FPSO转塔系泊系统监控系统设计

李彤

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津 300452)

基于不同的工作环境和所在海洋结构中的位置,可以将单点系泊系统分为三种主要类型,内转塔系泊系统(Internal Turret Mooring System)、外转塔系泊系统(External Turret Mooring System)、塔架式软刚臂单点系泊以及悬链锚腿式单点系泊(CALM)等类型[1]。转塔式系泊系统(Turret Mooring System, TMS)是FPSO单点系泊系统的一个重要类型,主要包括内转塔和外转塔两个主要结构形式,是FPSO能够安全、稳定系泊定位在海上油田核心设备。常见的内转塔式系泊系统主要有3种:浮筒式转塔系泊系统、浸没式转塔装卸系统以及浸没式转塔生产系统。基于南海东部的FPSO项目,介绍FPSO转塔式系泊系统相关的过程控制、火气探测和紧急关断系统的系统架构和远程控制站的配置。

1 TMS系统构造

以南海某海上油田FPSO所采用的TMS系泊系统为例,该区域海底到水面之间的管线、电缆、控制管线等采用柔性连接,再通过旋转机构与FPSO连接[2]。其系统构造组成主要包括以下几部分。

1)塔架结构。该结构位于FPSO船体首部甲板上,环绕转台顶部以容纳滑环塔等驱动装置、管道、系泊缆绞车、动力控制设施等[3]。该结构主要功能是提供从FPSO船体到TMS转台的支撑和通道,为人员日常操作、巡检和维护转台上的设备提供支持,并随着船体转动。TMS系统总体构造示意图和塔架结构见图1、2。

图1 TMS系统总体构造示意

图2 塔架结构示意

2)上转塔结构。该结构位于TMS下转塔结构的顶部,在船体甲板上方的固定侧。上转塔内主要安装有管道、阀门、滑环等设备,并跟随FPSO船体在风标的作用下一起转动,见图3。

图3 上转塔结构示意

3)下转塔结构。该结构位于船体单点舱内部,上转塔结构的正下方。下转塔与系泊腿连接,通系泊腿连接锚桩固定在海床上,内部的管线和电缆接头与水下柔性立管和脐带缆连接,不随船体转动,见图4。

图4 下转塔结构示意

4)滑环。滑环即旋转接头,该设备位于上转塔,主要包括能够旋转的生产滑环通道、高低压电滑环通道、仪控滑环通道和光纤滑环通道,接收来自立管和脐带缆的气液相混输液、电力和光电信号,实现将来自水下立管和脐带缆的非转动侧井液、电力和通讯信号传输到转动侧的FPSO船体上,是TMS系统的核心设备集成件,见图5。

图5 滑环设备示意

2 TMS监控系统设计

2.1 监控系统架构

仪表控制系统是单点系泊系统的控制核心,也是单点安全生产和运营的守卫系统。TMS的仪表控制系统是FPSO单点项目开发的关键环节之一,其系统架构的合理设计,不仅直接影响单点的自动化水平,也关系到整个海上油田的安全平稳生产。单点系泊系统厂家一般都自行设计和开发控制系统,且单点控制系统也涉及过程控制(Process Control System, PCS)、应急关断(Emergency Shutdown System, ESD)和火气探测报警系统(Fire and Gas System, FGS),采用单点控制系统分别通独立的远程控制站、I/O机柜或控制盘接入FPSO中控系统。

本项目在TMS塔架结构上设置过程控制系统,应急关断系统,火气系统三套远程控制站,作为FPSO中控系统的子系统,实现对TMS单点系统相关监控功能。由于单点系泊系统上的设备比较分散,且距位于生活楼的中央控制室较远,进线多且引线不便,单点系统远程控制站(I/O机柜)的设置是十分必要的。在船首单点塔架结构上设置远程控制站,不仅可以方便仪表电缆布线和接线,减少仪表电缆,而且便于系统现场调试和后期的升级改造。远程控制站与FPSO中控系统间通过数据总线进行通讯,可互传控制信号。塔架结构上的工艺设备、现场仪表、应急关断阀(SDV)、火气探测及报警设备等通过硬线分别接入PCS、ESD、FGS远程控制站,与中控系统实现通讯。TMS监控系统组成及原理见图6。

图6 TMS监控系统组成及原理

TMS上转塔上非转动结构侧上的工艺设备、现场仪表、应急关断阀、火气探测及报警设备的硬线汇集到各自的接线盒,经仪控信号滑环分别接入PCS、ESD、FGS远程控制站,通过数据总线与FPSO上部组块中控系统实现通讯。需要着重考虑的是,位于船首的单点区域所处环境温度及大气湿度条件比较恶劣,夏季温度比较高,冬季温度较低,在甲板上设置远程控制站,需要考虑设置在首部舱室或装有空调的空间里。如果设置在室外,要为远控制站加装正压通风、遮阳挡雨等防护措施。

2.2 PCS远程控制站的配置

PCS远程控制站安装在上转塔上,采用就地检测、集中监控的控制方式,对单点各种工艺设备、公用设施的过程数据进行实时采集、监控、报警,生成日志和报警记录,并与FPSO中控系统进行信号传输,主要包括以下组成部分。

1)舱壁安装的壁挂式Exd级防爆控制箱,防爆控制箱内部集成Exe级防爆接线盒,用于现场电缆端与控制箱的连接。

2)防爆控制箱内安装PLC控制器的硬件,主要包含电源、CPU、I/O卡件和通讯卡件。

3)PCS控制站不配备用于本地控制和监视的设备,如触摸屏或按钮。人机界面由FPSO中控的操作员站集成显示。

4)控制站与PCS远程控制站的接口将通过串行数字链路进行通讯。

5)所有现场仪表和设备的控制信号都硬线连接。

2.3 ESD远程控制站的配置

ESD远程控制站安装在上转塔上,遵循独立设置且中间环节最少和故障安全型的原则,能够满足相应SIL等级要求的一套SIS仪表系统。ESD按照设置好的因果逻辑运行和处理TMS上的应急关断功能,联锁关断逻辑的配置原则主要涵盖低级别的关断不能触发比其级别高的关断,只能触发本级和所有较低级别的关断。单点ESD控制站包括以下组成部分。

1)壁挂式Exd级防爆控制箱,防爆控制箱内部集成Exe级防爆接线盒,用于现场电缆端与控制箱的连接,并通过1类危险区的认证。

2)防爆控制箱内安装PLC控制器的硬件,主要包含电源、CPU、I/O卡件和通讯卡件。

3)ESD控制站面板根据IEC 61508/61511要求获得SIL 3等级认证。

4)控制站不配备用于本地控制和监视的设备,如触摸屏或按钮。

5)控制站与ESD远程控制站的接口将通过串行数字链路进行通讯。

6)所有现场信号都硬接线。

7)所有关断信号都应是故障安全的。

2.4 FGS远程控制站的配置

FGS远程控制站安装在上转塔上,是FPSO FGS的一个子系统,被配置为TMS FGS的独立逻辑求解器,能实现及时准确地探测到单点塔架和单点舱内正在发生或已经发生的火灾和可燃气体泄漏事件,及时触发关断逻辑、声光报警、PA/GA广播、消防系统启动等措施以保护人员和设备的安全。火气探测系统相关设备的布置按照单点系统的具体结构和安全需求,按照设备厂家的产品性能要求,结合NFPA72和船级社有关标准和规范,进行合理布置。本项目FGS的控制站配置包括下列组成部分。

1)壁挂式Exd级防爆控制箱,防爆控制箱内部集成Exe级防爆接线盒,用于现场电缆端与控制箱的连接,并通过1类危险区的认证。

2)防爆控制箱内安装PLC控制器的硬件,主要包含电源、CPU、I/O卡件和通讯卡件。

高似孙撰《剡录》时，剡已改嵊，新昌早从剡县中析出，但高氏依然以剡为地域范围来记述，将新嵊交界处王罕岭发生的古金庭逸事记入了《剡录》。到后来，随着世事的变迁，人们对地处深山王罕岭的古金庭渐渐淡忘，而以华堂新金庭替代了古金庭。笔者认为古金庭另有遗址存在于王罕岭，新金庭是古金庭在异地的延续和发展。

3)按照IEC 61508/61511进行SIL 3认证,并考虑冗余设计。

4)不配备本地控制和监控设施,如触摸屏或按钮。

5)与FPSO FGS系统通过串行数据接口连接。

6)所有现场信号都将硬连线。

7)位于塔架结构上的现场设备不连接到TMS的FGS面板,而是直接路由到FPSO FGS远程机柜。

2.5 光纤设备的配置

TMS和FPSO中控室之间的光纤链路,需提供以下设备。

1)光纤接口的接线盒将安装在塔架结构上。

2)光纤滑环将作为滑环堆栈一部分。

3)FPSO通过单点与各平台控制系统之间通过海缆进行双向通信,采用同步传输协议(SDH)进行光电信号的接入和转换,提高数据传输的可靠性。

4)海上平台与FPSO设置单模光纤的传输生产数据和关断信号,并以太网形式将中控系统的控制网和安全网进行组网数据传输。

2.6 FPSO中控室

FPSO的中控室主要包括主控制室和设备操作室,分别布置在生活楼内。中控室内除布置有中控系统设备外,还设有通信设备和其他第三方设备。

1)控制室内主要布置。带有UPS的电源柜、过程控制系统、应急关断系统和火气系统的控制柜、通信机柜、液位遥测系统控制柜、原油外输计量系统控制柜、闭路电视CCTV机柜、船体和上部模块的可寻址火灾盘等。

2)操作室主要内布置。单点监测系统操作站、货油和装载计算机控制站、原油外输计量系统操作站、OPC服务器、数据服务器、应急操作盘、打印机;VHF、UHF、广播遥控板、自动电话和CCTV显示器;信号灯、航行灯、直升机甲板照明控制箱和室外灯遥控开关柜;主甲板和直升机甲板泡沫泵遥控板;惰性气体控制柜和应急开关阀控制箱[4]。

2.7 其他设计考量

TMS监控系统的设计寿命为30年,更换部件的使用寿命应与国际通用标准一致。该设备应适用于在潮湿、含盐空气条件下的严重海洋腐蚀性大气中运行。现场安装的电气设备和仪器仪表的设计应满足以下要求。

1)相对湿度,100%。

2)环境温度,11.5～36.0 ℃。

3)空气质量,含盐腐蚀性空气。现场仪表选型时要充分考虑海洋环境带来的腐蚀情况,尽量采用不锈钢材料的仪表外壳,铝制材料耐盐腐蚀较差,不建议采用。

4)百年一遇海况FPSO运动参数,需充分考虑FPSO的运动特性对控制系统带来的影响,本项目FPSO升沉运动11.3 m,横摇运动20.6°,纵摇运动9.7°。

5)无线仪表,无线仪表设备的使用已经比较可靠,可考虑在空间有限的单点舱内,对于非关键控制的回路安装一些无线仪表,减少仪表电缆的使用,也为未来系统扩展打下基础。

6)OPC服务器的利用,除了通过硬线连接控制信号外,对于单点舱内一些成系统的第三方的设备信号,可以充分利用FPSO中控系统的OPC服务器来进行串行通讯。

3 结论

1)根据项目实施效果,PCS、ESD及FGS系统架构和控制站配置能够满足TMS转塔式系泊系统的过程控制、火气监测和应急关断要求。

2)连接TMS转动与非转动部分控制信号所需的仪控滑环设备技术可靠,能够保证控制系统功能的实现。