纪超;徐正海;丁传晖;陈迪
【摘 要】通过对大量已投产海上油气田平台的中控系统进行比选分析,归纳各品牌中控系统的基本特点和共同特征,所总结的经验可作为未来海上油气田平台中控系统选型的重要依据.%Through comparing and analyzing the central control system of offshore platform in service,including their general features and common characteristics,their application experience were summarized to provide an important basis for selecting offshore platform's control system later.
【期刊名称】《化工自动化及仪表》
【年(卷),期】2017(044)001
【总页数】7页(P79-84,99)
【关键词】中控系统;海上油气田平台;对比分析;系统拓扑结构
【作 者】纪超;徐正海;丁传晖;陈迪
【作者单位】中海油研究总院;中海油研究总院;中海油研究总院;中海油研究总院
【正文语种】中 文
【中图分类】TH862
海上油气田的生产是将海底油(气)藏中的原油或天然气开采出来，经过采集、油气水初步分离与加工、短期储存、装船运输或经海底管道外输的过程。海上油气田开发具有技术复杂、投资高及风险大等特点[1]，因此，安全生产是海上油气平台重点考虑的问题。而仪表控制系统是海上油气田开发工程中的关键环节之一，它一方面连续检测并控制海上油气田的各种生产、公用设备的正常运行；另一方面又对各种意外事故进行实时监测，一旦出现意外，第一时间报警并由系统逻辑自动处理，将不安全因素控制在最小范围内，从而保障海上油气田的生产安全、确保人员和设施的安全。只有中控系统发挥良好的功能，才能保障海上油气田的顺利开发[2]。 中控系统作为海上油气田平台的“大脑”，是保证海上油气田平台在安全前提下正常生产的
重要组成部分。中控系统通常由过程控制系统(PCS)、应急关断系统(ESD)和火气探测系统(FGS)组成。控制系统的网络结构一般分为3层，即设备网络、控制网络和信息管理网络，这种分层控制结构是现在海上油气田平台控制系统中比较典型的方式[3]。对于规模较大的海上油气设施，通常情况下，过程控制系统、应急关断系统和火气探测系统分别由各自独立的控制系统构成，再通过复杂的系统集成将这3个系统集成为一个网络化的集成平台控制系统，实现数据和人机界面的共享以及各子系统之间的联动。在不断强调安全生产的今天，上述三大系统的各自独立成为一种趋势，采用这样的设计方式，可以进一步提高控制系统的安全可靠性。对于海上油气田来说，应急关断系统和火气探测系统是非常重要的，正是因为有了设计完备的应急关断系统和火气探测系统，才充分保障了海上油气田的安全。
但是对于规模很小的无人简易井口平台，由于控制和检测点都很少，为了节省费用、降低投资，在确保安全的前提下，有时也将过程控制系统、应急关断系统和火气探测系统设计成一个整体，由一套控制系统完成。
1.1 过程控制系统
过程控制系统主要完成对海上油气田各种生产过程中所属控制对象的状况进行检测和常规控制，以及必要的显示和报警，其主要工作内容如下：
a. 动态显示生产流程、主要工艺参数和主要设备运行状态，以声光报警形式显示平台生产和安全异常状态，并打印记录备案；
b. 对生产过程进行监控，可在线设定、修改控制参数，完成各种控制功能，定期打印生产报表，存储历史数据；
c. 监视和诊断控制系统工作状态，并以声光报警形式显示其异常状况；
d. 实现与其他控制系统的通信，对其运行状态进行监视；
e. 提供方便友好的人机操作界面。
1.2 应急关断系统
由于海上油气平台上的工作人员和设备高度集中，又处于易燃易爆的危险环境中，因此对于人员和设备的安全控制要求非常高。为了保护平台人员和设施的安全，防止环境污染，
将事故损失限制到最小，海上油气田通常都设置专门的应急关断系统。
应急关断系统随时监测海上油气田的生产过程，一旦出现事故的危害性状况，系统将自动执行相应的应急关断逻辑，避免事故扩大或灾难性事故的发生，从而有效保障了海上油气田人员和设备的安全。ESD与PCS系统的区别就是前者是静态的控制系统，后者是动态的控制系统[4]。
1.3 火气探测系统
海上油气田设置火灾和可燃气探测控制系统(FGS)的主要目的是及时、准确地探测到可能或已经发生的可燃气泄漏事故和火灾情况，并及时采取相应措施以保护海上油气田工作人员和设施的安全。火灾和可燃气探测控制系统主要包括火气监控系统和现场探测、报警设备，可自动探测火灾和可燃气体泄漏，自动/手动启动报警、消防系统，自动/手动执行火气关断逻辑，对控制网络、现场探测设备和系统进行自诊断。此外，在有人居住的中心平台的生活区值班室还设置了火灾控制盘，对生活区的火气设备进行监控，将状态信息传到中控室的FGS系统，并接收来自FGS系统的控制信号。
现场火气探测和报警设备包括火焰探测器、热探测器、烟探测器、可燃气体探测器、有毒气体探头、手动报警站及平台状态灯等。设计时根据现场生产设备情况的异同，进行合理布置。
海上油气田平台工艺流程相比于陆上石油化工流程较为简单，因此中控系统的规模也相对较小，一般采用中小型DCS和SIS系统即可满足正常流程容量需求[4]。由于海上油气田平台具有高风险的特点，所以海上油气田平台中控系统更加重视安全控制系统的作用。
随着自动化技术和控制系统产品的不断发展，经过数十年的应用与经验积累，海上油气田平台仪控系统的自动化程度与安全可靠性有很大的提升。目前，海上油气田平台所使用的DCS和SIS系统涉及十余家世界著名自动化公司的成熟产品。现就近几年在海上油气田平台上常用的中控系统进行简要介绍。
过程控制系统(PCS)一般采用DCS系统实现，部分项目采用了现场总线系统(FCS)，常用产品包括：霍尼韦尔(Honeywell)的PKS系统、艾默生(Emerson)的DeltaV系统、ABB的800XA系统、横河(Yokogawa)的CS3000系统及罗克韦尔(Rockwell)的PlantPAx系统等[4]。
为了提高海洋石油生产过程的安全性，关键装置上大多安装了安全仪表系统(SIS)[5]，ESD系统全部采用通过权威机构认证的SIS。海上油气田平台的SIS与陆上油田的相比有更高的要求[6]，SIS的安全完整性等级不低于SIL3[7]。而FGS系统可采用专用的火气探测系统或SIS，如果采用火气探测系统，系统需满足NFPA72标准；如果采用SIS，则系统安全完整性等级要求至少满足SIL2。ESD和FGS系统的CPU、电源、I/O模块、通信模块及数据通信总线等均采用1∶1冗余。SIS系统常用产品包括：霍尼韦尔(Honeywell)的FCS和SM系统、艾默生(Emerson)的DeltaV SIS系统、ABB的SafeGuard系统、横河(Yokogawa)的ProSafe-RS系统及罗克韦尔(Rockwell)的AAdvance系统等[8]。
3.1 Emerson DeltaV中控系统
3.1.1 结构
某海上气田中心平台中控系统采用Emerson DeltaV系统。该中控系统采用Pear to Pear系统结构，如图1所示。操作员站/工程师站和现场控制站(PCS、ESD和FGS)通过冗余控制网与现场控制站连接，该系统未设置办公网络(TCP/IP网络)。
ESD系统和FGS系统通过冗余安全网连接，该冗余安全网不同于冗余控制网通过交换机进行数据交换，而是使用Emerson SIS Net Repeater Module进行数据交换。除冗余安全网外，DeltaV系统采用交换机进行各类数据交换。
平台主火气系统与生活楼可寻址火气盘通过Modbus TCP协议通信。
3.1.2 接口
DeltaV系统与其他区域气田和陆上终端均通过OPC服务器进行重要信号传递(卫星)。在台风情况下，使用Remote Client方式可以在终端远程操控该中心平台，使平台在无人情况下正常生产，并通过位于PCS机柜内的操作员站/工程师站(终端服务器)实现远程操控。
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