第一章-海洋石油自动化控制系统

第一章海洋采油自动化控制系统

海上油田一般考虑的自动控制总体设计方案有以下几种：

一、以现场显示、就地控制为主的方案

仪表选型以气动和就地式仪表以及现场控制盘为基础。该方案的特点是投资少，安全可靠性高，对操作人员技术水平要求低，安装和维护工作量大，系统扩展性差。适用于井数少、产量不大的采油平台。

二、就地控制与集中控制相结合的方案

1、方案1

仪表选型以气动和电动仪表为基础，集中监控由控制室模拟仪表实现。该方案的特点与“以现场显示、就地控制为主”方案差不多。增加集中控制，给生产管理带来方便。采用电动仪表后信号传输速度高，电缆安装比气管线的安装简单容易。控制室用模拟仪表盘对现场各种参数进行显示、记录、报警和控制，减少了现场操作人员。但该系统灵敏性、扩展性差，仪表盘占用空间较大。现场接到控制室的电缆较多，工作量大，该方案适合井数少，产量较大的平台。

2、方案2

仪表选型以气动和电动仪表为基础，集中监控使用微处理机的监控装置来实现。该方案的特点在于集中监控所采用的设备与方案1不同。监控装置包括多个现场终端和控制室的计算机系统，现场终端以微处理机为核心。这种方案使系统的扩展和修改比较易行。它比较灵活，功能也强，能收集现场各种参数集中显示，还能进行数据处理和打印报表，也可根据需要在控制室内操纵现场电机、泵、阀的启停和开关。通过通讯装置还能与其他平台和岸上终端基地的计算机实现联网、进行数据交换和遥控。监控装置占用空间小，现场到控制室的电缆数量少，装置还具有自检、自处理功能，维护较为方便。但要求操作人员的技术水平高。

三、分散控制集中方案

仪表选型以电动仪表为基础，采用以微机为核心的集散装置分级控制和管理。该系统充分发挥计算机的特长，对于规模大的海上油田自动化管理和无人值守平台的实现提供了前提。

在没有开发某一具体油田时，很难说采用哪一种方案为最佳。不同的方案，采用的仪表装置差异很大。一般认为方案2最为适当，这是因为这一方案有较大的仪表覆盖性，可靠性也较高。

对平台上独立性较强或自成体系的工艺和公用系统均设置了现场控制盘。这些现场控制盘大都是由基地式盘装和架装仪表及断电器组成，这些现场控制盘承担对本系统的各种参数如温度、压力、液位、流量的指示和控制以及对本系统突发性事故或当人为出现某些误操作时进行应急保护。现场控制盘接收中控盘的关断指令，同时把状态信号、公共报警信号传送给中控盘。

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本部分主要内容包括现场各种探测器、传感器的使用及维护，中央控制系统、ＰＬＣ控制系统、ＤＣＳ系统的原理、组态、应用、故障分析及排除，井口控制盘及井下安全阀、地面安全阀的工作原理故障判断，火灾控制盘的控制原理及日常维护，自动控制执行机构、各种阀、气－电、电－气转换器使用及日常维护等。

四、中控系统（CCS）

中央控制系统一般采用系列可编程控制器作为其硬件核心，结合工业控制计算机开发的

一种集过程控制及逻辑处理于一体的集散控制系统。该系统大多由大的公司如FISHER ROSEMOUNT等所提供。对平台的生产过程进行集中监视，紧急关断操作、管理和分散控制。其控制是利用分散到各个执行结构的就地控制盘、热电站、燃气压缩机、注水系统、火灾盘、

消防系统、高低压开关扳等控制单元来实现。如下图所示：

图1－1 中央控制系统框图

1．中控系统的组成

中控系统按其功能可分为三个子系统：工艺过程监控系统（PLC或DCS系统）、紧急关

断系统（ESD）和火/气探测系统（F&G）,这些系统在后面的章节将有较详细的介绍。

2．中控系统的对外接口

这里指的接口不是计算机的外围设备如打印机、显示器、键盘等，而是中控系统对现场工艺系统、公用系统以及生活设备之间的数据采集及控制信号传输，它们之间用相应的电信号和通信电缆作为彼此间联系的纽带。这些电路就是中控系统对外部设备的接口。常见的有I/O端子、RS232C、RS422和现场总线适配器等。

中控系统的外部设备包括：现场仪表、现场控制盘、燃气压缩机控制盘、电站控制盘、

水泵控制系统、消防系统及ESD系统等。

它们之间传输信号的种类有：

4－20MA 模拟标准信号PI 应急关断信号DI 正常

操作启/停信号RS422

RTD 3．实例渤南B Z26-2平台中控系统脉冲信号现场报警信号串行通信信号热电阻信号等。

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生产控制系统

BZ26-2 平台的生产控制系统采用的是Honey Well公司的PKS系统，用来实现过程控制、计量、数据采集和其他的相关功能。它具有人机界面好，便于集中操作、监视和管理大型现代化工业生产设施，能与计算机及常规仪表相兼容，系统构成方便灵活，不仅易于扩展，且维护简单等优点。

它可实现如下的功能：

动态显示生产流程、主要工艺过程参数及设备运行状态

对生产过程进行监控

实现两位式开/关控制、连续的PID 调节、分程、串级等其它高级控制功能

泵、电动机、阀的手动或自动开/关操作

生产过程、ESD、火气系统的图形动态显示

系统自诊断功能，任何元件故障时，向操作者发出警报

记录并打印所有警报、事件

在线精确地调整各种测量数值的比例系数。

在线对数据库定义进行修改、组态、调整参数、改变警报点设置以及备份史记录

对电磁阀和继电器触点进行逻辑控制。

计时、表决及排序功能等。

按照用户的要求生成报告并按需打印日、周、月报

在故障时或平台投产调试时，由软件提供关断信号的旁路功能

由软件提供对输入/输出信号的强制复位、旁路功能。

电源模块

通讯模块

模拟量输入卡（AI）

模拟量输出卡（AO）

数字量输入卡（DI）

数字量输出卡（DO）

生产控制系统的服务器兼操作站（Server/Operation Station）

生产控制系统的操作站（Operation Station）

交换机（Express Ethernet Switches）

4．工艺过程控制系统

参数控制

海洋采油自动化所需控制的参数主要有：压力、流量、液位、温度、压差、泵的保护、压缩机的喘振等控制参数。下面介绍各参数的控制方法。

（1）分离器控制系统

1）压力控制

调压器在控制回路中的作用是对实际压力（过程变量）与预定压力（称作设定值）进行

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比较，比较的结果产生一个误差信号，即偏差，就使调压器的输出发生变化，这样就会使输出压力转换成设定值。这种变化是以调压器的输出信号改变了控制阀的位置来实现的。由此就可以把误差信号降到最低，或减少到零。运用这种被叫做反馈控制系统的原理，就实现了对压力的控制。

在分离器上运用该反馈控制系统可使分离器的压力稳定在工艺条件下。它由压力变送器PT、压力显示控制器PIC、电-气转换器PY和压力控制阀PCV组成。压力变送器将压力

信号变为4-20mA的电信号，送至中央控制系统的P LC，并在操作站上显示，同时该电信号送至电气转换器PY，PY将3-20mA电信号变为相应的气压信号，送至PIC，PIC将按照一定的控制规律发出0.02-0.1MPa（3-15psi）气控制信号，带动和控制压力控制阀，从而达到压力控制的目的。

2）油液位控制系统

在浮式处理油轮上，分离器油位控制是用一个安装在油流入口相对侧的差压传感器来完成的，以便减少横向与纵向干扰。该系统由油位传感器L T、油位显示控制器、电气转换器和油位控制阀L CV组成。油位变送器把油位信号变为电信号送入位于中央控制系统内的油位显示控制器，油位显示控制显示该液位并按一定的控制规律发生控制信号，经电气转换后控制位于加热器后的油位控制阀，完成油位控制。在许多平台上的分离器油位采用浮筒变送控制系统。

3）油水界面控制系统

常见的油水界面控制有三种形式。

①浮式处理油轮油水控制系统：两个电子液位传感器L DT被安装在分离器中部接近平稳运动的中点。为了避免受油轮摇摆的干扰，两个电子传感器对称地安装在分离器的两侧。每一个电子传感器将一个与油水界面成正比的电信号送给控制室，这些信号由中继部件L DY，取平均值，送至油水界面显示控制器LDYC，油水界面显示控制器显示该油水界面的值，并按照一定的控制规律发出控制信号给电气转换器LDY，LDY将电信号转换为相应的气压信号来控制油水界面控制阀LDCV，完成油水界面控制。

①具有中间区的两位式调节系统（图1-2）：油水界面控制实际上是水位控制，由电子水位控制开关L SH-222A/B及L SL-222A/B监视水面的允许高位和低位，当水面高时,LSH- 222A/B的测量电极被水淹没，电子水位控制开关的继电器动作，其触点发出高水位信号输入到操作室的可编程调节器，后者产生输出电流信号，此电流输给电气转换器，后者使阀LCV 进一步开大，将过多的水从V-201中放出，油水界面就逐渐下降。经过一定时间之后，水位

低于L SL-222A/B的电极，此电极处于导电能力差的油中，电子水位控制开关的继电器动作，其触点发出低水位信号，此信号送入操作室的HC-222可编程调节器产生事先已设定好的低电流信号，电气转换器输出较低气压，调节阀/’*趋向关闭，罐中的水位又开始上升。水位过低属生产事故，在低水位检测电极下部装了过低水位电子控制开关LSLL，当其电极被油浸没时，电子水位控制开关的继电器动作，立即使调节阀L CV关闭，同时操作室产生水位过低报警。

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图1－2具有中间区的两位式调节系统

③界面浮筒变送控制系统：由油水界面浮筒变送器提供控制信号，直接作为阀门定位器的输入，其输出去控制LCV阀门开度。一般浮筒采用FISHER公司生产的TYPE2500CONTROLLER，这种控制器只有比例运算的一种变送、控制器，它是由浮筒的上下直线位移产生扭矩带动挡板而产生位移，由此改变挡板和喷嘴之间的距离而产生与之相对应的回压，此回压作为输出压力，范围为0.02-0.1MPa(3-15psi)。输出压力与界面水液位高度成正比，当界面升高，输出增大，控制阀（气开，正作用）开度也随之增大，界面又下降，此时界面浮筒输出减少，阀门开度随着减小。最后达到平衡状态。

（2）电脱盐脱水控制系统

电脱水系统的工艺流程如图1－3所示。静电脱水器通常用于密度小的原油，以及难分离

的乳化液。从热处理流出的原油仍含有较多的乳化水，经泵P-202将此原油排出，经转换器E-203，用高温蒸汽加热到129℃，与破乳剂混合进入电脱水器V-203，在此罐中维持压力

1.05MPa，又在交流（或直流）的强电场力作用下，使带极性的乳化液产生振动破膜或向两极加速运动产生碰撞而破膜，乳化水很快变成游离水沉降在罐下部，然后排到污水处理系统。

从罐中流出的电脱水原油与水箱排出的冲洗水按一定比例混合后进入电脱盐器，冲洗水的注

入有助于除去油中以乳化形式存在的悬浮水分，并作为溶剂来溶解油中的盐分。冲洗水以一

定的流量由泵P-206排出。在V-204中维持127℃和压力0.9MPa，在强电场作用下一方面进行脱水，另一方面使原油中的盐分溶解到污水中，从罐底排出。经电脱盐后的合格原油由罐顶部流出，通过热交换器E-201与游离水分离器出来的原油进行换热后，再经冷却器用海水冷却，使其温度降到65℃左右，进到储油罐。此生产过程中，有许多仪表，可分为三部分，即显示仪表、控制仪表和报警关停仪表。须控制的主要参数是压力、流量和油水界面。

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1）电脱水器的控制系统

①压力控制：泵排出压力由设在原油换热器到冷却器的管线上的气动压力指示调节器（比例积分）PIC和气动执行器PCV控制。泵的排出压力为1.20MPa，吸入压力0.04MPa，压力指示调节器PIC能维持V-204的压力为0.90MPa，在此压力下原油不会产生闪蒸，在此压力时，V-203就会稳定在1.05MPa的压力。

图1－3 电脱盐脱水的工艺流程

②温度控制：脱水器的温度由气动温度指示调节器TIC-240维持，它控制进入换热器E-203的高温蒸汽量，进而维持进入V-203的原油为129℃.TIC-240为MC型三作用调节器（PID）。

③ V-203的油水界面控制：油水界面由沉筒液位计测量，由M C型气动比例积分调节器LIC-241操纵气动执行器LIC-241控制界面一定，LIC-241是安装在污水排放管线上的。V-203上还装有电子温度变送器和电子压力变送器，用4-20mA的输出信号，将两参数送入中控室显示。界面过低或过高时还有液位开关产生报警信号。

2）电脱盐器的控制系统

①压力控制：

由电脱水器流出的脱水原油经控制阀PDCV-242)后进入电脱盐器，在控制阀前与冲洗水6

混合，为了保证混合均匀，应维持此阀恒定压力降，采用能控制差压的气动比例积分调节器

PDI测量阀上的压降，并产生信号控制阀的开度以维持此压降恒定。V-204的界面控制及温度、

压力测量等与V-203相同。

②流量控制：

冲洗水流量应与原油流量成正比，原油流量变化时，冲洗水流量也应跟着变化。处理过的原油流量用孔板F E-242测量，用差压变送器FT-244产生输出信号。而冲洗水流量由孔板FE-270和差压变送器F T-270测量，变送器输出信号给流量气动指示调节器FIC-242，由后者产生信

号控制气动执行器F CV-270，以维持冲洗水一定流量。此流量值的大小决定于FIC-242的给定值，其给定值不是固定的，此调节器是个远给定型调节器，其给定值由已处理原油流量变送器FT-270的输出提供，此输出经比值器F FC-244后送到FIC-242的接收元件（给定元件），这样冲洗

水流量调节器FIC-242的给定值按一定比值（由F FC-244决定）随已处理原油流量变化，使冲洗

水按此给定值变化，即冲洗水与处理过的原油的流量成一定比值，比值系数由FFC-244决定。FFC是一台单输入信号的气动加减器，其加减功能在此未使用，只是使用其可变的相乘系数，

使输入与输出之变化构成固定比例系数。由V-203及V-204底部排出的污水分别由孔板差压流量计F E-245和F T-245检测并显示。

（3）原油增压泵和外输泵的控制

在海洋石油平台中，离心泵是使用最为广泛的输送设备，原油输送泵、注水系统的增压泵、注水泵等均是离心泵。离心泵的控制参数主要有泵的进出口压力。对泵站吸入和排出压

力的控制，可通过仪表控制器、可编程逻辑控制器或带有调节控制阀位置功能的模拟PID控

制器算法的RTU予以实现。一般用比例积分规律进行控制。离心泵的控制方法主要有以下四

种（但在海洋石油中，以第四种方法见多）：

①改变调节阀的开启度，直接节流：

实质是改变管路阻力特性，图1－4（a）表示了直接节流的控制方案。采用这种控制方案时，调节阀一般是安装在泵的出口端，而不是进口端，而且是安装在压力检测元件的下游，这样对保证测量精度有好处。还需指出，在采用这种控制方案时，调节阀两端的压差并非恒定，而是随着流量而变化，在流量增大时，阀上压差反而减小。这种控制方案的优点是简单易行，缺点是在小流量时总的机械效率低。

②通过旁路控制：

旁路阀控制方案如图1－4（b）所示，可用改变旁路开启量调节排出量。这种方案简单，

阀门口径小。

③改变泵的转速：

泵的转速有了变化，就改变了特性曲线形状，泵的排出量随转速增加而增加。当用电动

机作为原动机时，可采用电机调速装置改变转速以控制流量。

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图1－4 泵的节流或旁路控制方法图1－5泵的节流和旁路相结合控制法

④节流和旁路控制相结合的控制方法：

它吸取了节流控制和旁路控制的优点。该控制方法主要用在生产分离器与原油外输泵组

合系统（图1－5），该系统保证外输泵的排量稳定、出口压力稳定，从而实现泵的平稳运转，又满足分离器的液位要求。该方法一般采用在泵的出口安装大口径的液位控制阀和小口径的

回流阀。在控制图中F IC是正作用，两个调节阀都是气关阀，LC为反作用。当液位升高时，LC的输出减小，外输流量增加，从而引起泵的排量升高，FT的输出增大，FIC的输出增大，

回流阀关小，从而使泵的回流量下降；当液位减小时，LC的输出增大，外输流量减小，从而引起泵的流量降低，FT的输出减小，FIC的输出同样减小，则回流量增大。这样就保证了液位和泵的排量在一定范围内波动。其控制逻辑方块如图1－6所示。一般回流阀的最小允许通过量为泵的最小排量，回流阀是由安装在泵出口的流量检测装置及流量控制器来控制的。

图1－6泵的节流和旁路相结合控制逻辑

泵站设有低吸入压力开关和高排出压力开关，以便在预设的压力点实现低压停输操作，并在预设的安全压力点实现超压停输操作，以防止仪表控制器失灵及达不到预想的控制效果而损坏管线。泵站控制阀是最后的控制装置，因为正是该装置可调节管线中的液体流量，以达到预期的控制效果。

如果压力控制器在压力达到预设点时才开始响应，那么由于控制系统本身内在的时间延迟，则实际压力将超过预设压力。一定要保持这种压力超量在最低程度，以便使控制压力尽可能停留在停输限制范围内。控制系统的最小压力超量，可获得管线系统的最大性能。

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