冀东油田无人驻守平台控制系统设计与应用分析

张双亮，李庆涛，张宏兴，李顺利

（1.中国石油集团海洋工程有限公司，北京100176；2.中国石油冀东油田公司，河北唐山063000）

冀东油田无人驻守平台控制系统设计与应用分析

张双亮1，李庆涛1，张宏兴2，李顺利2

（1.中国石油集团海洋工程有限公司，北京100176；2.中国石油冀东油田公司，河北唐山063000）

无人驻守平台投资少，建设周期短，是开发卫星油田、边际油田和近海油田的方向，符合海洋石油开发以降低成本、提高经济效益为宗旨的方针。文章以中国石油冀东油田NP1-29平台为例，简要介绍了无人驻守平台的控制系统设计思路、主要流程，对平台投入后的运行状况进行了分析，并对完善无人驻守平台的设计与应用提出了建议。

无人驻守平台；控制系统；可靠性；自动控制；远程监控；应用

1 无人驻守平台建设背景

冀东南堡油田油井的分布较分散，在陆岸附近海域设置了较多的人工岛。由于集输工艺较为简单，不需要操作人员24 h值班，只需将现场检测参数送往人工岛中心控制室显示、打印和管理，就可以满足生产运行的要求。

自动化和通讯技术的不断发展为监控系统的实现提供了有力的技术支持和保证。依托人工岛，建设无人驻守平台，可以极大地降低投资和生产成本，作业人员在人工岛中心控制室就可以采集所有数据，并可方便地进行数据处理、打印报表、历史数据存储等信息管理，通过安装在现场的摄像头，可以监视整个生产情况。

2 工程概况

NP1-29无人驻守平台位于冀东南堡油田1号构造。冀东南堡油田1号构造地理位置位于河北省滦南县南堡乡西偏南4 km浅水海域，距海岸线最近约1.0 km，其产能建设工程项目现场位于河北省唐山市南堡海域，距曹妃甸约20 km，距天津港约100 km。NP1-29平台位于2号人工岛西侧约2.4 km，平均水深约6.4 m。

该平台共有11口电潜泵采油井和6口注水井，年产油量为11万t。为降低工程开发的投资，提高经济效益，对平台上部设施进行了简化，以充分利用人工岛已有设施的潜力。平台工艺流程简单，只设用于外输和单井计量的电加热器和多相流量计，利用电潜泵的压力将油气送往人工岛。平台不设主电站，由人工岛供电，也不设生活楼及相关设施。白天有人巡检、晚上无人驻守，作业人员由守护船接送，不设直升机专用平台。NP1-29平台主要包括：1座生产平台（PRP），3座井口平台（WHPA、WHPB、WHPC）。与之相关的工程设施有：1条从NP1-29平台到2号人工岛的D 152 mm海底油气混输管道，1条从2号人工岛到NP1-29平台的D 152 mm海底注水管道，1条从2号人工岛到NP1-29平台的复合海底电（光）缆。

3 无人驻守控制系统设计思路及主要特点

3.1 无人驻守平台设计思路

（1） 简化工艺系统、公用系统和通讯系统。

（2） 取消驻人生活设施，仅保留一间临时休息室，用于吃饭和应急过夜，人员定期上平台巡检或进行维修作业，由守护船接送。

（3） 平台增加设置视频摄像头，监视平台外在状况。

（4） 确保正常的生产系统和必要的安全消防系统。

（5） 平台监测、报警参数远程传送至人工岛，泵、风机、加热器等设备均设置就地、远程及手动、自动操作几种模式。

3.2 工艺概要和控制要求

油井生产的流体经油嘴节流后，通过井口出油管道分别进入生产/计量管汇（WHPB-M-1201/1202、WHPC-M-1201/1202），生产/计量管汇上的阀门能对与之相接的单井进行生产和计量切换。需要计量的油井物流经过计量管道进入计量管汇，经计量电加热器（PRP-EH-1301）升温，再进入多相流量计（PRP-MFM-1301）进行油、气、水三相计量，计量后的油、气、水混合汇入到生产加热器出口，计量数据通过流量变送器送至远端控制中心显示。不计量的油井物流经生产管道进入生产管汇，物流经生产加热器（PRP-EH-2001）升温后通过海底混输管道输至NP1-2D（2号人工岛）。工艺流程见图1。

图1 工艺流程

整个工艺系统的控制牵涉到很多设备，如大量的电潜泵、变频器、泵、加热器等，仅阀门就有电动阀、电磁阀和气动阀，是一个较复杂的系统。对这个系统的控制要求是全自动、无人操作，确保平台正常生产和安全要求。整个平台仅设少量的管理、操作人员。

3.3 控制系统的设计思路

（1） 井口控制盘的设计具备手动、遥控、自动关井功能。

（2） 重要工艺参数除设置就地显示外，还应远传至平台仪表通讯间和人工岛中控室显示。

（3） 可在平台仪表通讯间和人工岛中控室在线修改工艺控制参数的设定值。

（4） 各类报警、设备运行状态及关断阀阀位可在平台仪表通讯间和人工岛中控室显示。

（5）泵、风机、加热器等设备可就地启／停，亦可遥控。

（6） 控制系统除监视橇装设备运行状态、故障报警等参数外，还应设置应急关断。

（7） 主/备切换的设备应具备自动转换，亦可遥控。

（8） 可在平台仪表通讯间和人工岛中控室遥控开启注水管道与油气混输海底管道入口连通管道上的电动球阀，对油气混输海底管道进行遥控置换。

（9） 可在平台仪表通讯间和人工岛中控室对平台进行弃平台、火灾、生产和单元4级关断。

（10） 工艺区火气探测使用火焰探测器和可燃性气体探测器；电仪模块间使用烟和热探测器，采用可寻址回路连接方式。

（11） 平台仪表通讯间和人工岛中控室各放置一台操作站兼工程师站，设置不同的密码，使其具有不同的功能。正常生产时，在人工岛中控室对平台进行监控和操作，仪表通讯间操作站及工程师站供平台巡检人员及维修人员登平台后使用。

3.4 控制系统的主要内容

设置的控制系统将实现工艺数据采集、工艺过程调节、故障状态下的紧急关断、天然气泄漏和火灾等危险状况的探测以及自动逻辑处理，保障平台上的操作人员以及生产生活设施的安全。平台控制系统采用先进的控制器和高速工业安全控制网络，满足现场控制要求和远程监测要求。

根据工艺系统和公用系统要求，现场设置变送器、调节阀、关断阀等设备和控制系统连接，实现工艺系统和公用系统实时数据检测、工艺过程的调节、紧急关断系统信号的传送。同时设置现场仪表，满足现场工艺数据观测要求。

根据平台上不同区域的安全生产要求，在平台上布置火气探测及报警设备，实现现场的火灾和天然气泄漏状况的探测及手动或者自动控制功能。

井口控制盘用来实现对井口采油树和注水井的井上安全阀及井下安全阀手动/自动控制和监视，将井口采油树的安全阀状态信号远传到中央控制系统，同时接受来自中央控制系统的控制信号。井口控制盘配备易熔塞、ESD手动站回路，在发生火灾或应急事故时，关断生产及启动相关消防设施。

中央控制系统和平台上的各个自成系统的第三方控制设备（橇块）之间能够建立数据传输联系，实现对现场设备的监控及应急关断。

3.5 控制系统的组成

针对该平台的工艺特点和控制要求、控制回路和控制点数的数量以及海洋石油平台控制系统惯用配置，设置过程控制系统（PCS）和安全仪表系统（SIS），两套系统相互独立。其中安全仪表系统包括紧急关断系统（ESD）和火气探测系统（FGS）两部分，紧急关断系统（ESD）和火气探测系统（FGS）共用一个控制器。过程控制系统和安全仪表系统进行适当集成，共同连接到100M/10M的工业安全控制网络。在控制网络的上层是监控设备，包括工程师站/操作站，可以实现屏幕显示和全流程显示。NP1-29平台的中央控制系统通过海底光电复合缆将控制系统的数据信息传送到NP1-2D人工岛的中控室，同时NP1-29平台接受NP1-2D人工岛的高级关断信号，实现NP1-2D人工岛对NP1-29平台工艺流程及安全消防的监视和控制。控制系统框图如图2所示。

过程控制系统通过对现场的温度、压力、液位、流量等工艺参数的采集和处理，在操作站上进行显示、报警，实现对相应控制阀门、泵和加热器等设备的自动控制。

紧急关断系统为平台上的人员和设备提供保护功能。ESD系统能够连续监测工艺过程和公用系统工艺参数以及现场手动按钮，自动或手动启动相应的逻辑保护功能和报警。紧急关断系统的设计应满足故障安全型系统的要求，同时应确保某一级别的关断只能启动本级别和所有较低级别的关断，而不能引起较高级别的关断。

紧急关断系统的关断级别设置为4级，从高级别到低级别的依次为：

ESD-1：弃平台关断（最终关断）；

ESD-2：火灾或者天然气泄漏关断；

ESD-3：工艺/公用系统关断；

ESD-4：单元关断。

火气探测系统是对平台可能存在的危险气体泄漏进行自动检测，并能对意外的危险火源进行探测报警，在危险情况下主要通过自动方式启动平台的消防灭火系统，为生产设施提供安全保障。火气探测系统由火气监控系统控制设备，火气现场探测、报警设备，以及与消防系统、CO2系统、应急关断系统、报警系统和HVAC系统的接口组成。

图2 控制系统

3.6 控制系统的要求

3.6.1确保系统的可靠性

平台无人驻守指的是生产过程无人值守，而不是平台上没有人，它是建立在正确、成熟的控制模式和可靠的控制设备基础上，由人工岛中控室完成对整个平台运行的监视、管理、控制的一种控制模式。要做到这一点，首先要求控制设备和通讯网络十分可靠。在可靠性设计上，PCS的CPU模块、电源模块、通讯模块和控制网络等采用1:1冗余。SIS的CPU模块、电源模块、通讯模块、控制网络和所有I/O卡均采用1:1冗余配置。在控制设备的选择上，采用在海洋平台应用广泛的EMERSON过程控制管理公司的DeltaV和DeltaV SIS系统。通讯网络采用双光纤配置。

其次，无人驻守要求整个控制系统可靠性极高。对控制系统而言，不但涉及到控制设备和网络，还涉及到许多现场仪表和执行机构。控制环节中任何一台设备出现故障都会影响系统的运行，有时可能迫使整个系统退出自控状态，等待维修。而无人驻守则要求这样的情况越少越好，同时要求平均故障修复时间（MTTR）越短越好。对此，在系统配置上采用分布式结构，将危险分散；现场仪表及执行机构尽可能选用品牌产品，重要场所的现场仪表采用冗余配置，关键控制点采用表决逻辑，尽可能减少设备故障或设备误动作对整个平台自动运行产生的影响，并在发生故障的情况下尽量减少维护人员的工作量。

无人驻守要求系统具有强大的自诊断能力。只有在发生故障后能很快找出故障点，才能缩短系统的维修、恢复时间。控制器本身具有自诊断功能，但系统中还有大量其他设备，实现对现场仪表的诊断和校正是提高系统性能的关键所在。因此在系统的操作站上配备AMS智能设备管理系统。控制器通过与现场智能仪表进行数字通讯，将HART信号数据传送给AMS智能设备管理系统，进而给出清楚和详细的关于故障的描述，控制器可以在系统跳车之前提醒操作员或者维护人员监察来自现场设备的问题或者故障，从而优化操作和维护。通过和AMS智能设备管理系统的结合，可有效地对现场智能仪表潜在的故障做出诊断及校正，提高控制系统的可靠性。

3.6.2要求设备全自动控制

无人驻守要求平台上绝大部分设备的运行应完全由控制系统根据平台的工况及工艺参数来控制，完成对设备的启、停控制而不需人工干预。这有两层含意，一是控制系统应能掌握平台内所有设备的状态，不能留下盲区；二是应给控制设备提供切实的控制模型和控制参数，尽量减少对人工干预的依赖。关于第一点，平台的中、低压开关柜的状态信号和橇装设备的状态信号要全部输送到控制系统；关于第二点，对一些泵、加热器等设备要设定合理的控制参数，避免设备的频繁启动和停止。

无人驻守平台控制系统上层监控设备要求具有更大的控制权限。以往上层监控设备只起监视、管理作用，记录平台的运行情况，打印报表、报警记录等。现在的上层监控设备能在中控室对所有设备进行控制，借助于监视的工艺参数和工业视频系统，可以人为干预现场的运行状态。

4 目前运行情况及存在的问题

NP1-29平台是按照白天有人巡检、操作，晚上无人驻守来设计的，并非高度自动化的完全无人作业平台。平台生产作业管理规定：采油作业人员白天上平台巡检，夜晚住宿在人工岛；作业人员上、下班由守护船接送，上平台人员自带午餐；机、电、仪维修工随时上平台处理事故和操作。采油作业人员日常巡检和操作包括：定期的单井计量倒井和取样，化学药剂罐加药，设备维护和保养等；不定期的操作有：电潜泵停泵后的再启动，平台应急关断后井口控制盘和关断阀的复位，流程再启动等。

NP1-29平台是冀东油田自己接手作业的第一个海上平台，操作中还存在很多的误区和盲点。NP1-29平台的采油井是陆续投产，而且生产状况不稳定。平台自2009年8月份投产以来，遇到了海洋恶劣气象环境的挑战，渤海湾冬季的严寒和风浪给平台生产作业管理造成严重的困难。海上5级以上的大风和1m以上的大浪使守护船无法停靠平台，作业人员均无法上平台作业，亦有上去下不来的情况。

经过多次尝试后，冀东南堡作业区目前尚未能按无人驻守平台生产作业管理规定来管理，为确保平台生产，避免不必要的经济损失，在平台上分批安排了适当人数的人员进行昼夜值守，维持平台的正常生产。

5 经验体会

NP1-29无人驻守平台的控制系统虽然尚未达到设计功能，但其建成和投产，为冀东南堡油田整体开发提供了可供参考的实例。为进一步完善无人驻守平台的设计及应用，使其更加适应客观环境条件和油田特性，本文总结了如下的经验和体会：

（1） 对于渤海湾近海海域进行采油作业的无人平台，如何解决冬季恶劣海况下作业人员登离平台是首要问题。当守护船无法将作业人员送上平台时，为不耽误生产，可考虑动用直升机，但直升机的使用，势必带来投资及操作费用的增加。由于平台距离陆岸较近，因此从生产和管理的角度出发，作业单位应结合实际，可采用破冰船和适当配置人员值守相结合的办法，解决冬季或大风状况下生产作业问题。

（2） 设计中应适当考虑设置简易的生活设施，以提供恶劣天气下操作人员不能下平台的海上生活条件。

（3） 作为向无人驻守平台提供电力的人工岛，要保证其供电的可靠性及稳定性，减少井口平台因失电或电压波动而造成的工艺生产系统关断。

（4） 平台在设计、选型过程中，现场仪表及辅件应尽量选用标准系列化产品，尽可能减少仪表品种、类型，以减少备品备件的种类，方便操作与维护。系统及仪表应尽可能选择知名品牌厂商的产品，以减少系统的故障。现场仪表的安装在满足有关规范及制造厂商的要求下，应考虑操作、维护、检修和更换的方便。

（5） 在生产区及各个通道应设置视频摄像头，以便在人工岛能够监视平台各个角落，及时掌握平台各种工况。

（6） 平台设计过程中，应注意各专业之间的结合与协调，确保投产后设备全自动运行，并最终使控制系统做到无人操作。

（7） 提高操作人员对平台系统的熟悉程度，尤其是自动控制系统专业性较强，对平台现场管理及操作人员解决问题的能力要求较高。目前一旦设备和操作出现问题，还需要厂家到平台进行处理。因此，建立一支学习型的技术过硬的操作、维护、维修队伍非常必要。要配备技术过硬的电气、仪表、机械、工艺工程师加强日常维护与保养。

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

张双亮（1978-），男，河南信阳人，工程师，2001年毕业于信阳师范学院，现从事海洋石油工程自动化仪表设计工作。

2010-04-02；

2010-11-03