分析傳感器技術在海洋平臺儀控系統中的應用

孫婧

海上平臺儀控系統作為海上油氣田安全生產的重要核心設備，為確保其平穩運行和安全生產，本研究在概述海上平臺儀控系統的基礎上，重點對傳感器技術在該系統中的應用展開了分析，并以平臺測量控制系統為例，對傳感器技術在其中的具體應用展開了探索。

一、前言

對于海洋平臺而言，其不僅所處的環境非常復雜，而且大多是距離海岸比較遠的地方。在海洋平臺上，其涉及諸多設備，如壓力設備、溫度設備等等。而海洋平臺上的諸多設備，其能否正常運行將直接決定整個海上油氣田能否高效、穩定并安全地運行。其中，海洋平臺儀控系統起到非常關鍵的作用。在海上平臺日益發展和進步的今天，其對海上平臺儀控系統的設計也提出了更高的要求。海洋平臺儀控系統應用水平的提升，其不僅有助于降低勞動力的強度，而且有助于在最大的限度內提升海洋平臺的經濟和社會效益。在海洋平臺儀控系統中，主要以物理型傳感器為主，傳感器技術的應用，其可以檢測出海上油氣田生產中的主要參數和環境狀態，進而能夠對于出現的問題進行及時的處理，從而確保安全生產。

二、傳感器技術

近年來，伴隨傳感器技術的日益進步，其逐漸被應用于各個系統中，如應急開關系統、可燃性氣體預警系統等。除此之外，傳感器技術還被應用在海洋平臺儀控系統中，具體而言，傳感器技術在該系統中的應用領域，如表1所示。

以溫度測量為例，接觸式測量方式、非接觸式測量方式是相對較為常見的測量方法。其中，接觸式測量方式的優勢在于測量儀表簡單且具有較高的精確度。然而，在這一測量方式下，需要考慮測量介質與原件是否能夠充分進行熱交換，由于需要時間，因而并不適宜現場作業。而非接觸測量方式，其測量儀表較為多樣，且普遍采用的原理是傳感器原理，如熱點偶、熱電阻、雙金屬溫度計以及壓力式。

三、海上平臺儀控系統

海上平臺儀控系統，全稱為海上平臺儀表與控制系統。在海上油氣田生產的眾多設備中，儀控系統是中央控制系統，同時也是生產自動化的核心設備和關鍵設備。不僅如此，該系統還是海上平臺的完全衛士。對于海上平臺儀控系統來說，其管理方式大多采用的是集中監管和分散控制方式。通常情況下，該系統典型的構成部分主要可包括中央控制系統、現場儀表等。

該系統中的中央控制系統由三套獨立的控制系統組成，即應急關斷控制系統、過程控制系統以及火氣探測控制系統。中央控制系統的硬件設備主要包括打印機、控制系統以及應急操作盤等。中央控制系統的功能是實時采集海上平臺的生產數據，并對生產過程進行監測，同時對生產過程中出現的故障進行警報等。應急關斷系統的功能則主要是在發生危險的時候，為保障海上平臺工作人員以及生產設備安全而設計的系統。通常情況下，應急關斷系統主要包括四個等級，分別為棄平臺關斷、火氣關斷。生產系統關斷以及單元關斷。火氣探測系統的功能是準確并及時探測可能或已經發生的事故，并及時采取相應的措施。現場儀表也是一個重要的組成部分，其主要包括溫度儀表、壓力儀表。液體儀表以及流量計等。井口控制盤主要由兩個部分組成，即單井模塊和公用模塊。就地控制盤的功能是與中央控制系統進行連接，以起到遠程監控現場設備的作用。

四、海洋平臺儀控系統中傳感器技術的具體應用原理

（一）非接觸式溫度測量儀表

從溫度測量的角度來說，非接觸式溫度測量方式的依據是傳感器原理。因此，對非接觸測量方式中的各個測量儀表展開分析尤為必要。在眾多測量儀表中，熱點偶主要是通過串聯不同的導體，并在閉合電路形成的過程中在結合點位置產生溫差，也就是熱點效應，那么在回路中就會產生電流。其中，熱電偶是導體組合。熱電阻在對溫度進行測量的過程中，其原理是基于溫度和電阻兩者之間成函數關系的半導體或金屬導體制作成而感溫元件展開測量的。由此可見，對于熱電阻溫度儀表來說，其最為重要的元件就是感溫元件。而制成感溫元件的材料則主要有兩類，一類是半導體，另一類則是金屬導體。其中，由半導體制成的感溫元件，其大多是碳、鍺及熱敏電阻。而由金屬材料制成的感溫元件，其則大多是柏熱電阻，這也是最為常見的。對于鉑熱電阻而言，其優勢在于具有較好的復線性能，同時還具有較穩定的物理性能。另外，還具有低成本和應用范圍廣等優勢。除此之外，在測量精度方面也比較高。然而，與銅熱電阻相比，其具有較小的測量范圍。上述兩個溫度測量儀表很好地利用了傳感器原理，其優勢和劣勢，如表2所示。雙金屬溫度計在應用的過程中，其主要是通過將固體受熱而產生的幾何移位視為溫信號。壓力式溫度計則主要是將溫度變化轉化為液體或氣體，受熱后通過觀察壓力的變化或體積膨脹的情況，以獲得檢測信號。無論是雙金屬溫度計，還是壓力式溫度計，其都僅僅是簡單應用了傳感器技術。

綜上所述，在選取溫度測量儀的過程中，應針對不同的情況和應用進行合理的選擇。其中，對于就地溫度儀表，為確保測量范圍及精確度，雙金屬溫度計是較好的選擇。而在選擇溫度檢測元件時，海洋平臺可選擇熱電阻。

（二）壓力測量儀表

在海洋平臺中，其擁有較多的高壓設備。因此，壓力測量也是海洋平臺監控和測量的重要關鍵。從壓力測量儀表的角度來說，其具體分類，如表3所示。其中，前三種壓力表又可稱為彈性壓力表，其制作依據是彈性元件受壓后，與被測量的壓力大小成比例形變。此類壓力測量儀表也充分利用了傳感器技術，通過傳感器原理的利用，依據變形大小直觀地測量壓力。

依據檢測原理，可將壓力變送器分為六種，即電阻式、電容式、電感式以及壓電式變送器。其中，電阻式是以固體壓阻效應作為依據制作而成的變動器；電容式在檢測的過程中，其是以被測量改變線圈的電感量作為基礎和依據的；電感式變送器又可以分為渦流式、差動式以及磁阻式；壓電式變送器在制作的過程中，其是以特殊壓電材料的壓電效應為依據，促使內部靜電荷產生變化而制成的。

五、結語

我國海洋石油工業歷經多年發展，現階段我國國內的年產油氣當量已突破5600萬噸，并成為當下乃至未來我國國內油氣產量增加的主陣地。海上油氣田直接關系到我國能源的安全性。而海上平臺儀控系統作為海上平臺油氣田生產設施的核心設備，在海上油氣田生產日益復雜化和自動化的今天，對其安全性和可靠性提出了更高的要求。傳感器作為重要器件，其是感受規定的被測量的各種量且依據一定規律將其轉換為有價值信號的裝置。

作者單位： 中海油海油發展裝備技術公司研發中心