井口控制盘安全联锁研究

杨建义

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津300452)

井口控制盘是实现海上油井控制的关键设备，在生产工艺需要实施关断或油井、平台出现异常，能自动按照逻辑顺序关断地面安全阀及井下安全阀，可有效地防止油井事故，从而保护平台人员、财产安全和海洋环境。若平台井口数量较多，需要3～4面井口控制盘，为了确保整个平台的油井安全阀关断，井口控制盘设备之间需要安全联锁。

1 井口控制盘的组成

一般井口控制盘主要有气动回路和液压回路组成，气动回路主要是设备内部逻辑和先导控制液压，其中易熔塞回路是监测平台火区火灾，手动报警站回路是现场报警按钮，易熔塞回路和手动报警站回路是高级控制回路，可控制整个平台的油井关断；液压回路主要是给地面安全阀和井下安全阀提供驱动动力。井口控制盘的组成如图1所示。

图1 井口控制盘的组成

2 井口控制盘安全联锁

在海洋石油开采的特殊环境中，油井损坏可能造成重大的经济损失及重大环境污染，因此要求井口控制盘具有高可靠性，其设备安全联锁系统同样要求高可靠性[1]。井口控制盘采用失效安全型设计[2]，系统的高可靠性必然使设备的关停次数增多，降低系统的可用性[3]。所以在安全联锁系统设计时需要充分考虑误操作、误动作及必要的人工确认环节。针对企业而言，安全联锁系统的设计要以保证生产工艺系统安全运行为基本，提高企业的经济效益为出发点，结合生产实际工况，从系统的可靠性、易维护、易扩展等因素综合考虑[4]。

3 安全联锁方案设计

井口控制盘中有手动报警站回路、易熔塞回路及逻辑控制回路，从原理上均可实现安全联锁，但是需要考虑联锁设备连接问题、联锁动作中控确认问题以及方案的经济性等[5]。针对某平台井口控制盘安全联锁的要求，设计了四种安全联锁关断方案。

3.1 关断回路直接联锁

关断回路直接联锁即将井口控制盘手动报警站回路和易熔塞回路直接串联。该方案优点是现场连接简单，成本较低。开井前，需要将易熔塞回路和手动报警站回路充气，联锁系统不参与井口控制盘的开关井顺序逻辑[6]。该方案缺点是当出现联锁关断的时候，中控系统无法判定问题的地点或者区域，只能现场查找问题。联锁关断时间与控制盘的间距有关，即与串联管线长度有关。若距离过长，需要在串联回路上增加快速泄放元件，用以保证关断时间。该方案有一定的局限性，关断回路直接联锁如图2所示。

图2 关断回路直接联锁示意

3.2 控制回路元件联锁

在控制回路中增加先导换向阀，当某一面井口控制盘关断时，会引发另一面井口控制盘控制回路中的先导换向阀的先导端失压，从而实现联锁盘的关断。该方案优点是机械联锁，中控系统可以直接判定关断原因；缺点是现场连接相对复杂，且在设备启动时，联锁盘必须同时启动，该方案现场调试操作有一定的局限性。控制回路元件联锁系统如图3所示。

图3 控制回路元件联锁系统示意

3.3 主副盘安全联锁

按照主副盘设计理念实现联锁，主盘是完整控制盘，副盘从属于主盘控制。从主盘的一级关断回路引出管线至副盘的驱动回路，在副盘上进行逻辑一、二级和三级分级，实现对副盘的控制。只要主盘启动后，就可以实现在副盘上正常开井。当主盘触发一级关断后，则直接触发副盘一级关断。三级关断可以在副盘自行控制。单井的控制可以按照逻辑，先关闭地面安全阀，延时后关闭井下安全阀，完成油井的关断。该方案优点是中控系统可以直接判断发生关断原因，且优化了副盘的设计，降低成本，但是对副盘中参与联锁元件选型有较高的要求[7]，例如联锁阀门的泄放率和延时阀的调节，以确保满足关井时间要求。主副盘联锁系统如图4所示。

图4 主副盘联锁系统示意

3.4 主副盘先导式安全联锁

在主副盘安全联锁的基础上进行优化，从主盘的一级关断回路引出管线至副盘换向阀的先导端，主盘的控制气源只引起副盘关断，不参与副盘的控制回路，从而降低了对副盘中联锁元件的要求，更进一步降低成本。主副盘先导式联锁系统如图5所示。

图5 主副盘先导式联锁系统示意

4 方案对比分析

四种联锁方案的对比分析见表1所列。

通过对比，主副盘先导式安全联锁方案，具有可靠性高、误动作因素少、经济性较高、满足关井时间要求、检修维护方便、可用性较高等优点，完全能满足项目的需求。

表1 联锁方案对比分析

5 结束语

本文以井口控制盘安全联锁的需求为出发点，分析了安全联锁系统的要求，结合项目实际情况，提出了四种安全联锁解决方案。通过现场试验测试，其中主副盘先导式安全联锁方案，可靠性高、误动作因素少，经济性较高，满足油井开关井的时间要求，达到了预期的目的，同时也为井口控制盘其他联锁解决方案提供一定参考。