“南海勝利”號(hào)隋氣控制系統(tǒng)升級(jí)改造

中海油深圳分公司流花油田作業(yè)區(qū) 朱志星

南海勝利FPSO（Floating Production Storage and Offloading）隋氣來(lái)自于鍋爐燃燒后的煙氣，通過(guò)IGS（Inert Gas System）處理后得到干凈的隋氣，在原油外輸時(shí)用于補(bǔ)充大艙壓力，隋氣系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性直接影響到原油外輸作業(yè)。原有的控制系統(tǒng)采用繼電器及氣動(dòng)儀表進(jìn)行控制，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要是六七十年代的氣動(dòng)組合儀表，系統(tǒng)故障頻繁，檢修難度大，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、可靠性，保證外輸質(zhì)量，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，由繼電器及氣動(dòng)儀表進(jìn)行控制升級(jí)為PLC控制。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

IGS系統(tǒng)隋氣來(lái)自于鍋爐燃燒后的煙氣，首先經(jīng)過(guò)洗滌塔進(jìn)行冷卻、除塵、除硫等作用，然后通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)行增加，增壓后的隋氣通過(guò)出口控制閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，最終經(jīng)過(guò)甲板水封后進(jìn)入到大艙，系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 IGS系統(tǒng)流程圖

1.2 存在問(wèn)題

原有的IGS（Inert Gas System）系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制。由于繼電器控制存在著觸點(diǎn)接觸不良或相互粘連且線圈容易燒壞的問(wèn)題，從而使系統(tǒng)控制存在著安全隱患；并且系統(tǒng)如果需要改造時(shí)比較困難，控制方案的少許改變可能導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)繼電器接線全部重接，系統(tǒng)修改和擴(kuò)容極不方便。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要是氣動(dòng)組合儀表，包括氣動(dòng)變送器和氣動(dòng)控制器等。氣動(dòng)組合儀表是上個(gè)世紀(jì)六七十年代的儀表水平，一方面儀表調(diào)校比較麻煩，調(diào)校中需要標(biāo)準(zhǔn)氣源和氣壓表，調(diào)校的結(jié)果誤差較大；另一方面氣動(dòng)組合儀表備件在市場(chǎng)上極少，儀表?yè)p壞后往往得不到及時(shí)修復(fù)，直接導(dǎo)致系統(tǒng)控制存在重大隱患。同時(shí)部分控制邏輯不合理，邏輯控制圖不直觀，檢修不方便；系統(tǒng)液位開關(guān)沒(méi)有防波動(dòng)功能，容易產(chǎn)生誤報(bào)警問(wèn)題，并且沒(méi)有歷史報(bào)警記錄功能，找不到報(bào)警點(diǎn)；系統(tǒng)首次啟動(dòng)IG時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到氧含量到8%時(shí)候系統(tǒng)會(huì)關(guān)停；元件壽命到期，系統(tǒng)不穩(wěn)定。以上幾個(gè)缺陷為公司管理層升級(jí)改造為PLC邏輯控制提供了依據(jù)。

2 改造方案

2.1 控制器單元改造

由于外輸計(jì)量單元的邏輯控制系統(tǒng)采用的是AB SLC500的PLC，系統(tǒng)穩(wěn)定正常，備件充足，在綜合考慮下，基于現(xiàn)在的控制狀況，我們選擇ROCKWELL AUTOMATION公司的1747-L542C CPU作為IGS的控制系統(tǒng)，選用12寸觸摸屏作為用戶HMI界面，采用梯形圖編程方式，能夠輕易實(shí)現(xiàn)防液位波動(dòng)功能，易懂，便于現(xiàn)場(chǎng)人員掌握，方便在線故障排除。觸屏內(nèi)存大小能夠存儲(chǔ)幾個(gè)月的歷史報(bào)警記錄，以及氧含量曲線圖并可以實(shí)時(shí)打印，為操作人員查找故障提供依據(jù)。PLC內(nèi)有FLASH卡，程序不會(huì)丟失。系統(tǒng)架構(gòu)主要組成：HMI（Panelview Plus 1250，A-B #2711P-T12C4D1），工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)（EtherNet Switch，Moxa #EDS305），SLC 5/05 CONTROLLER（16K）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備改造

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備改造內(nèi)容：將現(xiàn)場(chǎng)所有氣動(dòng)壓力變送器改為電動(dòng)壓力變送器，將現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)控制器改為PLC控制，同時(shí)將氣動(dòng)定位器改為智能定位器，將現(xiàn)場(chǎng)分體式的溫度傳感器改為一體式溫度傳感器，將模擬式氧氣分析儀改為數(shù)字式氧氣分析儀表。

3 改造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

3.1 氧氣分析儀改造

氧氣分析儀表改造解決了首次啟動(dòng)IGS時(shí)，氧氣含量超過(guò)8%時(shí)系統(tǒng)會(huì)關(guān)停問(wèn)題。由于IG管線里的空氣會(huì)含有超過(guò)8%的氧氣，并且氧氣分析儀的取樣管線也有可能殘留著低于5%的氧氣（殘留原因：校驗(yàn)完成后的標(biāo)準(zhǔn)樣氣），這種情況下，氧氣分析儀檢測(cè)到的濃度會(huì)由合格變成不合格。根據(jù)繼電器控制邏輯圖，可以發(fā)現(xiàn)，只要系統(tǒng)啟動(dòng)后，氧氣分析儀檢測(cè)到的濃度會(huì)由5%變化到8%，系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)為氧氣含量高，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)跳，系統(tǒng)關(guān)停。為了避免這種誤動(dòng)作發(fā)生，需要校驗(yàn)氧氣分析儀之后人為地給分析儀通壓縮空氣，保證取樣管線氧氣含量高于8%。繼電器邏輯控制圖如圖3所示。

圖3 繼電器邏輯控制圖

8%氧氣含量高高關(guān)斷邏輯控制不合理，應(yīng)該在系統(tǒng)穩(wěn)定之前，不管氧氣含量如何變化，系統(tǒng)都應(yīng)該運(yùn)行，直到鍋爐氧氣含量穩(wěn)定后，8%氧氣含量高高關(guān)斷邏輯才投用。

經(jīng)過(guò)討論分析，通過(guò)利用進(jìn)艙的調(diào)節(jié)閥首次動(dòng)作信號(hào)作為8%氧氣含量高高關(guān)斷邏輯投入條件。因?yàn)樵谙到y(tǒng)氧含量穩(wěn)定前，進(jìn)艙的調(diào)節(jié)閥是一直關(guān)閉，氧氣含量穩(wěn)定后，由操作人員打開進(jìn)艙調(diào)節(jié)閥給大艙補(bǔ)充壓力，調(diào)節(jié)閥上有全關(guān)與全開限位開關(guān)，利用調(diào)節(jié)閥的全關(guān)復(fù)位信號(hào)來(lái)決定氧含量高高邏輯關(guān)斷投入條件。通過(guò)這樣的邏輯控制，氧氣分析儀校驗(yàn)后就不需要兼顧取樣管的氧含量，有效地防止了誤動(dòng)作，保證了系統(tǒng)合理、穩(wěn)定性。

3.2 洗滌塔液位開關(guān)增加防波動(dòng)設(shè)計(jì)

洗滌塔水位低液位開關(guān)，由于上部沖洗下來(lái)的水流很大，很容易造成液位開關(guān)誤動(dòng)作，為解決此問(wèn)題，升級(jí)為PLC控制后，在程序上做濾波功能，防止液位因水流沖擊導(dǎo)致誤動(dòng)作關(guān)停。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)液位開關(guān)加裝防波動(dòng)保護(hù)罩，進(jìn)水口不能太大，設(shè)計(jì)太大同樣會(huì)受到水流沖擊影響，設(shè)計(jì)太小，不能實(shí)時(shí)反應(yīng)真實(shí)液位，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，孔徑設(shè)計(jì)大約在14mm左右，既可以避免水的沖擊影響，又能實(shí)時(shí)反應(yīng)真實(shí)液位，設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 防波動(dòng)保護(hù)罩

3.3 調(diào)節(jié)閥控制器改造

系統(tǒng)有兩個(gè)調(diào)節(jié)閥：一個(gè)是進(jìn)艙的壓力調(diào)節(jié)閥，另一個(gè)是排空的壓力調(diào)節(jié)閥。改造前，進(jìn)艙的壓力調(diào)節(jié)閥通過(guò)中控氣動(dòng)控制器來(lái)進(jìn)行控制，壓力輸入檢測(cè)點(diǎn)在甲板IG主管線上，有兩種方式：一個(gè)是自動(dòng)調(diào)節(jié)（閉環(huán)），根據(jù)IG甲板主管線壓力來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另一個(gè)是手動(dòng)調(diào)節(jié)（開環(huán)），調(diào)節(jié)控制面板的旋鈕來(lái)控制閥門開度。排空的壓力調(diào)節(jié)閥由現(xiàn)場(chǎng)控制器來(lái)進(jìn)行控制：控制器壓力輸入檢測(cè)點(diǎn)在風(fēng)機(jī)出口，控制器壓力設(shè)定值為1400mmH2O，壓力大于1400mmH2O時(shí)，閥全開，壓力小于1400mmH2O時(shí)閥全關(guān)，例如：在氧氣含量超過(guò)8%時(shí)，進(jìn)艙調(diào)節(jié)閥全關(guān)，IG管線壓力會(huì)上升，控制器檢測(cè)到壓力高于1400mmH2O就輸出氣信號(hào)把外排閥打開，把不合格的IG外排。

由于采用PLC來(lái)進(jìn)行控制，可以在程序上進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，同時(shí)在觸屏畫面上組態(tài)調(diào)節(jié)閥PID曲線，方便對(duì)閥門進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

為了實(shí)現(xiàn)PLC輸出控制調(diào)節(jié)閥，把調(diào)節(jié)閥的氣-氣定位器更換為電-氣定位器。進(jìn)艙調(diào)節(jié)閥和排空閥都由控制柜PLC進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于原排空閥非PID調(diào)節(jié)，在對(duì)排空閥進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)原來(lái)壓力設(shè)定點(diǎn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)出口壓力控制在1400mmH2O時(shí)候，風(fēng)機(jī)溫度63℃左右（正常溫度55℃左右，關(guān)斷溫度為75℃），溫度偏高。經(jīng)多次單機(jī)調(diào)試后，壓力設(shè)定值設(shè)定在1200 mmH2O時(shí)，溫度正常。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)原控制系統(tǒng)壓力穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度保持在35%，艙壓保持在500到600mmH2O，在外輸過(guò)程中，艙的空余量會(huì)增加，再根據(jù)壓力的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于整個(gè)系統(tǒng)的控制方式及條件有所變化，并且連調(diào)只有在外輸時(shí)候才可以進(jìn)行，給調(diào)試帶來(lái)了一定的壓力。經(jīng)過(guò)討論研究，整個(gè)系統(tǒng)的壓力控制方式為：排空閥自動(dòng)PID控制，進(jìn)艙的調(diào)節(jié)閥手動(dòng)控制。經(jīng)過(guò)調(diào)試排空閥壓力設(shè)定點(diǎn)在1150mmH2O，調(diào)節(jié)閥開度保持在55%時(shí)候，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

需要注意的是，原氣-氣定位器的控制閥在關(guān)斷時(shí)，把定位器的信號(hào)氣切斷，并在恢復(fù)前手動(dòng)復(fù)位所有信號(hào)。PLC控制的電信號(hào)輸出可以在關(guān)斷時(shí)候，通過(guò)MOV指令強(qiáng)制輸出0來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 改造效果

整個(gè)項(xiàng)目涉及到整個(gè)原油外輸過(guò)程，主要難度是在于系統(tǒng)連調(diào)，連調(diào)失敗將會(huì)帶來(lái)很大經(jīng)濟(jì)損失，由于連調(diào)需要在外輸過(guò)程中進(jìn)行，系統(tǒng)改造后需要保證IG系統(tǒng)功能正常，能夠正常投用，如果改造失敗，需要保證原有系統(tǒng)能夠完全恢復(fù)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)連調(diào)后，IG系統(tǒng)穩(wěn)定正常，解決了老舊設(shè)備的隱患，獲得公司管理層的認(rèn)可、表?yè)P(yáng)。整個(gè)項(xiàng)目工期二十三天，雖然由于圖紙不全，導(dǎo)致校線周期長(zhǎng)，但在最后還是能夠順利完成項(xiàng)目的改造，通過(guò)了ABS檢查認(rèn)證。經(jīng)過(guò)兩年的運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定正常。

結(jié)束語(yǔ)：舊船的IG系統(tǒng)基本采用繼電器控制，相信也同樣存在缺陷，可以采取升級(jí)改造為PLC控制使用IG系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。在系統(tǒng)調(diào)研時(shí)需要進(jìn)行資料的全面收集，對(duì)系統(tǒng)全面了解分析，能夠縮短工期。