張雙亮，李慶濤，張宏興，李順利

（1.中國石油集團海洋工程有限公司，北京100176；2.中國石油冀東油田公司，河北唐山063000）

冀東油田無人駐守平臺控制系統設計與應用分析

張雙亮1，李慶濤1，張宏興2，李順利2

（1.中國石油集團海洋工程有限公司，北京100176；2.中國石油冀東油田公司，河北唐山063000）

無人駐守平臺投資少，建設周期短，是開發(fā)衛(wèi)星油田、邊際油田和近海油田的方向，符合海洋石油開發(fā)以降低成本、提高經濟效益為宗旨的方針。文章以中國石油冀東油田NP1-29平臺為例，簡要介紹了無人駐守平臺的控制系統設計思路、主要流程，對平臺投入后的運行狀況進行了分析，并對完善無人駐守平臺的設計與應用提出了建議。

無人駐守平臺；控制系統；可靠性；自動控制；遠程監(jiān)控；應用

1 無人駐守平臺建設背景

冀東南堡油田油井的分布較分散，在陸岸附近海域設置了較多的人工島。由于集輸工藝較為簡單，不需要操作人員24 h值班，只需將現場檢測參數送往人工島中心控制室顯示、打印和管理，就可以滿足生產運行的要求。

自動化和通訊技術的不斷發(fā)展為監(jiān)控系統的實現提供了有力的技術支持和保證。依托人工島，建設無人駐守平臺，可以極大地降低投資和生產成本，作業(yè)人員在人工島中心控制室就可以采集所有數據，并可方便地進行數據處理、打印報表、歷史數據存儲等信息管理，通過安裝在現場的攝像頭，可以監(jiān)視整個生產情況。

2 工程概況

NP1-29無人駐守平臺位于冀東南堡油田1號構造。冀東南堡油田1號構造地理位置位于河北省灤南縣南堡鄉(xiāng)西偏南4 km淺水海域，距海岸線最近約1.0 km，其產能建設工程項目現場位于河北省唐山市南堡海域，距曹妃甸約20 km，距天津港約100 km。NP1-29平臺位于2號人工島西側約2.4 km，平均水深約6.4 m。

該平臺共有11口電潛泵采油井和6口注水井，年產油量為11萬t。為降低工程開發(fā)的投資，提高經濟效益，對平臺上部設施進行了簡化，以充分利用人工島已有設施的潛力。平臺工藝流程簡單，只設用于外輸和單井計量的電加熱器和多相流量計，利用電潛泵的壓力將油氣送往人工島。平臺不設主電站，由人工島供電，也不設生活樓及相關設施。白天有人巡檢、晚上無人駐守，作業(yè)人員由守護船接送，不設直升機專用平臺。NP1-29平臺主要包括：1座生產平臺（PRP），3座井口平臺（WHPA、WHPB、WHPC）。與之相關的工程設施有：1條從NP1-29平臺到2號人工島的D 152 mm海底油氣混輸管道，1條從2號人工島到NP1-29平臺的D 152 mm海底注水管道，1條從2號人工島到NP1-29平臺的復合海底電（光）纜。

3 無人駐守控制系統設計思路及主要特點

3.1 無人駐守平臺設計思路

（1） 簡化工藝系統、公用系統和通訊系統。

（2） 取消駐人生活設施，僅保留一間臨時休息室，用于吃飯和應急過夜，人員定期上平臺巡檢或進行維修作業(yè)，由守護船接送。

（3） 平臺增加設置視頻攝像頭，監(jiān)視平臺外在狀況。

（4） 確保正常的生產系統和必要的安全消防系統。

（5） 平臺監(jiān)測、報警參數遠程傳送至人工島，泵、風機、加熱器等設備均設置就地、遠程及手動、自動操作幾種模式。

3.2 工藝概要和控制要求

油井生產的流體經油嘴節(jié)流后，通過井口出油管道分別進入生產/計量管匯（WHPB-M-1201/1202、WHPC-M-1201/1202），生產/計量管匯上的閥門能對與之相接的單井進行生產和計量切換。需要計量的油井物流經過計量管道進入計量管匯，經計量電加熱器（PRP-EH-1301）升溫，再進入多相流量計（PRP-MFM-1301）進行油、氣、水三相計量，計量后的油、氣、水混合匯入到生產加熱器出口，計量數據通過流量變送器送至遠端控制中心顯示。不計量的油井物流經生產管道進入生產管匯，物流經生產加熱器（PRP-EH-2001）升溫后通過海底混輸管道輸至NP1-2D（2號人工島）。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

整個工藝系統的控制牽涉到很多設備，如大量的電潛泵、變頻器、泵、加熱器等，僅閥門就有電動閥、電磁閥和氣動閥，是一個較復雜的系統。對這個系統的控制要求是全自動、無人操作，確保平臺正常生產和安全要求。整個平臺僅設少量的管理、操作人員。

3.3 控制系統的設計思路

（1） 井口控制盤的設計具備手動、遙控、自動關井功能。

（2） 重要工藝參數除設置就地顯示外，還應遠傳至平臺儀表通訊間和人工島中控室顯示。

（3） 可在平臺儀表通訊間和人工島中控室在線修改工藝控制參數的設定值。

（4） 各類報警、設備運行狀態(tài)及關斷閥閥位可在平臺儀表通訊間和人工島中控室顯示。

（5）泵、風機、加熱器等設備可就地啟／停，亦可遙控。

（6） 控制系統除監(jiān)視橇裝設備運行狀態(tài)、故障報警等參數外，還應設置應急關斷。

（7） 主/備切換的設備應具備自動轉換，亦可遙控。

（8） 可在平臺儀表通訊間和人工島中控室遙控開啟注水管道與油氣混輸海底管道入口連通管道上的電動球閥，對油氣混輸海底管道進行遙控置換。

（9） 可在平臺儀表通訊間和人工島中控室對平臺進行棄平臺、火災、生產和單元4級關斷。

（10） 工藝區(qū)火氣探測使用火焰探測器和可燃性氣體探測器；電儀模塊間使用煙和熱探測器，采用可尋址回路連接方式。

（11） 平臺儀表通訊間和人工島中控室各放置一臺操作站兼工程師站，設置不同的密碼，使其具有不同的功能。正常生產時，在人工島中控室對平臺進行監(jiān)控和操作，儀表通訊間操作站及工程師站供平臺巡檢人員及維修人員登平臺后使用。

3.4 控制系統的主要內容

設置的控制系統將實現工藝數據采集、工藝過程調節(jié)、故障狀態(tài)下的緊急關斷、天然氣泄漏和火災等危險狀況的探測以及自動邏輯處理，保障平臺上的操作人員以及生產生活設施的安全。平臺控制系統采用先進的控制器和高速工業(yè)安全控制網絡，滿足現場控制要求和遠程監(jiān)測要求。

根據工藝系統和公用系統要求，現場設置變送器、調節(jié)閥、關斷閥等設備和控制系統連接，實現工藝系統和公用系統實時數據檢測、工藝過程的調節(jié)、緊急關斷系統信號的傳送。同時設置現場儀表，滿足現場工藝數據觀測要求。

根據平臺上不同區(qū)域的安全生產要求，在平臺上布置火氣探測及報警設備，實現現場的火災和天然氣泄漏狀況的探測及手動或者自動控制功能。

井口控制盤用來實現對井口采油樹和注水井的井上安全閥及井下安全閥手動/自動控制和監(jiān)視，將井口采油樹的安全閥狀態(tài)信號遠傳到中央控制系統，同時接受來自中央控制系統的控制信號。井口控制盤配備易熔塞、ESD手動站回路，在發(fā)生火災或應急事故時，關斷生產及啟動相關消防設施。

中央控制系統和平臺上的各個自成系統的第三方控制設備（橇塊）之間能夠建立數據傳輸聯系，實現對現場設備的監(jiān)控及應急關斷。

3.5 控制系統的組成

針對該平臺的工藝特點和控制要求、控制回路和控制點數的數量以及海洋石油平臺控制系統慣用配置，設置過程控制系統（PCS）和安全儀表系統（SIS），兩套系統相互獨立。其中安全儀表系統包括緊急關斷系統（ESD）和火氣探測系統（FGS）兩部分，緊急關斷系統（ESD）和火氣探測系統（FGS）共用一個控制器。過程控制系統和安全儀表系統進行適當集成，共同連接到100M/10M的工業(yè)安全控制網絡。在控制網絡的上層是監(jiān)控設備，包括工程師站/操作站，可以實現屏幕顯示和全流程顯示。NP1-29平臺的中央控制系統通過海底光電復合纜將控制系統的數據信息傳送到NP1-2D人工島的中控室，同時NP1-29平臺接受NP1-2D人工島的高級關斷信號，實現NP1-2D人工島對NP1-29平臺工藝流程及安全消防的監(jiān)視和控制?？刂葡到y框圖如圖2所示。

過程控制系統通過對現場的溫度、壓力、液位、流量等工藝參數的采集和處理，在操作站上進行顯示、報警，實現對相應控制閥門、泵和加熱器等設備的自動控制。

緊急關斷系統為平臺上的人員和設備提供保護功能。ESD系統能夠連續(xù)監(jiān)測工藝過程和公用系統工藝參數以及現場手動按鈕，自動或手動啟動相應的邏輯保護功能和報警。緊急關斷系統的設計應滿足故障安全型系統的要求，同時應確保某一級別的關斷只能啟動本級別和所有較低級別的關斷，而不能引起較高級別的關斷。

緊急關斷系統的關斷級別設置為4級，從高級別到低級別的依次為：

ESD-1：棄平臺關斷（最終關斷）；

ESD-2：火災或者天然氣泄漏關斷；

ESD-3：工藝/公用系統關斷；

ESD-4：單元關斷。

火氣探測系統是對平臺可能存在的危險氣體泄漏進行自動檢測，并能對意外的危險火源進行探測報警，在危險情況下主要通過自動方式啟動平臺的消防滅火系統，為生產設施提供安全保障?；饸馓綔y系統由火氣監(jiān)控系統控制設備，火氣現場探測、報警設備，以及與消防系統、CO2系統、應急關斷系統、報警系統和HVAC系統的接口組成。

圖2 控制系統

3.6 控制系統的要求

3.6.1確保系統的可靠性

平臺無人駐守指的是生產過程無人值守，而不是平臺上沒有人，它是建立在正確、成熟的控制模式和可靠的控制設備基礎上，由人工島中控室完成對整個平臺運行的監(jiān)視、管理、控制的一種控制模式。要做到這一點，首先要求控制設備和通訊網絡十分可靠。在可靠性設計上，PCS的CPU模塊、電源模塊、通訊模塊和控制網絡等采用1:1冗余。SIS的CPU模塊、電源模塊、通訊模塊、控制網絡和所有I/O卡均采用1:1冗余配置。在控制設備的選擇上，采用在海洋平臺應用廣泛的EMERSON過程控制管理公司的DeltaV和DeltaV SIS系統。通訊網絡采用雙光纖配置。

其次，無人駐守要求整個控制系統可靠性極高。對控制系統而言，不但涉及到控制設備和網絡，還涉及到許多現場儀表和執(zhí)行機構?？刂骗h(huán)節(jié)中任何一臺設備出現故障都會影響系統的運行，有時可能迫使整個系統退出自控狀態(tài)，等待維修。而無人駐守則要求這樣的情況越少越好，同時要求平均故障修復時間（MTTR）越短越好。對此，在系統配置上采用分布式結構，將危險分散；現場儀表及執(zhí)行機構盡可能選用品牌產品，重要場所的現場儀表采用冗余配置，關鍵控制點采用表決邏輯，盡可能減少設備故障或設備誤動作對整個平臺自動運行產生的影響，并在發(fā)生故障的情況下盡量減少維護人員的工作量。

無人駐守要求系統具有強大的自診斷能力。只有在發(fā)生故障后能很快找出故障點，才能縮短系統的維修、恢復時間?？刂破鞅旧砭哂凶栽\斷功能，但系統中還有大量其他設備，實現對現場儀表的診斷和校正是提高系統性能的關鍵所在。因此在系統的操作站上配備AMS智能設備管理系統?？刂破魍ㄟ^與現場智能儀表進行數字通訊，將HART信號數據傳送給AMS智能設備管理系統，進而給出清楚和詳細的關于故障的描述，控制器可以在系統跳車之前提醒操作員或者維護人員監(jiān)察來自現場設備的問題或者故障，從而優(yōu)化操作和維護。通過和AMS智能設備管理系統的結合，可有效地對現場智能儀表潛在的故障做出診斷及校正，提高控制系統的可靠性。

3.6.2要求設備全自動控制

無人駐守要求平臺上絕大部分設備的運行應完全由控制系統根據平臺的工況及工藝參數來控制，完成對設備的啟、?？刂贫恍枞斯じ深A。這有兩層含意，一是控制系統應能掌握平臺內所有設備的狀態(tài)，不能留下盲區(qū)；二是應給控制設備提供切實的控制模型和控制參數，盡量減少對人工干預的依賴。關于第一點，平臺的中、低壓開關柜的狀態(tài)信號和橇裝設備的狀態(tài)信號要全部輸送到控制系統；關于第二點，對一些泵、加熱器等設備要設定合理的控制參數，避免設備的頻繁啟動和停止。

無人駐守平臺控制系統上層監(jiān)控設備要求具有更大的控制權限。以往上層監(jiān)控設備只起監(jiān)視、管理作用，記錄平臺的運行情況，打印報表、報警記錄等?，F在的上層監(jiān)控設備能在中控室對所有設備進行控制，借助于監(jiān)視的工藝參數和工業(yè)視頻系統，可以人為干預現場的運行狀態(tài)。

4 目前運行情況及存在的問題

NP1-29平臺是按照白天有人巡檢、操作，晚上無人駐守來設計的，并非高度自動化的完全無人作業(yè)平臺。平臺生產作業(yè)管理規(guī)定：采油作業(yè)人員白天上平臺巡檢，夜晚住宿在人工島；作業(yè)人員上、下班由守護船接送，上平臺人員自帶午餐；機、電、儀維修工隨時上平臺處理事故和操作。采油作業(yè)人員日常巡檢和操作包括：定期的單井計量倒井和取樣，化學藥劑罐加藥，設備維護和保養(yǎng)等；不定期的操作有：電潛泵停泵后的再啟動，平臺應急關斷后井口控制盤和關斷閥的復位，流程再啟動等。

NP1-29平臺是冀東油田自己接手作業(yè)的第一個海上平臺，操作中還存在很多的誤區(qū)和盲點。NP1-29平臺的采油井是陸續(xù)投產，而且生產狀況不穩(wěn)定。平臺自2009年8月份投產以來，遇到了海洋惡劣氣象環(huán)境的挑戰(zhàn)，渤海灣冬季的嚴寒和風浪給平臺生產作業(yè)管理造成嚴重的困難。海上5級以上的大風和1m以上的大浪使守護船無法停靠平臺，作業(yè)人員均無法上平臺作業(yè)，亦有上去下不來的情況。

經過多次嘗試后，冀東南堡作業(yè)區(qū)目前尚未能按無人駐守平臺生產作業(yè)管理規(guī)定來管理，為確保平臺生產，避免不必要的經濟損失，在平臺上分批安排了適當人數的人員進行晝夜值守，維持平臺的正常生產。

5 經驗體會

NP1-29無人駐守平臺的控制系統雖然尚未達到設計功能，但其建成和投產，為冀東南堡油田整體開發(fā)提供了可供參考的實例。為進一步完善無人駐守平臺的設計及應用，使其更加適應客觀環(huán)境條件和油田特性，本文總結了如下的經驗和體會：

（1） 對于渤海灣近海海域進行采油作業(yè)的無人平臺，如何解決冬季惡劣海況下作業(yè)人員登離平臺是首要問題。當守護船無法將作業(yè)人員送上平臺時，為不耽誤生產，可考慮動用直升機，但直升機的使用，勢必帶來投資及操作費用的增加。由于平臺距離陸岸較近，因此從生產和管理的角度出發(fā)，作業(yè)單位應結合實際，可采用破冰船和適當配置人員值守相結合的辦法，解決冬季或大風狀況下生產作業(yè)問題。

（2） 設計中應適當考慮設置簡易的生活設施，以提供惡劣天氣下操作人員不能下平臺的海上生活條件。

（3） 作為向無人駐守平臺提供電力的人工島，要保證其供電的可靠性及穩(wěn)定性，減少井口平臺因失電或電壓波動而造成的工藝生產系統關斷。

（4） 平臺在設計、選型過程中，現場儀表及輔件應盡量選用標準系列化產品，盡可能減少儀表品種、類型，以減少備品備件的種類，方便操作與維護。系統及儀表應盡可能選擇知名品牌廠商的產品，以減少系統的故障?，F場儀表的安裝在滿足有關規(guī)范及制造廠商的要求下，應考慮操作、維護、檢修和更換的方便。

（5） 在生產區(qū)及各個通道應設置視頻攝像頭，以便在人工島能夠監(jiān)視平臺各個角落，及時掌握平臺各種工況。

（6） 平臺設計過程中，應注意各專業(yè)之間的結合與協調，確保投產后設備全自動運行，并最終使控制系統做到無人操作。

（7） 提高操作人員對平臺系統的熟悉程度，尤其是自動控制系統專業(yè)性較強，對平臺現場管理及操作人員解決問題的能力要求較高。目前一旦設備和操作出現問題，還需要廠家到平臺進行處理。因此，建立一支學習型的技術過硬的操作、維護、維修隊伍非常必要。要配備技術過硬的電氣、儀表、機械、工藝工程師加強日常維護與保養(yǎng)。

Abstract：Unmanned platform construction is a trend for developing satellite oilfields,margin oilfields and offshore oilfields due to its lower investment and shorter construction period,and is in accordance with the offshore petroleum development policy of reducing costs and increasing economic benefits.This paper illustrates the control system design philosophy and the main process of NP1-29 unmanned platform in Jidong Oilfield,analyzes the operating conditions after the platform is put into use,and gives suggestion of improving the design and application of similar unmanned offshore platforms.

Key words:unmanned platform;control system;reliability;automatic control;remote monitoring;application

（15）Design and Application Analysis of Unmanned Platform Control System in Jidong Oilfield

ZHANG Shuang-liang（China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100176,China）,LI Qing-tao,ZHANG Hong-xing，et al.

TE54TE951

A

1001－2206（2011）01－0015－05

張雙亮（1978-），男，河南信陽人，工程師，2001年畢業(yè)于信陽師范學院，現從事海洋石油工程自動化儀表設計工作。

2010-04-02；

2010-11-03