“南海勝利”號隋氣控制系統升級改造

中海油深圳分公司流花油田作業區 朱志星

南海勝利FPSO（Floating Production Storage and Offloading）隋氣來自于鍋爐燃燒后的煙氣，通過IGS（Inert Gas System）處理后得到干凈的隋氣，在原油外輸時用于補充大艙壓力，隋氣系統的穩定可靠性直接影響到原油外輸作業。原有的控制系統采用繼電器及氣動儀表進行控制，現場設備主要是六七十年代的氣動組合儀表，系統故障頻繁，檢修難度大，為了保證系統的穩定、安全、可靠性，保證外輸質量，對系統進行升級改造，由繼電器及氣動儀表進行控制升級為PLC控制。

1 系統現狀及存在問題

1.1 系統現狀

IGS系統隋氣來自于鍋爐燃燒后的煙氣，首先經過洗滌塔進行冷卻、除塵、除硫等作用，然后通過風機進行增加，增壓后的隋氣通過出口控制閥進行壓力調節，最終經過甲板水封后進入到大艙，系統流程圖如圖1所示。

圖1 IGS系統流程圖

1.2 存在問題

原有的IGS（Inert Gas System）系統采用繼電器邏輯控制。由于繼電器控制存在著觸點接觸不良或相互粘連且線圈容易燒壞的問題，從而使系統控制存在著安全隱患；并且系統如果需要改造時比較困難，控制方案的少許改變可能導致現場繼電器接線全部重接，系統修改和擴容極不方便。

現場設備主要是氣動組合儀表，包括氣動變送器和氣動控制器等。氣動組合儀表是上個世紀六七十年代的儀表水平，一方面儀表調校比較麻煩，調校中需要標準氣源和氣壓表，調校的結果誤差較大；另一方面氣動組合儀表備件在市場上極少，儀表損壞后往往得不到及時修復，直接導致系統控制存在重大隱患。同時部分控制邏輯不合理，邏輯控制圖不直觀，檢修不方便；系統液位開關沒有防波動功能，容易產生誤報警問題，并且沒有歷史報警記錄功能，找不到報警點；系統首次啟動IG時，當檢測到氧含量到8%時候系統會關停；元件壽命到期，系統不穩定。以上幾個缺陷為公司管理層升級改造為PLC邏輯控制提供了依據。

2 改造方案

2.1 控制器單元改造

由于外輸計量單元的邏輯控制系統采用的是AB SLC500的PLC，系統穩定正常，備件充足，在綜合考慮下，基于現在的控制狀況，我們選擇ROCKWELL AUTOMATION公司的1747-L542C CPU作為IGS的控制系統，選用12寸觸摸屏作為用戶HMI界面，采用梯形圖編程方式，能夠輕易實現防液位波動功能，易懂，便于現場人員掌握，方便在線故障排除。觸屏內存大小能夠存儲幾個月的歷史報警記錄，以及氧含量曲線圖并可以實時打印，為操作人員查找故障提供依據。PLC內有FLASH卡，程序不會丟失。系統架構主要組成：HMI（Panelview Plus 1250，A-B #2711P-T12C4D1），工業以太網交換機（EtherNet Switch，Moxa #EDS305），SLC 5/05 CONTROLLER（16K）。系統設計架構圖如圖2所示。

圖2 系統設計架構圖

2.2 現場儀表設備改造

現場設備改造內容：將現場所有氣動壓力變送器改為電動壓力變送器，將現場調節閥氣動控制器改為PLC控制，同時將氣動定位器改為智能定位器，將現場分體式的溫度傳感器改為一體式溫度傳感器，將模擬式氧氣分析儀改為數字式氧氣分析儀表。

3 改造現場實踐

3.1 氧氣分析儀改造

氧氣分析儀表改造解決了首次啟動IGS時，氧氣含量超過8%時系統會關停問題。由于IG管線里的空氣會含有超過8%的氧氣，并且氧氣分析儀的取樣管線也有可能殘留著低于5%的氧氣（殘留原因：校驗完成后的標準樣氣），這種情況下，氧氣分析儀檢測到的濃度會由合格變成不合格。根據繼電器控制邏輯圖，可以發現，只要系統啟動后，氧氣分析儀檢測到的濃度會由5%變化到8%，系統就會認為氧氣含量高，導致風機跳，系統關停。為了避免這種誤動作發生，需要校驗氧氣分析儀之后人為地給分析儀通壓縮空氣，保證取樣管線氧氣含量高于8%。繼電器邏輯控制圖如圖3所示。

圖3 繼電器邏輯控制圖

8%氧氣含量高高關斷邏輯控制不合理，應該在系統穩定之前，不管氧氣含量如何變化，系統都應該運行，直到鍋爐氧氣含量穩定后，8%氧氣含量高高關斷邏輯才投用。

經過討論分析，通過利用進艙的調節閥首次動作信號作為8%氧氣含量高高關斷邏輯投入條件。因為在系統氧含量穩定前，進艙的調節閥是一直關閉，氧氣含量穩定后，由操作人員打開進艙調節閥給大艙補充壓力，調節閥上有全關與全開限位開關，利用調節閥的全關復位信號來決定氧含量高高邏輯關斷投入條件。通過這樣的邏輯控制，氧氣分析儀校驗后就不需要兼顧取樣管的氧含量，有效地防止了誤動作，保證了系統合理、穩定性。

3.2 洗滌塔液位開關增加防波動設計

洗滌塔水位低液位開關，由于上部沖洗下來的水流很大，很容易造成液位開關誤動作，為解決此問題，升級為PLC控制后，在程序上做濾波功能，防止液位因水流沖擊導致誤動作關停。同時，對現場液位開關加裝防波動保護罩，進水口不能太大，設計太大同樣會受到水流沖擊影響，設計太小，不能實時反應真實液位，經過多次測試，孔徑設計大約在14mm左右，既可以避免水的沖擊影響，又能實時反應真實液位，設計圖如圖4所示。

圖4 防波動保護罩

3.3 調節閥控制器改造

系統有兩個調節閥：一個是進艙的壓力調節閥，另一個是排空的壓力調節閥。改造前，進艙的壓力調節閥通過中控氣動控制器來進行控制，壓力輸入檢測點在甲板IG主管線上，有兩種方式：一個是自動調節（閉環），根據IG甲板主管線壓力來進行調節。另一個是手動調節（開環），調節控制面板的旋鈕來控制閥門開度。排空的壓力調節閥由現場控制器來進行控制：控制器壓力輸入檢測點在風機出口，控制器壓力設定值為1400mmH2O，壓力大于1400mmH2O時，閥全開，壓力小于1400mmH2O時閥全關，例如：在氧氣含量超過8%時，進艙調節閥全關，IG管線壓力會上升，控制器檢測到壓力高于1400mmH2O就輸出氣信號把外排閥打開，把不合格的IG外排。

由于采用PLC來進行控制，可以在程序上進行PID調節，同時在觸屏畫面上組態調節閥PID曲線，方便對閥門進行PID調節。

為了實現PLC輸出控制調節閥，把調節閥的氣-氣定位器更換為電-氣定位器。進艙調節閥和排空閥都由控制柜PLC進行調節。由于原排空閥非PID調節，在對排空閥進行PID調節時，根據原來壓力設定點對PID參數進行調節，調試時發現風機出口壓力控制在1400mmH2O時候，風機溫度63℃左右（正常溫度55℃左右，關斷溫度為75℃），溫度偏高。經多次單機調試后，壓力設定值設定在1200 mmH2O時，溫度正常。

根據經驗原控制系統壓力穩定時，調節閥開度保持在35%，艙壓保持在500到600mmH2O，在外輸過程中，艙的空余量會增加，再根據壓力的變化來進行調節。由于整個系統的控制方式及條件有所變化，并且連調只有在外輸時候才可以進行，給調試帶來了一定的壓力。經過討論研究，整個系統的壓力控制方式為：排空閥自動PID控制，進艙的調節閥手動控制。經過調試排空閥壓力設定點在1150mmH2O，調節閥開度保持在55%時候，系統壓力穩定。

需要注意的是，原氣-氣定位器的控制閥在關斷時，把定位器的信號氣切斷，并在恢復前手動復位所有信號。PLC控制的電信號輸出可以在關斷時候，通過MOV指令強制輸出0來實現。

4 改造效果

整個項目涉及到整個原油外輸過程，主要難度是在于系統連調，連調失敗將會帶來很大經濟損失，由于連調需要在外輸過程中進行，系統改造后需要保證IG系統功能正常，能夠正常投用，如果改造失敗，需要保證原有系統能夠完全恢復。經過系統連調后，IG系統穩定正常，解決了老舊設備的隱患，獲得公司管理層的認可、表揚。整個項目工期二十三天，雖然由于圖紙不全，導致校線周期長，但在最后還是能夠順利完成項目的改造，通過了ABS檢查認證。經過兩年的運行測試，系統穩定正常。

結束語：舊船的IG系統基本采用繼電器控制，相信也同樣存在缺陷，可以采取升級改造為PLC控制使用IG系統更加穩定可靠。在系統調研時需要進行資料的全面收集，對系統全面了解分析，能夠縮短工期。