海洋石油供电平台仪表控制系统应用及调试

孙法强

(海洋石油工程(青岛)有限公司,山东 青岛 266520)

海洋石油供电平台是把陆地上的电能,通过高压海底电缆传输到供电平台,通过平台上的变压器降压至工作电压,再将电能分配到附近生产平台,实现陆地电能在海洋石油平台的应用。该供电方案由陆地升压站-海洋供电平台(降压、配电)-海洋石油生产平台(用电)组成。其优势一是节能环保:陆地传输过来的电能无论是火电还是其他新能源发电,其效率和环保性相对于石油平台的发电机供电都高得多;二是能摆脱发电机的限制,海洋平台发电机多为透平式,一直被国外厂家垄断,导致配件价格昂贵,服务效率低下。供电平台电气设备高度、压力等级、电气线路复杂,平台的电气火灾风险大,对平台的控制系统设计提出新的要求。

1 供电平台仪表控制系统

常规生产平台控制系统包括:过程控制系统、应急关断系统和火气系统。过程控制系统是实现对生产过程信息的采集、监测、转换、处理,以实现生产过程的正常运行。应急关断系统是用来提高工艺生产装置及其辅助设施的安全操作,以保证海上工程实施的生产人员、生产设备和周围环境的安全。火气系统通过探测可能发生或 已经发生的火情和可燃气体泄漏事故,通过火气控制盘采取一系列的安全措施,来保持平台人员和设施的安全[1]。供电平台工艺只有污水回收系统和事故油回收系统,系统设计时把其并入到火气控制系统,因此,供电平台仪表控制系统只包括火气系统。另外一个不同就是由于供电平台房间多,HVAC(通风空调)系统设备较多,独立于火气控制系统设计了专门的通风空调控制系统,对风机、风闸、空调等设备,火气系统只能火灾发生时紧急关停,其正常运行由通风控制系统控制,状态信息通过485通讯传至火气系统。

1.1 仪表控制系统构成

供电平台仪表控制系统见图1。

图1 供电平台仪表控制系统

由图1可知,供电平台仪表控制系统的构成与石油平台一样,包括操作站、控制器、I/O卡件和现场仪表构成。现场仪表包括:烟、热、可燃气、声光报警等,还有常规平台属于PCS系统的差压变送器,因其数量较少,并不单独设计PCS系统,而是合并到火气系统。另外,缆式感温探测器、对射式烟探测器用于高压变压器火区监测,在常规石油平台是没有的。由图1还可知,除了石油平台应用的FM200和消防水灭火方式,供电平台还有高压细水雾灭火方式,用于高压变压器及高压配电室的灭火。

1.2 仪表控制系统设计

仪表控制系统最初被霍尼韦尔、艾默生、横河等国外自动化公司垄断,20世纪90年代中期,在政府项目和资金的大力支持下,北京和利时、浙大中控、上海新华等企业开始快速发展,并初具规模。随着技术的发展和系统的成熟完善,特别是国家政策扶持和战略选择等因素的影响下,国产仪表控制系统的国内市场占有率不断提高,岸电平台的自动控制系统采用具有自主知识产权的国产系统。

如图2,和利时HollySys自动控制系统,主机笼提供19个槽位,由左到右,1、2槽是冗余通讯模块,3、4、5是三系控制器模块,6～19是I/O模块,安装专有的HiaGuard I/O模块。为满足安全等级的要求,系统采用冗余设计,通讯模块和I/O模块都采用1主1备冗余,如果一个模块故障,报警的同时,自动切换到备用模块工作。控制器模块为2oo3架构,正常为2个控制器工作状态,1个备用状态,工作/备用状态可以通过软件手动切换,如果一个控制器模块故障,备用模块自动切换到工作状态,同时发出故障报警信息。

图2 仪表系统控制柜

端子柜,用于现场仪表的接线、继电器安装、端子模块的安装。右边绿色部分为端子模块,通过专用的DB78预制电缆与控制柜I/O模块连接。端子模块具有过电流和过电压保护功能,需要注意模块通道保险丝可能会烧断。电源分配柜,为控制系统和操作站供电。1个电源分配柜,由两路UPS电源和一路后备蓄电池供电,实现冗余功能。正常工作时UPS电源1和UPS电源2同时供电,电源1还负责给蓄电池充电。单路UPS电源失电,系统仍有另一路电源供电,系统正常工作。两路UPS同时失电的情况下,火气系统由蓄电池供电,此时,盘柜的照明系统用电被切除,以保证火气控制系统由蓄电池供电工作时间不低于2 h。

2 供电平台现场仪表

2.1 手动报警按钮

手动报警按钮包括:手动报警站、FM200释放/抑制按钮、高压细水雾释放按钮、弃平台按钮等。手动报警按钮由仪表控制系统供DC24V电源,按钮内部连接2个阻值分别为1 kΩ和3 kΩ的电阻,正常工作时,2个电阻串联,回路电阻4 kΩ,电流大约在6 mA(24 V/4 kΩ),按钮按下,3 kΩ电阻被短路,回路电阻变成1 kΩ,电流大约24 mA。控制系统根据回路电流的变化确定手动报警按钮的状态。另外,如果回路出现断线问题,回路开路,控制系统会故障报警,实现该回路的回路断线故障监测。

2.2 烟、热探测器

烟探测器中有一个光学迷宫,光学迷宫内有一对红外对射管(红外发射管和红外接收管),在正常状态下,红外接收管接收不到红外发射管所发出的光信号,当烟雾进入光学迷宫后,由于“烟粒子”的漫射作用,使接收管接收到发射管所发出的光信号,产生光电流,驱动开关电路,回路电流的变化被控制系统检测到,从而实现报警功能。

(2)进行600m～1500m抛射高度的仿真,得到子弹散布变化规律,随着开舱高度的增加,子弹散布范围增大,但范围增大量不断减小。

热探测器是根据热敏电阻效应原理,随着探测器周围温度的变化,电阻值相应变化,回路电流变化,进而控制系统检测到并报警。

2.3 可燃气探测器

基于气体的光谱本征吸收原理,利用可燃气体对特定波段的红外光吸收实现对可燃气体的探测,这种探测原理是传感器件通过接收红外光光通量的物理变化实现对可燃气体的探测,探测灵敏度高、响应速度快,探测器能够在野外恶劣环境下长期可靠稳定运行。

2.4 缆式感温探测器

用热敏材料绝缘两根弹性钢丝,热敏材料受热后电阻降低,从而触发温度报警。探测器包括转换盒、感温线缆和终端盒。感温探测器输出的是干接点信号,包括报警信号和故障信号。在供电平台用于高压变压器本体的温度监测,安装时需要注意线缆最大使用长度的限制和缠绕方式的要求。

2.5 反射式烟探测器

反射式烟探测器用于开阔区域的防火,供电平台布置在高压变压器区域的上方。反射式烟探测器由发射器、接收器和反光镜组成。其工作原理是:进入发射器/接收器组合单元和反光镜之间区域的烟使到达接收器的信号减弱,当减光率达到设定阈值时,探测器产生报警信号。发射器和接收器合二为一的设计,另一端只需安装反光镜,方便了安装与现场布线。

3 仪表控制系统的调试策略

仪表控制系统的调试分仪表回路测试和逻辑测试两部分。由于逻辑测试涉及电气、通风及工艺等专业,多数项目陆地能够回路测试完成,逻辑测试在海上完成。

3.1 回路测试

回路测试的目的是检查仪表能否正常工作及接线的正确性。通常的做法是打开现场仪表,拆下接线进行校线,确保接线正确后再对仪表供电,验证仪表能否正常工作,并在中控操作站显示正确。这样就需要待控制系统盘柜和工程师站安装完成后才能开始回路测试工作,对调试工期的要求极为不利。通过对现场仪表的类型和特点进行分析,对手动报警按钮和烟热探测器使用万用表测量电阻的方法进行回路测试,该方法一是避免打开按钮盒和拆线的环节,提高效率;二是避免了操作站安装并调试完成的制约,提前发现现场仪表到中控盘柜段回路的安装及接线问题;三是可以解放一名仪表调试工程师,一名调试工程师带一名调试配合人员即可完成回路测试。

手动按钮测试时,现场人员首先确认按钮盒位号及安装正确,调试工程师依次测量单根电缆线芯是否接地,确保没有接地后,再测量两根电缆线芯电阻,如果阻值为4 kΩ现场人员按下按钮,阻值变为1 kΩ,就可确保此回路手动报警按钮和线路正确,完成现场至中控段的回路测试。

对于数字量输出信号,关停其他设备的,只能按照常规方法,逐次校线。对于常闭触点,校线完成后可以对电缆做好标记,暂时不接线,用临时短接线替代,避免影响其他专业调试。常开触点的输出信号,校线完成后可以接线,在控制盘柜处断开保险,并做好标记,避免误操作影响其他专业调试。声光报警设备,都在高处,拆装不方便,可以用万用表测量电阻,确认接线不短接,不对地的情况下,利用外加临时24 V直流电源从控制盘柜处给声光报警设备供电,以验证设备完好和接线的正确性。

3.2 逻辑测试

逻辑测试涉及多专业,会关停电气、通风、机械专业的设备,还会启动FM200、消防水、高压细水雾等消防设备。因此在逻辑测试时要与其他专业调试工程师及厂家做好充分沟通,保证安全、可靠和完整的逻辑测试。

通常,在逻辑测试自测阶段,对会影响其他专业的设备运行或者有较大风险的信号线,暂时不接线,仪表调试工程师,从电缆现场端用万用表测量输出信号的状态,以验证逻辑的正确性。逻辑测试阶段需要对照因果逻辑图,按照火区,逐条测试,发现的问题应做好记录,由相关责任方做出相应的整改,整改完毕后,对整改内容再次测试,确保整改的正确性。因为逻辑关系会有相互的交叉,如果需要修改逻辑,需要把所有有影响的逻辑重新测试,而不是只对修改项逻辑测试。

待逻辑自测试完成后,确保自测阶段发现的问题全部解决无误后,再通知其他相关专业的调试工程师和厂家一起把未接的电缆恢复接线。重要的设备,需要在中控强制的,做好相应的强制,避免调试阶段对其他专业造成不必要麻烦,甚至危险。

4 调试常见问题及解决方法

4.1 声光报警器长短音

供电平台有FM200和高压细水雾两种灭火方式。由于FM200会造成人员窒息,因此从报警触发到FM200释放中间有30 s的预报警时间供人员撤离,如果为误触发,30 s内可以触发抑制按钮,取消FM200的释放。预报警声音提示为短音,30 s以后,变为长音。在调试过程中,发现有的长短音是反的。造成该问题的原因有两种,一是接线错误,需要把两对声音接线对调;二是声光报警器的拨码开关设置问题,需要按照厂家资料,重新设置拨码开关。

4.2 烟、热探测器无法触发

烟、热探测器电缆接线正确,供电后现场指示灯闪烁,但无法触发报警。烟、热探测器由探头和底座两部分组成,现场调试发现多是探头损坏和底座电阻连接不牢固导致。更换探头后,如果正常工作,说明探头损坏,需要厂家更换。如果更换探头仍不能正常工作,拆下底座,检查里面电阻接线并紧固。

4.3 继电器接触不良

声光报警器只有光报警,没有声音。通过校线、更换报警器,都没查出问题,现场测量电路电压正常,盘柜到控制器回路检查也没发现问题。最后才发现,继电器供电后有动作,但是接触不良,回路有几kΩ电阻,导致报警器端电压不足,无法驱动报警器动作。此问题较少发生,并且比较隐蔽,很难发现,需要特别注意。

4.4 差压变送器中控显示不一致

如图3所示,现场差压变送器数值LIT-4201和LIT-4202显示数值不一致。以详细设计的该变送器的数据表为依据,核对中控的量程设置是否一致,另外还需要使用手操器核对现场仪表的量程设置是否与数据表一致,都调整一致后,中控显示才能一致。

图3 现场差压变送器

另外还发现,中控转换过来的液位和现场磁翻转液位计的显示不一致,是由于现场磁翻转液位计安装的起点是罐体的底部,差压变送器的测量起点距罐底200 mm,需要在中控设置补偿,使现场与中控显示保持一致。

4.5 常开/常闭触点问题

仪表控制系统设计中,涉及其他专业设备的关停,比如控制高压细水雾系统的房间电动阀的启动,详设给的I/O list逻辑状态与高压细水雾厂家图纸对不起来,详设要求Open=Release,厂家图纸为Closed=Release。调试发现该问题,需要找详设和厂家确认更改方案,并把最终的修改反馈给详设或厂家,以升版图纸。

4.6 干接点与DC24V输出

电动风闸的火气关停信号,通风厂家图纸需要DC24V,中控厂家提供依据详细设计图纸提供干接点,导致无法火气关停风闸。需要联合详设、中控厂家、风闸厂家一起协商,给出合理的修改方案,现场整改并升版相关的图纸。

5 总结

洋石油供电平台近几年设计并逐步应用,平台的仪表控制系统有其显著特点,针对此特点制定的调试策略,在效率上有了显著的提升,以某期项目单个组块650余硬点的控制系统为例,2个调试工程师带领2个调试辅助工,8 d全部完成陆地的回路测试工作,并解决了调试过程中发现的50余处问题。海上逻辑测试比业主要求完工日期提前10 d,并协助厂家、详设、施工等各方解决了调试中发现的问题,保证了项目质量与项目工期。