海上井口平臺無人駐守的研究和實施方法

吳紅光,劉向陽,周小昌,陳柱,鄭成明,劉宇飛

(中海石油(中國)有限公司 海南分公司,海南 海口 570312)

當前,能源企業(yè)正在發(fā)生重大變革[1-2],傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)營模式給安全經(jīng)濟生產(chǎn)帶來很大的挑戰(zhàn)。如中國海上采油采氣井口平臺主要是有人駐守平臺,有人駐守的井口平臺需要大量的人員成本、交通成本、后勤服務(wù)成本,同時生活條件也相對于中心平臺艱苦,也不利于人員健康和技能提升;其次,國內(nèi)也有從有人駐守平臺到無人駐守平臺的轉(zhuǎn)變,但并未形成行之有效的方案,無法進行推廣運用。

基于以上原因,本文通過有人駐守平臺到無人駐守平臺的改造實踐,進行歸納總結(jié),形成一套可行的改造方案,為井口平臺駐守模式的轉(zhuǎn)變提供參考。

1 有人駐守的井口平臺現(xiàn)狀和存在問題

1.1 有人駐守井口平臺的現(xiàn)狀

有人駐守井口平臺的現(xiàn)狀如下:

1)平臺組成。一般包括如下設(shè)備和設(shè)施:

a)天然氣傳輸系統(tǒng)。包括采氣樹、油嘴、管匯、管道、關(guān)斷閥及相關(guān)儀表。

b)測試系統(tǒng)。包括測試分離器、關(guān)斷閥及相關(guān)儀表。

c)化學藥劑系統(tǒng)。包括化學藥劑罐、泵、管道等。

d)開排系統(tǒng)。包括開排罐、泵及相關(guān)儀表。

e)閉排系統(tǒng)。包括閉排罐、泵及相關(guān)儀表。

f)救逃生系統(tǒng)。包括消防泵、噴淋閥及管道、儀表等。

g)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。包括硬盤錄像機、視頻攝像頭等。

h)配電系統(tǒng)。包括變壓器、配電柜等。

i)中控系統(tǒng)。包括生產(chǎn)控制系統(tǒng),緊急停車系統(tǒng),火氣系統(tǒng)等系統(tǒng)。

2)人員結(jié)構(gòu)。包括平臺長、操作工、廚師、保安等,根據(jù)各個平臺的特點設(shè)置不同的工種人員。

3)工作內(nèi)容。包括以下幾個方面:

a)生產(chǎn)操作。根據(jù)下游產(chǎn)量需求,平臺長根據(jù)每口井的特點,計算每口井的油嘴開度,由操作工在井口區(qū)手動調(diào)節(jié)油嘴開度來調(diào)節(jié)產(chǎn)量;通過導入單井天然氣到測試分離器,分析每口氣井的產(chǎn)量和組分;根據(jù)產(chǎn)量情況,添加化學藥劑。

b)應(yīng)急操作。如發(fā)生生產(chǎn)關(guān)停事故,檢查異常狀況,確認故障信息并處理故障,恢復(fù)生產(chǎn);如發(fā)生火災(zāi)或泄漏事故,按照火災(zāi)或天然氣泄漏的應(yīng)急處理程序處理,處理完成后,根據(jù)實際情況進行生產(chǎn)恢復(fù)操作。

c)配電操作。根據(jù)用戶需求,給相關(guān)泵進行配送電,滿足現(xiàn)場泵啟動要求;斷電后,啟動應(yīng)急發(fā)電機,恢復(fù)遠程送電。

d)安全方面。通過可燃氣探頭、火焰探頭發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和天然氣泄漏;通過日常巡檢發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常、天然氣泄漏和火災(zāi)等;通過視頻攝像頭發(fā)現(xiàn)海面異常情況,或者外部人員入侵等情況;夜間通過保安巡檢發(fā)現(xiàn)異常狀況并報警。

1.2 存在的問題

以上所述的工作都必須有人進行操作,人員成為不可或缺的因素。因此存在以下問題: 每年需要發(fā)放200多萬人民幣的人員費用;需要給平臺人員提供食品,提供拖輪和飛機交通費用;駐守平臺的人員結(jié)構(gòu)欠缺,僅有平臺長和操作工,操作工無法從安全、生產(chǎn)等多專業(yè)進行學習,技能提升受限制;人員在井口平臺生活,生活設(shè)施簡陋,比較艱苦,人員幸福感較低。

2 井口平臺實現(xiàn)無人駐守的方案

井口平臺實現(xiàn)無人駐守的總體思路: 梳理人員在平臺上的所有工作量,結(jié)合當前的實際情況綜合分析,通過研究通信方式、遠程遙控方法、遠程配產(chǎn)方法、遠程巡檢等,采用適用的通信方案、自動化控制、視頻監(jiān)控等方法替代井口平臺人員工作,滿足井口平臺日常運行需求[3]。

2.1 通信方案的選擇

實現(xiàn)遠程復(fù)產(chǎn),主要是通過中心平臺對井口平臺進行遠程操作和控制,所以合理且可靠的通信方案是關(guān)鍵。一般井口平臺距離中心平臺有幾公里,也有遠達20 km的,實現(xiàn)中心平臺與井口平臺的通信方式有以下幾種:

1)光纖通信。光纖通信是目前最穩(wěn)定可靠且?guī)捵畲蟮耐ㄐ欧绞?達到Gibit/s以上的通信帶寬,可實現(xiàn)辦公網(wǎng)絡(luò)和工控網(wǎng)絡(luò)的物理隔離,且實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的冗余;如果平臺建造時沒有鋪設(shè)光纖,則需要應(yīng)用海纜鋪設(shè)的工程船,海底光纖鋪設(shè)成本非常高。

2)衛(wèi)星通信。衛(wèi)星通信很穩(wěn)定但帶寬小,一般在32 Kibit/s或10 Mibit/s以下;衛(wèi)星通信的租賃費用比較高,因此成本也很高。建議需要數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的工控網(wǎng)絡(luò)采用衛(wèi)星通信,需帶寬大的辦公網(wǎng)絡(luò)或視頻網(wǎng)絡(luò)則不建議使用。

3)微波通信。微波通信的帶寬一般在100 Mibit/s級別,但穩(wěn)定性較光纖和衛(wèi)星通信差,容易受平臺晃動或大風的影響而導致中斷,對于通信穩(wěn)定性要求不高的傳輸可以使用,如視頻監(jiān)控等,但中控系統(tǒng)通信不建議使用,微波通信的成本較低。

4)4G/5G通信。4G/5G通信穩(wěn)定性介于衛(wèi)星通信和微波通信之間,帶寬也介于衛(wèi)星通信和微波通信之間,根據(jù)距離遠近,一般在幾十到100 Mibit/s之間。可以用做工控通信和辦公通信,相對來說,成本略高于微波通信。

因此,可以根據(jù)井口平臺自身的特點,結(jié)合經(jīng)濟性和各通信方式的特點,合理選擇適合平臺的通信方式。

2.2 遠程遙控的方案

要實現(xiàn)中心平臺遠程遙控井口平臺,首先是生產(chǎn)過程實現(xiàn)遠程遙控,其次是輔助設(shè)備也需要遠程遙控[4]。

1)生產(chǎn)過程的遠程遙控。井口平臺具有中控系統(tǒng)[5],中控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接到中心平臺。井口平臺包括生產(chǎn)控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)和火氣系統(tǒng),主要作用是監(jiān)測現(xiàn)場工藝參數(shù)和生產(chǎn)控制、調(diào)控工藝高高低低報警關(guān)停和火氣報警時關(guān)停。因此,遠程遙控的實現(xiàn),需借助生產(chǎn)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),在中心平臺和井口平臺間建立局域網(wǎng)。生產(chǎn)控制系統(tǒng)方面,在中心平臺設(shè)置遠程遙控站,以實現(xiàn)井口平臺生產(chǎn)控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上的延伸;緊急停車系統(tǒng)和火氣系統(tǒng)方面,在中心平臺設(shè)置遠程控制器,或設(shè)置遠程輸入輸出卡件,實現(xiàn)應(yīng)急關(guān)斷需求[6]。

2)輔助系統(tǒng)的遠程遙控。輔助系統(tǒng)主要是視頻監(jiān)控系統(tǒng),一是選擇帶B/S架構(gòu)的硬盤錄像機,實現(xiàn)在終端設(shè)備進行遠程查看;二是通過海底光纖,接入到中心平臺,實現(xiàn)在中心平臺辦公局域網(wǎng)通過瀏覽器訪問監(jiān)控系統(tǒng),滿足遠程監(jiān)視平臺生產(chǎn)狀況的要求。

2.3 遠程遙控實現(xiàn)的方法

通過分析有人駐守的井口平臺的日常操作內(nèi)容,主要從遠程配產(chǎn)、設(shè)備操作、設(shè)備測試等方面進行研究,實現(xiàn)遠程遙控,達到井口平臺無人駐守的目的。

1)遠程配產(chǎn)。配產(chǎn)即調(diào)節(jié)氣量和組分[7],氣量大小主要由油嘴的開度控制,油嘴原采用手動控制,通過增加電動執(zhí)行機構(gòu)的方式實現(xiàn)遠程控制油嘴的開度。同時,電動執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)具備如下功能: 一是電動執(zhí)行機構(gòu)的的百分比開度應(yīng)與油嘴的實際開度一一對應(yīng),二是電動執(zhí)行機構(gòu)能夠?qū)⒂妥斓膶嶋H開度信號回傳到生產(chǎn)控制系統(tǒng)。因此,電動執(zhí)行機構(gòu)的信號可選擇4～20 mA標準信號或4～20 mA+HART方式。外輸流量計和壓力表應(yīng)采用遠程儀表,以實現(xiàn)流量和壓力的遠程監(jiān)視。

2)閉排系統(tǒng)和開排系統(tǒng)。閉排系統(tǒng)和開排系統(tǒng)主要操作是根據(jù)閉排罐和開排罐的液位,遠程控制泵的啟停,滿足液位控制要求。因此,需要將罐體的液位計改為遠程儀表,對控制泵啟停的回路增加遠程啟停的功能,實現(xiàn)生產(chǎn)控制系統(tǒng)對泵的遠程操控。

3)設(shè)備測試。對于井口平臺上的應(yīng)急發(fā)電機,需要1周啟機測試1次,因此需要增加應(yīng)急發(fā)電機的遠程啟停功能。如果應(yīng)急發(fā)電機具有遠程啟停的觸點,則將該觸點信號接入生產(chǎn)控制系統(tǒng),通過組態(tài)就可以實現(xiàn)遠程啟停;如果應(yīng)急發(fā)電機無該觸點,則需要將應(yīng)急發(fā)電機的控制器模塊通過RS-485通信接入中控系統(tǒng)的COM卡,實現(xiàn)對應(yīng)急發(fā)電機的遠程啟停控制。建議采用RS-485通信方式,可同時獲取應(yīng)急發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、電流等信號,滿足啟機測試需要觀察的數(shù)據(jù)要求。

2.4 遠程巡檢的方法

梳理日常巡檢的內(nèi)容,從工藝系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場、生產(chǎn)廠房、直升機接機等方面出發(fā)進行研究,包括如下部分:

1)工藝系統(tǒng)的巡檢。包括采油樹套管的壓力監(jiān)測、井口控制盤的壓力和液壓油液位監(jiān)測,外輸關(guān)斷閥閥位狀態(tài)監(jiān)測等。因此,在這些地方增加遠程儀表,并將監(jiān)測信號接入中控系統(tǒng),實現(xiàn)對巡檢區(qū)域工藝參數(shù)的檢測和報警。

2)生產(chǎn)現(xiàn)場的安全巡檢。生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)的異常狀況,包括泄漏、火災(zāi)、異響等,可以通過增加可燃氣探頭的數(shù)量,實現(xiàn)對平臺所有區(qū)域的可燃氣泄漏的檢測;增加火焰探頭的數(shù)量,實現(xiàn)對平臺所有區(qū)域的火災(zāi)檢測;增加視頻監(jiān)控,實現(xiàn)對生產(chǎn)區(qū)所有區(qū)域的監(jiān)視。

3)生產(chǎn)廠房的安全巡檢。日常生產(chǎn)廠房的巡檢,包括房間溫度、濕度的檢測,房間異常情況。因此,通過增加房間溫濕度探頭,遠程監(jiān)測溫濕度,增加空調(diào)遠程啟停,調(diào)節(jié)房間溫濕度情況。增加房間內(nèi)的視頻攝像頭,可實時觀察房間內(nèi)情況。

對于井口平臺的關(guān)鍵設(shè)備——不間斷電源系統(tǒng),則可采用Modbus通信方式,將設(shè)備運行參數(shù)傳送到生產(chǎn)控制系統(tǒng),以滿足對不間斷電源系統(tǒng)運行參數(shù)進行巡檢的要求。

4)防外部登臨[8]的預(yù)防措施。為提高對外部登臨平臺的人員的響應(yīng),在靠船甲板處,增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)和喊話喇叭,可及時發(fā)現(xiàn)外部非法登臨平臺人員,并做喊話提醒。同時加固登臨通道的反恐門,防止從靠船甲板登臨平臺。

5)直升機接機安全。按照海上平臺規(guī)則要求,直升機降落時,需人工操作消防水炮[9]隨時待命守護,主要職責是發(fā)現(xiàn)直升機有火情,第一時間進行滅火。針對上述內(nèi)容均是人工操作的情況,通過增加視頻監(jiān)控攝像頭,在中心平臺遠程監(jiān)測直升機是否存在火情;通過增加電動消防炮,可在中心平臺遠程打開電動消防炮并控制消防炮的方向,遠程控制滅火操作。

3 井口平臺無人駐守的實施情況

3.1 通信方式和遠程操作的改造

中心平臺和井口平臺之間采用光纖通信方式,建設(shè)一張生產(chǎn)網(wǎng),實現(xiàn)了中心平臺和井口平臺的中控系統(tǒng)局域網(wǎng);建設(shè)一張辦公網(wǎng),實現(xiàn)中心平臺和井口平臺的視頻監(jiān)控局域網(wǎng)。

有人駐守時中控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示,中控系統(tǒng)的工程師站、生產(chǎn)控制系統(tǒng)的控制器、操作站和安全控制器均在有人駐守平臺進行設(shè)置,實現(xiàn)在本地通過操作進行生產(chǎn)控制功能,并通過安全控制器實現(xiàn)應(yīng)急關(guān)停功能。無人駐守時中控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示,利用海底光纜和光電轉(zhuǎn)換器,將井口平臺的中控系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)擴展到中心平臺,并且將井口平臺操作站移動到中心平臺并接入網(wǎng)絡(luò)。同時,在中心平臺建設(shè)1套安全控制器,作為井口平臺安全控制器的擴展。

圖1 有人駐守時中控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲示意

圖2 無人駐守時中控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲示意

通過改造后,網(wǎng)絡(luò)通信速率達到Gibit/s級別,實現(xiàn)中心平臺的操作站對井口平臺遠程操作的功能,同時通過中心平臺的安全控制器,實現(xiàn)中心平臺可遠程關(guān)斷井口平臺的功能。

3.2 遠程遙控生產(chǎn)過程的實現(xiàn)

遠程遙控生產(chǎn)過程的實現(xiàn)步驟如下:

1)遠程配產(chǎn)。為實現(xiàn)遠程配產(chǎn),需將現(xiàn)場手動操作的油嘴更換為電動遠程操作的油嘴。在機械機構(gòu)上,將井口平臺手動油嘴的手輪執(zhí)行機構(gòu)于閥蓋處進行拆解,并通過預(yù)制好的支架連接油嘴與電動執(zhí)行器,實現(xiàn)遠程可操作油嘴。

在電氣連接方面,選擇交流380 V供電的電動執(zhí)行機構(gòu),Ⅰ類危險區(qū)的隔爆型電動執(zhí)行器、隔爆型格蘭頭等配件。在信號連接方面,生產(chǎn)控制系統(tǒng)將4～20 mA模擬量輸出信號接入到電動執(zhí)行機構(gòu),實現(xiàn)開度控制;電動執(zhí)行機構(gòu)的模擬量輸出接入到生產(chǎn)控制系統(tǒng),實現(xiàn)電動執(zhí)行機構(gòu)開度信號的反饋。在生產(chǎn)控制系統(tǒng)操作站上,對電動執(zhí)行機構(gòu)進行組態(tài),實現(xiàn)中控系統(tǒng)對電動執(zhí)行機構(gòu)的0～100%的開度的控制。通過上述改造實現(xiàn)了遠程配產(chǎn),即組分和氣量調(diào)節(jié)的需求。

2)閉排系統(tǒng)和開排系統(tǒng)操作。在原有的現(xiàn)場顯示的液位計上,增加可遠傳信號的隔爆型液位變送器,通過4～20 mA信號接入到生產(chǎn)控制系統(tǒng),并在工程師站進行組態(tài),實現(xiàn)在操作站進行開排罐和閉排罐的液位顯示。在開排和閉排輸送泵控制方面,在啟/停回路各接入1個接觸器,以實現(xiàn)遠程閉合啟動回路和斷開停止回路的功能;并在生產(chǎn)控制系統(tǒng)對開排和閉排泵進行組態(tài),實現(xiàn)在操作站點擊啟/停泵時即可遠程控制泵的啟動和停止。

3)設(shè)備測試。應(yīng)急發(fā)電機控制器具有串口通信,因此采用RS-485通信方式與生產(chǎn)控制系統(tǒng)進行通信。將控制器的串口端子與生產(chǎn)控制系統(tǒng)的串口通信卡進行連接,注意正負極的對應(yīng)。組態(tài)串口通信參數(shù),包括: 波特率、數(shù)據(jù)位、校驗碼、數(shù)據(jù)格式,并對照應(yīng)急發(fā)電機控制器的串口通信地址列表,從而在生產(chǎn)控制系統(tǒng)上設(shè)置對應(yīng)的16位有符號數(shù)據(jù),將應(yīng)急發(fā)電機的啟停信號、轉(zhuǎn)數(shù)、電壓、電流等信號引入,實現(xiàn)在中心平臺的操作站就可以控制應(yīng)急發(fā)電機的啟停。

4)工藝系統(tǒng)巡檢的實現(xiàn)。主要是在工藝管線、罐體上增加對應(yīng)的檢測儀表: 壓力變送器的增加,是在現(xiàn)有的壓力表的引壓管上,增加一路分支的引壓管線,接上變送器引壓口;液位變送器的增加,同樣在液位計旁增加液位變送器,并綁定到液位計旁來實現(xiàn);關(guān)斷閥閥位反饋的增加,通過將現(xiàn)場閥位指示器更換為旋轉(zhuǎn)監(jiān)測的變送器實現(xiàn)。以上變送器的4～20 mA信號均接入到生產(chǎn)控制系統(tǒng),在工程師站組態(tài)后在中心平臺操作站進行顯示。

5)生產(chǎn)現(xiàn)場、生產(chǎn)廠房安全巡檢,防外部登臨的預(yù)防措施。生產(chǎn)現(xiàn)場、生產(chǎn)廠房、登臨處均安裝攝像頭,接入到井口平臺的硬盤錄像機。該硬盤錄像機支持B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),通過海底光纜接入到中心平臺網(wǎng)絡(luò);在中心平臺處設(shè)置1臺監(jiān)視站,可通過登錄瀏覽器的硬盤錄像機的IP地址,查看和調(diào)節(jié)視頻攝像頭。

對于生產(chǎn)廠房的溫濕度監(jiān)測,在每個廠房增加溫濕度儀,在電池間增加防爆溫濕度儀,溫濕度儀具有串口通信功能,采用RS-485通信方式與生產(chǎn)控制系統(tǒng)連接,并將溫濕度數(shù)據(jù)傳回到操作站。當在中心平臺觀察到廠房溫濕度高時,啟動空調(diào)進行降溫抽濕。在防外部登臨的措施處安裝喇叭,信號接入到井口平臺和中心平臺的廣播系統(tǒng),實現(xiàn)喊話功能。

6)直升機接機安全的實現(xiàn)。將原有的手動消防炮更換為電動消防炮;將電動消防炮的串口接入到生產(chǎn)控制系統(tǒng)的串口通信卡并進行通信參數(shù)組態(tài),借助飛機甲板的視頻攝像頭的畫面,在中心平臺實現(xiàn)遠程對電動消防炮炮管的水平移動、豎直移動,以及開關(guān)閥的操作。

3.3 實施效果

在距離無人駐守的井口平臺7.2 km的中心平臺上,通過改造實現(xiàn)以下功能:

1)日常工作如下:

a)生產(chǎn)操作。根據(jù)流量計反饋的流量遠程調(diào)節(jié)油嘴,調(diào)整外輸氣量。

b)安全巡檢。通過中控系統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)查看,代替部分工藝參數(shù)的巡檢;通過視頻監(jiān)控系統(tǒng),代替人工巡檢生產(chǎn)現(xiàn)場和廠房狀況;通過生產(chǎn)廠房的溫濕度監(jiān)測,代替人工巡檢電氣房間溫濕度;通過不間斷電源系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù),代替人工巡檢不間斷電源系統(tǒng)的情況。

c)直升機降落安全。通過增加攝像頭、電動消防炮,代替人工實現(xiàn)了無人接機情況。

2)周測試工作。通過增加應(yīng)急發(fā)電機與中控系統(tǒng)通信,中心平臺中控系統(tǒng)可遠程啟停應(yīng)急發(fā)電機,完成周測試工作;通過增加閉排泵、開排泵的啟停功能,實行周啟停測試工作。

通過對有人駐守井口平臺的上述改造措施,論證了無人駐守的可行性,并經(jīng)過2年多的測試驗證,能夠達到每月巡檢和保養(yǎng)一次的目標[10]。

4 結(jié)束語

有人駐守井口平臺通過以上改造方案,從平臺的生產(chǎn)、安全、設(shè)備維修等實際情況出發(fā),在保障平臺穩(wěn)定生產(chǎn)的情況下實現(xiàn)了無人駐守的目的。從安全角度來說,降低了人員安全成本;從經(jīng)濟角度來說,大幅降低了人工操作成本每年200萬元人民幣以上;從社會效益來講,推動了中國海油5個標準的更新,推廣到海油新建平臺和老舊平臺的改造項目中。