國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)在米桑油田的成功應(yīng)用

譚龍飛

(中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司伊拉克公司,北京 100010)

新型油氣田自動(dòng)化適應(yīng)新的管理和效益要求,已發(fā)展成為融合計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)為一體的綜合管控系統(tǒng)[1]。在油田自控體系中,集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,簡(jiǎn)稱DCS)承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和控制、裝置間網(wǎng)絡(luò)通訊、不同數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的整合管理等重任,已成為油田自動(dòng)化建設(shè)的基礎(chǔ)平臺(tái),是油田自控系統(tǒng)的重中之重,因此服務(wù)于大型油田的先進(jìn)DCS系統(tǒng)必須具有良好的控制性能、可靠的安全性能、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)服務(wù)性能以及開(kāi)放的第三方設(shè)備接入性能。這些性能將保證油田生產(chǎn)遠(yuǎn)程化、管理可視化、預(yù)警自動(dòng)化、故障及時(shí)化,真正做到油田開(kāi)采、生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)安全運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)人力成本的降低及資源的整合。同時(shí)油田生產(chǎn)管理者可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化,促進(jìn)油田開(kāi)采、運(yùn)輸以及生產(chǎn)的效率的提升[2]。

1 本項(xiàng)目DCS系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化背景

油氣田行業(yè)內(nèi)DCS在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間被國(guó)外產(chǎn)品所壟斷,例如愛(ài)默生、霍尼韋爾、ABB等品牌,與米桑油田相近的魯邁拉、哈法亞等油田均采用了這些國(guó)外品牌。據(jù)調(diào)研了解,在項(xiàng)目建設(shè)和投產(chǎn)過(guò)程中,這些項(xiàng)目的DCS系統(tǒng)暴露出了以下問(wèn)題:

1)供貨周期長(zhǎng)、靈活性差,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的緊急設(shè)備需求常常以公司流程為由不響應(yīng)或者響應(yīng)極慢;

2)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的附加條件多,如安保、生活條件等要求較高,且服務(wù)響應(yīng)時(shí)效性差;

3)產(chǎn)品技術(shù)封鎖,很多技術(shù)參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置對(duì)使用者的儀表人員保密,不利于后期使用過(guò)程中的維保及故障處理工作,且邏輯控制組態(tài)較繁瑣,操作人員不易上手;

4)備品備件、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)以及培訓(xùn)費(fèi)用高,且議價(jià)空間很小,對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中增補(bǔ)的合同之外物品常以天價(jià)供貨。

在米桑油田項(xiàng)目中一些成橇設(shè)備,如西門子發(fā)電機(jī)組、日立壓縮機(jī)機(jī)組,因控制系統(tǒng)由機(jī)組廠家成套供貨,選用的國(guó)外控制系統(tǒng)也暴露出以上問(wèn)題,如發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)增加通訊口的實(shí)際合理價(jià)格在1萬(wàn)美元左右,卻面臨20萬(wàn)美金的報(bào)價(jià),而壓縮機(jī)組空冷單元增加控制的報(bào)價(jià)也達(dá)到了30萬(wàn)美元(實(shí)際合理價(jià)格3萬(wàn)美金左右)。

鑒于以上國(guó)外控制系統(tǒng)使用中的種種弊端,中海油伊拉克有限公司的決策層秉承中海油總公司長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)各子公司技術(shù)和管理創(chuàng)新的要求,堅(jiān)決落實(shí)已成為工作綱領(lǐng)的“三新三化”精神,從項(xiàng)目伊始就把國(guó)產(chǎn)化的DCS控制系統(tǒng)列入了供貨廠商考察名錄,在多方面系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)估后,選用了浙江中控技術(shù)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱中控)ECS700型號(hào)的DCS作為項(xiàng)目的配套控制系統(tǒng)。

為確保國(guó)產(chǎn)DCS能滿足大型油田的控制需求,前期評(píng)估的內(nèi)容包括:

1)產(chǎn)品先進(jìn)性:該系統(tǒng)是中控自主研發(fā)和投運(yùn)的最新控制系統(tǒng),軟硬件和其他國(guó)外品牌的最新產(chǎn)品處于同一技術(shù)水平,在組態(tài)便利和維護(hù)方便等方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì);

2)產(chǎn)品應(yīng)用業(yè)績(jī):該產(chǎn)品投運(yùn)后,在中國(guó)市場(chǎng)上因技術(shù)和服務(wù)優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用,在多個(gè)第三方統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中都是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額第一,超過(guò)了所有其他國(guó)外品牌。其在中石化獨(dú)攬了近5年來(lái)所有的大型聯(lián)合煉油項(xiàng)目,在中海油也成功中標(biāo)中捷、大榭、泰州等大型石化項(xiàng)目,因此該DCS是業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的產(chǎn)品;

3)產(chǎn)品安全性能:該產(chǎn)品在多個(gè)項(xiàng)目投運(yùn)后,未發(fā)現(xiàn)因DCS原因?qū)е碌难b置停工、裝置安全事故等現(xiàn)象,具有較高的安全性和穩(wěn)定性;

4)公司的服務(wù):該公司相比國(guó)外品牌在用戶需求的緊急響應(yīng)(如緊急供貨、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù))一直有較好口碑,工程實(shí)施質(zhì)量與國(guó)外品牌相當(dāng)。

基于以上評(píng)估,伊拉克公司最終選擇了中控的DCS作為米桑油田的集散控制系統(tǒng),同時(shí)選擇中控作為主自控供應(yīng)商(MAC),深度參與了項(xiàng)目的前期自控方案和全廠控制系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

2 本項(xiàng)目國(guó)產(chǎn)化DCS技術(shù)指標(biāo)

DCS的技術(shù)方案和整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)流程和DCS本身的技術(shù)特點(diǎn)綜合考慮,方能達(dá)成良好的自控效果。國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)ECS700采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的分層系統(tǒng)架構(gòu),從下至上分別為基礎(chǔ)控制層、生產(chǎn)操作層、生產(chǎn)管理層,同時(shí)為企業(yè)ERP層提供數(shù)據(jù)接口。主要由以下幾部分組成:

1)系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)包括現(xiàn)場(chǎng)控制站及過(guò)程控制網(wǎng)上與異構(gòu)系統(tǒng)連接的通信接口[3];

2)系統(tǒng)操作節(jié)點(diǎn)包括主工程師站、擴(kuò)展工程師站、操作員站、組態(tài)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等連接在過(guò)程信息網(wǎng)和過(guò)程控制網(wǎng)上的人機(jī)會(huì)話接口站點(diǎn)[4];

3)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò):包括I/O總線、過(guò)程控制網(wǎng)、過(guò)程信息網(wǎng)和企業(yè)管理網(wǎng)等。

系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接,全網(wǎng)數(shù)據(jù)互通,在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不同的功能。管理節(jié)點(diǎn)通過(guò)企業(yè)管理網(wǎng)連接,管理服務(wù)器從過(guò)程信息網(wǎng)中獲取控制系統(tǒng)信息[5],各管理節(jié)點(diǎn)從管理服務(wù)器獲得數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行管理或?qū)嵤┻h(yuǎn)程監(jiān)控。

控制系統(tǒng)中所有工程師站、操作員站、組態(tài)服務(wù)器(主工程師站)、數(shù)據(jù)服務(wù)器等操作節(jié)點(diǎn)通過(guò)過(guò)程信息網(wǎng)連接,實(shí)現(xiàn)操作節(jié)點(diǎn)間歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和操作記錄等的傳輸[6]。對(duì)于掛在過(guò)程信息網(wǎng)上的各應(yīng)用站點(diǎn)可以通過(guò)各操作域的數(shù)據(jù)服務(wù)器訪問(wèn)實(shí)時(shí)和歷史信息、下發(fā)操作指令。

過(guò)程控制網(wǎng)連接工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)服務(wù)器等操作節(jié)點(diǎn)和控制站,在操作節(jié)點(diǎn)和控制站間傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和各種操作指令。

擴(kuò)展I/O總線和本地I/O總線為控制站內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)。擴(kuò)展I/O總線連接控制器和各類通信接口模塊(如I/O連接模塊、PROFIBUS通信模塊、串行通信模塊等),本地I/O總線連接控制器和I/O模塊,或者連接I/O連接模塊和I/O模塊。擴(kuò)展I/O總線和本地I/O總線均冗余配置[7]。

3 本項(xiàng)目DCS的整體控制方案

米桑油田DCS方案從設(shè)計(jì)之初就定位于全油田一體化的控制和管理體系,要求滿足分布在近600 km2廣大區(qū)域內(nèi)各裝置控制獨(dú)立可靠,且從井口到外輸?shù)娜鞒炭刂坪蛿?shù)據(jù)整合的原則。同時(shí)由于本項(xiàng)目是舊有油田改造升級(jí),其改造和新建裝置分階段實(shí)施,DCS方案還考慮到舊有裝置的控制整合和近期擴(kuò)容的要求。最終整體設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)多次嚴(yán)格評(píng)審,滿足大型油田的生產(chǎn)和管理要求,確定為全油田DCS控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、裝置獨(dú)立控制、控制間分散及數(shù)據(jù)流匯總中心控制室(Central Control Room,簡(jiǎn)稱CCR)的方案。

3.1 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流方案

按照油田的生產(chǎn)流程,各裝置和單元的簡(jiǎn)要控制方案如下:

1)井口:井口本身由RTU控制,井口的數(shù)據(jù)通過(guò)MODBUS-RTU、MODBUS-TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至DCS系統(tǒng),脫氣站DCS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的人機(jī)界面,可對(duì)井口的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,同時(shí)可下發(fā)操作指令到井口;

2)脫氣站:舊有脫氣站利用滿足控制系統(tǒng)環(huán)境要求的改造集裝箱作為臨時(shí)機(jī)柜間,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行改造引入脫氣站DCS系統(tǒng),DCS系統(tǒng)對(duì)脫氣站流程進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),回路控制,同時(shí)脫氣站數(shù)據(jù)上傳至中控室CCR;

3)中心處理設(shè)施(Central Processing Facility,簡(jiǎn)稱CPF):各裝置按區(qū)域設(shè)計(jì)和控制,設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)的DCS機(jī)柜間和控制室,CPF內(nèi)投運(yùn)的DCS機(jī)柜間包括水處理裝置(FCR16)、BUT UPGRADE(CCR)、NEW CPF(CCR)、電廠(FCR24)、NGP(FCR12/FAR13)等裝置。各裝置的DCS數(shù)據(jù)采集、控制、操作在本區(qū)域內(nèi)的控制室內(nèi)完成,同時(shí)設(shè)有CCR,對(duì)全油田的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè),全油田DCS系統(tǒng)的管理和維護(hù)也在CCR內(nèi)進(jìn)行。在需要的情況下,管理人員可根據(jù)授權(quán)登錄,對(duì)各裝置進(jìn)行直接操作。

除控制之外,DCS系統(tǒng)還是各類控制系統(tǒng)的整合平臺(tái)。第三方控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù),包括機(jī)組、電源管理系統(tǒng)(Power Management System,簡(jiǎn)稱PMS)、PLC、RTU等將通過(guò)通訊協(xié)議與DCS互聯(lián),消除油田生產(chǎn)中可能存在的信息孤島。

3.2 全油田的DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

全油田的DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有以下技術(shù)特點(diǎn)[8]:

1)滿足生產(chǎn)管理的“誰(shuí)管誰(shuí)控”的原則,操作和生產(chǎn)靈活,各裝置的DCS系統(tǒng)自成體系,局部DCS的故障不會(huì)影響到全廠的安全生產(chǎn);

2)通過(guò)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò),保證了全廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通,便于高層管理人員基于全廠數(shù)據(jù)開(kāi)展生產(chǎn)指揮和管理工作;

3)便于滿足油田分步實(shí)施和投運(yùn),通過(guò)新增DCS控制節(jié)點(diǎn)的模式,后期擴(kuò)容和新建裝置不會(huì)影響到現(xiàn)有裝置的控制,適合油田的發(fā)展規(guī)劃。

3.3 全廠的操作功能的設(shè)計(jì)和管理

為適應(yīng)油田長(zhǎng)流程、多工段、多操作區(qū)域的生產(chǎn)特點(diǎn),本項(xiàng)目DCS參照生產(chǎn)管理的組織機(jī)構(gòu)及CCR-FCR的系統(tǒng)架構(gòu)特點(diǎn),詳細(xì)設(shè)計(jì)了操作權(quán)限,包括裝置級(jí)別、工段級(jí)別、全油田級(jí)別的操作權(quán)限。以天然氣處理廠(NGP)工段為例,包含公用工程、脫硫、硫磺回收等裝置,DCS按照各裝置操作員-班組長(zhǎng)操作員-工段管理人員-油田監(jiān)控人員-油田高級(jí)管理人員分層設(shè)置,這種操作權(quán)限模式滿足正常生產(chǎn)時(shí)以車間、工段為生產(chǎn)管理單元,在事故情況下全油田流程統(tǒng)一調(diào)度和指揮的需要。

權(quán)限設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 操作功能權(quán)限設(shè)計(jì)表

在DCS系統(tǒng)中有完整的操作記錄和事件記錄,任何權(quán)限的崗位登錄、操作站所做的任何操作和調(diào)整均被完整記錄。通過(guò)權(quán)限分配,既滿足了不同崗位對(duì)操作功能的需求, 明確了各崗位操作的職權(quán),同時(shí)在管理上也更加方便。

DCS的數(shù)據(jù)操作不僅限于DCS控制系統(tǒng)本身,同時(shí)DCS在本油田中承擔(dān)了裝置層面的數(shù)據(jù)匯總、顯示及對(duì)第三方設(shè)備(操作系統(tǒng))的遠(yuǎn)程啟停及控制等功能。本項(xiàng)目DCS采用MODBUS、OPC等通訊協(xié)議可與上百種不同的第三方設(shè)備相連,包括大型機(jī)組、成套PLC設(shè)備等。

全廠的歷史數(shù)據(jù)和事件記錄、智能儀表管理(AMS)采用分級(jí)記錄、分級(jí)管理模式,在機(jī)柜間層面各單元具有獨(dú)立記錄和查閱能力,同時(shí)全廠配有大型歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、AMS總站模式,可適應(yīng)各裝置獨(dú)立開(kāi)、停工以及油田分期建設(shè)和分期控制整合的需要。

油田所有的人機(jī)界面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為簡(jiǎn)單實(shí)用且兼顧美觀,操作使用便捷,可以清晰有效地監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程。以流程圖為例:工藝流程圖整體采用了設(shè)備立體管道平面的風(fēng)格,在繪制上細(xì)節(jié)嚴(yán)謹(jǐn),顏色選擇以避免視覺(jué)疲勞并突出重要事件(如關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)報(bào)警)為原則。細(xì)致區(qū)分的顏色結(jié)合設(shè)備形狀、標(biāo)簽、聲音、閃爍和大小等給工藝操作人員提供了一個(gè)良好的操作界面。

人機(jī)界面的樣例見(jiàn)圖2。

圖2 工藝流程圖例

4 效果總結(jié)

米桑油田自第一套DCS投運(yùn)以來(lái),根據(jù)項(xiàng)目整體進(jìn)度要求,至2020年全油田已陸續(xù)投運(yùn)8套DCS控制系統(tǒng),包括自備電站、終端處理廠以及脫氣站等。這些DCS的投運(yùn)為油田高效開(kāi)發(fā)、安全生產(chǎn)、降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率和管理水平等方面提供了可靠的保障[9]。結(jié)合近兩年國(guó)產(chǎn)DCS運(yùn)行情況和供貨商的服務(wù)情況,對(duì)國(guó)產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行了綜合評(píng)估,整體效果均達(dá)到甚至超越了進(jìn)口系統(tǒng),總結(jié)如下:

1)生產(chǎn)控制水平:裝置采用國(guó)產(chǎn)DCS后參數(shù)檢測(cè)全面、回路控制平穩(wěn),同時(shí)該DCS實(shí)時(shí)性強(qiáng)、誤差小、操作靈活,裝置自動(dòng)化程度大幅提高,人員工作效率和工藝指標(biāo)質(zhì)量亦有較大提升;

2)運(yùn)行穩(wěn)定性:在伊拉克極端高溫等惡劣氣候環(huán)境下,國(guó)產(chǎn)DCS在長(zhǎng)達(dá)5年多的運(yùn)行周期內(nèi),沒(méi)有出現(xiàn)任何嚴(yán)重故障,包括卡件損壞、控制失靈、配件更換等現(xiàn)象,充分說(shuō)明該系統(tǒng)硬件質(zhì)量?jī)?yōu)良、軟件設(shè)計(jì)合理;

3)信息化水平:全油田采用統(tǒng)一的國(guó)產(chǎn)DCS控制系統(tǒng),集成各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息,向上提供數(shù)據(jù)開(kāi)放的平臺(tái),同時(shí)計(jì)劃在此平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)度管理和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。隨著系統(tǒng)的不斷完善,米桑油田已在全油田做到了消滅信息孤島,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、信息共享、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的初始目標(biāo)[10];

4)成本控制:國(guó)產(chǎn)DCS系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)已在項(xiàng)目啟動(dòng)之初的報(bào)價(jià)中體現(xiàn),此外在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中對(duì)于NGP壓縮機(jī)組、電廠燃?xì)鈾C(jī)組等進(jìn)口橇的外圍設(shè)備配套控制中,采用國(guó)產(chǎn)DCS替代國(guó)外廠商供貨的控制系統(tǒng),價(jià)格僅為國(guó)外廠商報(bào)價(jià)的20%甚至更低,極大節(jié)約了成本,且功能上完全滿足機(jī)組配套控制功能的需求;

5)服務(wù)優(yōu)勢(shì):國(guó)產(chǎn)DCS系統(tǒng)供貨商在本項(xiàng)目中充分體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)企業(yè)的服務(wù)優(yōu)勢(shì),包括現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)緊急響應(yīng)、緊急現(xiàn)場(chǎng)供貨、靈活的項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃等,在各方面能充分配合油田施工和生產(chǎn)需要。此外國(guó)產(chǎn)DCS系統(tǒng)供應(yīng)商從事主自控供應(yīng)商(MAC)職責(zé),在油田上層控制系統(tǒng)的整合、全流程的協(xié)調(diào)控制、各裝置的控制設(shè)計(jì)方面提供了大量的合理化建議,有效助力了公司的高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

米桑油田采用國(guó)產(chǎn)DCS的成功案例,不僅消除了采用國(guó)外進(jìn)口設(shè)備的各種弊端,同時(shí)對(duì)踐行中海油“三新三化”起到了一定的推動(dòng)作用,也為中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議中要求的2021年的重點(diǎn)任務(wù)“增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈自主可控能力”打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。