海洋平台自控系统对标分析与探讨

徐庆松,邢增亮

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

随着近年来科技技术的不断进步，中国海洋平台开发技术取得了突破性的进展，但是与国外先进的生产开发技术相比仍然具有很大差异，特别是在自动化系统的应用上存在很大的不足，制约了中国石油开发技术向国际先进技术迈进的步伐。

海洋平台自控系统的应用不仅提高了工艺生产运行效率，减少人工劳动强度，更保障了人员和生产设施的安全，避免了石油开发故障造成的海洋污染。本文结合某油田海洋平台，在自控系统设计方式方面与中海油平台、国外海洋平台进行对标分析，在引用规范、设计方式、技术方案等方面进行探讨，为国内海洋平台自控系统设计积累宝贵经验[1-2]。

该油田目前共有109座海洋平台，包括采油平台、中心平台等，是国家海洋平台的一支重要力量。随着生产运行的时间增加，一些问题逐渐显现，如： 部分平台缺少完善的安全控制措施而造成设备损坏或人身伤害，火灾报警系统(FAS)频繁误报警对工艺生产过程造成影响，平台结构、布局需要优化等。为保证平台连续安全生产运行,本文结合实际，引入新技术和方法，切实提高自动化水平。

1 主要规范对比

规范的引用决定工程投资、设计水平、工程质量及本质安全等。该油田、中海油、美国EDC平台自控系统主要采用的设计标准对比见表1所列。

表1 主要设计标准对比

续表1

该油田一直执行SY 5747—2008《浅(滩)海钢制固定平台安全规则》，该规范要求火灾报警系统按照GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》设置，而GB50116—2013要求火灾及消防产品必须具有火灾消防强制认证(CCC)，目前通过CCC认证的主流火灾报警设备多是民用产品，较难适用于恶劣的海上工作环境，这是该油田火灾报警设备误报率较高的主要原因[3-4]。

中海油/EDC平台的火灾报警系统设置主要参照NFPA和API RP14C的标准，采用易熔塞进行井口、主要管汇和罐体区域的火灾探测，辅助以火焰探测器等电动探测装置。工艺装置区火灾探测器信号直接进安全仪表系统(SIS)，全系统均是工业级产品且有多年海上应用实例，所以可靠性非常高。

在过程控制方面，参照SY/T 0310，API 554，IEC 61511，该油田与中海油/EDC平台在仪表选型和计算机控制系统设计上基本一致，主要区别在于中海油/EDC平台采用气动控制回路，更注重失效安全；该油田主要采用电动控制，更注重连续生产和安全之间的平衡。

2 设计方式对比

2.1 HAZOP分析

平台上油气生产处理、动力、消防、应急救生等设施都集中在有限的空间内，且作业人员生活也处在该环境之中，安全生产被提到了空前的高度。通过进行HAZOP分析，能够归纳与整理海上平台仪表系统的安全性与应急可操作性问题，分析识别出系统及平台装置设备可能存在的问题，提出相应的建议及整改措施，对仪表系统安全事故预防和安全稳定运行起到重要作用。同时，对提升海上石油平台整体设备运行的安全性、稳定性和应急性具有十分重要的意义，HAZOP分析过程如图1所示[5]。

图1 HAZOP分析过程示意

中海油海洋平台已在设计阶段普遍应用HAZOP分析，EDC平台在设计过程中也应用HAZOP分析。结合该油田中心1，2号平台经验，中心3号平台在设计初级阶段进行了HAZOP分析，尤其针对关键工艺流程、设备进行探讨，确定安全措施及SIL定级，从而指导详细设计。目前，中心3号平台自投产以来未出现任何偏差过程而造成的财产损失或人员伤害等，自控系统的安全性及可靠性比较高。

2.2 数字化集成设计

与陆上油气处理站相比，海上平台最大的特点是空间狭小，结构布局紧凑，管网、桥架等纵横交错，在设计过程中很容易出现疏漏，在生产运行中，对日常巡视、检维修、逃生等具有较不利影响，结构布局等急需优化。

随着软件技术的发展，海洋平台的设计方式也经历了几个阶段，从最早期的手工绘制和CAD，到三维辅助设计软件3DMAX和PDS,再到目前大型工程中使用的PDMS，由于其三维功能完备、且各专业在同一平台集成设计等突出特点，该设计方式受到投资方的推崇[6]。

近年来，工程项目的运行维护备受业主的关注，全生命周期的概念被越来越多地提及，以SmartPant3D系列软件为基础的数字化设计方式，可从设计、采购、施工、运行、维护、管理等方面提供全面的技术支持。该油田使用SmartPant3D系列软件对某平台一体化设计效果如图2所示。

这种全新的数字化集成设计方式，所有专业在同一平台进行设计，保证了设计的实时性、同步性；所有设备、材料参数、属性均建立数据库，并随三维模型一齐提交业主，完成数字化交付，实现模拟仿真及全生命周期管理。

图2 三维集成设计平台示意

3 技术方案对比

3.1 计算机控制系统

海洋平台自控系统不仅提高了工艺生产运行效率，减小人工劳动强度，更是保障人员和生产设施的安全，避免了石油开发故障造成的海洋污染。

以该油田中心平台综合控制系统(ICS)为例，其系统结构如图3所示，中心平台ICS负责整个平台的过程和安全监控，根据功能与安全要求，ICS由过程控制系统(PCS)和SIS组成；SIS包括火气系统(FGS)和紧急停车系统(ESD)两部分。PCS负责监控平台的生产运行，保障平台日常生产操作，FGS完成火气探测、报警及联动输出功能。

对比该油田采油平台、中心平台、EDC平台、中海油平台，根据每座平台的规模、工艺流程、功能作用及所引用标准等，其控制系统设置对比见表2所列。

图3 某油田中心平台控制系统结构示意

表2 控制系统设置对比

项 目某 油 田采油平台中心平台EDC平台中海油平台 PCS与SIS共用独立设置独立设置独立设置SISESD与PCS共用与FGS共用与FGS共用独立设置FGS与PCS共用与ESD共用与ESD共用独立设置FAS室内及工艺区火灾报警室内及工艺区火灾报警室内火灾报警室内火灾报警远程I/O无采用采用无

该油田采油平台由于规模较小，采用PCS和SIS共用冗余CPU架构，中心平台和中海油、EDC平台因规模较大，工艺流程较为复杂，都采用了PCS和SIS独立设置的方式，将过程控制与安全功能分开，保证系统的安全及可靠性。EDC平台和中心平台采用了远程I/O架构，有效减少了电缆用量和敷设工作量，优化布置了控制系统。

在控制系统结构方面，各平台基本一致，在火灾报警系统(FAS)设置方面差别较大，下文对FAS进行分析。

3.2 火灾报警系统

FAS作为石油天然气和化工等行业的重要安全保障设施之一，对可靠性要求非常高，目前火灾是海洋平台可能存在的最大危险[7]。FAS由火灾报警控制器(FAP)和探测仪表组成，其系统结构形式如图4所示。

GB 50116—2013第1.0.2条：“本规范适用于工业与民用建筑内设置的火灾自动报警系统”，因此对于不同平台，其室内火灾报警基本相同,火灾探测仪表以总线的方式接入火灾报警控制盘(FAP)。

图4 FAS对比示意

该规范未对海洋平台室外(工艺装置区)火灾报警做出要求，对于室外火灾报警，该油田依然采用了总线方式接入FAP；中海油/EDC平台采用NFPA和API规范，设置独立的FGS，并且室外井口区和工艺区设易熔塞火灾检测系统，井口区易熔塞直接联动井口盘关断。易熔塞采用热熔原理探测火灾，气动方式联锁关断，具有更高的安全性及可靠性；火灾探测仪表直接接入工业级的FGS，减少了误报警的发生，并能够实现更为复杂的区域火灾报警、消防联动、工艺联锁关断。

3.3 控制方式

该油田以电动控制方式为主，即控制阀动力源为电源，接收控制系统信号实现控制。中海油平台以气动控制为主，即控制阀动力源为压缩空气，接收控制系统信号实现控制。EDC平台以就地气动控制为主，即采用气动控制仪表和控制阀，主要控制回路和安全切断均通过就地机械联锁实现，中控室控制系统仅用于监控和报警。

该油田中心平台、中海油平台、EDC平台以气动为主的控制方式是海上平台主流技术，依托于可靠性高的气动仪表、控制阀和管阀件，可实现失效安全，安全性更高。该采油平台因无人值守，主要采用ESD功能的电动控制，更注重连续生产和安全性之间的平衡。

4 结束语

海洋平台有着特殊的工作环境，为保证平台安全、可靠地运行，在工程设计初期进行HAZOP分析十分必要；数字化集成设计方式可对工程项目的设计、采购、施工、运行、维护等全生命周期提供技术支持，也必将成为一种趋势。

按照GB 50116—2013，海洋平台室内火灾报警以总线方式接入FAP；对于室外火灾报警，可参考API标准，共用或独立设置FGS，对平台安全性、可靠性等方面有着很大的提升作用。