I/A Series系统在油田转油站中的应用

李兴候

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司,北京 100085)

乍得共和国Great Baobab及其周边油田地面2.1期建设工程主要新建了3个部分的油田处理设施，即在Great Baobab新建6个计量站(OGM)和一个站内转油站(FPF)，Prosopis扩建一个计量站(OGM)。其中，Great Baobab FPF建成投入使用后，年处理能力为160×104t/a，所接收和处理后的原油输送到一期Ronier中央处理站(CPF)。站内FPF的主要生产工艺装置有生产汇管、分离器、水套炉、缓冲罐、提升泵、化学注药器、气体洗涤器、火炬分液罐、火炬、仪表风系统、给排水装置、污水处理装置及其他辅助设施等。由于FPF装置种类繁多、生产流程复杂，因此系统需要设置多种控制逻辑，且自动化程度要求较高。针对此要求，为实现生产工艺平稳、装置安全运行的目的，Baobab FPF站内自控系统采用开放式I/A Series系统。

1 系统结构与配置①

整个站内控制系统采用两级网络结构，对油田工艺参数进行采集和集中监控。控制系统网络拓扑结构如图1所示。

图1 控制系统网络拓扑结构

第一级为Baobab FPF站内相关工艺设施设置的控制系统；第二级为Baobab FPF所属的OGM站内设置的控制系统。第二级控制系统的主要工艺参数将在第一级控制系统同时监控。同时，站内控制系统还通过光纤与Ronier CPF中心控制室的SCADA连接，实现整个区域油田的集中监视和控制。考虑系统升级和将来扩展，控制系统配有备用接口；考虑系统的可靠性，控制处理机和相关硬件设置1∶1冗余。

站内I/A Series控制系统采用了一个工程师站(H92 Workstation)、一个操作员站(H92 Workstation)、一个工程师/操作员站(H92 Workstation)、3对冗余控制器(P0917YZ)、3个PC终端(DELL 21″)、一台打印机(2055D)、一对冗余电源模块(P0922YU)、一对冗余以太网接口、12个Modbus通信卡接口(P0926GG)、各种输入输出卡件(FBM)及其他配件等。控制系统构成示意图如图2所示。

图2 控制系统构成示意图

2 系统功能与特点

控制系统实现的功能包括：模拟全站工艺流程并分组、分级显示各子单元流程，实时显示各主要生产工艺参数和主要设备的运行状态，并以声光报警的形式显示生产和安全的异常状态；各井口来油计量、储油罐与注水罐液位计量、原油含水含气分离控制、加热炉原油加热温度控制及其他原油处理等；火炬气的远程点火控制；手/自动两种方式控制全站内各类泵的启停；实现全站注水系统、消防系统和外输系统的联锁控制；显示各类撬装化设备的工作状态和故障状态，同时控制相应的启停；历史数据的存储和趋势分析；记录并打印报警信息。

系统的硬件、软件和通信网络采用通用国际标准，对第三方标准产品完全兼容，具有良好的开放性与扩展性[1]。系统通信网络、供电电源和工作站采用冗余设计，同时，中央处理机具备容错机制，输入、输出组件应用先进的SMT技术，能够保证系统的正常运行，且具有良好的可靠性。系统具备自整定及多变量自整定等复杂计算能力，具有模拟量、数字量、顺序控制、梯形逻辑和批处理控制功能，具有比常规控制更先进的基于模型的约束控制和实时优化的预测控制。系统能够灵活地在线和离线组态，组态软件设计的显示画面、控制算法、历史趋势及报表等可直接下载到中央处理器，不需要重新编译和转换，因此在系统调试和运行维护时可以节省时间，同时节省成本。系统容量大，其中进入站控系统的温度测量点86个、压力测量点103个、流量测量点12个、液位测量点14个、火焰监测点8个、可燃性气体检测点29个、流量PID调节回路5个、液位调节回路8个，污水处理顺序控制(72个I/O点)和消防联锁控制系统(320个I/O点)各一套。

3 主要控制方案的实施

3.1 油气水三相分离器的控制

油气水三相分离器是油田地面工程项目中的常用设备，能够将各站收集来的混合液以相应密度差为动力进行油气水分离[2]。其控制原理如图3所示，分离器的分离效果直接与腔内天然气压力、油室液面高度和混合腔混合液界面高度3个参数的合理控制密切相关，原因是：

a. 收集的混合液组成多样，既有气态烃甲烷，也有复杂烃化合物，因此腔内天然气压力变化频繁，为了保证分离效果，需要控制腔内天然气压力恒定于合理值附近。腔内天然气压力检测采用带隔膜压力变送器，传送到I/A Series系统运算输出控制信号，送往气出口管线的气动调节阀控制阀门开度保证腔内压力在合理范围之内。

b. 油室油面高度设定在合理值之内，主要是防止油室内石油全部排干，腔内天然气串到下游装置中，损害设备。检测采用双法兰液位变送器，传送到I/A Series系统运算输出，送往油出口管线的气动调节阀调节阀门开度保证腔内油面液位在合理值之内。

c. 混合腔混合液界面高度设定在合理值之内，一方面防止水位过高，溢过混合腔与油腔的隔离板，污染已分离的石油；另一方面防止水位过低，处在界面上层的石油通过出水管线流出三相分离器造成浪费。检测采用射频导纳界面仪，传送到I/A Series系统运算输出控制信号，送往水出口管线的气动调节阀控制阀门开度保证混合腔内界面在合理范围之内。

图3 油气水三相分离器控制原理

油气水三相分离器采用I/A Series系统的集散型控制方式，通过软件将成熟的PID控制算法编写在内核中，上位机可以灵活整定PID各环节的控制参数。执行机构选用带阀门定位器的气动调节阀，有开关时间短和反应灵活的特点。

3.2 4台潜水泵启动顺序的控制

4台潜水泵启动顺序控制原理如图4所示。潜水泵的最大扬程56m，最大排液量120m3/h。为了使潜水泵高效、可靠并经济地运行，根据水泵两用、两备的工艺设计思路，控制策略采用包括注水罐液面及泵自身运行和故障状态等因素在内的4台潜水泵自动轮流运行与均衡出力的控制方式[3]。

图4 4台潜水泵启动顺序控制原理

具体控制策略为：

a. 根据注水罐内水位高低决定泵的运行台数。将注水罐内的水位分为5个级别，依次为最低水位、低水位、中水位、高水位和最高水位。注水罐内实际水位的测量采用普通的具备远传功能的磁浮子液位计，I/A Series系统接收液位计的实际水位信号后，与5个设定水位级别值比较，从而决定潜水泵投入运行的台数。需要多台潜水泵投入运行时，多台潜水泵依次延时投入运行。在4台潜水泵完好且没有故障的情况下，当注水罐内实际水位高于最高水位时，4台潜水泵全部停止运行；当注水罐内实际水位处于高水位和最高水位之间时，一台潜水泵投入运行；当注水罐内实际水位处于中水位和高水位之间时，两台潜水泵投入运行；当注水罐内实际水位处于最低水位和中水位之间时，3台潜水泵投入运行；当注水罐内实际水位低于最低水位时，4台潜水泵全部投入运行。

b. 正常工作时，注水罐内液位保持在中水位和高水位之间(有两台潜水泵运行，两台处于备用不工作状态)。考虑每隔一段时间切换一次泵运行，即备用泵转为运行泵，运行泵中运行时间最长的泵优先转为备用泵。因此，每台泵运行时间比较平均，出力也比较均衡，泵出故障的机率会降低，可靠性会相应提高。

c. 单台或多台泵出现故障的可能性是随机事件，泵出故障的机率随台数的增加而降低。自动控制要求同一时刻只能有不大于两台潜水泵出故障，如果有多于两台泵出故障，则改为手动控制。一台或两台泵发生故障时，通过设定故障泵为备用泵来保证生产过程的正常进行。因此维护人员能够利用间隔时间维修故障泵，排除故障。

4 存在的问题与不足

系统运行的可靠性除了与系统本身有关外，还与外围设备有关。投产运行结果表明：该项目设计中大部分一次仪表都安装在合理位置，但油气水三相分离器上用于测量混合液界面的带远传磁浮子液位计，安装在进液口方向三相分离器罐体长度的1/3处，由于安装位置离进液口太近，使得进入分离器的混合液波动较大，导致液位计测量值变化频繁，测量精度较差，这在进行闭环控制时极大地降低了系统的可靠性。因此，将三相分离器的安装位置适当往后调整，改进后的液位计测量准确性和闭环控制的可靠性均得到了提高。

设计中所有被控变量仍然采用传统方法，即通过电缆逐个送往中控室。但各生产装置分散，离中控室较远，因此，项目所需的材料费和人工成本比较高。目前可扩展的现场总线技术比较成熟，因此将来可以考虑将现行的就地总线形式改进为可扩展的现场总线，缩减项目成本。

5 结束语

在乍得共和国Great Baobab及周边2.1期建设项目DCS应用中，采用I/A Series系统顺利地完成了工程的设计、施工、调试及开车等几个阶段，控制系统经过短时间的调试，全部一次性投入自动运行，控制精度完全符合生产要求。

[1] 周琨,周雪花,赵东凯.I/A Series控制系统在水煤浆气化中的应用[J].辽宁化工,2011,40(8):854～856.

[2] 蔡金龙,韩永嘉,张鹏宇,等.三相分离器设计及其应用[J].机械设计与制造,2010,(8):79～81.

[3] 卜祥泉,周树志,庞科旺.煤矿井下排水泵控制系统设计[J].工矿自动化,2007,(3):5～7.