原油處理系統流程和關停聯鎖保護的改進

梁波,于清遠,石亞卜，謝小波，孫冰

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

渤海某油田FPSO作為油田處理終端，接收上游生產設施的產液經2個獨立運行的原油處理工藝流程進行油氣水處理。處理合格的原油進入貨油儲存艙后統一外輸，處理合格的生產水通過注水系統絕大部分回注到油田下游注水井中。隨著上游開發井的陸續投產，上游井口平臺輸至下游FPSO工藝處理系統的的產液量增加，使得原油處理系統處理壓力凸顯，因處理設備的故障或日常維護檢修需經常迫使單系列原油處理系統下線，對油田生產時率造成巨大影響，影響油田正常生產。為減少設備檢修對油田生產造成的影響，決定對現有生產流程進行改造并進行相關關停聯鎖保護邏輯的優化，以實現油田的安全穩定生產。

1 原油處理系統介紹

渤海某油田FPSO原油處理系統工藝模塊是由2個完全相同的系列并聯組成，上游井口設施的油井物流，最終都匯聚到FPSO的2個系列進行進一步的處理，原油處理系統單系列處理流程見圖1。

圖1 原油處理系統單系列流程示意

原油處理系統中的一級分離器及二級分離器主要是利用沉降分離脫水和化學破乳脫水兩種原油脫水方法實現油水分離。通過合理控制一級分離器的壓力、溫度、液位、化學藥劑注入量等參數，能夠將絕大部分生產水、天然氣從一級分離器內脫出，保證整個工藝處理過程的高效順利進行。二級分離器與一級分離器原理相同，但工作參數不同，可以將原油中的水及伴生氣進一步脫出。

電脫水器是運用靜電分離技術來實現原油的油水分離的工藝裝置，其工藝方法是通過進液分配器使加壓后的原油與水的混合物均勻地進入脫水容器內，此時的油水混合物以低速進入電場。電場引起小水滴發生偶極聚結，在電場的作用下水滴除有重力作用，還受電荷力的作用，由水滴相互吸引產生的凝聚作用形成越來越大的水滴，直至水滴大到因重力的作用而脫離原油，從而實現水與油的分離[1]。

原油處理系統設計處理能力及當前處理量對比情況見表1。

通過表1分析當前原油處理系統各級處理設備實際處理量可以看出，兩個原油處理系列的一級分離器基本已達到生產水的最大處理能力，但二級分離器及電脫水器在油氣水處理量上均有較大處理空間。

表1 原油處理系統處理能力對比 m3/s

目前原油處理系統共分為兩個系列，并且兩個系列分別接受不同上游平臺來液進行處理，兩系列并聯運行，同一個系列的處理設備相對應的壓力、液位、處理量都是相互間獨立監測、運行，互無關聯。隨著油田開發的不斷進行，上游平臺來液的綜合含水不斷上升，這也就導致了原油處理系統中的兩個一級分離器率先達到了其設計水處理能力。目前由于平臺來液中的原油總量并無大幅度的增加，因此作為后續處理設備的二級分離器和電脫水器仍有較大的處理空間。

與上述各設備處理空間矛盾的是，一級分離器所需下線檢修的情況極少，而后續的處理設備如二級分離器、電脫供給泵、電脫水器等所需下線檢修、故障的頻次則相對較高。由于2個原油處理系列相對獨立，所以當單系列中某個處理設備出現問題時，往往需要將整個生產系列下線，這就大大影響了設備在線時率，并且上游設施限液減產，造成了大量的原油產量損失。

考慮到原油處理系統的實際情況，需要對原油處理流程進行改造優化，最大程度利用二級分離器及電脫水器剩余處理空間，減少因設備檢修造成的產量損失[2]。同時也需對相應的流程關斷保護系統進行優化調整。

2 原油處理系統流程優化改造

為充分利用現有生產處理流程中設備的最大處理能力，使油田產量得到最大化的釋放，通過分析現流程中各設備處理情況，發現影響流程處理能力最大化利用的因素是單系列中二級分離器和電脫水器處理能力無法充分利用，因此決定在原油處理系統2系列的二級分離器入口處增加一連通管線，跨接2個分離器，見圖2。

圖2 原油處理系統改造后流程示意

如此，當某個系列的二級分離器、電脫供給泵、電脫水器等設備進行檢修時，可以不用整個處理系列下線，只需將物流倒運至另一系列進行處理，可實現設備的充分利用。

3 原油處理系統關停聯鎖保護優化

3.1 原油處理系統關停聯鎖保護工藝要求

經過對原油處理流程改造前后的控制邏輯對比發現，原有PID控制邏輯可繼續使用。為實現流程改造后的安全平穩運行，需要對相關的PSD系統進行優化，新增“crossover”邏輯模塊[3]。

為了保證原油處理系統的安全穩定運行，原油處理系統關停聯鎖保護應滿足以下工藝條件。

1)正常生產過程中，原油處理2個系列互不干擾，保持原有PSD設計，用于系統達到壓力高高或液位高高等異常情況時達到自動觸發相應保護邏輯目的，所涉及到的邏輯輸入信號有：LAHH-2160D；PALL-2160B；PAHH-2160B；LAHH-2360D；PALL-2360B；PAHH-2360B。

2)當原油處理系統一系列整體在線，二系列二級分離器及后續處理設備下線時，V-2160的壓力、液位異常時需同時引起一二系列的相關保護關斷閥門動作。

3)當原油處理系統二系列整體在線，一系列二級分離器及后續處理設備下線時，V-2360的壓力、液位異常時需同時引起一二系列的相關保護關斷閥門動作。

3)優化的PSD功能需具備屏蔽功能，方便生產操作人員根據流程情況進行操作模式選擇。

3.2 原油處理系統關停聯鎖保護邏輯設計

3.2.1 原油處理系統關停邏輯控制系統組成

邏輯控制系統包括DCS控制器、液位傳感器、壓力傳感器、I/O卡件輸入輸出接口、關斷閥執行機構，DCS控制器經過運算，自動把輸出結果通過I/O卡的硬點連接，作用到關斷閥的氣缸上，實現自動切斷功能[4]。

3.2.2 原油處理系統關停邏輯控制系統設計

1)二級分離器的液位和壓力信號通過液位傳感器和壓力傳感器輸出4～20 mA至I/O卡件，DCS控制器利用AIN功能塊定義液位/壓力信號的工作范圍。再利用報警功能塊hh_alarm和ll_alarm定義報警值，觸發報警值后輸出布爾量PALL/PAHH/LAHH[5]。當正常工作時輸出false，觸發報警后輸出true，見圖3。

圖3 二級分離器正常工作時報警輸出

2)報警信號采用OR的邏輯運算，PALL/PAHH/LAHH只要有一個報警信號觸發true，就會輸出“1”，同時需要增加PALL/PAHH/LAHH的屏蔽功能，在輸入端增加AND功能塊，屏蔽時，INH和報警信號做與邏輯運算，INH處于0時報警信號將不會輸出“1”。新增crossover邏輯模塊功能投用時需要中控操作員手動介入，必須確保現場流程已經就位，在畫面增加一個一鍵確認crossover_1，并和PALL/PAHH/LAHH的報警輸出做AND邏輯運算，只有在crossover置“1”時，邏輯才能觸發下一級功能塊，相關邏輯輸出運算圖見圖4。

圖4 二級分離器關斷信號邏輯輸出運算

3)當報警觸發后，為安全考慮，邏輯必須鎖死，現場閥門在不經過人員干預的情況下將保持關閉狀態。在這里增加SR觸發器功能塊，工作原理：S’=0，R’=1：無論觸發器原來處于何種狀態，由于S=0，則Q=1，Q非=0，觸發器處于“1”態(或稱置位狀態)。觸發器的狀態是由S所決定的，稱S為直接置位端。S’=1，R’=0：無論觸發器原來處于何種狀態，由于R=0，則Q=0，Q非=1，觸發器處于“0”態(或稱復位狀態)。觸發器的狀態是由R所決定的，稱R為直接復位端。S’=1，R’=1：觸發器維持原來狀態不變。S’=0，R’=0：此時無法確定觸發器的狀態。S的值引用自報警輸出和crossover的AND的邏輯運算結果，R值引用自畫面的復位按鈕，定義RS觸發器的輸入輸出見表2。

表2 新增SR觸發器功能塊輸出運算

當S觸發時，SR觸發器輸出結果為1，取反為0，關閉2個SDV；當S沒有觸發時，SR觸發器輸出結果保持，R值復位按鈕為1時，SR觸發器輸出結果為0，取反為1，兩個SDV可以打開，觸發器描述見圖5。

圖5 新增SR觸發器輸出結果

4 結論

通過對渤海某油田原油處理系統兩并聯處理系列連通管線的改造及相應關停邏輯聯鎖保護的優化，實現了設備檢修過程中原油通過單系列進行處理的目標，解決了流程生產運行過程中設備檢修與產量任務之間的矛盾，使原油處理設備的處理能力得到最大化利用。改造過程中，通過“crossover模塊”實現了正產工況生產與異常工況生產條件下生產系統的雙重保護，實現了原油處理系統在正常和設備檢修情況下的全自動平穩運行。現場實踐證明，改造后生產流程運行正常，聯鎖保護過程運行安全可靠。本實踐可為原油生產系統檢修過程流程穩態運行提供解決方案，也可為管線改造和關停邏輯保護提供技術參考。建議后續繼續對上游高壓分離器實現互聯互通連鎖保護功能進行研究，進一步提升原油處理系統的處理能力及運行穩定性。