浮式生产储油轮惰气发生器控制系统升级改造分析

曾国航、黎志平、张玮

[南海西部石油油田服务（深圳）有限公司，广东深圳518064]

1 浮式生产储油轮惰气发生器概述

为了确保储存、驳送安全性，浮式生产储油轮中需要安装惰气发生器，主要作用是将燃烧产生的惰性气体利用充舱管线充入货油舱内，确保货油舱内具有一定的正压，并使油舱内气体中的氧气含量降到安全水平。惰气系统一般包括惰气发生器、惰气分配、海水洗涤冷却、止回阀以及系统运行监控等多个系统模块。惰气发生器在运行过程中对于控制系统的要求较高，所以需要采用科学的设计方案，确保惰气发生器能够安全、高效运行，满足浮式生产储油轮整体运行安全性。

2 浮式生产储油轮惰气发生器防爆原理分析

在油船上安装惰气系统主要是为了把货油舱的火灾或爆炸的发生概率降到最低。引起燃烧和爆炸的因素包括可燃物、火源以及助燃氧三个必需条件，缺少其中任何一个条件都不会发生燃烧或爆炸，这也为防爆工作提供了思路，也就是将环境中的一项条件消除，使其构不成燃烧爆炸条件，从而能够避免爆炸问题发生。结合浮式生产储油轮的实际运行情况来看，由于油品自身具有易燃烧性且是主要储存物品，所以在易燃物方面控制难度较大；同时，浮式生产储油轮中存在较多火源，如静电等，控制难度较高。为此，惰气发生器的防爆原理主要是从控制助燃氧方面进行的，通过对助燃氧浓度等方面的控制，使其不构成燃烧爆炸条件，也就能够有效控制爆炸[1]。

空气中的基本化学成分为氧气与氮气，氧气约占21%，氮气约占79%。结合相关研究数据表明，碳氢气体与空气的混合物有两个爆炸极限，分别为碳氢气体含量为2%时的下爆炸极限（空气含量98%）与碳氢气体含量为10%时的上爆炸极限（空气含量90%），在这两个极限之间的混合气体是可燃的。低于下极限的混合气体中碳氢气体含量太稀薄不能燃烧，而高于上极限的混合气体中碳氢气体含量太浓也不能燃烧，从而为惰气发生器防爆提供了设计思路。

3 某浮式生产储油轮惰气发生器的改造思路

采用PLC对惰气发生器进行改造，是当前惰气发生器控制系统改造升级的主要方式。这种改造过程较为明确且条理性较强，能够实现对惰气发生器不同控制系统的优化改造，而且能够根据子系统的基本情况对其进行针对性改造。在对该惰气发生器采用PLC控制模式进行改造时，主要思路为：第一，按照该惰气发生器的基本资料、说明书以及系统电路图，对惰气发生器的工况与控制要求进行分析。第二，按照系统输入与输出设备确定需要的PLC控制器数量，之后选择最为合适的PLC控制器。第三，按照原有惰气发生器控制系统的基本情况，分析控制系统存在缺点，之后对缺点进行优化与补充。第四，按照输入设备与输出设备的作用，编制PLC外部控制系统结构，在系统中填写I/O地址，之后结合设备的具体情况对外部系统控制进行优化[2]。第五，结合机电控制器系统电路与PLC编写的基本规则，将继电器控制系统电路转化为PLC控制系统，同时充分考虑惰气含氧量控制的基本需求，最后实现对惰气发生器控制系统的优化改造。

4 浮式生产储油轮惰气发生器控制系统分析

4.1 燃烧器控制系统改造升级

该燃烧器为机械高压雾化型，油枪及燃油喷嘴均为双管回油式，燃油通过雾化板上的切向油槽产生强烈的旋转运动和前进运动，经喷油孔喷向燃烧室。燃油在离开喷油孔时立即形成旋转前进的锥形油膜并雾化，喷射角度取决于喷油嘴的形式和燃油压力。在回油管路上装有气动控制的排量调节阀，油耗取决于油喷嘴的规格和回油的压力，燃烧调节比约为1∶4；应该在低排量情况下进行点火，即减少至燃烧器的油和空气。该惰气发生装置用轻质船用柴油点火。在正常工作时，可转换成经过预热的重燃油燃烧。在氧含量自动控制运行时，惰性排量可由主控盘或货控室副控盘的按钮控制。如选择手动，燃油排量亦可在主控盘上手动控制。在控制系统改造设计中，助燃空气经过风道中的一系列导向叶片，使空气涡流强度增加，旋转速度增大，通过燃烧颈进入燃烧腔，在这里助燃空气与燃油充分混合；部分空气通过油枪，沿油枪轴向运动，以防止未燃烧的油滴沉积在燃油喷嘴上。为了实现完全燃烧，必须尽可能使雾化的燃油和助燃空气充分混合，所以需要提升油与气之间的相对速度，但是喷油嘴处的空气轴向速度不能超过燃烧速率，否则会将火焰吹熄。

在控制系统升级改造过程中，将其功能整合在PLC控制系统中，从而实现吹扫、点火、燃烧以及运行每一个流程的可视化处理，在触控屏幕中能够详细地展现出其实时运行状态。

4.2 燃油控制系统改造升级

该惰气发生器的燃油系统中包括2台燃油泵（带电机）与1个双联式细滤器。油枪进、出管路采用软管连接，进油管路上装有一个气动的三通球阀，由电磁阀控制且回油管路上装有气动薄膜控制阀，用于控制到主燃烧器燃油量；在燃油泵出口的旁通管路上装有压力控制阀；电磁阀与点火燃烧器之间用软管连接，为避免污染海洋环境，控制系统中可以通过装载电磁阀的方式，用于停机后用压缩空气吹洗燃油管路[3]。

在燃油控制回路中，通过自动或手动选择开关，燃油控制阀可手动或自动控制；在选择手动控制情况下，操作燃油阀控制器上的薄膜按钮可实现燃油控制阀的调节，控制器上可显示出到阀门的输出信号，装置正常运行时，风机负载信号是燃油控制阀主要的控制信号，然而该信号可根据氧分仪实测氧含量信号，结合氧含量设定值进行修正。在排量控制回路中，通过PID214-2控制器自动/手动选择按钮，可手动或自动调节排量控制阀。选择手动运行时，通过调节排量控制阀的手动/自动控制器的按钮，可实现对排量控制阀的连续调节，该控制器上可显示出到阀门的输出信号；正常运行时该控制器应处于自动控制状态，装置运行时控制器的输出信号是风机的负载信号。

4.3 燃烧器/洗涤塔组件控制系统改造升级

来自风机的助燃空气由洗涤塔顶部的风道入口切向进入。经导向叶片、燃烧颈、燃烧室和中心管到达洗涤塔底部，改变方向后流出中心管，向上通过洗涤塔出口流出。当气体离开洗涤塔底部的中心管时，折转180°，向上通过一个装在洗涤塔下部的不锈钢湿滤器。通过过滤器后该气体进一步向上，经过装在洗涤塔上半部的海水分配环上的喷嘴喷出的水进行喷淋，湿滤器的作用是为了使热气与冷却水之间充分接触。待该气体完全冷却、清洁后，通过洗涤塔上部出口离开洗涤塔前，最后经过一个不锈钢除雾器，除雾器可有效防止气体从洗涤塔带走水分。在控制系统改造升级过程中，在燃烧室上与洗涤塔出口分别增设一体化压力变送器，用于检测燃烧室和洗涤塔出口的压力，并用于控制现场调节阀调节炉膛压力和充舱压力，从而有效提升控制效果，使燃烧器与洗涤塔组件控制系统运行效率提升[4]。

4.4 现场控制仪表改造升级

浮式生产储油轮惰气发生器需要的仪表有监控洗涤塔海水入口温度、洗涤塔惰气出口温度以及冷却夹套海水出口温度的温度计仪表，货控室及机舱控制室洗涤塔惰气出口温度表，监控仪表空气压力、燃烧器入口助燃空气压力、冷却夹套海水压力、水喷嘴海水压力、主燃烧器进油压力、回油压力以及冷却塔惰气出口压力的压力仪表，包括惰气至氧探头的流量计仪表，机舱控制室中惰气氧含量与氧分仪上氧含量指示的分析指示仪表等。

针对上述仪表，将原有对调节阀控制的气动仪表控制去除，采用PLC控制调节阀，既能够有效提升控制精度、控制可靠度以及反应速度，还能够实现调节阀的远程控制功能。同时，将原有气动阀的定位器去除，安装电/气转换设备与阀门定位器，从而使其接受来自PLC控制器的电信号，还能够将阀门位置信号传输到PLC控制系统中，从而能够提升调节阀控制准确性，全面降低控制系统运行复杂程度，使整体运行精度更高[5]。

4.5 主控盘与副控盘改造升级

惰气发生器主控盘用来控制装置运行。在控制系统改造升级过程中，控制盘安装可编程控制器，负责装置启动/停机/报警/切断及运行模式，在控制盘上有惰气装置的模拟图。模拟图上有指示灯、按钮、指示仪表及报警器，改造升级后期控制工况为：首先，正常运行时，报警指示灯熄灭。其次，实际出现故障时，发出声、光报警信号（即蜂鸣器发出声响，指示灯出现频闪）。再次，通过报警应答（ALARM ACCEPT）按钮，对声、光报警信号进行应答，并消除声音报警信号。最后，如果对报警信号没有应答，即使排除了故障，声、光报警仍将继续。通过报警复位（ALARM RESET）按钮，报警指示灯由频闪转为常亮，待故障排除后常亮报警指示灯将熄灭。

在控制盘面板上，有发生器的模拟图。模拟图包括：带指示灯的开关、报警指示灯、甲板压力设定表、惰气温度表、惰气排空阀阀位指示表和排量指示表。有关甲板的各项报警（如供水压力、液位、惰气总管压力）和氧量报警采用独立设置模式，其他报警都设计为公共报警[6]。

4.6 软件系统设计

惰气控制软件系统中，触控屏幕组态应用北尔电子X2 PRO7实现，使工作人员能够实时观察到惰气发生器的运行情况，能够对其运行参数进行调整，通过CODESYS系列软件对WAGO PLC进行网络组态与编程。软件开发操作系统应用Window10 64位系统，PLC编程开发软件为CODESYS 2.3。

4.7 监控画面设计

该系统利用IX DEVELOPER 2.3软件组态的触控屏幕画面，能够完成工艺画面、设备状态、系统测试、参数设定、趋势变化以及报警记录等多项功能。触控屏幕中共有八个主画面，每个主画面中具有对应的子画面，利用触屏能够对各个参数进行设置，还能够利用触屏在不同画面之间切换。以对惰气发生器的正常运行监控为例，监控内容流程为：

第一，按“AUTO START”（自动启动）按钮。

第二，装置启动顺序由模拟图上的指示灯显示，当“FLAME ON”（火焰）指示灯点亮后，使装置以允许的氧含量稳定运行。

第三，从观察窗检查所有空气是否从冷却夹套重排出（即是否有水流出）。

第四，检查“AUTO O2-CONTROL RANG INDICATION”（自动氧量控制范围指示）表的指针位置，该指针应处于刻度的中间位置，调整前氧含量应趋于固定。如实测读数过低，应降低“FUEL OIL CAPACITY SET POINT”（燃油排量设定点）设置来升高读数，反之亦然。

第五，用“CAPACITY CONTROL”（排量控制）按钮调节所需排量。

第六，检查是否有气流到氧分仪，如必要可进行调节。

第七，S211“MAN/AUTO OIL VALVE CONTROLLER”（手动/自动油阀控制器）开关和S214“MAN/AUTO BLOWER CAPACITY CONTROLLER”（手动/自动风机排量控制器）开关应在“AUTO”（自动）位置上，如控制系统失灵，“MANUAL”（手动）位置仅用于紧急运行。

第八，装置准备好向货油舱供气，进一步控制由货控室副控盘完成[7]。

4.8 通信网络设计

在对惰气控制器进行改造升级后，采用集散型控制系统，通过TCP/IP通信网络连接I/O控制柜与中控的就地控制柜内PLC系统。该通信网络具有实时化、可重复以及确定性等特点，其高速控制与数据采集网络能够支持控制系统通信，确保惰气发生器控制系统中各信号能够高效化传输，从而提升惰气发生器运行控制效果，满足惰气发生器对于信号传输的高效化与稳定性需求[8]。

5 结语

综上所述，本文阐述了浮式生产储油轮惰气发生器的防爆基本原理，之后结合某惰气发生器的基本情况对其改造思路进行分析，最后提出了惰气发生器的不同系统控制改造升级策略，希望能够为海上石油工程建设起到一定的借鉴与帮助作用，不断提升惰气发生器控制系统运行效率，为海上石油开发工作提供支持，同时促进开发工作安全性提高，推动海上石油工程建设与发展。