紧急联锁关断系统在海洋采油平台中的应用

韩小磊

(中石化石油工程设计有限公司,山东 东营 257026)



紧急联锁关断系统在海洋采油平台中的应用

韩小磊

(中石化石油工程设计有限公司,山东 东营 257026)

摘要：为保障海洋采油平台生产、集输的安全运行，避免污染海洋环境的事故发生，根据采油平台生产工艺流程，结合埕岛油田SCADA测控系统的自身特点，将采油平台紧急联锁关断等级分为四级，明确了每个级别联锁关断的触发条件和关断动作，通过PLC系统的编程实现联锁关断逻辑，丰富了SCADA系统的功能，确保了采油平台安全、平稳、高效的运行。

关键词：采油平台紧急关断系统可编程逻辑控制器过程控制系统

胜利埕岛油田是拥有3座中心平台和90多座采油井组平台的大型滩海油田，采油平台完成采油、计量及加热等生产工艺流程，原油通过海底输油管道输送至中心平台进行油、气、水处理，最后输送至陆地。紧急关断系统(ESD)通过对油井生产集输关键参数(单井回压、外输干压、加热器温度、火灾报警、可燃气体报警等)的连续监视，检测其相对于预定安全条件的变化，当参数值超出安全限值时，系统会立即对相应生产设备实施关断，保障生

产和集输的安全，使发生恶性事故的可能性降到最低。

1生产工艺流程

采油平台井口来油靠井口压力流经计量流程或生产流程后，原油通过海底管线输送至中心平台，进行简易的油气水处理，最后输送至陆地。采油平台生产工艺流程如图1所示，设备主要包括井口采油树、计量流程中的计量电加热器和混输流程中的生产电加热器[1]。

图1　采油平台生产工艺流程示意

2系统组成及特点

2.1系统组成

2.1.1安全仪表系统(SIS)

该油田SCADA系统采用了“三级网络，两级控制”的架构，中心平台和陆地中心站均可以遥测遥控各采油平台，采油平台端的控制系统由过程控制系统(PCS)和SIS组成，其中SIS又由ESD和火气系统(FGS)组成。ESD主要完成对工艺生产参数的监控，包括干温、干压、加热器出口温度、井口回压等参数，并根据生产参数的变化实施对相应井口电潜泵、电加热器、紧急切断阀等设备的紧急停车。FGS主要完成对采油平台火灾报警信号、可燃气体报警信号的实时监控，并根据不同安全区域的火灾或可燃气体报警信号联锁关断井口电潜泵、井上井下安全阀和紧急切断阀等设备，并控制4种不同颜色平台状态灯的开启和熄灭。

2.1.2关键参数

为保障采油平台稳定、安全的生产，根据工艺流程确定了影响工艺的重要生产参数[2]，如： 为保障井口原油的正常外输，将单井回压、平台原油外输干压作为联锁关停油井的触发条件；将加热器出口温度作为联锁关停生产或计量加热器触发条件；将可燃气体或火灾报警作为联锁关断切断阀、电潜泵等设备的触发条件等。将火灾与可燃气体检测的安全区域分为生活楼区、井口区、配电楼区、工艺区、修井区等，为避免可燃气体误报警，规定同一区域需2个以上可燃气体报警才会触发联锁关断。

2.1.3系统软硬件

SIS硬件由Conrtollogix系列可编程逻辑控制器(PLC)组成，CPU和通信模块采用热备冗余配置，CPU槽架和IO机架之间采用冗余的ConrtolNet网络通信，最大限度地保证系统的安全、正常、平稳运行。

系统软件采用了RSlogix5000作为PLC的编程软件，通过梯形图及AOI功能块的使用，完成ESD和FGS的逻辑控制。HMI人机界面和数据库采用EPKS软件，通过HMIWeb Display Builder编写画面，通过Quick Builder编写数据库，完成人机界面的开发。

2.2系统特点

2.2.1四级关断

根据国内外油气田设计经验，结合海洋采油的实际情况，将紧急联锁关断等级分为四级：

1) ESD-0。此级别关断为最高级别关断，所有设备全部停车，弃平台，并点亮弃平台状态灯，此关断为人工触发。

2) ESD-1。此级别关断为全平台关断，点亮火灾状态灯，由火灾及人工确认触发。

3) PSD。此级别关断为工艺设备关断，不泄压，只停工艺设备，由外输管线干压和可燃气体报警触发。

4) USD。此级别关断为单元设备关断，为不影响整体工艺流程的单独设备停车，由单元设备参数触发。

2.2.2仪表独立

井口单井回压、原油外输干压等重要生产参数均设独立仪表，同一参数现场安装2块仪表，SIS和PCS仪表独立分开。

2.2.3冗余

SIS实现了CPU的热备冗余和输入输出模板I/O冗余，降低硬件、仪表回路故障所引发的误关断概率。

3关断设计方案

3.1ESD-0级关断

此为弃平台关断，所有设备关停，泄压阀泄压，切断电源，给予最高级别警示。

触发原因： 不可预知自然灾害，经人工确认弃平台。

关断输出： 触发ESD-1级别关断；激活平台蓝色状态灯；HMI报警。

3.2ESD-1级关断

此关断为全平台关断，为避免事故发生或者减少事故损失，需要触发级别关断，此级别关断平台所有设备，且油井井上、井下泄压阀泄压，保证油井本质安全。与ESD-0级别不同在于指示灯颜色不同。

触发原因： ESD-0触发；现场发生火灾、爆管等重大事故并经人工确认；井口工艺区火灾报警。

关断输出： 触发PSD关断；激活平台红色状态灯；关断所有油井井上井下安全阀；HMI报警。

3.3PSD级关断

此级别为工艺流程的关断，当工艺流程中某一参数发生变化时，引起相应流程设备的关断。该系统中外输管线干压超高或超低都会对整个管网造成影响，因而在外输干压超限时需要关停所有生产设备，并切断外输管线的切断阀，但油井井上及井下不泄压。

触发原因： ESD-1触发；海底外输管线干压高高压或低低压报警；同一区域两台可燃气体高报警。

关断输出： 关断外输管线紧急切断阀；关停所有油井井口电潜泵；停计量加热器、停生产加热器；HMI报警。

3.4USD关断

此关断为单元关断，由采油平台工艺流程中单元设备参数引起的本设备关断，目的在于保护生产设备。井口回压作为单井井口出口压力，压力过高或过低都会对整个采油井组的原油输出造成影响。压力过高会对其他油井的出油量产生影响，从而影响电潜泵，压力过低则会受到其他油井的影响[3]。原油加热器出口温度作为加热器的重要生产参数，适当提高油温有利于原油的输送，但油温过高会对设备和管线产生损害，且油温一旦超过100 ℃，原油中的水分会转化为水蒸气，致使管线和设备承受压力增大，易发生危险。

触发原因： 单井井口管线出口压力高高或低低压报警；计量加热器出口温度高高报警；生产加热器出口温度高高报警。

关断输出： 关停相应单井井口电潜泵；停计量加热器、停生产加热器；HMI报警。

4紧急联锁关断系统的实施

4.1系统的搭建与开发

紧急联锁关断系统包括ESD和FGS，根据不同触发条件，执行不同的设备关断，系统结构如图2所示。该系统采用了PLC实现紧急联锁关断的控制方式，PLC采用了CPU的热备冗余方式，保障系统的可靠运行，FGS和ESD共用一套PLC的CPU，但I/O槽架严格区分，各槽架之间采用冗余的ControlNet网络通信，PLC与中控室服务器采用以太网链接，保证通信的质量和可靠性。

图2　紧急联锁关断系统结构示意

PLC系统完成各参数的采集、逻辑运算和输出控制等功能，并与中心平台中控室进行数据交换，响应中控室的各种控制指令。该系统采用的PLC数据处理能力、稳定性、可靠性均属同行业顶尖水平，有效地保障了紧急联锁关断系统的运行质量。

4.2系统软件开发

ESD关断逻辑的实现，需要PLC通过编程实现。针对海洋采油的特点及对紧急关断输出的要求，编制了电潜泵、切断阀、井下安全阀及普通开关控制的功能块(AOI)，有效地将紧急关断及普通的遥测遥控融合到了一起，且具有高效、直观等优点。主程序框图如图3所示。

该系统在完成数据采集后，程序进入ESD触发原因状态位逻辑检测部分，这一部分中需要判断火灾、可燃气体、回压、干压等关键参数是否超限，如若超限，各超限参数会触发相应的报警状态位，此报警状态位作为关断输出的输入条件，为真时触发相应关断。

图3　ESD关断逻辑主程序框图示意

4.3系统应用情况

紧急联锁关断技术已在该采油平台展开应用，系统自投产以来，出现多次单井回压超限引起的USD级别关断，未发生更高级别的联锁关断，关断响应时间均小于1s，实现了对设备的准确关停，保障了该平台生产的安全。

5结束语

紧急关断逻辑的制订和实施是个极其复杂的工程，不同工艺的流程对因果逻辑影响很大，随着采油平台集输管网的连接，一条集输管线所连接的所有采油平台的相互协调关断是影响输油管道集输安全的重要因素，实际实施中要认真分析，确保把一条集输管线上所有平台的紧急关断有机地结合成一个整体。

参考文献：

[1]黄少伟,谢腾腾.提高埕岛油田无人值守平台测控系统可靠性初探[J].电子设计工程,2012,20(11)： 64-66.

[2]高进,周彬.ESD系统在忠县天然气净化厂的应用及优化[J].石油与天然气化工,2008,37(04)： 347-348.

[3]管丰年.生产过程控制系统的可靠性措施[J].石油化工自动化，2005,41(03)： 5-8.

[4]谭传强,赵旭东,黄朝阳.科威特大型集油站工程自控系统设计与投运[J].石油化工自动化,2001,37(06)： 13-17.

[5]衡军山,甄成刚.基于软件的双CPU冗余控制研究[J].微计算机信息，2005,21(07)： 59-61.

[6]张江维.基于双CPU的冗余控制研究与实现[J].机电工程技术，2005,34(04)： 64-65.

[7]周林,廖长初.提高可编程控制器控制系统可靠性的措施[J].工业自动控制，2000(06)： 20-22.

[8]刘富强，卢赤班.数字视频监控系统及其应用[J].工矿自动化，2003,12(03)： 31-33.

[9]王思强,田京山.印度尼西亚气体处理厂紧急关断系统设计[J].天然气工业,2008,28(09)： 114-116.

[10]于智洋,耿立文,张杰.紧急停车系统中紧急关断阀的在线测试方法[J].重庆工学院学报,2008,22(10)： 190-192.

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)03-0068-03

作者简介：韩小磊(1981—)，男，山东东营人，2009年毕业于中国石油大学(华东)检测技术与自动化装置专业，获硕士学位，现就职于中石化石油工程设计有限公司，主要从事自动化设计工作，任工程师。

稿件收到日期： 2015-01-28，修改稿收到日期： 2015-03-15。