CN102337868A - 海上采油平台自动控制系统及其控制方法 - Google Patents

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张晓英
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海上采油平台自动控制系统及其控制方法，系统由自动控制装置、原油处理系统和输油系统构成；自动控制装置由PLC控制器、触摸屏和外围检测设备组成，原油处理系统包括电加热器、油气分离器和除油器等主要设备，输油系统包括油轮、输油管线及电动阀；其自动控制装置内的PLC控制器和触摸屏，通过程序编程，对采油过程的工艺参数进行监控，按照原油处理工艺流程处理原油并自动控制油轮定点采集平台原油；PLC控制器具有完善的报警、故障自诊断和保护功能；触摸屏能够实时显示原油处理的过程参数，并可以对原油处理过程进行人工干预，当有报警和故障事件发生时，自动弹出故障信息画面。PLC控制器和触摸屏之间通过现场总线方式实现数据交换。

Description

海上采油平台自动控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及海上采油平台的计算机自动化控制技术领域，特别是能够达到海上采油平台采油过程的无人值守，由自动控制系统中的PLC控制器协调控制，按照海洋采油工艺流程自动完成采油过程，向油轮发出”收油”请求命令，通知油轮定点收集原油。当采油过程因故暂停或采油设备发生故障时，自动控制系统自动发出“采油过程因故暂停”或“采油设备故障”信号，通知前线指挥部派员上平台维修采油设备。
背景技术
海洋石油的勘探和钻采是石油资源发展的方向，国内外各大石油公司砸重金开发海洋石油资源。当海洋石油区块整体开发后，通常铺设海底输油管线来采油，而在试采阶段或区块相对分散时，海底管线输油方式成本高，一般采用油轮定点采油方式来收集原油。
现有的采油过程是工人乘船到各个采油平台上，进行人工采油，采油结束后通过无线电呼叫油轮来收集原油，导致采油成本高，生产效率低，并且工人工作环境恶劣。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于，提供一种海上采油平台自动控制系统及其控制方法，由自动控制系统中的PLC控制器19协调控制，按照海洋采油工艺流程自动完成采油过程，并通知油轮定点收集原油，达到海上采油平台采油过程的无人值守。
海上采油平台自动控制系统包括检测井口来油管线中原油压力的压力传感器4，加热井口来油的电加热器5，电加热器5内的温度由一体化温度传感器6检测，电加热器5出口管线中原油温度由一体化温度传感器7检测；用来进行油和气分离的油气分离器8，其上安装两只射频导纳物位开关来检测油气分离器8中原油的液位高低，其中液位计9是上限位、液位计10是下限位；
用来进行油和气二次分离的除油器11，其上也安装两只射频导纳物位开关来检测除油器11中原油的液位高低，其中液位计12是上限位、液位计13是下限位；
除油器11混合气体出口安装有智能旋进流量计14；
油气分离器8原油出口安装有双转子流量计17；
平台输油管线电动阀18选用能够实现平台输油管线与油轮的隔离的硬密封O型切断球阀；
PLC控制器19由高性能模块化PLC组成，其中包括电源模板23、CPU模板24、模拟量输入模板AI 25、数字量输入/输出模板DI/DO 26；海上采油平台自动控制系统装置的工作电源取自采油平台，为单相交流电源AC220V/50HZ，经过断路器21和变压器22保护、隔离后，连接到电源模板23，电源模板23将交流电变换为DC24V/5A的直流电，供PLC系统使用。
完成数据处理、逻辑处理和故障诊断功能的CPU模板24与触摸屏20之间通过PROFIBUS-DP总线连接，安装有无线通讯的接口；
模拟量输入模板AI 25采集采油过程中的压力、温度和流量等模拟量信号，模板有8个通道，可以电压信号输入，也可以电流信号输入；
数字量输入/输出模板DI/DO 26采集采油过程中设备的状态，并输出经程序处理的结果去驱动有关外围设备；
能够实时显示采油过程的工艺参数的触摸屏20，对采油过程进行人工干预；当有报警和故障事件发生时，自动弹出故障信息画面，画面中显示故障的代号、类型、引发本故障可能的原因、以及处理此故障的方法。
海上采油平台自动控制方法，其步骤为：
(1)对来自井下的原油在电加热器5中进行加热，加热到60℃时，输送到油气分离器8中进行油和气的分离，分离后的原油保留在油气分离器8中；
(2)分离后的油气混合物输送到除油器11中进行二次分离，原油保留在除油器11中，混合气体由流量计14计量后，流过阻火器15，输送到火炬头16燃烧放空；
当PLC控制器19检测到油气分离器8中的原油液位达到上限位9或除油器11中的原油液位达到上限位12时，停止采油过程，PLC控制器19控制井下安全阀1、地面主安全阀2和地面翼安全阀3关闭，切断电加热器5的加热电源，同时向油轮发出”收油”请求命令；
当油轮定点收集平台原油时，PLC控制器19打开平台输油管线电动阀18，实施输油，待PLC控制器19检测到油气分离器8和除油器11中原油液位均达到下限位10和下限位13时，自动关闭平台输油管线电动阀18，输油过程结束；
(3)接着PLC控制器19自动启动采油过程，重复上述过程。
本发明与现有人工采油过程相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明通过海上采油平台自动控制系统及其控制方法的使用，原油的采油过程自动完成，达到了海上采油平台采油过程的无人值守要求。另外提高了生产效率、降低了采油成本、改善了工人工作的环境。
综上所述，本发明海上采油平台自动控制系统及其控制方法，采用自动化技术领域的最新技术产品(PLC)，切实地提高了海上采油平台的自动化控制程度，达到了海上采油平台采油过程的无人值守要求，可靠性高，实用效果明显。
附图说明
图1是自动控制系统装置与采油设备的示意图，图2是自动控制系统原理图，图3是自动控制系统程序流程图。图中主要设备标记及对应名称为：井下安全阀1，地面主安全阀2，地面翼安全阀3，井口来油管线压力传感器4，电加热器5，电加热器内温度传感器6，电加热器出口管线原油温度传感器7，油气分离器8，油气分离器液位上限液位计9，油气分离器液位下限液位计10，除油器11，除油器液位上限液位计12，除油器液位下限液位计13，除油器气出口流量计14，阻火器15，火炬头16，油气分离器油出口流量计17，平台输油管线电动阀18，PLC控制器19，触摸屏20，断路器21，变压器22，电源模板23，CPU模板24，模拟量输入模板25，数字量输入/输出模板26，急停按钮27，井口易熔塞故障28，井口盘压力开关29，可燃气体泄漏检测30，系统故障灯31，系统报警灯32，井口来油管线压力越限灯33，电加热器出口原油温度低灯34，电加热器出口原油温度高灯35，油气分离器原油上限位灯36，油气分离器原油下限位灯37，除油器原油上限位灯38，除油器原油下限位灯39，电动球阀打开灯40。
具体实施方式
如图1所示，井下安全阀1、地面主安全阀2和地面翼安全阀3是气动阀，这些阀的打开和关闭由PLC控制器19控制，采油过程中这些阀打开，采油过程完成、或采油过程因故暂停、或采油设备发生故障、或发生安全事故时，自动关闭这些阀。
井口来油管线中原油的压力由压力传感器4检测，正常的工作压力范围是0.08～0.6MPa，传感器对应输出4～20mA。原油压力超过0.6MPa，PLC控制器19发出高限报警(压力越限信号灯闪烁)；原油压力超过1.0MPa，PLC控制器19发出高高限报警(压力越限信号灯亮)，并且紧急关断系统(指井下安全阀1、地面主安全阀2和地面翼安全阀3关闭，切断电加热器5的加热电源)，中止采油过程。
电加热器5用于加热井口来油，以降低原油的粘稠度，便于进行油气分离。电加热器5内的温度由一体化温度传感器6检测，正常的工作温度是10～80℃，变送器对应输出4～20mA。当电加热器5内原油温度低于10℃时，PLC控制器19发出启动电加热器5加热的信号；当电加热器5内原油温度超过80℃时，PLC控制器19发出停止电加热器5加热的信号。
电加热器5出口管线中原油温度由一体化温度传感器7检测，正常的工作温度是10～80℃，变送器对应输出4～20mA。当此温度低于10℃时，PLC控制器19发出低限报警(温度低限信号灯亮)；当此温度超过80℃时，PLC控制器19发出高限报警(温度高限信号灯亮)。
油气分离器8是用来进行油和气分离的，其上安装两只射频导纳物位开关来检测油气分离器8中原油的液位高低，其中液位计9是上限位、液位计10是下限位。当PLC控制器19检测到上限位9信号时，紧急关断系统，停止采油过程，同时向油轮发出”收油”请求命令。
除油器11是用来油和气二次分离的，其上也安装两只射频导纳物位开关来检测除油器11中原油的液位高低，其中液位计12是上限位、液位计13是下限位。当PLC控制器19检测到上限位12信号时，紧急关断系统，停止采油过程，同时向油轮发出”收油”请求命令。
除油器11混合气体出口安装的智能旋进流量计14是用来检测和瞬时累计混合气体流量的，正常的工作流量范围是360～3600m3/h，流量计对应输出4～20mA。PLC控制器19实时检测并累计混合气体流量。
油气分离器8原油出口安装的双转子流量计17是用来检测和瞬时累计原油流量的，正常的工作流量范围是4～33m3/h，流量计对应输出4～20mA。PLC控制器19实时检测并累计原油流量。
平台输油管线电动阀18选用硬密封O型切断球阀，实现平台输油管线与油轮的隔离，电动阀18的打开与关闭由PLC控制器19控制，油轮定点收集平台原油时，打开电动阀18，输油过程结束时，自动关闭电动阀18。
当PLC控制器19同时检测到油气分离器8的下限位10信号和除油器11的下限位13信号时，重新启动采油程序，重复上述采油过程。
如图2所示，PLC控制器19由高性能模块化PLC组成，其中包括电源模板23、CPU模板24、模拟量输入模板AI 25、数字量输入/输出模板DI/DO 26。
海上采油平台自动控制系统装置的工作电源取自采油平台，为单相交流电源AC220V/50HZ，经过断路器21和变压器22保护、隔离后，连接到电源模板23，电源模板23将交流电变换为DC24V/5A的直流电，供PLC系统使用。
CPU模板24是整个控制系统的核心，完成数据处理、逻辑处理和故障诊断功能，其与触摸屏20之间通过PROFIBUS-DP总线连接，实现数据交换。并具备无线通讯的接口。
模拟量输入模板AI 25采集采油过程中的压力、温度和流量等模拟量信号，模板有8个通道，本系统选用电流信号(4～20mA)输入，以提高系统的抗干扰能力和可靠性。
数字量输入/输出模板DI/DO 26采集采油过程中设备的状态，并输出经程序处理的结果去驱动有关外围设备，譬如电动球阀18的打开和关闭等。模板有16个输入口和16个输出口，工作电压是DC24V。
触摸屏20可以实时显示采油过程的工艺参数，并可以对采油过程进行人工干预。当有报警和故障事件发生时，自动弹出故障信息画面，画面中显示故障的代号、类型、引发本故障可能的原因、以及处理此故障的方法。
在采油平台的值班室、逃生口处设置有紧急停车按钮27，当采油平台上发生突发事故(井喷、火灾等)时，由平台上的操作者按下此按钮，使自动控制系统停止工作，防止事故扩大。
如图3所示，PLC控制器19先进行自动控制系统的初始化工作，主要是系统所用到的辅助继电器、存储器和数据块的清零，控制器外围接口电路的诊断等。
在系统初始化工作完成后，PLC控制器19判断油气分离器8内原油的液位高低，如果液位达到上限位，置油气分离器原油上限位灯36亮，向油轮发出”收油”请求命令，紧急关断系统，停止采油过程。如果液位达到下限位，置油气分离器原油下限位灯37亮，进入除油器11的状态判断。如果液位在上、下限位之间，也进入除油器11的状态判断。
PLC控制器19判断除油器11内原油的液位高低，如果液位达到上限位，置除油器原油上限位灯38亮，向油轮发出”收油”请求命令，紧急关断系统，停止采油过程。如果液位达到下限位，置除油器原油下限位灯39亮，进入下一步程序。如果液位在上、下限位之间，也进入下一步程序。
下一步程序是打开井下安全阀1、地面主安全阀2和地面翼安全阀3，原油输送到采油平台，接着判断井口来油管线内原油的压力，如果原油压力超过1.0MPa，PLC控制器19发出高高限报警，置井口来油管线压力越限灯33亮，紧急关断系统，中止采油过程。如果原油压力在0.6～1.0MPa之间，PLC控制器19发出高限报警，置井口来油管线压力越限灯33闪烁。如果原油压力在0.08～0.6MPa之间，原油被输送到电加热器5中。
在电加热器5中，先检测原油的温度，如果原油温度低于10℃，接通电加热器电源，对原油加热。如果原油温度高于80℃，断开电加热器电源。再检测电加热器5出口管线内原油的温度，如果原油温度低于45℃，置电加热器出口原油温度低灯34亮；如果原油温度高于65℃，置电加热器出口原油温度高灯35亮；如果原油温度介于45℃～65℃之间，原油被输送到油气分离器8中。
在油气分离器8中，对原油进行油和气的分离，分离后的原油留在油气分离器8中，油气混合物被输送到除油器11中。
在除油器11中，对油气混合物进行油和气的二次分离，分离后的原油留在除油器11中，混合气体由流量计14计量后，流过阻火器15，输送到火炬头16燃烧放空。
在平台上混合气体管线流经的区域里，设置有可燃气体泄漏检测传感器30，如果检测到可燃气体浓度超标，置系统故障灯31亮，并在触摸屏20上弹出故障指示画面。
接着重复上述循环过程。
当油轮来采集原油时，先连接油轮和采油平台之间的输油管线，确认连接无误后，在触摸屏20上启动“输油”命令，PLC控制器19打开电动阀18，经流量计17计量后，向油轮输油。当PLC控制器19同时检测到油气分离器8的下限位10信号和除油器11的下限位13信号时，输出关闭电动阀18命令，得到“关到位”信号确认后，才允许拆卸油轮和采油平台之间连接的输油管线。
接着重新启动采油程序，重复采油过程。

Claims (2)

1.海上采油平台自动控制系统，其特征在于：该系统包括检测井口来油管线中原油压力的压力传感器(4)，加热井口来油的电加热器(5)，电加热器(5)内的温度由一体化温度传感器(6)检测，电加热器(5)出口管线中原油温度由一体化温度传感器(7)检测；
用来进行油和气分离的油气分离器(8)，其上安装两只射频导纳物位开关来检测油气分离器(8)中原油的液位高低，其中液位计(9)是上限位、液位计(10)是下限位；
用来进行油和气二次分离的除油器(11)，其上也安装两只射频导纳物位开关来检测除油器(11)中原油的液位高低，其中液位计(12)是上限位、液位计(13)是下限位；
除油器(11)混合气体出口安装有智能旋进流量计(14)；
油气分离器(8)原油出口安装有双转子流量计(17)；
平台输油管线电动阀(18)选用能够实现平台输油管线与油轮隔离的硬密封O型切断球阀；
PLC控制器(19)由高性能模块化PLC组成，其中包括电源模板(23)、CPU模板(24)、模拟量输入模板AI(25)、数字量输入/输出模板DI/DO(26)；海上采油平台自动控制系统装置的工作电源取自采油平台，为单相交流电源AC220V/50HZ，经过断路器(21)和变压器(22)保护、隔离后，连接到电源模板(23)，电源模板(23)将交流电变换为DC24V/5A的直流电，供PLC系统使用；
完成数据处理、逻辑处理和故障诊断功能的CPU模板(24)与触摸屏(20)之间通过PROFIBUS-DP总线连接，安装有无线通讯的接口；
模拟量输入模板AI(25)采集采油过程中的压力、温度和流量等模拟量信号，模板有8个通道，可以电压信号输入，也可以电流信号输入；
数字量输入/输出模板DI/DO(26)采集采油过程中设备的状态，并输出经程序处理的结果去驱动有关外围设备；
能够实时显示采油过程的工艺参数的触摸屏(20)，对采油过程进行人工干预；当有报警和故障事件发生时，自动弹出故障信息画面，画面中显示故障的代号、类型、引发本故障可能的原因、以及处理此故障的方法。
2.海上采油平台自动控制方法，其步骤为：
(1)对来自井下的原油在电加热器(5)中进行加热，加热到60℃时，输送到油气分离器(8)中进行油和气的分离，分离后的原油保留在油气分离器(8)中；
(2)分离后的油气混合物输送到除油器(11)中进行二次分离，原油保留在除油器(11)中，混合气体由流量计(14)计量后，流过阻火器(15)，输送到火炬头(16)燃烧放空；
当PLC控制器(19)检测到油气分离器(8)中的原油液位达到上限位(9)或除油器(11)中的原油液位达到上限位(12)时，停止采油过程，PLC控制器(19)控制井下安全阀(1)、地面主安全阀(2)和地面翼安全阀(3)关闭，切断电加热器(5)的加热电源，同时向油轮发出”收油”请求命令；
当油轮定点收集平台原油时，PLC控制器(19)打开平台输油管线电动阀(18)，实施输油，待PLC控制器(19)检测到油气分离器(8)和除油器(11)中原油液位均达到下限位(10)和下限位(13)时，自动关闭平台输油管线电动阀(18)，输油过程结束；
(3)接着PLC控制器(19)自动启动采油过程，重复上述过程。
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