半潛式鉆井支持平臺中控系統集成技術研究

鄒成業，侯玉乙，滕音文

(大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116005)

0 引 言

作為開發海洋油氣資源的主力裝備，鉆井平臺已經在全球廣泛應用。隨著石油價格持續低迷，如何降低海洋油田開發成本成為各石油公司急需解決的難題，選擇一種經濟、高效的鉆井平臺則是解決這個難題的重要環節。半潛式鉆井支持平臺具有日費率低、可變載荷大、適用范圍廣、安全靈活等特點，是一種優秀的深水海洋油氣鉆探裝備，是應對當前市場的一種極具競爭力的解決方案。鉆井支持平臺這種概念始于20世紀40年代，經過半個多世紀的發展，相關技術已經成熟可靠。半潛式鉆井支持平臺由支持平臺（Tender Support Vessel，TSV）和模塊化鉆井包（Mast Equipment Package，MEP）2部分組成，其功能是為其他深水油氣生產平臺提供MEP的儲存、裝卸，以及鉆井所需的油、水、電、氣和泥漿的供應服務。半潛式鉆井支持平臺作業模式見圖1。

半潛式鉆井支持平臺中控系統是一套集信息管理、系統操作、綜合監控、平臺安全于一體的模塊化分布式集成中央控制系統[1]，用于集中監測管理“TSV與MEP聯合作業”與“MEP存放在TSV上”2種作業模式時的平臺各系統運行狀態和報警，以及設備的遠程操控，是全平臺的信息中心和指揮中心。構建一個這種高度信息化、自動化、網絡化的控制平臺，可以提高平臺的作業效率、操作準確性和安全程度。目前，對于自升式鉆井平臺和半潛式鉆井平臺中控系統的技術研究已經較多，但是對于鉆井支持平臺的中控系統集成技術卻鮮有介紹，本文旨在分析研究半潛式鉆井支持平臺TSV和MEP兩部分中控系統的集成技術，為掌握半潛式鉆井支持平臺中控系統關鍵設計技術奠定一定基礎。

圖1 半潛式鉆井支持平臺作業示意圖Fig. 1 Demonstration picture of semi-submersible tender support drilling unit operation

1 半潛式鉆井支持平臺中控系統組成

半潛式鉆井支持平臺中控系統（Integrated Control System，ICS）由綜合自動化系統（Integrated Automation System，IAS）和安全儀表系統（Safety Instrumented System，SIS）2個大類分系統組成，每個分系統都分為TSV和MEP兩部分。2個大類分系統功能獨立，又互有聯系，每個分系統包括若干子系統，通過高速工業通信網絡實現系統互聯和數據交換。半潛式鉆井支持平臺中控系統采用分布式結構，由控制站、監視站、控制網絡、控制機柜、現場遠程I/O和現場儀表等組成[2]。操作人員通過位于控制室的控制站和位于高級船員辦公室的監視站，對TSV和MEP進行全面的監控、管理，從而實現整個平臺的監控一體化。半潛式鉆井支持平臺中控系統的組成架構如圖2所示。

圖2 半潛式鉆井支持平臺中控系統架構框圖Fig. 2 Structure diagram of semi-submersible tender support drilling unit ICS

2 綜合自動化系統

綜合自動化系統是監測、控制、管理平臺上所有設備的集中控制系統，可以存儲歷史數據和報警。其分為TSV和MEP兩部分，它們各自獨立，又互有聯系。兩部分IAS通過冗余以太網實現數據同步與共享，當冗余以太網連通時，兩部分系統組成一個IAS系統進行工作；當以太網通信故障時，兩部分系統可以各自獨立運行，待通信恢復后自動同步數據。TSV部分IAS主要包括：壓載控制系統、液位遙測系統、電站管理系統、HVAC監控系統、機艙設備監控系統和鉆井低壓泥漿監測；MEP部分IAS則只負責鉆井系統監測。中控室和集控室設有控制站，可以實時監控設備運行狀態和報警，并定期生成報表。在OIM辦公室或其他高級船員房間設有監視站，沒有控制權限，僅供高級船員了解平臺狀態使用。

2.1 壓載控制系統

壓載系統是平臺船用系統中的一個輔助系統，在平臺作業、拖航時，都需要注入或排出壓載水來調節平臺的吃水及其穩性，以保證平臺的安全[3]。壓載控制系統包括對壓載泵、液壓閥門、壓載水管線、壓載水處理系統和艙底水泵的遠程監控。雖然當前科技水平已經可以實現根據現場傳感器反饋信號進行自動壓載控制，但是海洋環境復雜，平臺作業狀態調整頻繁，為了確保壓載控制安全可靠，操作人員更青睞在裝載計算機的輔助下，通過IAS系統手動或半自動遙控壓載泵和液壓閥門，以實現指定壓載艙達到目標液位。同時壓載控制系統也可以監測壓載系統設備和儀表的運行狀態、參數和報警，對于出現的異常情況可以及時處置。

為了抑制吊運MEP模塊時對平臺穩性造成的過度影響，半潛式鉆井支持平臺配備了吊機負載補償系統（Crane Load On/Off Compensating System，CLOOCS）。該系統在平臺立柱內設置補償艙，操作人員通過壓載控制系統預先將壓載水注入補償艙，然后根據實際吊機負載情況，擇機打開壓載閥門，將壓載水從補償艙泄放至浮體內反向壓載艙，使用壓載水補償吊機的負載轉移，CLOOCS系統的監控界面如圖3所示。

2.2 電站管理系統

電站管理系統是控制平臺電力系統的關鍵系統，其主要功能有：1）發電機監控；2）負荷分配；3）功率限制；4）變壓器預充磁控制；5）配電盤開關遙控；6）頻率保護；7）優先脫扣；8）電力系統黑起。作為IAS系統的一個子系統，操作人員可以在控制站在線監視發電機、配電盤、變壓器等電力設備的運行狀態信息（包括：電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因素、發電機轉速、繞組溫度、開關合閘狀態等）[4]，而且也可以執行選擇發電機運行模式、啟停發電機、開閉配電盤開關等遠程操控。電站管理系統通過IAS系統冗余網路與鉆井VFD配電盤建立通信鏈接，以獲取鉆井VFD配電盤的運行狀態信息，供電力系統綜合控制使用。

圖3 CLOOCS系統電腦監控界面Fig. 3 CLOOCS HMI mimic

2.3 機艙設備監控系統

機艙設備監控系統是指除了壓載系統、液位系統、電力系統、HVAC系統以外的平臺船用輔機的集中監控、管理系統。其主要功能是監測輔機設備的運行狀態和參數（包括：壓力、溫度、流量、電壓、電流、功率、轉速等）和設備故障（包括：公共報警、電源故障、壓力高/低報警、溫度高/低報警等），而且也可以通過控制站遠程操控指定設備。對于某些油水駁運泵，機艙設備監控系統也可以根據現場儀表監測數據，按照預設邏輯進行自動控制，從而提高系統的自動化程度。該系統將基于P&ID圖設計控制站Mimic圖，確保監控界面盡量與現場工藝流程一致。

2.4 鉆井低壓泥漿系統監測

鉆井支持平臺的低壓泥漿系統位于TSV上，MEP鉆井作業時的泥漿來自于TSV，雖然低壓泥漿系統的控制權限在鉆井控制系統中，但是IAS系統仍可以監測低壓泥漿系統的運行狀態和參數，以便操作人員全面掌握平臺運行狀態（包括：輸灰系統閥門開閉狀態、泥漿管線壓力、泥漿池攪拌器運行狀態等）。而且灰罐的物位和泥漿池液位也需與其他油水艙液位數據一起發送到裝載計算機，供計算平臺穩性、制定壓載方案使用。

2.5 MEP鉆井系統監測

鉆井控制系統和鉆井儀表系統位于MEP上，它們可以全面監控鉆井系統。為了使TSV操作人員可以掌握鉆井狀態，MEP IAS系統通過串行通信與鉆井控制系統和鉆井儀表系統互聯，并將采集到的主要鉆井數據發送到TSV IAS系統上（包括頂驅、大繩絞車、高壓泥漿泵、防噴器、液壓單元等設備的運行參數）。為了確保鉆井安全，IAS系統只能監視鉆井系統，但是不設置任何控制權限。如果TSV與MEP之間的通信鏈路中斷，MEP IAS系統則可以臨時存儲鉆井設備數據，待通信恢復后，再將這些數據同步給TSV IAS系統，供集中存儲、記錄。

3 安全儀表系統

安全儀表系統是集成中控系統的一個重要部分，由火氣探測系統和應急切斷系統2個子系統組成。該系統的主要功能是：1）探測——探測火災和潛在危險氣體泄漏或聚集；2）報警——觸發報警，警示船員進行及時、適當的響應；3）保護——觸發信號，手動或自動驅動有效措施，以隔離或減輕危險影響。半潛式鉆井支持平臺SIS系統的架構與IAS系統類似，TSV和MEP各自有獨立的SIS系統，它們通過冗余以太網連接。當冗余以太網連通時，兩部分系統組成一個SIS系統進行工作；當以太網通信故障時，兩部分SIS系統可以各自獨立運行，待通信恢復后自動同步數據。集控室設有安全控制站，可以實時監控TSV與MEP的火氣報警和切斷情況。MEP的SIS系統則與IAS系統共用司鉆房內的觸摸屏工作站進行安全監視，下文將對SIS系統的子系統進行簡要介紹。

3.1 火氣探測系統

火氣探測系統是對平臺可能存在的危險氣體泄漏、聚集進行自動檢測，并能對意外的危險火源進行報警的系統[5]，是SIS系統的探測部分。鉆井支持平臺火氣探測器的選型、布置與其他鉆井平臺原理一致，但是火災和氣體報警區域設計時需兼顧TSV和MEP。發生火災或氣體泄漏時，火氣探測系統將按照預設表決邏輯和火氣報警區域劃分將報警信號發送給應急切斷系統，以進行下一步的切斷。根據MEP總體布局，MEP分為司鉆房、本地電氣設備間和露天鉆井區域3個火氣報警區域。

3.2 應急切斷系統

應急切斷系統是SIS系統中的執行部分，該系統接收到火氣探測系統報警信號或者操作人員手動指令后，按照預設邏輯進行設備切斷或釋放消防系統，從而實現隔離危險源或減輕危險影響，保證人員和設備安全。應急切斷系統的手動切斷分為以下4個等級：

1）3級切斷：棄船切斷，切斷指定UPS；

2）2B級切斷：切斷應急發電機；

3）2A級切斷：切斷主發電機；

4）1級切斷：切斷除危險區和發電機室外的通風設備、焊接設備和室外插座。

應急切斷系統收到火氣探測系統報警信號后，將按照報警區域進行自動切斷，并釋放水霧、泡沫、水噴淋等消防系統。TSV作為鉆進支持平臺的主平臺，而且MEP鉆井作業時的危險程度遠高于TSV，為此TSV的監控權限高于MEP，TSV可以切斷MEP，而MEP不能切斷TSV。當MEP鉆井作業時發生危及平臺安全的嚴重事故時，操作人員可以撤離到TSV上，并通過司鉆房或人員過橋上的按鈕將MEP及鉆井作業徹底切斷。應急切斷系統邏輯旭如圖4所示。

4 中控系統網絡架構

圖4 應急切斷邏輯圖Fig. 4 ESD system logic diagram

圖5 半潛式鉆井支持平臺中控系統網絡架構圖Fig. 5 System architecture of semi-submersible tender support drilling unit ICS

半潛式鉆井支持平臺中控系統集成依靠高速工業通信網絡實現各子系統的互聯，其采用設備層、監控層、應用層3層網絡結構，網絡架構如圖5所示?，F場設備層處于整個中控系統的最底層，冗余Profibus-DP現場總線作為該層的骨干網絡連接I/O模塊、智能MCC、智能儀表等現場設備，采集現場各種傳感器的信號，或者執行控制命令。Profibus-DP現場總線的傳輸速率從9.6 kbit/s～12 kbit/s，對于銅質電纜，總線電纜長度與傳輸速率相關，總得規律是傳輸速率越高，總線長度越短，越容易收到電磁干擾，基于傳輸速率的最大段長度參見表1。當傳輸速率不變，但需要增加總線長度時，可再總線中設置中繼器，或者將通信介質改為光纜[6]。

表1 Profibus-DP現場總線傳輸速率與總線長度對應關系Tab. 1 Profibus-DP field bus correspondence between speed and cable length

監控層主要由PLC、現場觸摸屏和冗余工業以太網組成，是承上啟下的重要聯絡層。PLC是監控層的核心部分，一方面通過Profibus-DP總線連接現場設備層接收現場反饋信號，并發出處理后的操控命令；另一方面連接現場觸摸屏，以實現各種設備儀表的現場監控；最后PLC通過冗余工業以太網建立應用層與監控層的鏈接。一個子系統（例如：TSV IAS系統）內工業以太網采用冗余星型結構，即采用雙套交換機和冗余以太網鏈路連接相關節點。為了保證系統獨立性和安全性的前提下實現中控系統的集成互聯，IAS系統與SIS系統之間設置網關，從而形成整個中控系統的雙環結構以太網。

應用層位于3層網絡結構的頂層，監控站使用西門子WinCC軟件作為客戶端，可以通過冗余以太網分別讀取TSV和MEP上服務器的數據，進行實時監控。此外，應用層還可以管理平臺上工作人員信息、備份數據庫，以及通過衛星通信將設備運行數據發送到岸上數據庫，以便于石油公司管理[7]。

5 結 語

半潛式鉆井支持平臺作為一種高技術含量的深水油氣鉆探裝備，其中控系統具有系統規模大、I/O點數多、控制邏輯復雜等特點，尤其是鉆井支持平臺分為TSV和MEP兩部分，如何實現兩部分中控系統的有效集成是一個設計難點。本文通過對半潛式鉆井支持平臺中控系統各子系統功能和網絡架構的分析研究，論述了中控系統集成的基本設計原則，可以實現在保留各子系統獨立運行能力的同時，將它們有效集成一體。隨著科學技術的高速發展，今后需在此基礎上對如何提高半潛式鉆井支持平臺中控系統的可靠性和智能化方面開展更深入地研究。