海洋石油平台仪表设计手册1.docx

海洋石油平台仪表设计手册1.docx

《海洋石油平台仪表设计手册1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《海洋石油平台仪表设计手册1.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

海洋石油平台仪表设计手册1

第四篇海上油气田仪电信系统设计

第十一章海上油气田仪控系统设计总则

第一节海上油气田仪控系统的组成

仪表控制系统是海上油气田开发工程中的关键环节之一，它是海上油气田各种开发设施的大脑和安全卫士，仪表控制系统一方面连续检测和控制海上油气田各种生产、公用设备的正常运行，另一方面又对各种意外事故进行时时监测，一旦出现意外问题，第一时间进行报警并经过系统逻辑自动地处理控制，以便将不安全的因素控制在最小的范围内，从而保障海上油气田的生产安全，确保人员、设施的安全。

只有仪表控制系统发挥良好的功能才能保障海上油气田得以顺利的开发。

随着现代仪表控制技术的高速发展，目前我国的海上油气田仪表控制系统大多采用集中监视管理、分散控制的方式进行，自动化程度是非常高的。

通常情况下，海上油气田仪控系统由以下主要的几大部分组成：

•过程控制系统PCS（PROCESSCONTROLSYSTEM）；

包括中央控制室内的控制集成网络、人机接口设备、对外通信接口等等；

•紧急关断系统ESD（EMERGENCYSHUTDOWNSYSTEM）；

•火灾和可燃气探测控制系统F&GS（FIREANDGASCONTROLSYSTEM）；

•各类大型专用设备所自带的现场就地控制盘（LCP）；

•井口控制盘（WELLHEADCONTROLPANEL—WCP）；

•各类现场检测仪表和控制仪表；

•必要的原油或天然气外输计量系统；

通过对它们进行有机的设计，从而集成在一起，构成了海上油气田功能完整而强大的仪控系统。

1．过程控制系统（PCS）

过程控制系统（PCS）主要是完成对海上油气田各种生产过程中所属控制对象的状况进行检测和常规控制，以及必要的显示、报警。

它的主要工作内容是：

••动态显示生产流程、主要工艺参数及主要设备运行状态，以声光报警形式显示平台生产和安全的异常状态，并打印记录备案。

••对生产过程进行监控，可在线设定、修改控制参数，完成各种控制功能，定期打印生产报表，存储历史数据。

•监视和诊断控制系统工作状态，并以声光报警形式显示其异常情况。

•实现与其他控制系统的通信，对其运行状态进行监视。

•提供方便友好的人机操作界面。

2．紧急关断系统（ESD）

由于海上油气田人员、设备高度集中，又是处于易燃易爆的危险环境中，对于人员、设备的安全控制要求特别的高，海上油气田通常都设置专门的紧急关断系统（ESD）。

设置紧急关断系统的主要目的是为了保护平台人员和设施的安全，防止环境污染，将事故的损失限制到最小。

紧急关断系统随时监测海上油气田的生产过程，一旦出现事故的危害性状况，系统将自动执行相应的紧急关断逻辑，避免事故的扩大化或灾难性事故的发生，从而有效的保障海上油气田人员、设备的安全。

3．火灾和可燃气探测控制系统（F&GS）

海上油气田设置火灾和可燃气探测控制系统（F&GS）的主要目的是为了及时、准确地探测到可能或已经发生的可燃气体泄漏事故和火灾情况，并及时采取相应措施以保护海上油气田人员和设施的安全。

火灾和可燃气探测控制系统主要包括火气监控系统和现场探测、报警设备，可自动探测火灾和可燃气体泄漏，自动/手动启动报警（包括启动PA广播系统，根据不同情况以不同音频通过PA广播系统向全平台发出火灾事故警报）、消防系统，自动/手动执行火气关断逻辑，对控制网络、现场探测设备和系统进行自诊断。

此外，在有人居住的中心平台的生活区值班室还设置了火灾控制盘，对生活区的火气进行监控，将状态信息传到中控室的F&G系统，并接收来自F&G系统的控制信号。

现场火气探测、报警设备包括火焰探测器、热探测器（包括易熔塞回路）、烟探测器、可燃气体探测器、有毒气体探头、手动报警站、平台状态灯等。

设计时根据现场生产设备情况的异同，进行合理布置。

对于规模比较大的海上油气田设施（如综合平台、大的井口平台、FPSO等），通常情况下，过程控制系统、紧急关断系统和火气探测系统是分别由各自独立的相应控制系统构成的，再通过复杂的系统集成手段将这三个控制系统集成为一个网络化的集成平台控制系统，实现数据和人机界面的共享以及实现各子系统之间的联动。

在不断强调安全生产的今天，对于三个系统的各自独立越来越成为一种趋势，采用这样的设计方式，可以进一步提高控制系统的安全可靠性。

对于海上油气田来说，紧急关断系统和火气探测系统是非常之重要的，正是因为有了设计完备的紧急关断系统和火气探测系统，从而充分保障了海上油气田的安全。

但对于规模很小的无人简易井口平台，由于控制和检测点都很少，为了节省费用、降低投资，在确保安全的情况下，有时设计上也将过程控制系统、紧急关断系统和火气探测系统设计成一个整体，由一套控制系统来完成。

4．现场就地控制盘

海上油气田中有一些专用的大型设备或设施，它们一般由专门的生产厂商制造，为减少控制系统接口，提高控制可靠性，分散系统设计的复杂程度，节省安装、调试时间，通常这些大型设备或设施都设计自带现场就地控制盘。

由现场就地控制盘完成主要的控制功能，同时这些现场就地控制盘与中央控制系统也有相应的接口连接，实现在中控室的显示报警和接收执行相应的关断功能。

一般设置现场就地控制盘的设备主要有：

主电站系统、天然气压缩机系统、注水系统、仪表风系统、热介质系统、三甘醇/乙二醇再生系统等等。

5．井口控制盘

通常海上油气田在井口平台或带有井口的中心平台上都要在井口区设置专门的井口控制盘，来对井口压力、井下安全阀和井上安全阀以及电潜泵等进行监测和控制，并将井口状态信号传送给中央控制系统，同时接收中央控制系统发来的信号，实现开井、关井的控制逻辑以及由井口控制盘将信号通过电潜泵控制盘来启停电潜泵。

6．现场仪表

现场检测仪表及执行机构是海上油气田仪表控制系统的重要组成部分，它们主要是为了检测现场生产过程中的各种温度、压力、流量、液位等过程参数和状况而设置的，一般有就地指示仪表、远传变送器、远传显示报警开关等等，以及执行控制及关断功能而配置的的各种控制阀、关断阀、安全阀、放空阀等。

7．原油或天然气外输计量系统

在海上油气田中，如果涉及到原油或天然气的商业交接时，通常要在中心平台或浮式生产系统（FPSO）的外输口前端设置专门的原油或天然气外输计量系统。

第二节仪控系统的设计原则

海上油气田的开发是一个大的系统工程，它有许多的设施、设备，所处的环境复杂，整个生产过程高度的自动化，良好的仪表控制系统是海上油气田正常生产、平稳运行、保障安全的基本条件和重要保证，因此对海上油气田仪控系统的设计提出了很高的要求。

在进行海上油气田仪控系统的设计时，首先应该详细分析生产过程中各个变量的性质及其相互关系，分析被控对象的特点，然后根据实际被控对象的要求，选择合适的被控变量、操纵变量，建立较为合理的控制系统。

设施中要充分发挥控制仪表的作用，使其能够监视海上油气田生产过程的主要参数和环境状态；控制生产过程的工艺参数符合工艺要求；能及时处理油气生产过程中发生的紧急故障，确保安全生产，避免发生意外的设备和人身事故。

同时在进行设计时要充分考虑业主提出的自动化控制水平的要求。

海上油气田仪控系统的设计以安全可靠、经济实用、控制管理灵活方便为基本原则。

综合考虑系统的可靠性、实用性、先进性、经济性和开放性选择合理的过程控制系统、紧急关断系统和火气探测控制系统，以保护平台人员与设施的安全，防止环境污染，确保油田生产正常运行。

对于海上油气田来说，仪控系统正如上一节所阐述的是非常重要的关键设施，因此在设计海上油气田仪控系统时确保系统的安全可靠性应该作为第一的设计原则。

安全可靠性是指所设计的仪控系统在整个生产生命周期内在确保安全的前提下能够可靠地长期、稳定运行和工作，在规定的条件下和规定的时间内具备能够很好的完成规定功能的能力。

对于控制系统和仪表来说，其种类、功能和复杂程度的差异性都非常之大，在设计中应该结合项目的实际情况，根据本项目所需要的功能，综合考虑经济性和实用性来选择合适的控制系统和仪表，避免不必要的浪费和奢华。

当今自动控制技术和设备、仪表的发展越来越快，计算机技术、通信网络技术日新月异，出现了控制系统功能越来越强大，其价格反而越来越低的趋势，系统的更新更快，在设计中要认真加以考虑，不要选择即将淘汰的系统或今后备品备件不易采办的系统，应该结合经济性和实用性尽量选择先进的系统和仪表。

这也要求我们的设计人员不断加强学习，紧密跟踪自动控制技术的发展情况。

随着自动控制技术的发展，目前海上油气田仪控系统通常采用分散检测、集中控制管理的原则进行设计，同时也还有一些根据项目情况采用分散检测和控制、集中管理的原则来进行设计的；最近进行的项目设计中逐步开始引入现场总线技术。

紧急关断系统的设计原则是：

某一级别关断不能引起较高级别的关断，只能启动所有较低级别的关断。

紧急关断发生后，操作人员排除故障、手动复位后才能恢复生产。

紧急关断系统采用故障安全型设计。

现场仪表及执行机构是控制系统的重要组成部分，它们的选型合理与否直接影响整个控制系统的可靠性和灵敏度。

现场仪表的选型应依据下列原则：

·根据工艺要求、生产装置规模、工艺流程特点及工艺参数对操作的影响因素，确定测量和调节方式，选用相应仪表；

·根据被测介质物性、环境条件、操作要求及其它工艺要求，有针对性地选用相应仪表；

·根据有关爆炸、火灾危险场所电气设备设计规范和标准，按照仪表使用场所的分类等级，确定仪表的防爆要求；

·根据所在海域的环境条件（如：

温度、湿度、空气中的盐分等），确定仪表的防护要求。

在满足上述要求的同时，在同一个项目中现场仪表及辅件应尽量选用标准系列化产品，尽可能减少仪表品种、类型，以减少备品备件的种类、方便操作与维护。

现场仪表的防爆、防护等级应有权威机构的认可标准和认可证书。

现场仪表的安装应满足有关规范、业主技术规格书及制造厂商的要求，以保证精确的检测或控制性能，同时还应考虑操作、检查维修或更换的方便。

第三节仪控系统设计应遵循的规范和标准

一、有关环境保护的规范和标准

海上油气田的仪表控制系统作为海洋石油工程中的关键环节之一，是其有机的组成部分，仪控系统所遵循的有关环境保护的规范和标准与海洋石油工程总的要求一致的，有关环境保护这方面的主要规范和标准有：

1．《中华人民共和国环境保护法》（1989年12月26日第七届人大常委会第十一次会议通过,中华人民共和国主席令第二十二号令公布）。

2．《中华人民共和国海洋环境保护法》（1982年8月23日第五届人大常委会第二十四次会议通过，全国人民代表大会常务委员会令第九号公布）。

3．《中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护管理条例》（1983年12月29日）中华人民共和国国务院发布。

4．《国务院关于环境保护若干问题的决定》（国发（1996）31号）

5．《中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护管理条例实施办法》（1990年9月20日）国家海洋局发布。

6．IEC-654-1OperatingConditionsforIndustrialProcessMeasurementandControlEquipment,国际电工委员会标准：

《工业过程测量和控制设备的操作条件》。

二、有关区域划分、防护防爆的规范标准

海洋石油工程中，所面对的生产对象主要是石油和天然气，它们属于易燃易爆的物质，同时海洋石油平台的面积相对来说比较狭小，所处环境又具有海洋性的特点，为保障人员、设备的安全，提高经济性，合理的进行危险区域划分，选择符合相应的防护、防爆规范标准要求的仪表就显得十分重要了。

海洋石油工程所应遵循的有关区域划分、防护防爆的规范标准主要有：

1．SY/T10041-2002中华人民共和国石油天然气行业标准《石油设施电气设备安装一级一类和二类区域分类的推荐作法》，此标准是等同采用美国石油协会APIRP500标准。

2．ISARP12.1ElectricalInstrumentinHazardousAtmospheres,美国仪表协会标准：

《危险大气中的电气仪表》。

3．ISARP12.6InstallationofIntrinsicallySafeSystemsforHazardousLocations，美国仪表协会标准：

《本质安全系统在危险区中的安装》。

4．ISARP12.12ElectricalEquipmentforUseinClass1,Division2Hazardous（Classified）Locations,美国仪表协会标准：

《1区2类危险场所的电气设备》。

5．GB50058-92《爆炸和火灾危险场所电力设计规范》。

6．GB3836-83《爆炸性环境防爆电气设备》。

7．IEC529-1976ClassificationofDegreesofProtectionProvidedbyEnclosure,国际电工委员会标准：

《外壳防护等级》。

我国标准GB4208-84等同采用此标准。

8．NEMAICSI-110-1973IndustrialControlsandSystemEnclosure,美国电器制造商协会标准：

《工业控制器和系统外壳》。

三、有关人员、设施安全的规范和标准

海洋石油工程中，人员设备经常是处于或接近于易燃易爆的危险场所，受海洋石油平台面积所限，人员、设备高度集中，为有效的保护人员、设备的安全，必须进行有针对性的安全设计，仪表控制系统是其中关键的一个环节。

本节第二部分的有关区域划分、防护防爆规范和标准也是有关人员、设施安全的规范和标准，另外，海洋石油工程所应遵循的有关人员、设施安全的规范标准主要还有：

1．《海上固定平台安全规则》（2002年9月29日）中华人民共和国国家经济贸易委员会颁发。

2．SY/T10033-2000中华人民共和国石油天然气行业标准《海上生产平台基本上部设施安全系统的分析、设计、安装和测试的推荐作法》，此标准等同采用美国石油协会APIRP14C。

3．SY/T10034-2000中华人民共和国石油天然气行业标准《敞开式海上生产平台防火与消防的推荐作法》，此标准等同采用美国石油协会APIRP14G。

4．SY/T10045-2003中华人民共和国石油天然气行业标准《工业生产过程中安全仪表系统的应用》此标准是等同采用美国仪表协会ISARP84.01。

5．SY/T10043-2002中华人民共和国石油天然气行业标准《泄压和减压系统指南》此标准是等同采用美国石油协会APIRP521-1997。

6．SY/T10044-2002中华人民共和国石油天然气行业标准《炼油厂压力泄压装置的尺寸确定、选择和安装的推荐做法》此标准等同采用美国石油协会APIRP520。

7．SY/T10006-2000中华人民共和国石油天然气行业标准《海上井口地面安全阀和水下安全阀规范》此标准是等同采用美国石油协会APISPEC14D。

8．Q/HS4001-2003中国海洋石油总公司企业标准《海上石油设施应急报警信号规定》。

9．GB4793-84《电子测量仪器安全要求》。

10．GBJ116-88《火灾自动报警系统设计规范》。

11．SH3063-94《石油化工企业可燃气体检测报警设计规范》。

12．NFPA72Installation,Maintenance,andUseofProtectiveSignalingSystem，美国国家防火协会标准：

《保护报警信号系统的安装、维护和使用》。

四、有关控制系统、中控室的规范和标准

有关控制系统、中控室的规范和标准和的范围比较广，包括系统设计方面的规范（如体系结构、协议等）、安全方面的规范、测试方面的规范以及控制室环境方面的规范。

原化工部和石油行业也有针对本行业的有关这方面的规范。

下面只列出应遵循的主要标准规范。

1.ISO7398OpenSystemInterconnectionModel，开放系统互联模型。

有关异构计算机系统之间互联的标准，它将互联模式定义为七个规程层次。

各国际组织IEC、EIA、IEEE、和CCITT等在七层网络基础上皆相应制定出相关标准。

2.IEEE802系列标准，美国电气和电子工程师学会局域网标准委员会制定的有关局域网互联的系列标准，制定了OSI模型的物理层、数据链路层的局域网标准。

已经发布了IEEE802.1～IEEE802.11标准，其中IEEE802.1～IEEE802.6已经成为ISO8802.1～ISO8802.6。

3.IEC61508Functionalsafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystems，电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全。

是有关安全仪表系统的规范。

4.ISAS84.01ApplicationofSafetyInstrumentedSystemsfortheProcessIndustries，流程工业中安全仪表的应用。

也是有关安全仪表系统的规范。

IEC61508所针对的对象更广泛，另外，两者在组织和技术方面都存在差异。

我国石油天然气行业标准SY/T10045-2003《工业生产过程中安全仪表系统的应用》等同采用了ISAS84.01-1996。

5.NFPA72Installation,Maintenance,andUseofProtectiveSignalingSystem，安全信号系统的安装、维护和使用。

是有关安全信号系统及报警方面的规范。

6.APIRP14CAnalysis,Design,InstallationandTestingofBasicSurfaceSafetySystemsforOffshoreProductionPlatforms，海上平台上部设施安全系统分析、设计、安装、和测试。

是关于平台上部设施安全系统的分析、设计、安装和测试的一个推荐性规范，该规范提出的安全分析概念和推荐做法是现在海上平台上部设施安全系统分析设计的基础。

石油天然气行业标准SY/T10033-2000等同采用了APIRP14C-1994。

7.IEC61511Functionalsafety-Safetyinstrumentedsystemsfortheprocessindustrysector，过程工业用功能安全仪表系统。

8.IEC61158FieldbusStandardforuseinindustrialcontrolsystems，工业控制系统用现场总线标准。

控制中心（室）设计依据和可参考的主要标准如下：

1．HG/T20508控制室设计规定。

2．ISARP60.8ElectricalGuideforControlCenters，控制中心的电气导则。

3．ISARP60.3HumanEngineeringforControlCenters，控制中心的人类工程学。

五、有关外输计量的规范和标准

1．GB9109-88原油动态计量，该标准适用于用流量计对商品原油进行交接计量的计量站（点）的建设和计量。

2．SY/T0004-98《油田油气集输设计规范》,本规范的的第六章对油气的计量作出了规定。

其中，对测量场合的分类及要达到的计量要求，本规范进行了分类和规定，是一个很好的参考。

3．APIManualofPetroleumMeasurementStandards（APIMPMS），石油计量手册的有关部分：

Chapter4ProvingSystem，标定系统。

Chapter5Metering，流量计。

Chapter7TemperatureDetermination，温度的确定。

Chapter8Sampling，采样。

Chapter9DensityDetermination，密度的确定。

Chapter10SedimentandWater，沉淀物和含水。

APIMPMS是有关液态烃计量系统的设计、安装、标定、操作、油量计算等的指南，没有像GB9109-88那样规定外输计量系统的综合误差和单台仪表的计量误差等数据，这些数据应由有关法律、条例或者当事方间的协议来规定。

在我国则应遵守GB9109-88的有关规定。

APIMPMS描述了要达到目标精度的有效方法。

4．对于检定系统我国制定了GB/T17286《液态烃动态测量体积计量流量计检定系统》等同采用国际标准ISO7278《液态烃动态测量体积计量流量计检定系统》对体积管、标准量器和脉冲插入技术作了详细阐述。

5．JJG209-94《中华人民共和国国家计量检定规程—体积管检定规程》，规定了各种体积管的检定规程，是设计体积管内检定系统时应遵循的规范。

有关天然气外输计量的标准如下：

6．ISO5167-2003用差压装置测量流体流量，共分四部分，包括总则、孔板、喷嘴和文丘里喷嘴、文丘里管等。

7．ISO9951-1993封闭管道中气体流量测量-涡轮流量计。

8．ISO/TR12765-1998封闭管道中流体流量测量-传播时间法超声流量计。

9．AGANO3/ANSI/API2530OrificeMeteringofNaturalgas，天然气孔板流量计。

标准规定了用孔板流量计测量天然气、烃类和其它气体的方法。

10．AGANo.5FuelgasEnergyMetering，燃气的能量测量。

标准提供将气体质量单位换算成能量单位的方法，是对AGANO3和其它体积或质量测量的补充。

11．AGANo.7MeasurementofFuelGasbyTurbineMeters,涡轮流量计测量燃气。

标准提供轴向涡轮流量计测量的操作规范。

12．AGANo.9用多声道超声波流量计测量气体的流量，MeasurmentofGasbyMultipathUltrasonicMeters。

超声波流量计测量天然气流量是一项新技术，由于准确度高和维修费用低，多声道超声流量计已开始被气体工业界所接受。

13．有关天然气测量的国内标准：

GB/T18603-2002天然气计量系统的技术要求。

GB/T18604-2002用超声流量计测量天然气流量。

GB/T2624-93《流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量》，该标准正在修订中。

　　SY/T6143-1996《天然气流量的标准孔板计量方法》，该标准正在修订中，并将升为国家标准。

　　GB/T1314-91《流量测量仪表基本参数》

　　GB4472-84《化工产品密度、相对密度测定通则》

　　GB5832.2-86《气体中微量水份的测定》

　　GB/T11060.1-1998《天然气中硫化氢含量的测定碘量法》

　　GB/T11060.2-1998《天然气中硫化氢含量的测定亚甲蓝法》

　　GB/T11061-1997《天然气中总硫的测定氧化微库仑法》

　　GB/T11062-1998《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》

　　GB12206-90《城市燃气热值测定方法》

　　GB/T17281-1998《天然气中丁烷至十六烷烃类的测定气相色谱法》

　　GB/T17283-1998《天然气水露点的测定冷却镜