FPSO外輸控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

FPSO外輸控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉連進(jìn),江濤

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

摘要：針對國內(nèi)FPSO外輸系統(tǒng)工作特點(diǎn)，分析獨(dú)立的外輸控制系統(tǒng)模式與和集成在中央控制系統(tǒng)中的外輸控制系統(tǒng)模式，比較兩種模式的區(qū)別及其優(yōu)缺點(diǎn)，給出國產(chǎn)DCS在用于FPSO外輸控制系統(tǒng)時(shí)存在的問題，提煉外輸控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：FPSO，外輸系統(tǒng)，DCS，優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.034

中圖分類號：U674.38；P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0123-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一劉連進(jìn)(1970-)，男，學(xué)士，高級工程師

Abstract:In light of the operation features of the crude oil transfer system, the separated control system mode and the integrated mode embedding in central control system are studied comparatively. Important factors to be considered are given while using domestic DCS to control the crude oil transfer system. Some optimal principles for designing the control system of FPSO crude oil transfer system are presented.

修回日期：2015-09-01

資助項(xiàng)目：工信部項(xiàng)目(20697-1130020)

研究方向:海洋工程技術(shù)

E-mail:liulj@cnooc.com.cn

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(floating production storage & offloading，F(xiàn)PSO)上的各個(gè)環(huán)節(jié)形成了一個(gè)極其復(fù)雜的海上油氣加工系統(tǒng)，包含了系泊系統(tǒng)、載體系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝系統(tǒng)及外輸系統(tǒng)4個(gè)主要子系統(tǒng)，其中外輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)在FPSO的貨油艙原油儲(chǔ)量達(dá)到一定體積時(shí)，將原油外輸?shù)竭\(yùn)輸油輪。FPSO的存儲(chǔ)和外輸功能解決了油田連續(xù)生產(chǎn)和貨油間斷外運(yùn)之間的矛盾，而原油外輸系統(tǒng)能否成功運(yùn)行直接關(guān)系到油田的連續(xù)和安全生產(chǎn)[1]。

原油外輸控制系統(tǒng)作為原油外輸過程的主要控制系統(tǒng)，承擔(dān)著非常重要的任務(wù)。以艉靠式原油外輸系統(tǒng)為例，原油外輸控制系統(tǒng)包括對貨油艙系統(tǒng)、外輸油系統(tǒng)、惰氣系統(tǒng)、洗艙系統(tǒng)、掃艙系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)等[2]的監(jiān)控。此外，還包括原油外輸計(jì)量系統(tǒng)、外輸軟管、軟管滾筒、液壓動(dòng)力系統(tǒng)等控制系統(tǒng)；同時(shí)，外輸系統(tǒng)也配有用于在異常生產(chǎn)工況下緊急關(guān)斷相關(guān)設(shè)備的緊急管段ESD(emergency shutdown system)系統(tǒng),以及用于探測火災(zāi)或可燃?xì)怏w泄漏情況火氣FGS(fire and gas system)系統(tǒng)。

目前FPSO的制造正向著大型化、國產(chǎn)化發(fā)展[3]。作為其四大系統(tǒng)之一的原油外輸系統(tǒng)部分，設(shè)備設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)被一些國外供應(yīng)商所封鎖，F(xiàn)PSO上的外輸控制系統(tǒng)也是為國外的控制系統(tǒng)設(shè)備商所壟斷。針對這種情況，分析目前外輸控制系統(tǒng)存在的兩種模式，給出外輸控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，討論國產(chǎn)DCS在用于FPSO外輸控制系統(tǒng)時(shí)存在的問題。

1FPSO外輸控制系統(tǒng)的兩種模式

1.1獨(dú)立的外輸控制系統(tǒng)

FPSO上的各個(gè)子系統(tǒng)可以采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)FPSO上還設(shè)有中央控制系統(tǒng)，各獨(dú)立的控制系統(tǒng)可以采用與中央控制系統(tǒng)同一個(gè)廠家的控制系統(tǒng)，也可以采用不同廠家的控制系統(tǒng)。各獨(dú)立控制系統(tǒng)與中央控制系統(tǒng)通過通信協(xié)議進(jìn)行，連接如OPC、Modbus、RS485、TCP/IP協(xié)議等。

在早期的FPSO的控制系統(tǒng)中，就有采用這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的，如“渤海明珠號”FPSO的外輸控制系統(tǒng)。其貨油艙監(jiān)控系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)都是采用的獨(dú)立的系統(tǒng)。

在該FPSO控制系統(tǒng)中，中央控制系統(tǒng)采用的是艾默生公司的RS3型DCS系統(tǒng)[4]。外輸控制系統(tǒng)中，油艙監(jiān)控系統(tǒng)是一套相對獨(dú)立的系統(tǒng)，采用德國KROHNE公司的Skarpenord，主要監(jiān)測艙室介質(zhì)的液位、壓力、溫度、體積等。外輸控制系統(tǒng)則采用美國AB公司的SLC500系列PLC完成，該P(yáng)LC控制系統(tǒng)主要使用模塊有電源模塊一塊，CPU模塊(SLC5/05)一塊，開關(guān)量輸入模塊兩塊，模擬量輸入模塊一塊，模擬量輸出模塊兩塊，設(shè)有工作站一個(gè)，監(jiān)控組態(tài)軟件使用的是美國Emerson公司的IFIX。

由此可見，F(xiàn)PSO各個(gè)子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可以采用不同廠家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，最后與中央控制系統(tǒng)通過通信協(xié)議連接即可實(shí)現(xiàn)FPSO所有控制系統(tǒng)的集成。這種模式的優(yōu)點(diǎn)就是系統(tǒng)組成方式靈活，可以選取不同廠家最先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)組成整個(gè)FPSO系統(tǒng)，同時(shí)可以將故障影響限制在最小的系統(tǒng)內(nèi)；對一些特殊的場合，用PLC就可以低成本實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。

另一方面，獨(dú)立的外輸控制系統(tǒng)缺點(diǎn)也是明顯的，一個(gè)顯著的缺點(diǎn)就是采用不同廠家所造成的通信協(xié)議不兼容的問題，容易造成通信故障。同時(shí)，在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，無法統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)劃整個(gè)控制系統(tǒng)，在布線、設(shè)備冗余、系統(tǒng)集成測試方面存在著較大的隱患。

1.2集成控制系統(tǒng)

目前大多數(shù)FPSO在建造時(shí)，都采用集成控制系統(tǒng)多整個(gè)FPSO實(shí)行統(tǒng)一監(jiān)視與控制[5-7]。

集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將FPSO的中央控制系統(tǒng)按照控制功能分成PCS、ESD、FGS 3個(gè)系統(tǒng)，見圖1。

圖1　集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在圖1中，PCS(process control system)是生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的監(jiān)控。ESD系統(tǒng)則負(fù)責(zé)在對生產(chǎn)工藝流程和船艙的異常進(jìn)行監(jiān)控，通過現(xiàn)場的壓力變送器、壓力開關(guān)、液位開關(guān)、溫度開關(guān)等儀表檢測各設(shè)備的運(yùn)行異常，如超壓、超溫、溢流等異常工況，按預(yù)先規(guī)定的聯(lián)鎖邏輯及時(shí)采取保護(hù)措施，緊急關(guān)斷相關(guān)設(shè)備，以確保安全，降低損失。FGS系統(tǒng)則是用于在工藝設(shè)備周圍、船艙、員工生活區(qū)各處設(shè)置有毒、有害氣體檢測和火焰檢測器，對各區(qū)域有毒有害氣體的排放進(jìn)行監(jiān)測，對各區(qū)域的火星、火苗等明火進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)報(bào)警，并采取相應(yīng)消防措施。

PCS、ESD、FGS 3個(gè)系統(tǒng)都可以在操作站與工程師站上進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了界面的統(tǒng)一，有利于操作。3個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)系統(tǒng)都有獨(dú)立的控制器，采用Modbus或者RS485通信協(xié)議進(jìn)行連接，這樣可以將FPSO上所有的IO 、控制點(diǎn)全部納入集成控制系統(tǒng)中，形成一個(gè)有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)對FPSO生產(chǎn)系統(tǒng)的的集中監(jiān)控。

在集成控制系統(tǒng)模式下，外輸控制系統(tǒng)的監(jiān)控被統(tǒng)一在PCS的功能中， PCS不僅負(fù)責(zé)FPSO上尤其生產(chǎn)處理的工藝過程監(jiān)控，而且負(fù)責(zé)整個(gè)外輸系統(tǒng)的監(jiān)控，將外輸系統(tǒng)的控制系統(tǒng)集成在統(tǒng)一的中央控制系統(tǒng)中。

集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法避免了多個(gè)廠家的子系統(tǒng)在連接時(shí)需要考慮通信協(xié)議的問題，可以從整體上規(guī)劃整個(gè)控制系統(tǒng)，避免了1.1中的設(shè)計(jì)方案將FPSO工藝生產(chǎn)控制部分和外輸控制部分開設(shè)計(jì)、分開控制的局面，從單條FPSO上看，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控的統(tǒng)一；從一個(gè)區(qū)域的油田生產(chǎn)看，也有利于與現(xiàn)行海上大規(guī)模油田控制系統(tǒng)相對接。

2FPSO外輸控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著我國海洋石油的快速發(fā)展，作為開發(fā)油田資源的FPSO起著越來越重要的作用，已經(jīng)成為海上油氣田開發(fā)的主流生產(chǎn)方式。

FPSO對生產(chǎn)和控制的自動(dòng)化程度要求很高，每一艘FPSO上都設(shè)有一套先進(jìn)的中央控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)是整個(gè)FPSO的控制中心，對整艘FPSO的生產(chǎn)和安全進(jìn)行監(jiān)控，確保工作人員的人身安全，保證油氣生產(chǎn)的持續(xù)性，保護(hù)油氣生產(chǎn)系統(tǒng)及其設(shè)施。因此，要對FPSO外輸控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先實(shí)現(xiàn)要對FPSO的中央控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1中央控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文討論的僅限于PCS部分的設(shè)計(jì)，不包含ESD和FGS設(shè)計(jì)。

PCS部分設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　PCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一個(gè)基本的PCS系統(tǒng)包括操作員站、控制站、工程師站和通訊網(wǎng)絡(luò)。

生產(chǎn)過程的控制主要由PCS完成，通過變送器，檢測現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、液位、成分參數(shù)，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥或電磁閥，使得各個(gè)參數(shù)保持在期望值附近，保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。

PCS系統(tǒng)中，操作員站為操作員提供了完善的人機(jī)界面，供操作員監(jiān)控到現(xiàn)場裝置或者設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，了解裝置設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，并對現(xiàn)場的工藝過程或者設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以保證生產(chǎn)過程的安全、可靠運(yùn)行。工程師站的主要功能是對PCS進(jìn)行應(yīng)用組態(tài)，同時(shí)進(jìn)行整個(gè)控制系統(tǒng)系統(tǒng)診斷和維護(hù)，在線實(shí)時(shí)地監(jiān)視PCS網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使PCS隨時(shí)處在最佳的工作狀態(tài)之下。

在PCS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，現(xiàn)場控制站是PCS的核心，系統(tǒng)主要的控制功能由它來完成。系統(tǒng)的性能、可靠性等重要指標(biāo)也都要依靠現(xiàn)場控制站保證，因此對它的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及安裝都有很高的要求?，F(xiàn)場控制站的硬件一般都采用專門的工業(yè)級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中除了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所必需的主CPU、存儲(chǔ)器外，還包括了現(xiàn)場測量單元、執(zhí)行單元等輸入/輸出設(shè)備，即過程量I/O，包括模擬量輸入、輸出、開關(guān)量輸入、輸出等。通訊網(wǎng)絡(luò)包括兩層，第一層是操作員站與控制站之間的通訊網(wǎng)絡(luò)，目前多采用以太網(wǎng)；第二層是控制站與I/O模塊之間的通訊網(wǎng)絡(luò)，一般為系統(tǒng)生產(chǎn)廠家專用網(wǎng)絡(luò)，對實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高。若網(wǎng)絡(luò)1或者操作員站出現(xiàn)故障，控制站仍可獨(dú)立完成實(shí)時(shí)控制。服務(wù)器及其他站的作用是向上擴(kuò)展更多級，構(gòu)成管理層。

PCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：安全可靠、操作維護(hù)方便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、通用性強(qiáng)及高經(jīng)濟(jì)效益[5]。PCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，一般的設(shè)計(jì)遵循以下步驟。

1)熟悉工藝流程，確定需要檢測和控制的變量。

2)根據(jù)工藝要求確定各裝置的檢測和控制方案，繪制P&ID圖。

3)統(tǒng)計(jì)進(jìn)入控制室的I/O信號。

4)控制系統(tǒng)選型和配置。

PCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是控制系統(tǒng)的選型。目前PCS系統(tǒng)從類型上來說控制站一般有集散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)和可編程控制器PLC三種類型。PLC的優(yōu)勢是不僅可以組成小的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能，還可以組成大型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大型的監(jiān)控。而DCS則是石油石化行業(yè)得到成功應(yīng)用與驗(yàn)證的成熟系統(tǒng)，，同時(shí)經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，目前DCS不僅保留了集中管理，分散控制的優(yōu)點(diǎn)，還和PLC互相補(bǔ)充，形成了新的混合系統(tǒng)，目前新型的DCS已有很強(qiáng)的順序控制功能。原則上，中小規(guī)模的控制系統(tǒng)選用PLC，而大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)則選用DCS。

此外， FCS是一種全數(shù)字化、全分散、全開放的新一代的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場儀表的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制。但考慮到海洋環(huán)境的惡劣和干擾，同時(shí)由于FCS系統(tǒng)要求現(xiàn)場儀表，因此FCS系統(tǒng)成本與DCS相比，沒體現(xiàn)巨大優(yōu)勢。

一般來講，PCS系統(tǒng)主要選擇DCS集散控制系統(tǒng)，在選擇具體的DCS型號時(shí)，則要考慮各系統(tǒng)在FPSO上的應(yīng)用先例；如已經(jīng)在FPSO上應(yīng)用的DCS有Honeywell Experion PKS，F(xiàn)OXBORO 公司的I/ A Series[8]等；同時(shí)從控制站的處理速度、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、I/O模塊等模塊的可靠性等綜合考慮選取DCS系統(tǒng)。

2.2外輸控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

外輸控制系統(tǒng)中，包括貨油艙系統(tǒng)、外輸油系統(tǒng)、惰氣系統(tǒng)、洗艙系統(tǒng)、掃艙系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)等，這些系統(tǒng)中，包含著液位、溫度、壓力、流量等參數(shù)的測量，因此對于外輸系統(tǒng)；一是如2.1所述，需要選擇PCS系統(tǒng)，二是需要選擇儀表系統(tǒng)。

關(guān)于儀表系統(tǒng)的選型，在進(jìn)行外輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮兩個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則：全面的SIL等級分析原則及遠(yuǎn)程I/O布線原則。

SIL(safety integrity level)是對安全儀表系統(tǒng)運(yùn)行水平的一種衡量。IEC61508中對安全完整性水平SIL的定義為：在一定時(shí)間、一定條件下，安全相關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行其所規(guī)定的安全功能的可能性。選擇安全完整性水平的目的是通過降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率把系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)降低到一個(gè)可以接受的水平。選擇SIL是選擇安全儀表功能SIF具備什么樣的安全完整性水平。SIL級別越高，安全相關(guān)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能的概率就越高。SIL定義見表1。

對于FPSO中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在PCS選型時(shí)，僅考慮了DCS軟硬件的SIL等級，未將外輸系統(tǒng)的整個(gè)DCS I/O部分、軟件部分SIL等級與儀表的SIL等級統(tǒng)一考慮，往往導(dǎo)致所有的系統(tǒng)的SIL等級選型都較高，造成SIL等級過剩，不利于節(jié)省等級。

表1　SIL等級定義

另一個(gè)優(yōu)化原則是考慮外輸系統(tǒng)的I/O布線。一種模式傳統(tǒng)的將線纜都經(jīng)過橋架是進(jìn)入中控室進(jìn)行布線；另一種模式則是在現(xiàn)場設(shè)置遠(yuǎn)程I/O端子進(jìn)行布線[9]。

遠(yuǎn)程I/O可以遠(yuǎn)程將控制器放置于現(xiàn)場設(shè)備附近，使現(xiàn)場大量的分散信號得到就近處理，有效地克服了傳統(tǒng)模擬信號的長距離傳輸問題，減少了中控室面積，在空間極其寶貴的FPSO上顯得極其重要。

所以在FPSO外輸控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮空間、布線成本、信號抗干擾能力，優(yōu)化設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程I/O的布局，取得最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)與空間設(shè)計(jì)。

3國產(chǎn)DCS在FPSO上的應(yīng)用存在的問題

近年來，我國DCS發(fā)展突飛猛進(jìn)，浙江中控、和利時(shí)、南京科遠(yuǎn)及國電智深等為代表國內(nèi)DCS廠家，打破了國外產(chǎn)品在國內(nèi)自動(dòng)化控制高端領(lǐng)域的壟斷。 如浙江中控的 WebField ECS系列控制系統(tǒng)，融合了最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，既具有傳統(tǒng)DCS對模擬量的強(qiáng)大處理能力又兼具快速邏輯控制，主要用于對控制響應(yīng)速度要求較高的流程產(chǎn)業(yè)。目前浙江中控DCS已經(jīng)成功應(yīng)用在課百萬噸催化裂化、加氫等重要裝置上，并且運(yùn)行平穩(wěn)。和利時(shí)公司的HOLLiAS MACS系統(tǒng)，可應(yīng)用于大小規(guī)模的項(xiàng)目上，并且具有核電在用系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的案例。

目前國產(chǎn)DCS系統(tǒng)而言，在I/O點(diǎn)數(shù)應(yīng)用、在軟件應(yīng)用、等方面綜合性能差距不大。但目前為止，國產(chǎn)DCS系統(tǒng)尚未在FPSO中央控制系統(tǒng)上有過成功應(yīng)用的案例。調(diào)研分析認(rèn)為主要有以下原因。

1)無成功應(yīng)用案例導(dǎo)致得不到信任。雖然國產(chǎn)DCS在大型化工和核電這樣危險(xiǎn)的場合得到了應(yīng)用，但在FPSO上沒有成功應(yīng)用的案例，導(dǎo)致得不到信任。

2)制造與應(yīng)用結(jié)合薄弱。國內(nèi)DCS廠家對所控制的工藝對象特性不熟悉，制造產(chǎn)品時(shí)不能考慮實(shí)際現(xiàn)場情況，而國外則向提供專業(yè)的全解決方案發(fā)展，能做到檢測控制系統(tǒng)與工藝設(shè)備緊密結(jié)合，向企業(yè)提供自動(dòng)化綜合服務(wù)。

3)海洋環(huán)境的特殊性。海洋氣候惡劣，濕度大、風(fēng)大、浪大、腐蝕嚴(yán)重，我國在電子制造方面、在元器件的穩(wěn)定性方面都與國外存在差距，所以制造的DCS系統(tǒng)在可靠性有一定的差距。國內(nèi)的DCS經(jīng)受過了高溫高壓的考驗(yàn)，但還未經(jīng)歷過海洋的惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。

4)DCS軟件穩(wěn)定性有待提高，高層次增值軟件產(chǎn)品方面存在差距。如在FPSO上的電力調(diào)度軟件、石化行業(yè)的先進(jìn)控制軟件，目前層次較低，或者尚未開發(fā)。

雖然國產(chǎn)DCS在FPSO上應(yīng)用時(shí)存在以上問題，但正如過去國產(chǎn)DCS在石化、核電的應(yīng)用一樣，只要邁出第一步，在FPSO上經(jīng)歷過檢驗(yàn)后，終究會(huì)得到FPSO的認(rèn)可。

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Optimal Design of Control System for FPSO Crude Oil Transfer System

LIU Lian-jin, JIANG Tao

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Key words: FPSO; crude oil transfer system; DCS; optimal design; control system