海上浮式生产储油装置仪表控制系统的设计

何骁勇 洪 毅 徐正海 周学军

(中海油研究总院，北京 100028)

海上浮式生产储油装置仪表控制系统的设计

何骁勇 洪 毅 徐正海 周学军

(中海油研究总院，北京 100028)

以具体项目为例，阐述在海上浮式生产储油装置仪表控制系统一体化设计时，以安全可靠、经济实用、操作维护方便为基本原则，根据装置的功能特点及其生产操作对控制系统的要求，统筹考虑，优化设计，选择合适的总体控制方案，来提高其整体自动化水平和安全可靠性。指出了设计过程中应注意的问题。

仪表控制系统 浮式生产储油装置 设计原则 组成结构 注意事项

我国海洋油气资源储量丰富。随着海洋油气勘探开发技术的不断进步，海洋油气资源已成为国内油气资源的接替主力，海上油气田能否实现安全高效开发，直接关系到我国的能源安全。特别是近年来，不断有一些新海域的油田被开发，在这些新油田开发中，由于海域周边无旧油田生产设施可依托，且离岸一般较远，大多采用独立的全海式油田开发方案，即采用浮式生产储油装置(FPSO)直接在海上完成井底原油的处理、存储和外输。

仪表控制系统是海上油气田开发的关键环节之一，是FPSO的控制核心和安全卫士。作为整个油田的集输和控制中心，FPSO上仪表控制系统的合理设计，不仅直接影响FPSO的自动化水平和人员与设备的安全，也关系到整个油田的安全平稳生产。在此，笔者以实际项目为背景，介绍FPSO装置仪表控制系统的系统组成、设计原则和设计要点。

目前，我国海上油田FPSO仪表控制系统大多采用集中监视管理、分散控制的方式。通常情况下，海上FPSO仪表控制系统主要由6部分组成：

a. 中控系统。主要由过程控制系统(PCS)、应急关断系统(ESD)和火气探测系统(FGS)3套独立的控制系统组成[1]，同时还包括人机界面(操作站和应急操作盘)、控制网络及对外通信接口等。

b. 现场仪表。包括现场的各类变送器、流量计、调节阀、关断阀及电磁阀等检测仪表与控制阀门。

c. 火气探测报警设备。包括分布在生产现场、电气房间和舱室内的火焰探头、可燃气探头、硫化氢探头、氢气探头、烟探头、热探头、手动报警站、平台状态灯、CO2/FM200按钮及报警灯铃等。

d. 就地控制盘。主要由一些专用大型设备或设施生产厂家自带，这些现场就地控制盘与中控系统之间有相应的接口，可在中控室进行集中监控。

e. 单点控制系统。单点系泊系统(SPM)厂家一般都会自带控制系统，该控制系统与中控系统之间有通信接口，可在中控室进行集中监控。

f. 原油外输计量系统。通常在FPSO的外输口前端设有专门的原油外输贸易交接计量系统，原油外输计量系统一般由位于现场的计量撬、标定撬和位于中控室的控制设备组成[2]。

根据设计惯例和操作习惯，FPSO通常被划分成上部模块(TOPSIDE)和船体(HULL)两大块进行设计和操作管理。为此，FPSO的仪表控制系统结构也相应地分为上部模块和船体两部分，仪表控制系统的上部模块部分主要负责原油处理、生产水处理、燃料气处理、化学药剂注入、氮气、惰性气体、热介质炉及发电机组等油气水处理设备，以及公用系统的过程监控、应急关断和相关区域的火气探测报警；仪表控制系统的船体部分主要负责货油与压载、洗扫舱、柴油、海水冷却、空压机、应急发电机及淡海水等船体各系统的过程监控、应急关断和相关区域的火气探测报警。

2 设计原则

FPSO仪表控制系统的设计需本着上部模块与船体控制系统一体化设计的理念，以安全可靠、经济实用、控制管理和操作维护灵活方便为基本原则，充分共享中控系统资源，合理分配系统控制功能，以方便管理并减少投资。在设计过程中要合理选择控制系统的结构和规模，采用技术上先进可靠的PCS、ESD和FGS，确保海上FPSO人员与设备的安全，避免环境污染并维持油田生产安全正常运行。

PCS的设计应以安全可靠、经济实用、控制管理和操作维护灵活方便为基本原则。采用就地检测，集中监控的控制方式，综合考虑系统的先进性和开放性，选择合理的控制系统。系统的主要功能是对生产过程数据进行实时采集、显示、监控、报警，并生成生产日志和报警记录。另外，还要实现与其他海上平台控制系统间的数据通信和报警信号传输。

ESD的设计目的是确保海洋油气生产设施上人员和设备的安全，防止环境污染，对于已经发生的事故需将损失控制到最小[3]。ESD的设计应遵循独立设置并采用中间环节最少和故障安全型的原则，同时采用满足相应SIL等级要求的安全仪表系统(SIS)。ESD联锁关断逻辑的设计原则：某一级别关断均不能引起较高级别的关断，只能启动本级和所有较低级别的关断。

FGS的设计目的主要是能及时准确地探测到可能发生或已经发生的火情和可燃气体泄漏事故或火灾情况，并及时采取相应措施以保护海洋油气生产设施上人员和设备的安全。FGS应具有自动探测火灾、可燃气体泄漏；自动/手动启动报警(包括PA/GA系统)、消防系统、HVAC系统、自动/手动执行火气关断逻辑的功能；还应具有故障容错，对控制网络和现场火气探测报警设备进行自诊断的功能。

上部模块与船体现场仪表、阀门、火气探测报警设备及其附件应保证选型统一，尽量选用标准系列化的产品和型号，以减少现场仪表、阀门与火气探测报警设备的品种、类型和备品备件。另外，现场仪表尽量采用带HART协议的智能仪表，并在操作站配置相应的管理软件，实现对现场智能仪表的诊断和管理。

火气探测报警设备的数量由FPSO生产设施的特性决定。火气探测报警设备的布置应根据FPSO生产设施的具体特点和需要，参考NFPA 72等有关标准和规范，并结合厂家有关产品的性能参数和对布置的要求进行经济有效合理的布置。

3 设计要点

FPSO作为整个海上油田的集输和控制中心，与周边采油平台或其他生产设施间一般都会有物流或电气关系。为了确保整个油田的安全生产，FPSO与周边平台控制系统间需根据物流或电气关系，设置相应的联锁关断。另外，如果有必要FPSO还应具有监控周边平台生产的功能。这就要求在进行FPSO仪表控制系统的系统设计时，首先搞清楚整个油田的物流走向和电气连接方案，选择技术上安全可靠的平台间控制系统数据通信和关断信号的传输方式。

由于FPSO上各种生产设备分散，且距中控室较远，设置控制系统远程I/O柜很有必要。FPSO中控室通常设在位于船艏或船尾的生活楼内，现场仪表到中控室的进线非常多，且进线非常不方便，在FPSO生产现场设置远程I/O柜，不仅可以减少仪表电缆，方便仪表电缆布线和接线，而且也便于系统现场调试和后期的升级改造。海上室外环境温度及湿度等条件比较恶劣，特别是在南海，夏季温度比较高，如果在现场设置远程I/O柜，最好布置在电气房间、舱室或其他有空调的房间内，如果必须设置在室外，需考虑为远程I/O柜加装正压通风、气动降温、遮阳及挡雨等防护措施。

中控系统在选型时要考虑其先进性和开发性，并根据系统点数选择规模合适的控制系统。PCS设计选型时要考虑海洋环境和FPSO的运动特性，是否有船级社证书。ESD除了考虑以上因素外，还需考虑冗余设计，并根据SIL等级需求分析结果选择合适的安全仪表系统。

由于FPSO的面积较大，各种生产设备分散，舱室和房间较多，需要布置大量的火气探测报警设备。对于如此数量庞大和分散的火气探测报警设备，如果采用传统的点对点式火气系统，将会有仪表电缆布线及接线等大量的工作。因此FGS设计选型中要优先考虑可寻址火气系统，以减少火气系统的仪表电缆和接线。

在控制系统设计时，还需考虑中控系统与单点控制系统间的接口界面问题。单点系泊系统厂家一般都自带控制系统，且单点控制系统也涉及过程控制、应急关断和火气探测报警。建议单点控制系统分别通过PCS、ESD和FGS 3个独立的接口接线箱接入FPSO中控系统。

通常情况下，FPSO中控室要安装很多与船体相关的第三方设备。所以在中控室预留面积和布置上应统筹考虑其他第三方设备的布置，提前为其他第三方设备预留安装空间和接口。另外，在中控室布置时尽量将操作室和控制室隔开，以减小控制室内机柜散热和噪音对操作人员的影响。

现场仪表设计选型时除了要考虑海洋环境腐蚀(仪表外壳尽量采用不锈钢材料，不建议采用铝)和FPSO的运动特性外，还要考虑未来其他油田接入或FPSO应用于其他海域所带来的原油物性和海况条件的变化，特别是流量仪表和液位仪表选型设计时，要考虑其通用性和用于不同原油和海况条件下的适用性。另外，随着无线仪表技术的日趋成熟，可考虑在FPSO上一些非关键控制回路采用无线仪表进行监测，以节省仪表电缆。

在原油外输计量系统的流量计选型和计量系统设计时要综合考虑油品性质、外输量、系统压降要求、计量标定撬的尺寸和重量限制及FPSO运行特性等因素。由于FPSO离岸较远，外输流量计送检不方便，为了实现流量计的现场检定和在线标定功能，FPSO上需配有体积管标定撬及其水标系统，并且要求整个外输计量系统由厂家成撬提供，以保证计量的可靠性和精度。

4 实例介绍

某海上油田采用全海式开发方案，工程方案为新建3座采油平台(简称平台)和一艘15万t级FPSO和一套单点系泊系统(简称单点)，平台与FPSO之间通过海底混输管道和海底复合电缆连接。各平台上井口产物流经初步分离后，通过海底管道混输至FPSO上进一步处理成合格原油后储存和外输。另外，FPSO上的发电机组除了为FPSO提供电力外，还通过海底复合电缆为周边3个平台提供动力。

该项目FPSO的仪表控制系统分为上部模块和船体两部分，全船仪表控制系统采用一体化设计，上部模块与船体共用一套控制系统和两路UPS电源，共享控制网络、人机界面、通信接口及打印机等设备。FPSO上的中控系统由PCS、ESD和FGS 3套独立的系统组成，PCS、ESD和FGS在控制层及其以下相互独立，在管理层则共享人机界面和通信网络。FPSO仪表控制系统结构框图如图1所示，FPSO上部模块主开关间和船体开关间、机舱及船艏等区域设置远程I/O柜，远程I/O柜与中控系统通过光纤进行通信。原油外输计量系统、货油与压载系统及液位遥测系统等专用控制系统，以及各种大型设备自带的现场就地控制盘，则采用串行通信和硬接线方式接入中控系统进行集中监控。为了便于与第三方设备进行通信，中控系统还设置有两台OPC服务器。根据物理和电气关系，FPSO与周边平台间设置相应的联锁关断逻辑。

FGS由主火气系统和可寻址火灾盘两部分组成，可寻址火灾盘与主火气系统之间设有通信接口。主火气系统与火焰探头、可燃气探头、氢气探头、平台状态灯、FM200按钮及报警灯铃等现场火气探测报警设备之间采用点对点方式连接；可寻址火灾盘与烟探头、热探头及手动报警站等现场火气探测报警设备采用总线方式连接。单点舱内的火气探测报警设备接入上部模块主火气系统控制柜和可寻址火灾盘。

FPSO与各平台控制系统之间通过海底复合电缆进行双向通信。为了提高FPSO与平台间控制系统数据传输的可靠性，本项目FPSO上采用同步传输协议(SDH)进行光电信号的接入和转换，SDH组网方式是每两个平台一组，通过环网方式通信。本项目中控系统控制网和安全网分别以以太网形式接入SDH，FPSO与平台之间设置单模光纤分别传输生产数据和关断信号。

本项目FPSO中控室设置在船尾的生活楼内，分为操作室和控制室两部分。中控室内除布置有中控系统设备外，还布置有通信设备和其他第三方设备。其中操作室内布置有:操作站、原油外输计量系统操作站、单点监测系统操作站、货油和压载计算机、应急操作盘、OPC服务器、数据服务器、LED显示器和打印机；VHF、UHF、广播遥控板、自动电话和CCTV显示器；信号灯、航行灯、直升机甲板照明控制箱和室外灯遥控开关柜；主甲板和直升机甲板泡沫泵遥控板；惰性气体控制柜和应急开关阀控制箱。控制室内布置有:PCS、ESD和FGS控制柜、通信与CCTV柜、电源柜、外输计量系统控制柜、液位遥测系统控制柜、上部模块和船体可寻址火灾盘。

图1 FPSO仪表控制系统结构框图

5 结束语

FPSO的仪表控制系统是全船的控制核心和安全卫士，是保证FPSO上生产、安全、平稳、高效运行的关键。作为整个油田的集输和控制中心，FPSO仪表控制系统组成与结构复杂，被控对象与控制功能多样，对控制系统的总体设计要求较高。在FPSO仪表控制系统设计时，要遵循上部模块与船体控制系统一体化设计理念，以安全可靠、经济实用、操作维护灵活方便为基本原则，根据项目特点和生产操作对控制系统的要求，深入了解FPSO的功能结构和性能特点，选择合适的总体控制方案，合理搭建系统结构并分配控制系统功能，充分整合与共享系统资源，以提高FPSO的整体自动化水平和安全可靠性。

[1] 徐正海,何骁勇,洪毅,等.海上平台仪控系统发展现状[J].仪器仪表用户,2013,20(5):21～23.

[2] 何骁勇,徐正海,纪超,等.液超声流量计在海上原油贸易交接计量中的应用[J].化工自动化及仪表,2015,42(7):749～752.

[3] 《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计指南:海洋石油工程电气、仪控、通信设计[M].北京:石油工业出版社,2007:315～316.

DesignofInstrumentControlSystemforFPSO

HE Xiao-yong, HONG Yi, XU Zheng-hai, ZHOU Xue-jun

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Taking a project as an example, the integrated instrument control system for the offshore oilfield FPSO was described and the principle of safety, reliability, both economic and practical and the convenience in operation and maintenance has to be considered, including the characteristics and requirements of FPSO and the system’s optimal design so as to improve its automation level. The matters needing attention in the design were presented.

instrument control system, FPSO, design principle, composition and structure, matters needing attention

TH862

A

1000-3932(2016)02-0140-04

2015-11-12(修改稿)