某海上设施智能气田建设项目工艺阀门 改造技术应用创新

向富明 陈建宏

（1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，深圳 518000； 2.中海油能源发展装备技术有限公司南海工程分公司，湛江 524057）

某海上设施台风模式升级改造，为了实现生产关停后的远程复产和调产，保证工艺流程的畅通，将原来流程中的手动阀门改为远程自动控制阀门，将采气树手动调节的气嘴改为远程可调产量的气嘴，将紧急关断阀（ShutDown Valve，SDV）从手动复位型更换为自动复位型。本文主要对以上3个工艺部分的技术创新应用进行总结。

1 智能气田改造工艺部分改造介绍

1.1 工艺系统现状

某海上设施工艺系统可以在台风模式下远程无人运行，可以远程关停装置。动设备原设计有远程启动按钮，但平台三级关停后，动设备无法远程送电（合闸）。本次改造的主要目标是在原台风模式运行的基础上，使设施具备在出现生产关断后通过陆地终端控制室实现远程复产的功能。在复产前应远程排查关停原因，确保在安全可靠的前提下复产，且在复产时保持工艺参数远程监测。火灾、油气泄漏、电站故障等原因引起的停产不考虑远程复产，待人员到现场后处理。平台复产的操作程序见表1。

表1 生产关断后恢复正常生产的操作程序

1.2 工艺阀门的升级改造

为了实现平台三级关停后工艺系统可远程复产和调产，对平台工艺阀门进行升级改造，主要技术应用创新点归纳如下：将SDV现场复位式电磁阀更换为新型的可切换复位方式的电磁阀，使SDV在遥控生产模式下具备远程复位功能，同时在有人模式下可将SDV切换为现场复位式；将平台采气树的气嘴更换为国产可远程调节电动气嘴，同时改造井口控制盘阀门控制系统，实现远程开井和关井；改造后，实现组块井口远程开井及产量调整；将流程上的手动阀更换为有电动执行机构的遥控开关阀，实现工艺流程的远程切换；阀门的远程与就地控制开关、阀门开到位、阀门关到位以及阀门故障报警等新增信号接入中控系统。

2 工艺部分实用性研究和应用

2.1 可远程自动复位电磁阀应用

根据油气处理系统设计规范，关断命令不允许自动复位，重要的关断设备在触发关断后应该由操作人员现场手动复位。但在台风模式下，海上平台是无人化生产，要实现生产关断后的远程复产，必须要实现关断阀的远程复位。要实现在台风模式期间，关断阀关断后可远程复位。非台风模式期间，保留关断阀现场复位的功能，必须对现有的关断阀进行改造。

应急关断阀的现场手动复位功能是通过执行器仪表气控制回路上的电磁阀实现的，选用带手动复位功能的电磁阀即可。带手动复位功能的电磁阀阀芯内部设有一个机械锁定结构，当电磁阀通电时，电磁阀不会立刻打开，指导操作人员手动按下（或拉起）电磁阀本体上的手动复位装置，电磁阀才能打开。若要实现应急关断阀的远程复位，必须实现该电磁阀的远程复位。

将现有手动复位电磁阀更换为一种特殊结构的电磁阀，这种电磁阀本身带手动复位功能，但该电磁阀的手动复位装置可以解除，使其成为自动复位电磁阀。

图1中虚线框内为手动复位电磁阀。电磁阀为三通阀，1#入口接仪表气源，2#出口接启动执行机构气缸，3#出口为放空口。该电磁阀在正常生产过程中电磁铁一直保持通电，电磁阀1#口和2#口接通，3#口封闭。仪表气通过电磁阀进入气动关断阀执行机构的气缸，关断阀保持打开位置。一旦发生工艺参数超限、天然气泄漏或火灾，应急关断系统会自动切断电磁阀的供电。此时，电磁阀的1#口封闭，而2#口和3#口接通。气动关断阀执行机构气缸中的压缩空气将通过电磁阀泄放到大气中，同时关断阀在弹簧力的作用下迅速关闭。当排除所有触发关断的条件后，应急关断系统复位并重新接通电磁阀的电源，但此时电磁阀内部手动复位装置仍将阀芯锁死，电磁阀不会打开，直到操作员巡视现场且确保安全后，手动按下电磁阀上的手动复位按钮，电磁阀才能打开。

为实现台风模式下关断阀的远程复位，可以将电磁阀更换为图2虚线框中所示的电磁阀。

该阀的手动复位按钮形式是拉起复位式。一般情况下，此电磁阀的供电被切断后恢复通电时阀芯将保持断电时位置，气动关断阀也维持关闭状态，直到操作员到现场拉起电磁阀手动复位按钮，电磁阀阀芯才会复位，然后启动关断阀重新打开。如果这个电磁阀的手动复位按钮始终保持在拉起的位置，此电磁阀的供电被切断后恢复通电时阀芯将不会被锁死。这个电磁阀可作为一个自动复位的电磁阀使用，即一通电阀芯就会复位。台风模式下，用一个金属卡子将电磁阀上的复位按钮固定在拉起的状态。此后若发生关断，在排除全部故障后，可在中控系统的操作画面上点击软复位按钮恢复电磁阀通电，完成关断阀的远程复位。

2.2 国产远程调节气嘴的应用

海上油气生产装置的采气树采用手动节流阀，行业内称之为气嘴。平时需要调节产量时，需要操作员到采气树位置调节节流阀的开度。台风模式下，为实现远程调节产量，需要将原手动节流阀改为遥控电动节流阀。本文所述海上设施采用笼套式节流阀，按照API 6A和NACE MR0175标准设计并制造[1-2]。

本设施选用的笼套节流阀具有诸多特点。第一，节流阀分外笼套式和内笼套式两种。前者适用于投产初期高压差、中小产量的油气井，后者适用于后期低压差、大流量的油气井，同时可用于管道、井口、生产管汇、节流压井管汇、测井和清理[3-5]。第二，根据节流口径要求精确设计阀芯开孔大小及分布。较小的下部端口提供最初15%的控制范围，较大的上部端口提供整体的控制。这种设计具备等比流量特性，可以在整个运行范围中实现最大的控制能力。端口结构带有很高的翻转率，具有很广的控制范围和灵活性。同时，该节流阀能够锁定在某一位置。第三，阀芯内件材料采用YG8硬质合金，具有卓越抗腐蚀性和高硬度（HRA≥89），耐冲损，使用寿命长。第四，阀体上设有泄压阀，以便操作者在打开阀盖前安全地释放腔内的压力。第五，阀杆的密封采用了增压弹性的非橡胶FCM结构杆密封（通过ISO 15848-2试验），适用于高温高压的流体。第六，阀盖的密封采用特殊的结构形式和密封材质，耐压高，密封可靠，使用寿命长。第七，阀门通过API Std 6FA耐火性能试验。第八，阀门的电动执行机构选用国际知名品牌Rotork，最小控制精度在开关行程过程中可达1%。阀体和执行机构的技术参数，分别如表2和表3 所示。

表2 阀门技术参数实例

表3 执行机构技术参数实例

2.3 可远程开关自控阀的应用

需要将流程上手动阀改为自动阀时，自动阀的选型必须考虑安装空间的限制、采集数据的难易程度、安全性、可靠性以及交货期等要素。

最终选择了一款由国外的电动执行机构和国内手动阀门搭配而成的远程开关自控阀门，其相对于气动执行机构具有诸多优点。第一，电动执行机构的数据采集更加容易，可连续追踪阀位，远程监控阀门状态。第二，执行机构体积小，安装方便，交货期短。第三，大尺寸的电动执行机构在价格上相对于气动执行机构有明显优势，如20英寸阀门的电动执行机构比气动执行机构便宜60%～70%。

在油气生产装置处使用，对阀门的电动执行机构的安全性要求很高。本次改造选取的电动执行机构具备以下安全性能。第一，执行机构配备直接驱动或齿轮传动的手轮，保证阀门手动操作简易高效，可通过手/自动切换杆进行操作模式切换。切换杆位置可锁定，即使在电机运转的情况下，也能安全操作。第二，环境密封的防护等级为IP66/6820 m 10 d，采用了双密封结构端子盘，可保证执行器完全密封，保护其不受环境侵蚀。第三，显示屏有极宽的可视角度，方便在远处观察。屏幕的双层结构使其能显示详细的图形信息，并可在-50～+70 ℃的环境下正常工作。第四，开/关旋钮及就地/停止/远程旋钮与端盖内的固态开关磁力耦合，配合双密封结构，进一步加强了非侵入性能保护。第五，通过电池为显示屏、远程指示及无主电源时的组态设定提供电源。第六，可通过绝对编码器（专利产品）在任何情况下，包括主电源丢失的情况下，实现可靠且高精度的阀位测量（最大可测圈数为8000圈），实现准确的阀位控制。第七，采用最先进的压敏力矩传感器，可在广泛的温度范围下实现可靠的力矩测量。第八，执行机构的驱动传动简单、可靠、坚固，其所有部件均采用了终生免维护的油浴浸润，并可在任何安装方向上使用。第九，执行器所有规格的推力及非推力底座皆可以拆卸并与中心壳体分离，使安装和维护变得简单方便。第十，采用Rotork蓝牙设定器，可用于调试及数据下载。第十一，Rotork防爆壳体在中心主壳体与端子盘之间有一条火道，意味着任意一面发生爆炸都不会波及到另外一面或外部环境，可应用于危险区域。

3 结语

市场上电磁阀厂家众多，但目前只有Versa的产品能够满足要求。Versa牌电磁阀可在海上设施正常的有人模式下作为手动复位型阀门使用，在遥控生产模式下则可通过固定复位按钮将电磁阀改为远程复位型阀门。此外，上海神开所生产的外笼套式气嘴和ROTORK牌的电动执行机构配套结合构成的国产遥控可调节气嘴，较好地满足了使用要求。国产方正球阀或截止阀与ROTORK牌的电动执行机构配套结合构成的国产遥控电动阀，较好地适应了现场的狭小空间，满足了高可靠性和高可操作性的要求。