無人井口平臺井口盤氮驅裝置遠程控制

摘 要 目前海上油氣生產(chǎn)裝置的井口控制盤大多是模塊化設計，雖然部分關鍵參數(shù)及緊急關斷功能可以實現(xiàn)遠程管理，但在無人井口平臺井口盤系統(tǒng)設計上，其關鍵的氮氣驅動裝置卻主要依賴人工維護。因此，在原方案基礎上重新設計無人井口平臺井口盤氮驅裝置遠程控制邏輯。實際應用表明：應用該系統(tǒng)后大幅提高了無人平臺井口盤的穩(wěn)定性。

關鍵詞 遠程監(jiān)控 無人平臺 井口控制盤 自主切換

中圖分類號 TP273"" 文獻標志碼 B"" 文章編號 1000 3932（2025）01 0144 04

某海上采油平臺為無人駐守井口平臺，平臺未設計儀表風供給系統(tǒng)，而是利用兩個氮氣瓶（120 L/15 MPa）通過一次減壓后為井口控制盤的先導控制回路提供驅動氣。兩瓶氮氣瓶一用一備，在原設計中只能通過管線上的球閥手動切換主、備瓶，氮氣瓶供給壓力也無法實時傳輸至中控系統(tǒng)。在實際使用中，中心平臺不能及時掌握氮氣系統(tǒng)的運行工況，如果出現(xiàn)主氮氣瓶壓力低的情況，工作人員無法及時登臨平臺手動切換氮氣瓶，一旦遇到大風等惡劣天氣，氮氣系統(tǒng)壓力持續(xù)降低會影響井口控制盤的正常功能。以上設計過度依賴操作人員的日常巡檢和維保，極大地增加了無人平臺生產(chǎn)關停風險，不利于現(xiàn)場安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 井口控制盤氮氣系統(tǒng)原理

1.1 井口控制盤工作原理

井口控制盤主要用于控制油井的地面安全閥和井下安全閥，兼具緊急關停保護功能，是海上采油平臺油氣生產(chǎn)的重要設備。

某海上無人駐守平臺井口控制盤設計為抽屜式結構（圖1），即每口井對應一個抽屜，每個抽屜為一個獨立的控制單元，具有完善的控制功能。井口控制盤主要用來控制采油樹的地面安全閥、井下安全閥和放氣閥，其主要結構分為公共模塊和單井模塊。公共模塊通過液壓泵打壓，建立起液壓控制回路，為每個單井模塊提供液壓動力源。公共模塊通過氮氣驅動裝置為每個單井模塊先導閥提供先導氣，通過先導閥的開關實現(xiàn)液控回路的導通與泄放，最終實現(xiàn)井上安全閥、井下安全閥和放氣閥的控制。同時，井口控制盤通過電氣接口實現(xiàn)液壓油液位、壓力和開關狀態(tài)的遠程監(jiān)控與緊急關斷功能。

1.2 氮氣驅動系統(tǒng)控制原理

如圖2所示，在原設計中，井口盤利用兩個氮氣瓶（120 L/15 MPa）通過一次減壓至500 kPa后為井口控制盤的先導控制回路提供驅動氣。兩個氮氣瓶一用一備，通過管線上的球閥手動切換主、備瓶，氮氣瓶供給壓力可通過現(xiàn)場壓力表查看，無法實時傳輸至中控系統(tǒng)。在初始設計時偏重經(jīng)濟因素，缺少遠程監(jiān)控控制功能，給現(xiàn)場使用帶來極大不便。

2 無人平臺井口盤氮氣系統(tǒng)存在問題分析

由于現(xiàn)有井口控制盤大多是根據(jù)有人操作的模塊化設計，其氮氣驅動系統(tǒng)未能有效針對無人駐守平臺的特點設計，仍為本地手動設計，不適于無人平臺的生產(chǎn)管理，在無人平臺日常生產(chǎn)過程中存在諸多問題：

a. 氮氣系統(tǒng)供給壓力就地顯示，不利于數(shù)據(jù)監(jiān)控。有人中心平臺與無人平臺間通過海底光纜通信，無人平臺設置有單獨的中控系統(tǒng)，工作人員在中心平臺便可遠程實時監(jiān)控無人平臺的生產(chǎn)流程，一旦發(fā)現(xiàn)異?？杉皶r采取應急措施。在原設計中，氮氣系統(tǒng)僅安裝了壓力表，系統(tǒng)壓力只能就地顯示，中心平臺不能及時掌握氮氣系統(tǒng)的運行工況，操作人員每周定期前往無人平臺巡檢時才可以查看氮氣瓶壓力。如出現(xiàn)主氮氣瓶壓力低的情況，而工作人員又未能及時發(fā)現(xiàn)，將導致生產(chǎn)關停事故。

b. 氮氣系統(tǒng)手動主/備切換，智能化水平低。兩瓶氮氣瓶一用一備，在操作人員定期巡檢維保過程中，當發(fā)現(xiàn)主瓶壓力低于2 MPa時，通過現(xiàn)場球閥手動切換至備用瓶，并及時更換壓力不足的氮氣瓶。井口盤氮氣瓶組在理想工況下，單瓶可使用約50天，當壓力低于2 MPa時，需手動切換備用氮氣瓶。受管線接頭密封性、環(huán)境溫度等因素影響，氮氣瓶的更換周期遠少于50天，且周期不定。這種設計增加了工作人員的工作量，出于安全考慮，操作人員通常在氮氣瓶還有3 MPa時便提前手動切換備用氮氣瓶，增加了氮氣瓶更換頻次。另一方面，在大風等惡劣天氣情況下，工作人員長時間無法登臨無人平臺巡檢，同時無法實時監(jiān)控氮氣系統(tǒng)的供給壓力，如出現(xiàn)主氮氣瓶壓力低的情況，工作人員無法及時登臨平臺手動切換備用氮氣瓶。以上設計智能化水平低，過度依賴于操作人員的日常巡檢維保，大幅增加了WHPB平臺生產(chǎn)關停風險，不利于安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

c. 管線設計不合理，存在安全隱患。氮氣瓶至井口盤間的氣路管線由儀表針閥、減壓閥、3/8＂OD儀表管及儀表接頭配管連接而成。出口處未安裝減壓閥，只在匯流總管處安裝有減壓閥，且直接將15 MPa的壓力減壓至500 kPa。氮氣瓶出口至減壓閥這段管線長期處于高壓狀態(tài)，儀表管線刺漏及泄漏風險較高，氣瓶更換周期短。氮氣管線出口處未安裝單流閥，當中間任何一處管線接頭松動時系統(tǒng)直接泄壓，將會導致井口盤關停。

3 遠程監(jiān)測與控制功能設計方案

3.1 原理圖設計

現(xiàn)從穩(wěn)定性、安全性、智能化等多方面綜合考慮，在原方案基礎上，自主創(chuàng)新，重新設計了無人平臺井口盤氮氣驅動系統(tǒng)的控制原理（圖3），分別在主、備氮氣瓶出口處增加氮氣減壓閥、單流閥，在備用氮氣瓶出口處增加電磁閥，在匯流總管處增加壓力變送器，以實現(xiàn)無人井口平臺井口盤氮氣驅動系統(tǒng)的遠程監(jiān)控與控制功能［1］。

3.2 氮氣系統(tǒng)遠程監(jiān)測功能

通過在氮氣瓶集流總管處新增壓力變送器，將壓力信號引入無人平臺中控系統(tǒng)，并在中控系統(tǒng)上組態(tài)壓力監(jiān)測回路與畫面，實現(xiàn)氮氣系統(tǒng)供給壓力實時監(jiān)控。再利用霍尼韋爾中控DSA通信協(xié)議，在中心平臺的遠程操作界面進行同步設置，便可實現(xiàn)在中心平臺遠程實時監(jiān)控無人平臺井口盤氮氣系統(tǒng)供給壓力的監(jiān)控。

3.3 氮氣瓶組自動主/備切換及中控遠程手動切換功能

儀表技術人員重新設計了氮氣系統(tǒng)的控制邏輯，采用以自動主備切換為主、中控遠程手動切換為輔的控制策略，以降低因主氮氣瓶組壓力低而人員無法及時登臨平臺導致生產(chǎn)關停風險事件的發(fā)生。在備用氮氣瓶出口處增加電磁閥，在匯流總管處增加壓力變送器，相關信號引入中控系統(tǒng)，并組態(tài)電磁閥控制邏輯程序。

在自動模式下，通過引入壓力信號，利用GTA比較功能塊及RSA置復位功能塊實現(xiàn)電磁閥的自動控制。當主氮氣瓶壓力不足，系統(tǒng)壓力低于1 MPa時，電磁閥動作，備用氮氣瓶開始為系統(tǒng)供氣（備用氮氣氣瓶出口壓力設定為1 MPa），更換主氮氣瓶后，系統(tǒng)壓力上升至2.5 MPa后，電磁閥關閉，備用氮氣瓶不再供氣。

用BYPASS功能塊實現(xiàn)手/自動切換功能。手動模式下可通過手動更改DEVCTLA塊的OP值控制電磁閥開關。

圖4所示的邏輯組態(tài)完畢后，對流程畫面進行編譯，新增壓力顯示及手自動切換按鈕。手動模式下，可以通過中心平臺或無人平臺上位機界面的軟按鈕遠程控制電磁閥切換，實現(xiàn)氮氣瓶的主/備手自動切換功能。

4 改造后效果驗證分析

4.1 效果驗證

改造前（2019-04～2023-04）與改造后（2023-04～2024-04）的數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。從歷史巡檢報表及故障報告統(tǒng)計來看，在2019～2023年期間，主氮氣瓶壓力低于1 MPa而未及時切換備用氣瓶的次數(shù)共9次，因井口盤氮氣系統(tǒng)壓力低贊成生產(chǎn)關斷險兆事件4次，氣瓶更換頻次為平均每年8.5次。2023年4月對某無人平臺井口但氮氣系統(tǒng)技術改造完成，增加了遠程監(jiān)測與主/備氣瓶自動切換功能，并進行管線系統(tǒng)優(yōu)化。通過對比，改造效果十分明顯，無人平臺井口控制盤的運行狀況一直比較穩(wěn)定。

4.2 創(chuàng)新成果

成功解決了氮氣系統(tǒng)只有本地壓力顯示的問題，實現(xiàn)了氮氣系統(tǒng)供給壓力實時遠程監(jiān)控功能。

解決了惡劣天氣人員無法登臨平臺手動切換備用氣瓶的問題，實現(xiàn)氮氣瓶組自動主備切換及中控遠程手動切換功能，大幅降低了因主氮氣瓶組壓力低而人員無法及時登臨平臺導致生產(chǎn)關停風險。

降低儀表管線刺漏風險，延長氣瓶更換周期，將氣瓶更換周期從50天1次延長至130天以上，有效減少了氮氣瓶組的吊裝、倒運、更換頻次，減少了人力成本，降低了相應的施工風險。

5 結束語

大多無人井口平臺井口控制盤氮氣驅動系統(tǒng)在設計之初便沒有遠程監(jiān)控及自主切換功能，此項技術創(chuàng)新在渤海地區(qū)無人平臺井口盤的氮氣控制系統(tǒng)中屬首次應用。之后，計劃在渤海地區(qū)多個無人平臺試點推廣應用，預計各平臺改造完成后，將提高整個平臺生產(chǎn)、運行的自動化程度和控制精度，有效減少因井口盤氮氣系統(tǒng)壓力不足導致的意外關停事故，經(jīng)濟效益顯著。此次創(chuàng)新性的改造大幅提升了無人平臺井口控制盤的穩(wěn)定性，推進了無人平臺智能化改造工作，為無人平臺的智能化建設提供了經(jīng)驗參考，具有很高的推廣價值。

參 考 文 獻

［1］ 顧常月.適用于海上無人化平臺的中控系統(tǒng)優(yōu)化分析［J］.工業(yè)控制計算機，2023，36（1）：4-5；7.

（收稿日期：2024-05-15，修回日期：2024-06-08）