海上油氣田基于DCS的現場儀表維保

李祖壯，郭永新

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000)

隨著采油技術的進步，海洋已經越來越成為油氣勘探開發的主戰場。在油氣生產處理過程中，所使用的控制閥、變送器、關斷閥等現場儀表設備通常多達數百臺，是整個油氣處理流程中的核心設備，它們的穩定運行直接決定了生產流程的穩定性和安全性。與在陸地環境相比，在高鹽度、高濕度和高腐蝕性的海洋環境下，上述現場儀表的維保周期大幅縮短，維保頻率大幅加快。

南海東部海域某油氣田生產流程中使用近200臺變送器，150臺控制閥和220臺關斷閥，根據海上油氣田常規維保策略，該類儀表設備由專業人員建立維保臺賬，根據維保周期維護保養。經過現場實踐發現，常規維保方式缺少針對性，導致多種情況下，會出現故障后再維修，維護人員被動執行，部分設備欠保養、過度保養的情況。

為了確保科學、客觀地進行現場儀表周期性預防性維護保養，提高現場儀表設備的穩定性，在該油氣田中心控制室分散控制系統(DCS)中創建現場儀表智能管理系統，實現現場儀表一對一差異化、維保預警提醒等功能。

1 DCS與現場儀表連接架構

DCS與現場儀表架構如圖1所示，DCS由輸輸出卡件(I/O卡件)、控制器、服務器、操作站等組成。服務器主要用于DCS系統組態、系統監控、數據保存等。操作站主要用于操作員的日常操作，包括： 現場工藝流程的監控、報警處理、流程調節等。控制器用于收集現場信號并輸出系統指令。I/O卡件主要有模擬量輸入卡(AI)， 數字量輸入卡(DI)， 模擬量輸出卡(AO)， 數字量輸出卡(DO)。

圖1 DCS與現場儀表連接架構示意

2 現場儀表維保策略

該油氣田現場儀表維保一般采用定期預防性維護(PM)和故障檢修相結合的方式，以壓力變送器為例，維保周期一般分為季檢、半年檢、年檢等，由專業人員根據設備維護要求以及現場實際生產需要確定。上述維保任務采用了IBM公司開發的一款集工單創建、審批、執行、關閉為一體的MAXIMO系統。按計劃自動推動到現場維保人員，維保人員按照工作安排及作業窗口，擇機維保現場設備，維保工作完成以后，手動更新紙質記錄和電子檔記錄。現場儀表常規維保流程，如圖2所示。

圖2 現場儀表常規維保流程示意

與陸地環境相比，海上設施處于特殊環境，變送器容易因進水汽引起內部電路板腐蝕，從而導致變送器故障失效，控制閥和關斷閥等容易因腐蝕結垢導致執行機構卡滯，閥體動作不順暢，帶來生產隱患。鑒于以上原因，現場專業維保人員需要縮短預防性維護的周期頻率，以保證現場儀表設備處于良好運行狀態，但是現場儀表設備數量龐大，縮短設備維護頻率就意味著工作量的增加。通過MAXIMO系統進行常規維保策略，存在如下不足之處：

1)人員問題。由于海上設施采用的是人員倒班制度，可能因為人員倒班或者按月、季的方式維保，會出現設備在某個周期內過度維保，另一個周期內維保不足的情況，不利于設備的穩定性。

2)信息不全。MAXIMO系統推送的一張作業單包括了某個區域或撬塊內的多臺儀表設備，可能會導致某臺儀表維保的遺漏。

3)針對性不足。在MAXIMO系統里無法快速查找單臺儀表歷史維保記錄，無法對單臺儀表進行針對性的保養及維護。

4)工作量大。全面增加設備維護頻率，以及維護后的信息記錄，專業維護人員的工作量大幅增加。

3 現場儀表智能管理系統的設計及應用

3.1 現場儀表智能管理系統的設計

利用DCS單點報警功能，設計創建了現場儀表智能管理系統，如圖3所示。在DCS后臺PLC模塊中編寫程序，并在操作站增加控制界面，管理該油氣田關鍵區域液位計、控制閥、關斷閥等保養工作。為現場安全考慮，該系統設計屬于DCS內一個獨立系統，不會引發任何開關動作或邏輯輸出，僅在DCS內部做報警提示工作。

圖3 現場儀表智能管理系統示意

通過該系統可以對現場關鍵區域變送器、控制閥、關斷閥等設備進行針對性、差異化臺賬管理，每臺設備對應一個維保倒計時，時間可以人為設置。當維保倒計時時間到時，觸發報警，提醒管理人員，實現儀表設備維保預警功能，維保結束后，通過復位，可以自動更新保存維保記錄并在界面顯示。

3.2 現場儀表智能管理系統的應用

該系統可針對不同類型的儀表，采取針對性的維保策略。現場儀表智能管理系統維保流程如圖4所示。

圖4 現場儀表智能管理系統維保流程示意

3.2.1液位變送器的維保

磁致伸縮液位計是該油氣田使用最多的一種液位變送器，利用磁致伸縮原理設計而成，由浮筒、磁性浮球、探桿和遠傳裝置組成，探桿內磁致伸縮線的脈沖電流向下傳送產生環形磁場，和磁性浮球的磁場相互作用產生扭力波，浮筒與容器相連，浮筒內部浮球跟隨容器內部介質液位同步動作，探桿安裝于浮筒側面，通過檢測扭力波傳輸的時間可以判斷浮球的位置，從而檢測出容器液位。

由于油品性質原因，若液位計浮筒內部油品長期停留，會在浮筒內壁和浮球表面結垢，導致浮球在浮筒內部動作不順暢，以致于浮球不能準確同步容器實時液位，檢測出現偏差，進而導致生產波動。因此，當出現浮球卡滯時，就需要專業維護人員拆洗液位計，清潔浮筒內部和浮球表面，該項作業工作量大，效率低，同時會增加作業風險。

為便于液位計的沖洗，避免增加維護作業人員拆裝液位計的工作量，對現場一級分離器、中壓壓縮機、低壓壓縮機、段塞流捕集器等關鍵設備的液位變送器增加排殘管線。

維護操作人員根據流程實際情況以及液位計浮子卡滯現象，差異化設定維保周期，當該系統提示液位變送器維保報警后，現場操作人員只需打開排液閥門即可完成液位變送器沖洗工作，可以大幅減少現場接管排液等工作量，提高作業效率。

通過對不同區域的液位變送器進行針對性管理、設置不同的維保頻率，做到設備分級管理，實現設備的精細化管理。

3.2.2控制閥的維保

壓力、液位等輸入信號經過DCS的PID運算后，由AO卡件輸出4～20 mA電流信號作用到控制閥，控制閥執行動作，完成系統控制。

當維護人員收到該系統預警，即可進行主動維保。在完成現場流程旁通以后，在DCS中對控制閥進行一鍵自動行程校驗，確認閥門功能狀態良好。然后進行外觀、控制氣源壓力、電纜和接線狀態等常規檢查保養。

3.2.3關斷閥的維保

現場關斷閥增加部分行程測試功能(PST)，可以在不影響正常使用的情況下，通過操作站輸出一個電流信號到關斷閥的閥門定位器，使關斷閥在原有的位置上移動10%～15%，實現閥門小行程動作。

采用該系統，針對上一次維保結束后對單個關斷閥設定的維保報警提示，操作站可以遠程實現PST功能，并作周期性動作，測試閥門，以便更好地檢查閥門動作情況，判斷該功能是否正常，可以解決大部分閥門長期處于某個位置不動，導致卡滯問題。通過該功能也能夠發現閥門使用中存在的隱蔽故障問題，降低設備故障率，延長設備使用壽命。

3.2.4應用分析

基于DCS創建的現場儀表智能管理系統與原MAXIMO系統對比，具有以下優勢：

1)簡化了維保周期推送程序，可以實現一對一的維保周期差異化管理，增加了針對性。

2)由原MAXIMO系統推送后的被動執行變為主動進行，增加了維保周期設定的靈活性。

3)該系統可以自動保存維保記錄，減少了手動錄入工作，降低了錯誤率，畫面顯示更加直觀。

4 結束語

該系統的應用可為陸上油氣處理、化工流程、海上油氣田處理流程中現場儀表設備的維護保養提供新的思路，可提高專業維保人員維保設備的針對性和差異化的管理，實現了針對不同區域、不同流程、不同重要等級情況下的設備管理，從而減少現場應急情況的發生。可以推廣應用到任何需要周期性維護的設備，具有較高的推廣意義。