海上井口平臺無人駐守的研究和實施方法

吳紅光,劉向陽,周小昌,陳柱,鄭成明,劉宇飛

(中海石油(中國)有限公司 海南分公司,海南 ?？?570312)

當前,能源企業正在發生重大變革[1-2],傳統生產經營模式給安全經濟生產帶來很大的挑戰。如中國海上采油采氣井口平臺主要是有人駐守平臺,有人駐守的井口平臺需要大量的人員成本、交通成本、后勤服務成本,同時生活條件也相對于中心平臺艱苦,也不利于人員健康和技能提升;其次,國內也有從有人駐守平臺到無人駐守平臺的轉變,但并未形成行之有效的方案,無法進行推廣運用。

基于以上原因,本文通過有人駐守平臺到無人駐守平臺的改造實踐,進行歸納總結,形成一套可行的改造方案,為井口平臺駐守模式的轉變提供參考。

1 有人駐守的井口平臺現狀和存在問題

1.1 有人駐守井口平臺的現狀

有人駐守井口平臺的現狀如下:

1)平臺組成。一般包括如下設備和設施:

a)天然氣傳輸系統。包括采氣樹、油嘴、管匯、管道、關斷閥及相關儀表。

b)測試系統。包括測試分離器、關斷閥及相關儀表。

c)化學藥劑系統。包括化學藥劑罐、泵、管道等。

d)開排系統。包括開排罐、泵及相關儀表。

e)閉排系統。包括閉排罐、泵及相關儀表。

f)救逃生系統。包括消防泵、噴淋閥及管道、儀表等。

g)視頻監控系統。包括硬盤錄像機、視頻攝像頭等。

h)配電系統。包括變壓器、配電柜等。

i)中控系統。包括生產控制系統,緊急停車系統,火氣系統等系統。

2)人員結構。包括平臺長、操作工、廚師、保安等,根據各個平臺的特點設置不同的工種人員。

3)工作內容。包括以下幾個方面:

a)生產操作。根據下游產量需求,平臺長根據每口井的特點,計算每口井的油嘴開度,由操作工在井口區手動調節油嘴開度來調節產量;通過導入單井天然氣到測試分離器,分析每口氣井的產量和組分;根據產量情況,添加化學藥劑。

b)應急操作。如發生生產關停事故,檢查異常狀況,確認故障信息并處理故障,恢復生產;如發生火災或泄漏事故,按照火災或天然氣泄漏的應急處理程序處理,處理完成后,根據實際情況進行生產恢復操作。

c)配電操作。根據用戶需求,給相關泵進行配送電,滿足現場泵啟動要求;斷電后,啟動應急發電機,恢復遠程送電。

d)安全方面。通過可燃氣探頭、火焰探頭發現火災和天然氣泄漏;通過日常巡檢發現設備異常、天然氣泄漏和火災等;通過視頻攝像頭發現海面異常情況,或者外部人員入侵等情況;夜間通過保安巡檢發現異常狀況并報警。

1.2 存在的問題

以上所述的工作都必須有人進行操作,人員成為不可或缺的因素。因此存在以下問題: 每年需要發放200多萬人民幣的人員費用;需要給平臺人員提供食品,提供拖輪和飛機交通費用;駐守平臺的人員結構欠缺,僅有平臺長和操作工,操作工無法從安全、生產等多專業進行學習,技能提升受限制;人員在井口平臺生活,生活設施簡陋,比較艱苦,人員幸福感較低。

2 井口平臺實現無人駐守的方案

井口平臺實現無人駐守的總體思路: 梳理人員在平臺上的所有工作量,結合當前的實際情況綜合分析,通過研究通信方式、遠程遙控方法、遠程配產方法、遠程巡檢等,采用適用的通信方案、自動化控制、視頻監控等方法替代井口平臺人員工作,滿足井口平臺日常運行需求[3]。

2.1 通信方案的選擇

實現遠程復產,主要是通過中心平臺對井口平臺進行遠程操作和控制,所以合理且可靠的通信方案是關鍵。一般井口平臺距離中心平臺有幾公里,也有遠達20 km的,實現中心平臺與井口平臺的通信方式有以下幾種:

1)光纖通信。光纖通信是目前最穩定可靠且帶寬最大的通信方式,達到Gibit/s以上的通信帶寬,可實現辦公網絡和工控網絡的物理隔離,且實現控制網絡的冗余;如果平臺建造時沒有鋪設光纖,則需要應用海纜鋪設的工程船,海底光纖鋪設成本非常高。

2)衛星通信。衛星通信很穩定但帶寬小,一般在32 Kibit/s或10 Mibit/s以下;衛星通信的租賃費用比較高,因此成本也很高。建議需要數據傳輸穩定的工控網絡采用衛星通信,需帶寬大的辦公網絡或視頻網絡則不建議使用。

3)微波通信。微波通信的帶寬一般在100 Mibit/s級別,但穩定性較光纖和衛星通信差,容易受平臺晃動或大風的影響而導致中斷,對于通信穩定性要求不高的傳輸可以使用,如視頻監控等,但中控系統通信不建議使用,微波通信的成本較低。

4)4G/5G通信。4G/5G通信穩定性介于衛星通信和微波通信之間,帶寬也介于衛星通信和微波通信之間,根據距離遠近,一般在幾十到100 Mibit/s之間?？梢杂米龉た赝ㄐ藕娃k公通信,相對來說,成本略高于微波通信。

因此,可以根據井口平臺自身的特點,結合經濟性和各通信方式的特點,合理選擇適合平臺的通信方式。

2.2 遠程遙控的方案

要實現中心平臺遠程遙控井口平臺,首先是生產過程實現遠程遙控,其次是輔助設備也需要遠程遙控[4]。

1)生產過程的遠程遙控。井口平臺具有中控系統[5],中控系統網絡連接到中心平臺。井口平臺包括生產控制系統、緊急停車系統和火氣系統,主要作用是監測現場工藝參數和生產控制、調控工藝高高低低報警關停和火氣報警時關停。因此,遠程遙控的實現,需借助生產控制系統網絡,在中心平臺和井口平臺間建立局域網。生產控制系統方面,在中心平臺設置遠程遙控站,以實現井口平臺生產控制系統在網絡上的延伸;緊急停車系統和火氣系統方面,在中心平臺設置遠程控制器,或設置遠程輸入輸出卡件,實現應急關斷需求[6]。

2)輔助系統的遠程遙控。輔助系統主要是視頻監控系統,一是選擇帶B/S架構的硬盤錄像機,實現在終端設備進行遠程查看;二是通過海底光纖,接入到中心平臺,實現在中心平臺辦公局域網通過瀏覽器訪問監控系統,滿足遠程監視平臺生產狀況的要求。

2.3 遠程遙控實現的方法

通過分析有人駐守的井口平臺的日常操作內容,主要從遠程配產、設備操作、設備測試等方面進行研究,實現遠程遙控,達到井口平臺無人駐守的目的。

1)遠程配產。配產即調節氣量和組分[7],氣量大小主要由油嘴的開度控制,油嘴原采用手動控制,通過增加電動執行機構的方式實現遠程控制油嘴的開度。同時,電動執行機構應具備如下功能: 一是電動執行機構的的百分比開度應與油嘴的實際開度一一對應,二是電動執行機構能夠將油嘴的實際開度信號回傳到生產控制系統。因此,電動執行機構的信號可選擇4～20 mA標準信號或4～20 mA+HART方式。外輸流量計和壓力表應采用遠程儀表,以實現流量和壓力的遠程監視。

2)閉排系統和開排系統。閉排系統和開排系統主要操作是根據閉排罐和開排罐的液位,遠程控制泵的啟停,滿足液位控制要求。因此,需要將罐體的液位計改為遠程儀表,對控制泵啟停的回路增加遠程啟停的功能,實現生產控制系統對泵的遠程操控。

3)設備測試。對于井口平臺上的應急發電機,需要1周啟機測試1次,因此需要增加應急發電機的遠程啟停功能。如果應急發電機具有遠程啟停的觸點,則將該觸點信號接入生產控制系統,通過組態就可以實現遠程啟停;如果應急發電機無該觸點,則需要將應急發電機的控制器模塊通過RS-485通信接入中控系統的COM卡,實現對應急發電機的遠程啟?？刂?。建議采用RS-485通信方式,可同時獲取應急發電機的轉速、電流等信號,滿足啟機測試需要觀察的數據要求。

2.4 遠程巡檢的方法

梳理日常巡檢的內容,從工藝系統、生產現場、生產廠房、直升機接機等方面出發進行研究,包括如下部分:

1)工藝系統的巡檢。包括采油樹套管的壓力監測、井口控制盤的壓力和液壓油液位監測,外輸關斷閥閥位狀態監測等。因此,在這些地方增加遠程儀表,并將監測信號接入中控系統,實現對巡檢區域工藝參數的檢測和報警。

2)生產現場的安全巡檢。生產現場出現的異常狀況,包括泄漏、火災、異響等,可以通過增加可燃氣探頭的數量,實現對平臺所有區域的可燃氣泄漏的檢測;增加火焰探頭的數量,實現對平臺所有區域的火災檢測;增加視頻監控,實現對生產區所有區域的監視。

3)生產廠房的安全巡檢。日常生產廠房的巡檢,包括房間溫度、濕度的檢測,房間異常情況。因此,通過增加房間溫濕度探頭,遠程監測溫濕度,增加空調遠程啟停,調節房間溫濕度情況。增加房間內的視頻攝像頭,可實時觀察房間內情況。

對于井口平臺的關鍵設備——不間斷電源系統,則可采用Modbus通信方式,將設備運行參數傳送到生產控制系統,以滿足對不間斷電源系統運行參數進行巡檢的要求。

4)防外部登臨[8]的預防措施。為提高對外部登臨平臺的人員的響應,在靠船甲板處,增加視頻監控系統和喊話喇叭,可及時發現外部非法登臨平臺人員,并做喊話提醒。同時加固登臨通道的反恐門,防止從靠船甲板登臨平臺。

5)直升機接機安全。按照海上平臺規則要求,直升機降落時,需人工操作消防水炮[9]隨時待命守護,主要職責是發現直升機有火情,第一時間進行滅火。針對上述內容均是人工操作的情況,通過增加視頻監控攝像頭,在中心平臺遠程監測直升機是否存在火情;通過增加電動消防炮,可在中心平臺遠程打開電動消防炮并控制消防炮的方向,遠程控制滅火操作。

3 井口平臺無人駐守的實施情況

3.1 通信方式和遠程操作的改造

中心平臺和井口平臺之間采用光纖通信方式,建設一張生產網,實現了中心平臺和井口平臺的中控系統局域網;建設一張辦公網,實現中心平臺和井口平臺的視頻監控局域網。

有人駐守時中控系統的網絡拓撲如圖1所示,中控系統的工程師站、生產控制系統的控制器、操作站和安全控制器均在有人駐守平臺進行設置,實現在本地通過操作進行生產控制功能,并通過安全控制器實現應急關停功能。無人駐守時中控系統的網絡拓撲如圖2所示,利用海底光纜和光電轉換器,將井口平臺的中控系統內部網絡擴展到中心平臺,并且將井口平臺操作站移動到中心平臺并接入網絡。同時,在中心平臺建設1套安全控制器,作為井口平臺安全控制器的擴展。

圖1 有人駐守時中控系統的網絡拓撲示意

圖2 無人駐守時中控系統的網絡拓撲示意

通過改造后,網絡通信速率達到Gibit/s級別,實現中心平臺的操作站對井口平臺遠程操作的功能,同時通過中心平臺的安全控制器,實現中心平臺可遠程關斷井口平臺的功能。

3.2 遠程遙控生產過程的實現

遠程遙控生產過程的實現步驟如下:

1)遠程配產。為實現遠程配產,需將現場手動操作的油嘴更換為電動遠程操作的油嘴。在機械機構上,將井口平臺手動油嘴的手輪執行機構于閥蓋處進行拆解,并通過預制好的支架連接油嘴與電動執行器,實現遠程可操作油嘴。

在電氣連接方面,選擇交流380 V供電的電動執行機構,Ⅰ類危險區的隔爆型電動執行器、隔爆型格蘭頭等配件。在信號連接方面,生產控制系統將4～20 mA模擬量輸出信號接入到電動執行機構,實現開度控制;電動執行機構的模擬量輸出接入到生產控制系統,實現電動執行機構開度信號的反饋。在生產控制系統操作站上,對電動執行機構進行組態,實現中控系統對電動執行機構的0～100%的開度的控制。通過上述改造實現了遠程配產,即組分和氣量調節的需求。

2)閉排系統和開排系統操作。在原有的現場顯示的液位計上,增加可遠傳信號的隔爆型液位變送器,通過4～20 mA信號接入到生產控制系統,并在工程師站進行組態,實現在操作站進行開排罐和閉排罐的液位顯示。在開排和閉排輸送泵控制方面,在啟/?；芈犯鹘尤?個接觸器,以實現遠程閉合啟動回路和斷開停止回路的功能;并在生產控制系統對開排和閉排泵進行組態,實現在操作站點擊啟/停泵時即可遠程控制泵的啟動和停止。

3)設備測試。應急發電機控制器具有串口通信,因此采用RS-485通信方式與生產控制系統進行通信。將控制器的串口端子與生產控制系統的串口通信卡進行連接,注意正負極的對應。組態串口通信參數,包括: 波特率、數據位、校驗碼、數據格式,并對照應急發電機控制器的串口通信地址列表,從而在生產控制系統上設置對應的16位有符號數據,將應急發電機的啟停信號、轉數、電壓、電流等信號引入,實現在中心平臺的操作站就可以控制應急發電機的啟停。

4)工藝系統巡檢的實現。主要是在工藝管線、罐體上增加對應的檢測儀表: 壓力變送器的增加,是在現有的壓力表的引壓管上,增加一路分支的引壓管線,接上變送器引壓口;液位變送器的增加,同樣在液位計旁增加液位變送器,并綁定到液位計旁來實現;關斷閥閥位反饋的增加,通過將現場閥位指示器更換為旋轉監測的變送器實現。以上變送器的4～20 mA信號均接入到生產控制系統,在工程師站組態后在中心平臺操作站進行顯示。

5)生產現場、生產廠房安全巡檢,防外部登臨的預防措施。生產現場、生產廠房、登臨處均安裝攝像頭,接入到井口平臺的硬盤錄像機。該硬盤錄像機支持B/S網絡架構,通過海底光纜接入到中心平臺網絡;在中心平臺處設置1臺監視站,可通過登錄瀏覽器的硬盤錄像機的IP地址,查看和調節視頻攝像頭。

對于生產廠房的溫濕度監測,在每個廠房增加溫濕度儀,在電池間增加防爆溫濕度儀,溫濕度儀具有串口通信功能,采用RS-485通信方式與生產控制系統連接,并將溫濕度數據傳回到操作站。當在中心平臺觀察到廠房溫濕度高時,啟動空調進行降溫抽濕。在防外部登臨的措施處安裝喇叭,信號接入到井口平臺和中心平臺的廣播系統,實現喊話功能。

6)直升機接機安全的實現。將原有的手動消防炮更換為電動消防炮;將電動消防炮的串口接入到生產控制系統的串口通信卡并進行通信參數組態,借助飛機甲板的視頻攝像頭的畫面,在中心平臺實現遠程對電動消防炮炮管的水平移動、豎直移動,以及開關閥的操作。

3.3 實施效果

在距離無人駐守的井口平臺7.2 km的中心平臺上,通過改造實現以下功能:

1)日常工作如下:

a)生產操作。根據流量計反饋的流量遠程調節油嘴,調整外輸氣量。

b)安全巡檢。通過中控系統的遠程數據查看,代替部分工藝參數的巡檢;通過視頻監控系統,代替人工巡檢生產現場和廠房狀況;通過生產廠房的溫濕度監測,代替人工巡檢電氣房間溫濕度;通過不間斷電源系統的通信數據,代替人工巡檢不間斷電源系統的情況。

c)直升機降落安全。通過增加攝像頭、電動消防炮,代替人工實現了無人接機情況。

2)周測試工作。通過增加應急發電機與中控系統通信,中心平臺中控系統可遠程啟停應急發電機,完成周測試工作;通過增加閉排泵、開排泵的啟停功能,實行周啟停測試工作。

通過對有人駐守井口平臺的上述改造措施,論證了無人駐守的可行性,并經過2年多的測試驗證,能夠達到每月巡檢和保養一次的目標[10]。

4 結束語

有人駐守井口平臺通過以上改造方案,從平臺的生產、安全、設備維修等實際情況出發,在保障平臺穩定生產的情況下實現了無人駐守的目的。從安全角度來說,降低了人員安全成本;從經濟角度來說,大幅降低了人工操作成本每年200萬元人民幣以上;從社會效益來講,推動了中國海油5個標準的更新,推廣到海油新建平臺和老舊平臺的改造項目中。