強的順序控制功能。原則上，中小規模的控制系統選用PLC，而大規模控制系統則選用DCS。

此外， FCS是一種全數字化、全分散、全開放的新一代的控制系統，實現了現場儀表的智能化、網絡化，實現了真正的分散控制。但考慮到海洋環境的惡劣和干擾，同時由于FCS系統要求現場儀表，因此FCS系統成本與DCS相比，沒體現巨大優勢。

一般來講，PCS系統主要選擇DCS集散控制系統，在選擇具體的DCS型號時，則要考慮各系統在FPSO上的應用先例；如已經在FPSO上應用的DCS有Honeywell Experion PKS，FOXBORO 公司的I/ A Series[8]等；同時從控制站的處理速度、電源模塊、網絡模塊、I/O模塊等模塊的可靠性等綜合考慮選取DCS系統。

2.2外輸控制系統優化設計

外輸控制系統中，包括貨油艙系統、外輸油系統、惰氣系統、洗艙系統、掃艙系統、氮氣系統等，這些系統中，包含著液位、溫度、壓力、流量等參數的測量，因此對于外輸系統；一是如2.1所述，需要選擇PCS系統，二是需要選擇儀表系統。

關于儀表系統的選型，在進行外輸系統優化設計時，需考慮兩個優化設計的原則：全面的SIL等級分析原則及遠程I/O布線原則。

SIL(safety integrity level)是對安全儀表系統運行水平的一種衡量。IEC61508中對安全完整性水平SIL的定義為：在一定時間、一定條件下，安全相關系統執行其所規定的安全功能的可能性。選擇安全完整性水平的目的是通過降低風險發生的概率把系統的風險降低到一個可以接受的水平。選擇SIL是選擇安全儀表功能SIF具備什么樣的安全完整性水平。SIL級別越高，安全相關系統能實現所要求的安全功能的概率就越高。SIL定義見表1。

對于FPSO中央控制系統設計，在PCS選型時，僅考慮了DCS軟硬件的SIL等級，未將外輸系統的整個DCS I/O部分、軟件部分SIL等級與儀表的SIL等級統一考慮，往往導致所有的系統的SIL等級選型都較高，造成SIL等級過剩，不利于節省等級。

表1　SIL等級定義

另一個優化原則是考慮外輸系統的I/O布線。一種模式傳統的將線纜都經過橋架是進入中控室進行布線；另一種模式則是在現場設置遠程I/O端子進行布線[9]。

遠程I/O可以遠程將控制器放置于現場設備附近，使現場大量的分散信號得到就近處理，有效地克服了傳統模擬信號的長距離傳輸問題，減少了中控室面積，在空間極其寶貴的FPSO上顯得極其重要。

所以在FPSO外輸控制系統優化設計時，需要綜合考慮空間、布線成本、信號抗干擾能力，優化設計遠程I/O的布局，取得最優的經濟與空間設計。

3國產DCS在FPSO上的應用存在的問題

近年來，我國DCS發展突飛猛進，浙江中控、和利時、南京科遠及國電智深等為代表國內DCS廠家，打破了國外產品在國內自動化控制高端領域的壟斷。 如浙江中控的 WebField ECS系列控制系統，融合了最新的網絡技術和信息技術，既具有傳統DCS對模擬量的強大處理能力又兼具快速邏輯控制，主要用于對控制響應速度要求較高的流程產業。目前浙江中控DCS已經成功應用在課百萬噸催化裂化、加氫等重要裝置上，并且運行平穩。和利時公司的HOLLiAS MACS系統，可應用于大小規模的項目上，并且具有核電在用系統穩定運行的案例。

目前國產DCS系統而言，在I/O點數應用、在軟件應用、等方面綜合性能差距不大。但目前為止，國產DCS系統尚未在FPSO中央控制系統上有過成功應用的案例。調研分析認為主要有以下原因。

1)無成功應用案例導致得不到信任。雖然國產DCS在大型化工和核電這樣危險的場合得到了應用，但在FPSO上沒有成功應用的案例，導致得不到信任。

2)制造與應用結合薄弱。國內DCS廠家對所控制的工藝對象特性不熟悉，制造產品時不能考慮實際現場情況，而國外則向提供專業的全解決方案發展，能做到檢測控制系統與工藝設備緊密結合，向企業提供自動化綜合服務。

3)海洋環境的特殊性。海洋氣候惡劣，濕度大、風大、浪大、腐蝕嚴重，我國在電子制造方面、在元器件的穩定性方面都與國外存在差距，所以制造的DCS系統在可靠性有一定的差距。國內的DCS經受過了高溫高壓的考驗，但還未經歷過海洋的惡劣環境的考驗。

4)DCS軟件穩定性有待提高，高層次增值軟件產品方面存在差距。如在FPSO上的電力調度軟件、石化行業的先進控制軟件，目前層次較低，或者尚未開發。

雖然國產DCS在FPSO上應用時存在以上問題，但正如過去國產DCS在石化、核電的應用一樣，只要邁出第一步，在FPSO上經歷過檢驗后，終究會得到FPSO的認可。

參考文獻

[1] 劉愛俠,榮克佳,張志平.FPSO原油外輸系統研究[J].中國造船,2010,51(4):71-75.

[2] 戴興良,吳軍,黃維.150 000 t FPSO的尾部外輸油系統[J].船舶,2000(6):36-39.

[3] 王定亞，朱安達.海洋石油裝備現狀分析與國產化發展方向[J].石油機械,2014,42(3):33-37.

[4] 董廣河,王鵬,韋濤.渤海明珠號FPSO DCS控制系統升級改造研究[J].船海工程,2014,43(5):11-14.

[5] 劉偉偉,楊路明,張松濤.FPSO中央控制系統設計解析[J].中國造船,2003,44(5):185-18.

[6] 張喜強,王曉宇,楊芳.Honeywell Experion PKS在海上油氣生產設施中的應用[J].中國修船,2010,23(5):48-51.

[7] 岳繼紅,李杰訓.北海油田FPSO的集成控制系統[J].國外油田工程,2002,18(5):49-51.

[8] 謝昊彬,陳根.曹妃甸浮式生產儲油船中央控制系統分析和研究[J].船舶,2004(6):22-28.

[9] 鄭偉,孫欽,蔣徐標.淺談遠程 I/O技術在海洋石油平臺的實踐和應用[J].工業控制計算機,2011，24(5)：21-22.

Optimal Design of Control System for FPSO Crude Oil Transfer System

LIU Lian-jin, JIANG Tao

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Key words: FPSO; crude oil transfer system; DCS; optimal design; control system