氣田工藝控制與安全聯鎖系統應用典型問題及對策建議

許亞輝 陳燕

1中國石油西南油氣田公司川西北氣礦

2中國石油西南油氣田公司通信與信息技術中心

隨著能源需求的日益增長，天然氣作為一種清潔、高效的能源在全球范圍內受到廣泛關注和應用。氣田作為天然氣產業鏈的重要源頭，其安全穩定的生產對于保障全球能源供應和環境保護具有重要意義。然而，氣田工藝控制與安全聯鎖系統在實際應用過程中，往往面臨一系列典型問題，這些問題不僅影響氣田的生產效率，更直接關系到工作人員的生命財產安全以及生態環境的保護。

本文旨在分析氣田工藝控制與安全聯鎖系統應用中出現的典型問題，并提出相應的對策建議。通過深入研究這些問題，可以更好地理解氣田工藝控制與安全聯鎖系統的復雜性，進而提出改進措施，優化系統性能，提高氣田生產的安全性和效率。該研究成果將為氣田工藝控制與安全聯鎖系統的設計和應用提供有價值的參考，推動相關領域的技術進步和產業發展。

1 技術現狀及發展趨勢

工藝控制與安全聯鎖系統的作用是在生產過程中對關鍵性參數進行自動控制，使它們在外界環境變化偏離設定正常參數范圍時，能夠自動調節到關鍵參數控制區間；對某一參數超高或者超低易造成設備損毀甚至造成安全事故，進行聯鎖保護。在石油、化工等行業中，裝置運行參數控制尤為重要，工藝控制與安全聯鎖技術應用提高了生產效率。它主要包括工業自動化系統、硬件和軟件三部分，其運用儀器儀表、控制理論和計算機技術，根據工業生產要求完成既定操作，從而達到增加產量、降低消耗、提高質量的目的。

目前，油氣生產現場采用PLC（可編程控制器）和DCS（分散計算機控制）系統作為主要的油氣生產自動化控制系統。其中，PLC 能執行邏輯運算、順序控制、算數操作等用戶指令，并能夠有效控制氣井天然氣生產的全過程，常使用于單井控制或者單元級控制。DCS是以通信網絡為基礎，由過程監控和過程控制組成的多級控制體系，融合了通信、計算機、控制以及顯示等，具有集中操作、分級管理、分級控制及配置靈活等優點，常使用于集氣站或者區域控制中心。隨著“油公司”模式和“中心井站+無人值守”模式推廣，單井工藝控制與安全聯鎖的功能需求逐步發生變化，將傳統的PLC與HMI、I/O 以及迅速發展的網絡相結合，增加了人機交互界面，以方便氣井工藝控制與安全聯鎖的控制操作，通信數據的高速傳輸和控制終端網絡功能集成度提高，PLC 向著一體化和網絡化發展。DCS系統仍然在工業控制領域占據著主導地位，現場儀表和控制器之間均采用一對一的物理連接，需要A/D、D/A等I/O組件，布線復雜且難以實現現場儀表在線參數整定和故障診斷等，在新技術的推動下，許多傳感器、執行機構等智能化終端設備在現場應用，新一代的傳感器和智能變送器向微型化、高精度、低功耗、智能化方向發展，智能閥門定位器由高集成度的微控制器控制，對所有控制參數都可組態，實現線性、分程控制、快開等特性修正功能，逐步向智能化控制方向發展[1]。

2 工藝控制與安全聯鎖作用

隨著油氣田開發快速發展，信息化、工業化技術推廣，工藝控制與安全聯鎖系統得到廣泛應用[2]。安全聯鎖與工藝控制在超高壓含硫氣井的成功應用，確保氣井地面生產安全、平穩。安全聯鎖是為了防止設備運行、工藝運行參數超過規定的安全界限而設置，由自動化儀表、電氣設備實現的保護性自動控制系統；工藝控制是用于生產過程的連續測量、常規控制、操作管理，可避免手動操作的不安全隱患，還能降低勞動強度、改善作業環境，而且能更好地實現安全、高效、長周期的生產[3-5]。

在川西北部超高壓含硫氣井的開采中，地面安全工藝系統是關乎氣井安全生產非常重要的手段。目前，川西北部地區雙魚石區塊單井采用PLC 系統、集氣站采用DCS 系統作為場站工藝控制系統，結合該區塊地面集輸工藝、安全聯鎖、工藝控制為具體的研究對象，開展控制系統與工藝安全生產相結合的應用研究工作，梳理安全聯鎖條件、邏輯關系、控制關系等與生產、操作、安全、技術管理密切相關的內容，總結工藝控制與安全聯鎖系統在氣田地面集輸系統的應用經驗，為下一步氣田地面工藝安全向智能化發展提供實踐經驗。

3 現場應用

3.1 區域控制現狀

按照“一個氣田一個中心”的原則，氣田設有控制中心，作為區域各氣井生產數據、設備狀態監控和生產調整的控制中心。氣田工藝控制與安全聯鎖是通過SCADA 站控系統和安全儀表系統（SIS）來實現的，當生產過程中出現異常情況時，需要將生產裝置緊急停運，可通過關斷邏輯準確、快速實現關停處理，將氣田安全風險降到最低。氣田集輸系統還建有火氣檢測系統（FGS）和緊急關斷系統（ESD）。當工藝參數超出正常工況范圍時，自控系統會立刻采取聯鎖保護措施，如緊急關斷閥門、停井口加熱爐等，保護生產設備，減少事故的發生。

3.2 單井控制現狀

川西北部超高壓含硫氣井均采用標準化設計，單井井口工藝流程采用四級節流、兩級加熱工藝。為保障地面系統安全，井口附近建有1 套井安系統，井安控制系統按觸發方式分為安全儀表聯鎖和自力式聯鎖控制回路，兩個信號觸發方式不同，安全儀表控制回路主要是通過現場儀表測量、變送、傳輸到井站站控系統（RTU），通過邏輯控制關系發出調節、聯鎖的指令，實現閥門動作；自力式聯鎖控制回路主要是通過被保護管段設置先導閥，調節預緊螺帽，調節彈簧預緊力，管線壓力超高/失壓，觸發控制信號導致儀表風管線氮氣泄放，聯鎖關閉井安切斷閥。

在工藝流程上分別設置二級節流后壓力高聯鎖、四級節流后壓力高低聯鎖、出站壓力低聯鎖，在緊急情況下聯鎖控制井下安全閥、井口4#閥及井安翼閥；保證了在意外情況發生時，相應閥門能夠及時快速動作。

3.3 單元控制現狀

場站工藝參數的采集和控制依托井站過程控制系統，按照場站生產管理和工藝參數卡片設置控制類參數和報警類參數，實現工藝單元自動調節反饋功能。為保護工藝單元或設備而設置的聯鎖關斷，包括單井關斷、分離器關斷等。此級別關斷應由操作人員確認報警后，可自動觸發，切斷相關工藝單元[6-9]。

4 典型問題及優化建議

（1）氣田控制層級不清晰，控制邏輯未形成統一標準，地面工藝與工藝控制未形成統一認識，造成控制層級和控制關系混亂，不便于日常掌握和操作。主要問題：氣田控制層級主要是按照氣田級、單井級和單元級三級層級劃分，當某個集氣站出現故障或者異常，區域控制中心在處置時，只能選擇全氣藏緊急關井，造成非常大的影響；氣田未按照井站定位標準化設計，地面工藝設計與工藝控制設計未形成統一標準，易造成為了達到工藝控制目的，將本該單獨實現的安全聯鎖功能移植到總控制閥或者下一層級的控制閥上，邏輯關系變得十分復雜，氣井出現故障排查時，將會影響下一層級所有控制的氣井，擴大了影響面；同類井控制邏輯未統籌歸類，建立統一控制標準，氣田多口同類井邏輯關系差異較大，在操作過程中，容易造成操作人員疏忽，影響氣井安全生產，也不便于“中心井站+無人值守”管理。

優化措施：建立“一氣田一中心”的控制理念，精準劃分氣田控制層級，按照控制對象分為氣田級、集氣支線級、單井級和單元級，明確各控制層級管理范圍、功能需求和觸發條件（表1）。按照不同觸發條件控制對象的功能需求，明確氣田層級中下一層級管控上一層級的要求，地面工藝設備配置與工藝安全控制相匹配，能滿足工藝安全設計要求。按照控制對象分為單元級、井站級、集氣支線級和氣田級，明確工藝安全控制需求，形成各控制層級標準化設計，從而達到簡化控制邏輯和標準固化控制邏輯的要求，在操作過程中，形成標準化的操作行為管理，避免安全生產誤操作，提高氣田安全開發生產管理水平。

表1 氣田控制層級劃分及觸發條件Tab.1 Gas field control level division and trigger conditions

（2）站控系統畫面未形成統一標準，各層級、各井之間功能需求不同，人機交互界面差異顯示及權限不明確，不便于熟練掌握和各層級生產管理需求。主要問題：各類型井站、控制中心站控系統展示需求不清晰，建設階段追求大而全，后期運行監控中存在大量使用率低的情況；站控系統畫面工藝流程繪制圖例不標準、繪制風格未結合操作行為習慣，不同氣井站控系統界面人機交互不夠友好；站控系統權限存在界面不清晰，存在擅自取消安全聯鎖控制的風險。

優化建議：各類控制系統的數據，只有與工藝流程和操作管理結合，才能發揮特有的工具效果。結合氣礦中心井站+無人值守井站管理模式，控制系統人機界面上的工藝控制設備流程圖、聯鎖邏輯圖、聯鎖因果動態圖、數據匯總畫面等四類典型畫面功能，可與生產、操作、安全、運行、技術管理結合進行優化、細化和規范化。其他功能如報警記錄、歷史趨勢、報表生成等，是控制系統人機界面的基本功能。典型畫面及其他通用畫面層級功能需求見表2；制定站控系統流程圖中的管線顏色、粗細及管線走向和站內連接符號的繪制要求，流程圖中的設備、閥門、檢測儀表圖形符號繪制標準；建立站控系統操作權限管理制度，明確中心井站及安全儀表工程師具有安全聯鎖旁出和投入的權限等最高權限，儀控操作人員具有調整控制類參數等權限，調整前還需做好參數變更程序，進一步明確操作界面和操作權限。

表2 典型畫面及其他通用畫面層級功能需求Tab.2 Functional requirements of typical picture and other general picture level

（3）設計階段關鍵設備可靠性認識不足，冗余功能考慮不充分，極易造成運行階段關鍵設備發生非正常關停，對安全生產造成較大影響。主要問題：關鍵設備未設置冗余，在使用過程中控制回路有可能會出現短路、斷路、接觸不良、模塊損壞或電磁閥損壞等自身故障，造成ESD電磁閥非聯鎖條件下失電關閥，影響安全生產；關鍵設備在極端情況下采用故障開或者故障關的方式還未形成統一標準。

優化建議：為提高控制回路可靠性，對氣液聯動閥聯鎖控制回路采用冗余設置，即在原有控制回路的基礎上，再增加一路由DO 模塊、繼電器、保險開關、中間接線箱、ESD 電磁閥、電纜和中間接線端子等組成控制回路，聯鎖控制邏輯與原控制邏輯一致，雙控制回路、雙電磁閥冗余配置（圖1、圖2、圖3）；關鍵設備采用非故障安全型或者故障安全型，需要由綜合各類風險特點、危險程度和其他有效控制方式等因素系統性評估確定，并提前預判風險，制定風險管控措施。

圖1 安全切斷閥控制原理簡圖Fig.1 Schematic diagram of control principle of safety shut-off valve

圖2 單電磁閥控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of single solenoid valve control

圖3 雙電磁閥控制示意圖Fig.3 Schematic diagram of dual solenoid valve control

（4）工藝控制系統報警數據泛濫，真實報警數據無法及時有效獲取，未形成規范的報警數據閉環管理程序。主要問題：氣田報警信息未形成統一的信息管理，報警信息形成多個孤島，只能在生產一線應用，管理層無法對有效的報警信息系統分析和深度應用；報警參數設置存在隨意性，無效報警和報警洪流容易把有效報警信息覆蓋，無法直接辨識出真正有意義的報警，對生產管理造成較大影響[10]；檢修、關井等計劃性關停，站控系統產生大量無效報警、產生報警洪流覆蓋真實報警信息。

優化建議：建立規范的報警信息管理流程。編制適用于氣田安全生產管理的報警管理原則；實施指標設定，定期監控、分析報警信息；專業組分析討論報警信息異常處理對策或措施；按照工藝參數不合理、多工況（例如檢修、關井等）的未抑制和工藝及設備故障等方面產生的無效報警或報警洪流，制定整改計劃。報警管理流程詳見圖4。建立分級報警制度，按特別緊急、緊急和一般報警劃分，從報警聲音和報警提示顏色進行區分；強化報警信息過程管理，定期對報警信息與指標目標值[11]（表3）系統進行對比分析，從工藝和設備優化、工藝參數設置以及多工況報警抑制等方面進行報警信息有效性治理，確保真正報警信息能直接辨識；通過規范報警信息的類型、人機交互界面功能需求以及報警信息數據遷移交互，建立異構過程控制系統報警信息統一管理模式，實現報警信息系統分析、事故預判、設備故障預知等目的。建立規范的報警參數設置和多工況報警抑制的變更管理，制定變更管理臺賬信息，進一步優化報警信息提供的決策數據，充分挖掘報警信息潛在價值[12-15]。

圖4 報警信息管理流程Fig.4 Alarm information management process

表3 報警信息目標值Tab.3 Target value of alarm information

5 結束語

氣田安全聯鎖與工藝控制系統是天然氣開發生產非常重要的監控手段和技防措施，為天然氣安全生產奠定了基礎。隨著工藝控制與安全聯鎖系統大面積運用，生產組織模式由勞動密集型向知識技術密集型轉變，為中心井站+無人值守模式提供了技術支撐，人力資源得到了極大優化，鍛煉了一支“一專多能”的綜合性運維隊伍，為氣田安全開發提供強有力的保障。工藝控制與安全聯鎖系統在使用過程中，要持續做好系統運維保障，另外需進一步加強生產管理。

（1）加強重點參數監控及控制參數調整。當運行參數發生變化時，應結合工藝控制及安全聯鎖系統各級聯鎖設定值，密切關注各節流點壓力值，避免井安系統高聯鎖、低聯鎖關井，及時做好聯鎖控制參數的變更，并修訂井安系統聯鎖參數。

（2）加強安全聯鎖系統測試，提升其可靠性。為保障超高壓氣井地面生產系統安全，每半年組織開展對片區場站、管線聯鎖測試，驗證性能是否達到要求、低限和高限的設定參數及遠程關井是否有效，條件觸發至結果動作的時效性，以確保其設備的可靠性。

（3）加強運行數據現場核對，提高其準確性。中心井站+無人值守模式廣泛應用，無人值守井站生產管理主要依托站控系統實時采集、分析、判斷，運行數據及設備狀態與現場的一致性尤為重要。在定期巡檢時，加強現場數據、設備狀態等信息與區域控制中心一一核對，確保監控數據準確無誤。