浮式生產(chǎn)儲油輪惰氣發(fā)生器控制系統(tǒng)升級改造分析

曾國航、黎志平、張瑋

[南海西部石油油田服務（深圳）有限公司，廣東深圳518064]

1 浮式生產(chǎn)儲油輪惰氣發(fā)生器概述

為了確保儲存、駁送安全性，浮式生產(chǎn)儲油輪中需要安裝惰氣發(fā)生器，主要作用是將燃燒產(chǎn)生的惰性氣體利用充艙管線充入貨油艙內(nèi)，確保貨油艙內(nèi)具有一定的正壓，并使油艙內(nèi)氣體中的氧氣含量降到安全水平。惰氣系統(tǒng)一般包括惰氣發(fā)生器、惰氣分配、海水洗滌冷卻、止回閥以及系統(tǒng)運行監(jiān)控等多個系統(tǒng)模塊。惰氣發(fā)生器在運行過程中對于控制系統(tǒng)的要求較高，所以需要采用科學的設計方案，確保惰氣發(fā)生器能夠安全、高效運行，滿足浮式生產(chǎn)儲油輪整體運行安全性。

2 浮式生產(chǎn)儲油輪惰氣發(fā)生器防爆原理分析

在油船上安裝惰氣系統(tǒng)主要是為了把貨油艙的火災或爆炸的發(fā)生概率降到最低。引起燃燒和爆炸的因素包括可燃物、火源以及助燃氧三個必需條件，缺少其中任何一個條件都不會發(fā)生燃燒或爆炸，這也為防爆工作提供了思路，也就是將環(huán)境中的一項條件消除，使其構(gòu)不成燃燒爆炸條件，從而能夠避免爆炸問題發(fā)生。結(jié)合浮式生產(chǎn)儲油輪的實際運行情況來看，由于油品自身具有易燃燒性且是主要儲存物品，所以在易燃物方面控制難度較大；同時，浮式生產(chǎn)儲油輪中存在較多火源，如靜電等，控制難度較高。為此，惰氣發(fā)生器的防爆原理主要是從控制助燃氧方面進行的，通過對助燃氧濃度等方面的控制，使其不構(gòu)成燃燒爆炸條件，也就能夠有效控制爆炸[1]。

空氣中的基本化學成分為氧氣與氮氣，氧氣約占21%，氮氣約占79%。結(jié)合相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，碳氫氣體與空氣的混合物有兩個爆炸極限，分別為碳氫氣體含量為2%時的下爆炸極限（空氣含量98%）與碳氫氣體含量為10%時的上爆炸極限（空氣含量90%），在這兩個極限之間的混合氣體是可燃的。低于下極限的混合氣體中碳氫氣體含量太稀薄不能燃燒，而高于上極限的混合氣體中碳氫氣體含量太濃也不能燃燒，從而為惰氣發(fā)生器防爆提供了設計思路。

3 某浮式生產(chǎn)儲油輪惰氣發(fā)生器的改造思路

采用PLC對惰氣發(fā)生器進行改造，是當前惰氣發(fā)生器控制系統(tǒng)改造升級的主要方式。這種改造過程較為明確且條理性較強，能夠?qū)崿F(xiàn)對惰氣發(fā)生器不同控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造，而且能夠根據(jù)子系統(tǒng)的基本情況對其進行針對性改造。在對該惰氣發(fā)生器采用PLC控制模式進行改造時，主要思路為：第一，按照該惰氣發(fā)生器的基本資料、說明書以及系統(tǒng)電路圖，對惰氣發(fā)生器的工況與控制要求進行分析。第二，按照系統(tǒng)輸入與輸出設備確定需要的PLC控制器數(shù)量，之后選擇最為合適的PLC控制器。第三，按照原有惰氣發(fā)生器控制系統(tǒng)的基本情況，分析控制系統(tǒng)存在缺點，之后對缺點進行優(yōu)化與補充。第四，按照輸入設備與輸出設備的作用，編制PLC外部控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中填寫I/O地址，之后結(jié)合設備的具體情況對外部系統(tǒng)控制進行優(yōu)化[2]。第五，結(jié)合機電控制器系統(tǒng)電路與PLC編寫的基本規(guī)則，將繼電器控制系統(tǒng)電路轉(zhuǎn)化為PLC控制系統(tǒng)，同時充分考慮惰氣含氧量控制的基本需求，最后實現(xiàn)對惰氣發(fā)生器控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造。

4 浮式生產(chǎn)儲油輪惰氣發(fā)生器控制系統(tǒng)分析

4.1 燃燒器控制系統(tǒng)改造升級

該燃燒器為機械高壓霧化型，油槍及燃油噴嘴均為雙管回油式，燃油通過霧化板上的切向油槽產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)運動和前進運動，經(jīng)噴油孔噴向燃燒室。燃油在離開噴油孔時立即形成旋轉(zhuǎn)前進的錐形油膜并霧化，噴射角度取決于噴油嘴的形式和燃油壓力。在回油管路上裝有氣動控制的排量調(diào)節(jié)閥，油耗取決于油噴嘴的規(guī)格和回油的壓力，燃燒調(diào)節(jié)比約為1∶4；應該在低排量情況下進行點火，即減少至燃燒器的油和空氣。該惰氣發(fā)生裝置用輕質(zhì)船用柴油點火。在正常工作時，可轉(zhuǎn)換成經(jīng)過預熱的重燃油燃燒。在氧含量自動控制運行時，惰性排量可由主控盤或貨控室副控盤的按鈕控制。如選擇手動，燃油排量亦可在主控盤上手動控制。在控制系統(tǒng)改造設計中，助燃空氣經(jīng)過風道中的一系列導向葉片，使空氣渦流強度增加，旋轉(zhuǎn)速度增大，通過燃燒頸進入燃燒腔，在這里助燃空氣與燃油充分混合；部分空氣通過油槍，沿油槍軸向運動，以防止未燃燒的油滴沉積在燃油噴嘴上。為了實現(xiàn)完全燃燒，必須盡可能使霧化的燃油和助燃空氣充分混合，所以需要提升油與氣之間的相對速度，但是噴油嘴處的空氣軸向速度不能超過燃燒速率，否則會將火焰吹熄。

在控制系統(tǒng)升級改造過程中，將其功能整合在PLC控制系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)吹掃、點火、燃燒以及運行每一個流程的可視化處理，在觸控屏幕中能夠詳細地展現(xiàn)出其實時運行狀態(tài)。

4.2 燃油控制系統(tǒng)改造升級

該惰氣發(fā)生器的燃油系統(tǒng)中包括2臺燃油泵（帶電機）與1個雙聯(lián)式細濾器。油槍進、出管路采用軟管連接，進油管路上裝有一個氣動的三通球閥，由電磁閥控制且回油管路上裝有氣動薄膜控制閥，用于控制到主燃燒器燃油量；在燃油泵出口的旁通管路上裝有壓力控制閥；電磁閥與點火燃燒器之間用軟管連接，為避免污染海洋環(huán)境，控制系統(tǒng)中可以通過裝載電磁閥的方式，用于停機后用壓縮空氣吹洗燃油管路[3]。

在燃油控制回路中，通過自動或手動選擇開關(guān)，燃油控制閥可手動或自動控制；在選擇手動控制情況下，操作燃油閥控制器上的薄膜按鈕可實現(xiàn)燃油控制閥的調(diào)節(jié)，控制器上可顯示出到閥門的輸出信號，裝置正常運行時，風機負載信號是燃油控制閥主要的控制信號，然而該信號可根據(jù)氧分儀實測氧含量信號，結(jié)合氧含量設定值進行修正。在排量控制回路中，通過PID214-2控制器自動/手動選擇按鈕，可手動或自動調(diào)節(jié)排量控制閥。選擇手動運行時，通過調(diào)節(jié)排量控制閥的手動/自動控制器的按鈕，可實現(xiàn)對排量控制閥的連續(xù)調(diào)節(jié)，該控制器上可顯示出到閥門的輸出信號；正常運行時該控制器應處于自動控制狀態(tài)，裝置運行時控制器的輸出信號是風機的負載信號。

4.3 燃燒器/洗滌塔組件控制系統(tǒng)改造升級

來自風機的助燃空氣由洗滌塔頂部的風道入口切向進入。經(jīng)導向葉片、燃燒頸、燃燒室和中心管到達洗滌塔底部，改變方向后流出中心管，向上通過洗滌塔出口流出。當氣體離開洗滌塔底部的中心管時，折轉(zhuǎn)180°，向上通過一個裝在洗滌塔下部的不銹鋼濕濾器。通過過濾器后該氣體進一步向上，經(jīng)過裝在洗滌塔上半部的海水分配環(huán)上的噴嘴噴出的水進行噴淋，濕濾器的作用是為了使熱氣與冷卻水之間充分接觸。待該氣體完全冷卻、清潔后，通過洗滌塔上部出口離開洗滌塔前，最后經(jīng)過一個不銹鋼除霧器，除霧器可有效防止氣體從洗滌塔帶走水分。在控制系統(tǒng)改造升級過程中，在燃燒室上與洗滌塔出口分別增設一體化壓力變送器，用于檢測燃燒室和洗滌塔出口的壓力，并用于控制現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)爐膛壓力和充艙壓力，從而有效提升控制效果，使燃燒器與洗滌塔組件控制系統(tǒng)運行效率提升[4]。

4.4 現(xiàn)場控制儀表改造升級

浮式生產(chǎn)儲油輪惰氣發(fā)生器需要的儀表有監(jiān)控洗滌塔海水入口溫度、洗滌塔惰氣出口溫度以及冷卻夾套海水出口溫度的溫度計儀表，貨控室及機艙控制室洗滌塔惰氣出口溫度表，監(jiān)控儀表空氣壓力、燃燒器入口助燃空氣壓力、冷卻夾套海水壓力、水噴嘴海水壓力、主燃燒器進油壓力、回油壓力以及冷卻塔惰氣出口壓力的壓力儀表，包括惰氣至氧探頭的流量計儀表，機艙控制室中惰氣氧含量與氧分儀上氧含量指示的分析指示儀表等。

針對上述儀表，將原有對調(diào)節(jié)閥控制的氣動儀表控制去除，采用PLC控制調(diào)節(jié)閥，既能夠有效提升控制精度、控制可靠度以及反應速度，還能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)閥的遠程控制功能。同時，將原有氣動閥的定位器去除，安裝電/氣轉(zhuǎn)換設備與閥門定位器，從而使其接受來自PLC控制器的電信號，還能夠?qū)㈤y門位置信號傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中，從而能夠提升調(diào)節(jié)閥控制準確性，全面降低控制系統(tǒng)運行復雜程度，使整體運行精度更高[5]。

4.5 主控盤與副控盤改造升級

惰氣發(fā)生器主控盤用來控制裝置運行。在控制系統(tǒng)改造升級過程中，控制盤安裝可編程控制器，負責裝置啟動/停機/報警/切斷及運行模式，在控制盤上有惰氣裝置的模擬圖。模擬圖上有指示燈、按鈕、指示儀表及報警器，改造升級后期控制工況為：首先，正常運行時，報警指示燈熄滅。其次，實際出現(xiàn)故障時，發(fā)出聲、光報警信號（即蜂鳴器發(fā)出聲響，指示燈出現(xiàn)頻閃）。再次，通過報警應答（ALARM ACCEPT）按鈕，對聲、光報警信號進行應答，并消除聲音報警信號。最后，如果對報警信號沒有應答，即使排除了故障，聲、光報警仍將繼續(xù)。通過報警復位（ALARM RESET）按鈕，報警指示燈由頻閃轉(zhuǎn)為常亮，待故障排除后常亮報警指示燈將熄滅。

在控制盤面板上，有發(fā)生器的模擬圖。模擬圖包括：帶指示燈的開關(guān)、報警指示燈、甲板壓力設定表、惰氣溫度表、惰氣排空閥閥位指示表和排量指示表。有關(guān)甲板的各項報警（如供水壓力、液位、惰氣總管壓力）和氧量報警采用獨立設置模式，其他報警都設計為公共報警[6]。

4.6 軟件系統(tǒng)設計

惰氣控制軟件系統(tǒng)中，觸控屏幕組態(tài)應用北爾電子X2 PRO7實現(xiàn)，使工作人員能夠?qū)崟r觀察到惰氣發(fā)生器的運行情況，能夠?qū)ζ溥\行參數(shù)進行調(diào)整，通過CODESYS系列軟件對WAGO PLC進行網(wǎng)絡組態(tài)與編程。軟件開發(fā)操作系統(tǒng)應用Window10 64位系統(tǒng)，PLC編程開發(fā)軟件為CODESYS 2.3。

4.7 監(jiān)控畫面設計

該系統(tǒng)利用IX DEVELOPER 2.3軟件組態(tài)的觸控屏幕畫面，能夠完成工藝畫面、設備狀態(tài)、系統(tǒng)測試、參數(shù)設定、趨勢變化以及報警記錄等多項功能。觸控屏幕中共有八個主畫面，每個主畫面中具有對應的子畫面，利用觸屏能夠?qū)Ω鱾€參數(shù)進行設置，還能夠利用觸屏在不同畫面之間切換。以對惰氣發(fā)生器的正常運行監(jiān)控為例，監(jiān)控內(nèi)容流程為：

第一，按“AUTO START”（自動啟動）按鈕。

第二，裝置啟動順序由模擬圖上的指示燈顯示，當“FLAME ON”（火焰）指示燈點亮后，使裝置以允許的氧含量穩(wěn)定運行。

第三，從觀察窗檢查所有空氣是否從冷卻夾套重排出（即是否有水流出）。

第四，檢查“AUTO O2-CONTROL RANG INDICATION”（自動氧量控制范圍指示）表的指針位置，該指針應處于刻度的中間位置，調(diào)整前氧含量應趨于固定。如實測讀數(shù)過低，應降低“FUEL OIL CAPACITY SET POINT”（燃油排量設定點）設置來升高讀數(shù)，反之亦然。

第五，用“CAPACITY CONTROL”（排量控制）按鈕調(diào)節(jié)所需排量。

第六，檢查是否有氣流到氧分儀，如必要可進行調(diào)節(jié)。

第七，S211“MAN/AUTO OIL VALVE CONTROLLER”（手動/自動油閥控制器）開關(guān)和S214“MAN/AUTO BLOWER CAPACITY CONTROLLER”（手動/自動風機排量控制器）開關(guān)應在“AUTO”（自動）位置上，如控制系統(tǒng)失靈，“MANUAL”（手動）位置僅用于緊急運行。

第八，裝置準備好向貨油艙供氣，進一步控制由貨控室副控盤完成[7]。

4.8 通信網(wǎng)絡設計

在對惰氣控制器進行改造升級后，采用集散型控制系統(tǒng)，通過TCP/IP通信網(wǎng)絡連接I/O控制柜與中控的就地控制柜內(nèi)PLC系統(tǒng)。該通信網(wǎng)絡具有實時化、可重復以及確定性等特點，其高速控制與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡能夠支持控制系統(tǒng)通信，確保惰氣發(fā)生器控制系統(tǒng)中各信號能夠高效化傳輸，從而提升惰氣發(fā)生器運行控制效果，滿足惰氣發(fā)生器對于信號傳輸?shù)母咝Щc穩(wěn)定性需求[8]。

5 結(jié)語

綜上所述，本文闡述了浮式生產(chǎn)儲油輪惰氣發(fā)生器的防爆基本原理，之后結(jié)合某惰氣發(fā)生器的基本情況對其改造思路進行分析，最后提出了惰氣發(fā)生器的不同系統(tǒng)控制改造升級策略，希望能夠為海上石油工程建設起到一定的借鑒與幫助作用，不斷提升惰氣發(fā)生器控制系統(tǒng)運行效率，為海上石油開發(fā)工作提供支持，同時促進開發(fā)工作安全性提高，推動海上石油工程建設與發(fā)展。