海上油气田基于DCS的现场仪表维保

李祖壮，郭永新

(中海石油(中国)有限公司 深圳分公司，广东 深圳 518000)

随着采油技术的进步，海洋已经越来越成为油气勘探开发的主战场。在油气生产处理过程中，所使用的控制阀、变送器、关断阀等现场仪表设备通常多达数百台，是整个油气处理流程中的核心设备，它们的稳定运行直接决定了生产流程的稳定性和安全性。与在陆地环境相比，在高盐度、高湿度和高腐蚀性的海洋环境下，上述现场仪表的维保周期大幅缩短，维保频率大幅加快。

南海东部海域某油气田生产流程中使用近200台变送器，150台控制阀和220台关断阀，根据海上油气田常规维保策略，该类仪表设备由专业人员建立维保台账，根据维保周期维护保养。经过现场实践发现，常规维保方式缺少针对性，导致多种情况下，会出现故障后再维修，维护人员被动执行，部分设备欠保养、过度保养的情况。

为了确保科学、客观地进行现场仪表周期性预防性维护保养，提高现场仪表设备的稳定性，在该油气田中心控制室分散控制系统(DCS)中创建现场仪表智能管理系统，实现现场仪表一对一差异化、维保预警提醒等功能。

1 DCS与现场仪表连接架构

DCS与现场仪表架构如图1所示，DCS由输输出卡件(I/O卡件)、控制器、服务器、操作站等组成。服务器主要用于DCS系统组态、系统监控、数据保存等。操作站主要用于操作员的日常操作，包括： 现场工艺流程的监控、报警处理、流程调节等。控制器用于收集现场信号并输出系统指令。I/O卡件主要有模拟量输入卡(AI)， 数字量输入卡(DI)， 模拟量输出卡(AO)， 数字量输出卡(DO)。

图1 DCS与现场仪表连接架构示意

2 现场仪表维保策略

该油气田现场仪表维保一般采用定期预防性维护(PM)和故障检修相结合的方式，以压力变送器为例，维保周期一般分为季检、半年检、年检等，由专业人员根据设备维护要求以及现场实际生产需要确定。上述维保任务采用了IBM公司开发的一款集工单创建、审批、执行、关闭为一体的MAXIMO系统。按计划自动推动到现场维保人员，维保人员按照工作安排及作业窗口，择机维保现场设备，维保工作完成以后，手动更新纸质记录和电子档记录。现场仪表常规维保流程，如图2所示。

图2 现场仪表常规维保流程示意

与陆地环境相比，海上设施处于特殊环境，变送器容易因进水汽引起内部电路板腐蚀，从而导致变送器故障失效，控制阀和关断阀等容易因腐蚀结垢导致执行机构卡滞，阀体动作不顺畅，带来生产隐患。鉴于以上原因，现场专业维保人员需要缩短预防性维护的周期频率，以保证现场仪表设备处于良好运行状态，但是现场仪表设备数量庞大，缩短设备维护频率就意味着工作量的增加。通过MAXIMO系统进行常规维保策略，存在如下不足之处：

1)人员问题。由于海上设施采用的是人员倒班制度，可能因为人员倒班或者按月、季的方式维保，会出现设备在某个周期内过度维保，另一个周期内维保不足的情况，不利于设备的稳定性。

2)信息不全。MAXIMO系统推送的一张作业单包括了某个区域或撬块内的多台仪表设备，可能会导致某台仪表维保的遗漏。

3)针对性不足。在MAXIMO系统里无法快速查找单台仪表历史维保记录，无法对单台仪表进行针对性的保养及维护。

4)工作量大。全面增加设备维护频率，以及维护后的信息记录，专业维护人员的工作量大幅增加。

3 现场仪表智能管理系统的设计及应用

3.1 现场仪表智能管理系统的设计

利用DCS单点报警功能，设计创建了现场仪表智能管理系统，如图3所示。在DCS后台PLC模块中编写程序，并在操作站增加控制界面，管理该油气田关键区域液位计、控制阀、关断阀等保养工作。为现场安全考虑，该系统设计属于DCS内一个独立系统，不会引发任何开关动作或逻辑输出，仅在DCS内部做报警提示工作。

图3 现场仪表智能管理系统示意

通过该系统可以对现场关键区域变送器、控制阀、关断阀等设备进行针对性、差异化台账管理，每台设备对应一个维保倒计时，时间可以人为设置。当维保倒计时时间到时，触发报警，提醒管理人员，实现仪表设备维保预警功能，维保结束后，通过复位，可以自动更新保存维保记录并在界面显示。

3.2 现场仪表智能管理系统的应用

该系统可针对不同类型的仪表，采取针对性的维保策略。现场仪表智能管理系统维保流程如图4所示。

图4 现场仪表智能管理系统维保流程示意

3.2.1液位变送器的维保

磁致伸缩液位计是该油气田使用最多的一种液位变送器，利用磁致伸缩原理设计而成，由浮筒、磁性浮球、探杆和远传装置组成，探杆内磁致伸缩线的脉冲电流向下传送产生环形磁场，和磁性浮球的磁场相互作用产生扭力波，浮筒与容器相连，浮筒内部浮球跟随容器内部介质液位同步动作，探杆安装于浮筒侧面，通过检测扭力波传输的时间可以判断浮球的位置，从而检测出容器液位。

由于油品性质原因，若液位计浮筒内部油品长期停留，会在浮筒内壁和浮球表面结垢，导致浮球在浮筒内部动作不顺畅，以致于浮球不能准确同步容器实时液位，检测出现偏差，进而导致生产波动。因此，当出现浮球卡滞时，就需要专业维护人员拆洗液位计，清洁浮筒内部和浮球表面，该项作业工作量大，效率低，同时会增加作业风险。

为便于液位计的冲洗，避免增加维护作业人员拆装液位计的工作量，对现场一级分离器、中压压缩机、低压压缩机、段塞流捕集器等关键设备的液位变送器增加排残管线。

维护操作人员根据流程实际情况以及液位计浮子卡滞现象，差异化设定维保周期，当该系统提示液位变送器维保报警后，现场操作人员只需打开排液阀门即可完成液位变送器冲洗工作，可以大幅减少现场接管排液等工作量，提高作业效率。

通过对不同区域的液位变送器进行针对性管理、设置不同的维保频率，做到设备分级管理，实现设备的精细化管理。

3.2.2控制阀的维保

压力、液位等输入信号经过DCS的PID运算后，由AO卡件输出4～20 mA电流信号作用到控制阀，控制阀执行动作，完成系统控制。

当维护人员收到该系统预警，即可进行主动维保。在完成现场流程旁通以后，在DCS中对控制阀进行一键自动行程校验，确认阀门功能状态良好。然后进行外观、控制气源压力、电缆和接线状态等常规检查保养。

3.2.3关断阀的维保

现场关断阀增加部分行程测试功能(PST)，可以在不影响正常使用的情况下，通过操作站输出一个电流信号到关断阀的阀门定位器，使关断阀在原有的位置上移动10%～15%，实现阀门小行程动作。

采用该系统，针对上一次维保结束后对单个关断阀设定的维保报警提示，操作站可以远程实现PST功能，并作周期性动作，测试阀门，以便更好地检查阀门动作情况，判断该功能是否正常，可以解决大部分阀门长期处于某个位置不动，导致卡滞问题。通过该功能也能够发现阀门使用中存在的隐蔽故障问题，降低设备故障率，延长设备使用寿命。

3.2.4应用分析

基于DCS创建的现场仪表智能管理系统与原MAXIMO系统对比，具有以下优势：

1)简化了维保周期推送程序，可以实现一对一的维保周期差异化管理，增加了针对性。

2)由原MAXIMO系统推送后的被动执行变为主动进行，增加了维保周期设定的灵活性。

3)该系统可以自动保存维保记录，减少了手动录入工作，降低了错误率，画面显示更加直观。

4 结束语

该系统的应用可为陆上油气处理、化工流程、海上油气田处理流程中现场仪表设备的维护保养提供新的思路，可提高专业维保人员维保设备的针对性和差异化的管理，实现了针对不同区域、不同流程、不同重要等级情况下的设备管理，从而减少现场应急情况的发生。可以推广应用到任何需要周期性维护的设备，具有较高的推广意义。