FPSO轉塔系泊系統監控系統設計

李彤

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452)

基于不同的工作環境和所在海洋結構中的位置,可以將單點系泊系統分為三種主要類型,內轉塔系泊系統(Internal Turret Mooring System)、外轉塔系泊系統(External Turret Mooring System)、塔架式軟剛臂單點系泊以及懸鏈錨腿式單點系泊(CALM)等類型[1]。轉塔式系泊系統(Turret Mooring System, TMS)是FPSO單點系泊系統的一個重要類型,主要包括內轉塔和外轉塔兩個主要結構形式,是FPSO能夠安全、穩定系泊定位在海上油田核心設備。常見的內轉塔式系泊系統主要有3種:浮筒式轉塔系泊系統、浸沒式轉塔裝卸系統以及浸沒式轉塔生產系統?；谀虾|部的FPSO項目,介紹FPSO轉塔式系泊系統相關的過程控制、火氣探測和緊急關斷系統的系統架構和遠程控制站的配置。

1 TMS系統構造

以南海某海上油田FPSO所采用的TMS系泊系統為例,該區域海底到水面之間的管線、電纜、控制管線等采用柔性連接,再通過旋轉機構與FPSO連接[2]。其系統構造組成主要包括以下幾部分。

1)塔架結構。該結構位于FPSO船體首部甲板上,環繞轉臺頂部以容納滑環塔等驅動裝置、管道、系泊纜絞車、動力控制設施等[3]。該結構主要功能是提供從FPSO船體到TMS轉臺的支撐和通道,為人員日常操作、巡檢和維護轉臺上的設備提供支持,并隨著船體轉動。TMS系統總體構造示意圖和塔架結構見圖1、2。

圖1 TMS系統總體構造示意

圖2 塔架結構示意

2)上轉塔結構。該結構位于TMS下轉塔結構的頂部,在船體甲板上方的固定側。上轉塔內主要安裝有管道、閥門、滑環等設備,并跟隨FPSO船體在風標的作用下一起轉動,見圖3。

圖3 上轉塔結構示意

3)下轉塔結構。該結構位于船體單點艙內部,上轉塔結構的正下方。下轉塔與系泊腿連接,通系泊腿連接錨樁固定在海床上,內部的管線和電纜接頭與水下柔性立管和臍帶纜連接,不隨船體轉動,見圖4。

圖4 下轉塔結構示意

4)滑環?；h即旋轉接頭,該設備位于上轉塔,主要包括能夠旋轉的生產滑環通道、高低壓電滑環通道、儀控滑環通道和光纖滑環通道,接收來自立管和臍帶纜的氣液相混輸液、電力和光電信號,實現將來自水下立管和臍帶纜的非轉動側井液、電力和通訊信號傳輸到轉動側的FPSO船體上,是TMS系統的核心設備集成件,見圖5。

圖5 滑環設備示意

2 TMS監控系統設計

2.1 監控系統架構

儀表控制系統是單點系泊系統的控制核心,也是單點安全生產和運營的守衛系統。TMS的儀表控制系統是FPSO單點項目開發的關鍵環節之一,其系統架構的合理設計,不僅直接影響單點的自動化水平,也關系到整個海上油田的安全平穩生產。單點系泊系統廠家一般都自行設計和開發控制系統,且單點控制系統也涉及過程控制(Process Control System, PCS)、應急關斷(Emergency Shutdown System, ESD)和火氣探測報警系統(Fire and Gas System, FGS),采用單點控制系統分別通獨立的遠程控制站、I/O機柜或控制盤接入FPSO中控系統。

本項目在TMS塔架結構上設置過程控制系統,應急關斷系統,火氣系統三套遠程控制站,作為FPSO中控系統的子系統,實現對TMS單點系統相關監控功能。由于單點系泊系統上的設備比較分散,且距位于生活樓的中央控制室較遠,進線多且引線不便,單點系統遠程控制站(I/O機柜)的設置是十分必要的。在船首單點塔架結構上設置遠程控制站,不僅可以方便儀表電纜布線和接線,減少儀表電纜,而且便于系統現場調試和后期的升級改造。遠程控制站與FPSO中控系統間通過數據總線進行通訊,可互傳控制信號。塔架結構上的工藝設備、現場儀表、應急關斷閥(SDV)、火氣探測及報警設備等通過硬線分別接入PCS、ESD、FGS遠程控制站,與中控系統實現通訊。TMS監控系統組成及原理見圖6。

圖6 TMS監控系統組成及原理

TMS上轉塔上非轉動結構側上的工藝設備、現場儀表、應急關斷閥、火氣探測及報警設備的硬線匯集到各自的接線盒,經儀控信號滑環分別接入PCS、ESD、FGS遠程控制站,通過數據總線與FPSO上部組塊中控系統實現通訊。需要著重考慮的是,位于船首的單點區域所處環境溫度及大氣濕度條件比較惡劣,夏季溫度比較高,冬季溫度較低,在甲板上設置遠程控制站,需要考慮設置在首部艙室或裝有空調的空間里。如果設置在室外,要為遠控制站加裝正壓通風、遮陽擋雨等防護措施。

2.2 PCS遠程控制站的配置

PCS遠程控制站安裝在上轉塔上,采用就地檢測、集中監控的控制方式,對單點各種工藝設備、公用設施的過程數據進行實時采集、監控、報警,生成日志和報警記錄,并與FPSO中控系統進行信號傳輸,主要包括以下組成部分。

1)艙壁安裝的壁掛式Exd級防爆控制箱,防爆控制箱內部集成Exe級防爆接線盒,用于現場電纜端與控制箱的連接。

2)防爆控制箱內安裝PLC控制器的硬件,主要包含電源、CPU、I/O卡件和通訊卡件。

3)PCS控制站不配備用于本地控制和監視的設備,如觸摸屏或按鈕。人機界面由FPSO中控的操作員站集成顯示。

4)控制站與PCS遠程控制站的接口將通過串行數字鏈路進行通訊。

5)所有現場儀表和設備的控制信號都硬線連接。

2.3 ESD遠程控制站的配置

ESD遠程控制站安裝在上轉塔上,遵循獨立設置且中間環節最少和故障安全型的原則,能夠滿足相應SIL等級要求的一套SIS儀表系統。ESD按照設置好的因果邏輯運行和處理TMS上的應急關斷功能,聯鎖關斷邏輯的配置原則主要涵蓋低級別的關斷不能觸發比其級別高的關斷,只能觸發本級和所有較低級別的關斷。單點ESD控制站包括以下組成部分。

1)壁掛式Exd級防爆控制箱,防爆控制箱內部集成Exe級防爆接線盒,用于現場電纜端與控制箱的連接,并通過1類危險區的認證。

2)防爆控制箱內安裝PLC控制器的硬件,主要包含電源、CPU、I/O卡件和通訊卡件。

3)ESD控制站面板根據IEC 61508/61511要求獲得SIL 3等級認證。

4)控制站不配備用于本地控制和監視的設備,如觸摸屏或按鈕。

5)控制站與ESD遠程控制站的接口將通過串行數字鏈路進行通訊。

6)所有現場信號都硬接線。

7)所有關斷信號都應是故障安全的。

2.4 FGS遠程控制站的配置

FGS遠程控制站安裝在上轉塔上,是FPSO FGS的一個子系統,被配置為TMS FGS的獨立邏輯求解器,能實現及時準確地探測到單點塔架和單點艙內正在發生或已經發生的火災和可燃氣體泄漏事件,及時觸發關斷邏輯、聲光報警、PA/GA廣播、消防系統啟動等措施以保護人員和設備的安全?；饸馓綔y系統相關設備的布置按照單點系統的具體結構和安全需求,按照設備廠家的產品性能要求,結合NFPA72和船級社有關標準和規范,進行合理布置。本項目FGS的控制站配置包括下列組成部分。

1)壁掛式Exd級防爆控制箱,防爆控制箱內部集成Exe級防爆接線盒,用于現場電纜端與控制箱的連接,并通過1類危險區的認證。

2)防爆控制箱內安裝PLC控制器的硬件,主要包含電源、CPU、I/O卡件和通訊卡件。

高似孫撰《剡錄》時，剡已改嵊，新昌早從剡縣中析出，但高氏依然以剡為地域范圍來記述，將新嵊交界處王罕嶺發生的古金庭逸事記入了《剡錄》。到后來，隨著世事的變遷，人們對地處深山王罕嶺的古金庭漸漸淡忘，而以華堂新金庭替代了古金庭。筆者認為古金庭另有遺址存在于王罕嶺，新金庭是古金庭在異地的延續和發展。

3)按照IEC 61508/61511進行SIL 3認證,并考慮冗余設計。

4)不配備本地控制和監控設施,如觸摸屏或按鈕。

5)與FPSO FGS系統通過串行數據接口連接。

6)所有現場信號都將硬連線。

7)位于塔架結構上的現場設備不連接到TMS的FGS面板,而是直接路由到FPSO FGS遠程機柜。

2.5 光纖設備的配置

TMS和FPSO中控室之間的光纖鏈路,需提供以下設備。

1)光纖接口的接線盒將安裝在塔架結構上。

2)光纖滑環將作為滑環堆棧一部分。

3)FPSO通過單點與各平臺控制系統之間通過海纜進行雙向通信,采用同步傳輸協議(SDH)進行光電信號的接入和轉換,提高數據傳輸的可靠性。

4)海上平臺與FPSO設置單模光纖的傳輸生產數據和關斷信號,并以太網形式將中控系統的控制網和安全網進行組網數據傳輸。

2.6 FPSO中控室

FPSO的中控室主要包括主控制室和設備操作室,分別布置在生活樓內。中控室內除布置有中控系統設備外,還設有通信設備和其他第三方設備。

1)控制室內主要布置。帶有UPS的電源柜、過程控制系統、應急關斷系統和火氣系統的控制柜、通信機柜、液位遙測系統控制柜、原油外輸計量系統控制柜、閉路電視CCTV機柜、船體和上部模塊的可尋址火災盤等。

2)操作室主要內布置。單點監測系統操作站、貨油和裝載計算機控制站、原油外輸計量系統操作站、OPC服務器、數據服務器、應急操作盤、打印機;VHF、UHF、廣播遙控板、自動電話和CCTV顯示器;信號燈、航行燈、直升機甲板照明控制箱和室外燈遙控開關柜;主甲板和直升機甲板泡沫泵遙控板;惰性氣體控制柜和應急開關閥控制箱[4]。

2.7 其他設計考量

TMS監控系統的設計壽命為30年,更換部件的使用壽命應與國際通用標準一致。該設備應適用于在潮濕、含鹽空氣條件下的嚴重海洋腐蝕性大氣中運行?，F場安裝的電氣設備和儀器儀表的設計應滿足以下要求。

1)相對濕度,100%。

2)環境溫度,11.5～36.0 ℃。

3)空氣質量,含鹽腐蝕性空氣?，F場儀表選型時要充分考慮海洋環境帶來的腐蝕情況,盡量采用不銹鋼材料的儀表外殼,鋁制材料耐鹽腐蝕較差,不建議采用。

4)百年一遇海況FPSO運動參數,需充分考慮FPSO的運動特性對控制系統帶來的影響,本項目FPSO升沉運動11.3 m,橫搖運動20.6°,縱搖運動9.7°。

5)無線儀表,無線儀表設備的使用已經比較可靠,可考慮在空間有限的單點艙內,對于非關鍵控制的回路安裝一些無線儀表,減少儀表電纜的使用,也為未來系統擴展打下基礎。

6)OPC服務器的利用,除了通過硬線連接控制信號外,對于單點艙內一些成系統的第三方的設備信號,可以充分利用FPSO中控系統的OPC服務器來進行串行通訊。

3 結論

1)根據項目實施效果,PCS、ESD及FGS系統架構和控制站配置能夠滿足TMS轉塔式系泊系統的過程控制、火氣監測和應急關斷要求。

2)連接TMS轉動與非轉動部分控制信號所需的儀控滑環設備技術可靠,能夠保證控制系統功能的實現。