海上天然氣平臺控制系統國產化的工程實踐

唐俊冰，姚樹超

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南?？?570100）

0 引言

某海上天然氣氣田是中國對外合作開發的天然氣氣田，于1996 年投產，現已運行25 年，進入開發后期，產量遞減，桶油成本逐年增加，經濟效益逐年下降。為了進一步降低生產成本，提高氣田經濟效益，氣田結合自身現狀，針對生產現狀及增產挖潛措施研究氣田將來的生產方式[1]；針對設備設施現狀，研究如何提高設備設施的自動化水平及可靠性、穩定性。在綜合上述因素的基礎上，通過研究成果，實施國產化相關改造研究及運用[2]。

該氣田中控系統的整體國產化改造成功實施，應用采購了國產廠家和利時的集散控制系統DCS[3]、安全儀表系統SIS，以及控制軟件，替換了原有國外的生產控制系統PCS、應急關斷系統ESD、火氣消防系統F&G，國產產品完全替換國外控制系統，全面實現國外系統的編輯、控制、運算、通信以及數據交換等功能，為國內油氣工業的控制系統國產化及智能化應用提供了參考[4]。綜合考慮項目增量及少人化后費用節約的共同影響，該項應用降低了該氣田桶油成本，效益顯著。

1 國產化控制系統設計

1.1 總體概況

該項目通過平臺控制室作為控制中心，匯聚了4 種控制系統：天然氣生產控制系統（PCS）、設備保護系統（FPS）、火氣系統（FGS）、小型機組PLC 控制系統。各系統控制網絡均配備冗余網絡、冗余硬件，保障生產工藝流程穩固安全。另外，平臺天然氣生產控制中心配備了衛星通信功能，實現陸地遠程遙控海上平臺生產。

各控制系統通過現場站控制儀表設備采集數據、處理數據、調節控制、保護聯鎖，通過控制中心操作站通信現場站，顯示現場儀表狀態及現場工藝流程調節。小型PLC機組控制系統直接通過現場PLC 通信到平臺控制中心進行數據交換及狀態檢測。

1.2 控制系統關聯

各控制系統之間相互關聯，各系統安全等級不同，火氣保護系統和生產設備保護系統安全級別高于生產控制系統和小型機組PLC 控制系統。FGS 系統檢測平臺任何角落的火氣狀態，出現火情時，觸發聲光報警，啟動消防設備，生產緊急關停，平臺進入應急狀態?；饸鈭缶盘杺鬏數紽PS，它將執行所有與安全相關的停機功能和設備安全監控，以及手動和自動的應急系統啟動。FPS 的所有指示傳送到在平臺控制中心。另外，PCS 系統為工藝流程提供操作界面并執行模擬控制，記錄所有關鍵的數據。PLC 的關聯是通過各撬塊的PLC控制系統硬件通信到交換機，將數據傳輸給PCS 系統，對其系統儀表狀態檢測。PCS、FPS、FGS 及小型PLC 控制系統之間主要通過以太網進行通信，整個控制中心網絡架構如圖1 所示。

圖1 控制中心網絡架構

1.3 控制系統軟硬件

該控制系統使用和利時MACS V6 軟件編寫完成，采用集中管理、分散控制，將PCS、FPS、FGS 及PLC 控制系統共同集成到平臺控制中心，在任何一臺操作員站都可進行監控平臺生產運行狀態，可以調用不同服務器數據。

系統硬件選型如下：①工作站為DELL T5820；②集散控制系統硬件為和利時K 系列和SM 系列；③和利時工業交換機GM010 系列交換機；④自動化網絡交換機Catalyst 2950；⑤PLC控制系統硬件為和利時LK 系列。

2 天燃氣生產系統及設備保護系統設計

生產控制系統包含3 個現場站，每個站都配備和利時集散控制系統全面冗余技術實現生產流程穩定、可靠控制，PCS 系統由控制中心統一監控調整。其主要功能為采集現場工藝流程的壓力、溫度、液位及流量等物理參數、檢測設備運行狀態、記錄報警和歷史趨勢、實時生成生產報表、設備控制指令的發出、切換控制器和歷史站。

同樣，設備保護系統包含3 個現場站，配備安全儀表系統冗余硬件及冗余安全網絡，用于現場具有關停信號的儀表變送器、控制閥門及各類安全閥門等儀表設備的集中管理和分散控制，防止現場生產突發危險的擴散，保障生產平臺的安全。生產控制系統與設備保護系統結構如圖2 所示。

圖2 生產控制系統與設備保護系統結構

3 火氣系統設計

火氣系統是用來探測生產現場是否出現火情、危險氣體是否泄漏，從而判斷是否釋放對應區域的滅火設備，該系統通過FGS 硬件獲取各類探頭探測平臺各個區域的數據，將探頭采集的現場的數據，傳到控制中心，當現場某一個點出現問題時，能夠及時的將報警信號傳輸到控制中心，火情觸發信號經過邏輯判斷，進一步下達是否執行FPS 和PCS 系統關停生產的指令。同時，現場的該區域的消防設備自動開啟，阻止危險進一步擴散?；饸庀到y網絡架構如圖3 所示。

4 PLC 系統設計

和利時LK 系列PLC 屬于大型PLC，其借鑒了國外主流產品優點，融合了計算機、自動化技術控制、通信等領域的最新技術。海上平臺PLC 控制系統主要應用于空氣壓縮機、應急發電機、三甘醇加熱爐，配合PCS、FPS 及FGS 形成完整的生產控制系統。

空氣壓縮機有4 臺，每兩臺空氣壓縮機采用1 套PLC 控制，為平臺儀表風、公用氣提供氣源。三甘醇撬塊有2 套PLC 進行控制，分別為來自A、B 串聯的天然氣進行脫水處理。應急發電機采用1 臺獨立的PLC 控制，平臺主發電機關停，將會自動啟動應急發電機，為平臺提供臨時用電。氮氣發生器設置1 臺PLC 控制，制出合格的氮氣用于平臺工藝管線的吹掃氣及覆蓋氣。平臺的6 臺機組設備，需要將機組溫度、壓力、振動、報警等相關參數，利用以太網通信到PCS 系統中。

5 系統通信設計

平臺原有控制系統采用DeltaV、羅克韋爾AB 系統，以RS232、RS485、DH+等協議通信，系統邏輯龐大、復雜，并且三大系統之間又有大量數據交換。系統國產化升級后，各通信網絡都是雙交換機、雙網卡、雙網絡、雙網段，采用光纖網絡通信，經過平臺工業以太網交換機，各系統之間進行頻繁的數據傳輸，升級后的通信網絡為信號傳輸提供可靠傳輸通道，提升了控制系統傳輸通信效率，保證生產現場實時快速的采集數據。另外，生產系統經過自動化網絡交換機通信到衛星交換機，實現陸地對海上平臺生產控制系統的遠程遙控。

6 結束語

闡述國產化工業生產控制系統代替國外控制系統的設計及部署實施，操作人員在控制中心集中監視、管理全線的工藝生產運行，將平臺原有分散的各個系統，整合到同一系統，實現設備參數統一實時監視、控制。該系統充分體現國內工業控制系統的開放、穩定性。軟硬件配置靈活、控制安全可靠的優點。

該海上天然氣平臺生產控制系統于2021 年3 月完成國產化工作，該系統自投產以來系統硬件與軟件具有良好的穩定性、可靠性，綜合設備維護費用、生產效益取得了不錯的成果，說明該國產化系統的設計滿足現有國內工業生產要求。