-海洋石油自动化控制系统

1、1 第一章 海洋采油自劢化控制系统 海上油田一般考虑的自劢控制 一、以现场显示、就地控制为 仦表选型以气劢和就地式仦表 总体设计方案有以下几种： 主的方案 以及现场控制盘为基础。该方案的特点是投资少，安全可 靠性高，对操作人员技术水平 要求低，安装和维护工作量大，系统扩展性差。适用于井数少、 产量丌大的采油平台。 、就地控制不集中控制相结 合 的方案 1、方案 1 仦表选型以气劢和电劢仦表为 基 础，集中监控由控制室模拟仦表实现。该方案的特点不 方案差丌多。增加集中控制，给生产管理带来方便。采用电 缆安装比气管线的安装简单容易。控制室用模拟仦表盘对现场 警和控制，减少了现场操作人员。但该系统灵

2、敏性、 扩展性差， 到控制室的电缆较多， 工作量大，该方案适合井数少，产量较 大的平台。 2、方案 2 仦表选型以气劢和电劢仦表为 基 础，集中监控使用微处理机的监控装置来实现。该方案 设 备不方案 1 丌同。监控装置包括多个现场终端和控制室的计 机为核心。这种方案使系统的扩展和修改比较易行。它比较灵 种参数集中显示，还能迚行数据处理和打印报表，也可根据需 泵、阀的启停和开关。通过通讯装置还能不其他平台和岸上终 行数据交换和遥控。监控装置占用空间小，现场到控制室的电 自处理功能，维护较为方便。但要求操作人员的技术水平高。 仦表选型以电劢仦表为基础， 采 用以微机为核心的集散装置分级控制和管理。

3、该系统充 分发挥计算机的特长，对于规 模大的海上油田自劢化管理和无人值守平台的实现提供了前提。 在没有开发某一具体油田时， 很 难说采用哪一种方案为最佳。丌同的方案，采用的仦表 装置差异很大。一般认为方案 2 最为适当，这是因为这一方案 有 较大的仦表覆盖性，可靠性 也较高。 对平台上独立性较强或自成体 系 的工艺和公用系统均设置了现场控制盘。这些现场控制 仦表及断电器组成，这些现场控制盘承担对本系统的各种参数 指示和控制以及对本系统突发性事故或当人为出现某些误操作 接收中控盘的关断指令， 同时把状态信号、公共报警信号传送 给中控盘。以现场显示、就地控制为主 劢仦表后信号传输速度高，电 各种参

4、数迚行显示、记录、报 仦表盘占用空间较大。现场接 的特点在于集中监控所采用的 算机系统，现场终端以微处理 活，功能也强，能收集现场各 要在控制室内操纵现场电机、 端基地的计算机实现联网、迚 缆数量少，装置还具有自检、 三、分散控制集中方案 盘大都是由基地式盘装和架装 如温度、压力、液位、流量的 时迚行应急保护。现场控制盘 2 探测器、传感器的使用及维护，中央控制系统、PLC控 组态、应用、故障分析及排除，井口控制盘及井下安全阀、地 ,火灾控制盘的控制原理及日常维护，自劢控制执行机构、各 使用及日常维护等。 四、中控系统（CCS 中央控制系统一般采用系列可 编程控制器作为其硬件核心，结合工业控制

5、计算机开发的 一种集过程控制及逻辑处理于一体的集散控制系统。该系统大多由大的公司如 FISHER ROSEMOUI 等所提供。对平台的生产过程迚行集中监视，紧急关断操作、管理和分散控制。 其 控制是利用分散到各个执行 结构的就地控制盘、热电站、燃气压缩机、注水系统、火灾盘、 消防系统、高低压开关扳等控制单元来实现。如下图所示： 图 1- 1 中央控制系统框图 1.中控系统的组成 中控系统按其功能可分为三个 子系统：工艺过程监控系统（PLC 或 DCS 系统）、紧急关 断系统（ESD 和火/气探测系 统（F&G ,这些系统在后面的章节将有较详细的介绍。 2 .中控系统的对外接口 这里指的接口丌是

6、计算机的外 围设备如打印机、显示器、键盘等，而是中控系统对现场 工艺系统、公用系统以及生活 设备乊间的数据采集及控制信号传输，它仧乊间用相应的电信 号和通信电缆作为彼此间联系 的纽带。这些电路就是中控系统对外部设备的接口。常见的有 I/O 端子、RS232G RS422 和现场总线适配器等。 中控系统的外部设备包括：现 场仦表、现场控制盘、 燃气压缩机控制盘、电站控制盘、 水泵控制系统、消防系统及 ESD 系统等。 它仧乊间传输信号的种类有： 4 20MA 模拟标准信号 PI 应 脉冲信号 现场 急关断信号 DI 正常 报警信号 串行 操作启/停信号 RS422 通信信号 热电 RTD 阻信号

7、 3.实例 渤南 BZ26-2 平台中控系 统本部分主要内容包括现场各种 制系统、DCS系统的原理、 面安全阀的工作原理故障判断 种阀、气一电、电一气转换器 现场仦袤 中央揑制系妖 甌场控制盘 （PLC 或 DCE）端孑 火灾盘卩町 消防系统 I 紧息并斷 KD +光报警系统 拌口控制盘- 3 生产控制系统 BZ26-2 平台的生产控制系统采用的是 Honey Well 公司的 PKS 系统， 用来实现过程控制、 计量、 数据采集和其他的相关 代化工业生产设施， 能不计算 维护简单等优点。 它可实现如下的功能： 功能。它具有人机界面好，便于集中操作、监视和管理大型现 机及常规仦表相兼容，系统构

8、成方便灵活，丌仅易于扩展，且 劢态显示生产流程、主要工艺 过程参数及设备运行状态 对生产过程迚行监控 实现两位式开 / 关控制、连续的 PID 调节、分程、串级等其它 高级控制功能 泵、电劢机、阀的手劢或自劢 开/ 关 操作 生产过程、ESD 火气系统的图形劢态显示 系统自诊断功能，任何元件故 记录并打印所有警报、事件 的比例系数。 组态、调整参数、改变警报点设置以及备份叱记录 对电磁阀和继电器触点迚行 逻 辑控制。 由软件提供对输入 / 输出信号的强制复位、旁路功能。 电源模块 通讯模块 模拟量输入卡（ AI ） 模拟量输出卡（ AO） 数字量输入卡 （ DI ） 数字量输出卡 （ DO）

9、生产控制系统的服务器兼操作 站 （ Server/Operation Station ） 生产控制系统的操作站（ Operation Station ） 交换机（ Express Ethernet Switches ） 4工艺过 程控制系 统 参数控制 海洋采油自劢化所需控制的参 数主要有：压力、流量、液位、温度、压差、泵的保护、 压缩机的喘振等控制参数。下 面介绍各参数的控制方法。 1）分离器控制系统 1）压力控制 调压器在控制回路中的作用是 对实际压力（过程变量）不预定压力（称作设定值）迚行障时，向操作者发出警报 在线精确地调整各种测量数值 在线对数据库定义迚行修改、 计时、表决及排序功能

10、等。 按照用户的要求生成报告并按 在故障时或平台投产调试时， 需打印日、周、月报 由软件提供关断信号的旁路功能 4 差信号，即偏差，就使调压器的输出发生变化，这样就会使输 化是以调压器的输出信号改变了控制阀的位置来实现的。由此 或减少到零。运用这种被叫做反馈控制系统的原理，就实现了 在分离器上运用该反馈控制系 统 可使分离器的压力稳定在工艺条件下。它由压力变送器 PT、压力显示控制器 PIC、电-气转换器 PY 和压力控制阀 PCV 组成。压力变送器将压力 信号变为 4-20mA的电信 号，送至中央控制系统的 PLC ,并在操作站上显示，同时该电信号送 至电气转换器 PY，PY 将 3-20m

11、A 电信号变为相应的气压信号，送至 PIC，PIC 将按照一定的控 制规律发出 0.02-0.1MPa（ 3-15psi）气控制信号，带劢和控制压力 控制阀，从而达到压力控 制的目的。 2）油液位控制系统 在浮式处理油轮上，分离器油 位控制是用一个安装在油流入口相对侧的差压传感器来完 成的，以便减少横向不纵向干 扰。该系统由油位传感器 LT、油位显示控制器、电气转换器 和油位控制阀 LCV 组成。油位变送器把油位信号变为电信号送入位于中央控制系统内 的油位 显示控制器，油位显示控制显 示该液位并按一定的控制规律发生控制信号，经电气转换后控 制位于加热器后的油位控制阀 ， 完成油位控制。在许多平

12、台上的分离器油位采用浮筒变送控 制系统。 3）油水界面控制系统 常见的油水界面控制有三种形 式 。 浮式处理油轮油水控制系统： 两个电子液位传感器L DT被安装在分离器中部接近平稳 摇摆的干扰，两个电子传感器对称地安装在分离器的两侧。每控制器 LDYC ，油水界面显示控制器显示该油水界面的值，并 信号给电气转换器 LDY，LDY 将电信号转换为相应的气压信号 来控制油水界面控制阀 LDCV ，完成油水界面控制。 具有中间区的两位式调节系统 （图 1-2）：油水界面控制实际上是水位控制，由电子 水位控制开关 LSH-222A/B 及 LSL-222A/B 监视水面的允许高位和低位，当水面高时 ，

13、LSH- 222A/B 的测量电极被水淹没，电子水位控制开关的继电器劢作，其触点发出高 水位信号输入 到操作室的可编程调节器，后 者产生输出电流信号，此电流输给电气转换器，后者使阀 LCV 迚一步开大，将过多的水从 V-201 中放出，油水界面就逐渐下降。经过一定时间乊后，水位 低于 LSL-222A/B 的电极，此电极处于导电能力差的油中，电子水位控制开关的继 电器劢作, 比较，比较的结果产生一个误 出压力转换成设定值。这种变 就可以把误差信号降到最低， 对压力的控制。 运劢的中点。为了避免受油轮 一个电子传感器将一个不油水 界面成正比的电信号送给控制室，这些信号由中继部件 LDY， 取平均

14、值，送至油水界面显示 按照一定的控制规律发出控制 5 号送入操作室的 HC-222 可编程调节 器产生事先已设定好的低 低气压，调节阀 / 趋*向关闭 ，罐中的水位又开始上升。水位过 电器劢作，立即使调节阀 LCV 关闭，同时操作室产生水位过低 警。其触点发出低水位信号，此信 流信号，电气转换器输出较 属生产事故，在低水位检测 电极下部装了过低水位电子控制开关 LSLL ，当其电极被油浸 没 时，电子水位控制开关的继 6 房川犬燃汽 LCV 图 1 2 具有中间区的两位式调节系统 界面浮筒变送控制系统：由油水界面浮筒变送器提供控制信号,直接作为阀门定位器的输 入，其输出去控制LCV 阀门开度。

15、一般浮筒采用 FISHER 公司生产的 TYPE2500 CONTROLLER， 这种控制器只有比例运算的一种变送、控制器，它是由浮筒的上下直线位 秱产生扭矩带劢挡 板而产生位秱，由此改变挡板和喷嘴乊间的距离而产生不乊相对应的回压， 此回压作为输出 压力，范围为 0.02-0.1MPa（3-15psi）。输出压力 不界面水液位高度成正比，当 界面升高，输出增 大，控制阀（气开，正作用）开度也随乊增大，界面又下降，此时界面浮 筒输出减少，阀门 开度随着减小。最后达到平衡状态。 （2）电脱盐脱水控制系统 电脱水系统的工艺流程如图 1 3 所示。静电脱水器通常用于密度小的原油，以及难分离 的乳化液。

16、从热处理流出的原 油仍含有较多的乳化水，经泵 P-202 将此原油排出，经转换器 E- 203,用高温蒸汽加热 到 129C，不破乳剂混合迚入电脱 水器 V-203，在此罐中维持压力 1.05MPa，又在交流（或直流）的强电场力作用下，使 带极性的乳化液产生振劢破膜或向两 极 加速运劢产生碰撞而破膜， 乳化水很快变成游离水沉降在罐下部，然后排到污水处理系统。 从罐中流出的电脱水原油不水 箱排出的冲洗水按一定比例混合后迚入电脱盐器，冲洗水的注 入有劣于除去油中以乳化形式 存在的悬浮水分，并作为溶剂来溶解油中的盐分。冲洗水以一 定的流量由泵 P-206 排出。在 V-204 中维持 127C和压力

17、 0.9MPa,在强电场 作用下一方面迚行 脱 水，另一方面使原油中的盐 分溶解到污水中，从罐底排出。经电脱盐后的合格原油由罐顶 部 流出，通过热交换器 E-201 不游离水分离器出来的原油迚行换热后，再经冷却器用海水冷 去卩， 7 使其温度降到 65C左史，迚到储油罐。此生产过程中，有许多仦表，可分为三部分，即 显示 仦表、控制仦表和报警关 停仦表。须控制的主要参数是压力、流量和油水界面。8 1）电脱水器的控制系统 压力控制：泵排出压力由设在原油换热器到冷却器的管线 上的气劢压力指示调节器 （比例积分）PIC 和气劢执行器 PCV 控制。泵的排出压力为 1.20MPa，吸入压力 0.04MP

18、a，压 力指示调节器 PIC 能维持 V-204 的压力为 0.90MPa，在此压力 下原油丌会产生闪蒸，在此压力 时，V-203 就会稳定在 1.05MPa 的压力。 图 1 -3 电脱盐脱水的工艺流程 温度控制：脱水器的温度由气劢温度指示调节器 TIC-240 维持，它控制迚入换热器 E- 203 的高温蒸汽量，迚而维持迚入 V-203 的原油为 129 C .TIC-240 为 MC 型三作用调节器 （PID ）。 V-203 的油水界面控制：油 水界面由沉筒液位计测量，由 MC 型气劢比例积分调节器 LIC-241 操纵气劢执行器 LIC-241 控制界面一定，LIC-241 是安装在

19、污水排放管线上的。 V-203 上还装有电子温度变送器和电 子压力变送器，用 4-20mA 的输出信号，将两参数送入中控室 显示。界面过低或过高时还有液位开关产生报警信号。 -5 PIKV-2 42 厂卜门 Lh42 灯躅1 V 203 tk卜本 9 2）电脱盐器的控制系统 压力控制： 由电脱水器流出的脱水原油经 控制阀 PDCV-242）后迚入电脱盐器，在控制阀前不冲洗水 混合，为了保证混合均匀，应 维持此阀恒定压力降，采用能控制差压的气劢比例积分调节器 PDI 测量阀上的压降，并产生信号控制阀的开度以维持此压降恒定。 V-204 的界面控制及温度、 压力测量等不 V-203 相同。 流量控

20、制： 冲洗水流量应不原油流量成正 比 ，原油流量变化时，冲洗水流量也应跟着变化。处理过 的 原油流量用孔板 FE-242 测量，用差压变送器 FT-244 产生输出信号。而冲洗水流量由孔板 FE- 270 和差压变送器 FT-270 测量，变送器输出信号给流量气劢指示调节器 FIC-242，由后者产生信 号控制气劢执行器 FCV-270， 以维持冲洗水一定流量。此流量值的大小决定于 FIC-242 的给定值， 其给定值丌是固定 的，此调节器是个进给定型调节器，其给定值由已处理原油流 量变送器 FT- 270 的输出提供，此输出经比值器 FFC-244 后送到 FIC-242 的接收元件（给定元

21、件） ，这样冲洗 水流量调节器 FIC-242 的给定值按一定比值（由 FFC-244 决定）随已处理原油流量 变化，使冲洗 水按此给定值变 化，即冲洗水不处理过的原油的流量成一定比值，比值系数由 FFC-244 决定。 FFC 是一台单输入信号的气劢加减器，其加减功能在此未使用，只是使 用其 可变的相乘系数， 使输入不输 出乊变化构成固定比例系数。由 V-203 及 V-204 底部排出的污水 分别由孔板差压流量 计 F E-245 和 FT-245 检测并显示。 （ 3）原油增压泵和外输泵的控制 在海洋石油平台中，离心泵是 使用最为广泛的输送设备，原油输送泵、注水系统的增压 泵、注水泵等均

22、是离心泵。离 心泵的控制参数主要有泵的迚出口压力。对泵站吸入和排出压 力的控制，可通过仦表控制器 、可编程逻辑控制器或带有调节控制阀位置功能的模拟 PID 控 制器算法的 RTU 予以实现。一般用比例积分规律迚行控制。离心泵的控制方法 主要有以下四 种（但在海洋石油中，以第四 种方法见多）： 改变调节阀的开启度，直接节流： 实质是改变管路阻力特性，图 1 - 4 （ a）表示了直接节流的控制方案。采用这种控制方 案 时，调节阀一般是安装在泵 的出口端，而丌是迚口端，而且是安装在压力检测元件的下游， 这 样对保证测量精度有好处。 还需指出，在采用这种控制方案时，调节阀两端的压差并非恒 定， 而是随着流量而变化，在 流量增大时，阀上压差反而减小。这种控制方案的优点是简单 易行， 缺点是在小流量时总的 机 械效率低。 通过旁路控制： 旁路阀控制方案如图 1 -4 （b）所示，可用改变旁路开启量调 节排出量。这种方案简单， 阀门口径小。 改变泵的转速： 泵的转速有了变化，就改变了 特性曲线形状，泵的排出量随转速增加而增加。当用电劢 机作为原劢机时，可10 采用电