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海上平台ESD现场仪表选型标准分析

作时间:2018-08-20  来源: 中海石油(中国)有限公司天津分公司工程建设中心  作者:徐志鹏
   

 摘要 :应急关断系统在海上平台上的运用具有至关重要的作用,能够保证平台安全稳定运行,降低危险问题发生的可能性。而应急关断系统的现场仪表选型,对应急关断系统效果具有重要的影响,因此本文主要探讨了海上平台 ESD 现场仪表选型,希望能够为相关工作者提供借鉴。

 
引言
中国渤海海域石油平台上,应急关断系统一直是保障平台安全的重要器官,他通过对生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行响应和保护,使生产装置进入一个预定的安全停车工况,从而使危险降低到可以接受的最低程度,以保证人员,设备,生产和装置或工厂周边社区的安全。为了达到上述功能,现场配合应急关断系统完成关断的现场仪表就显得尤为重要。现场仪表这几年在使用上,变送器需求逐年增加,开关量仪表却在下降。这种现象发生的背后,并非偶然,而是根据工艺油藏以及规范要求使然。
 
1 应急关断系统概述
应 急 关 断 系 统(ESD),Emergency ShutdownDevice(图 1)。该系统在海上平台上使用,根据平台安全等级分为四级关断。现场仪表主要涉及第三,四级关断。它通过对现场参数数据采集,实时对生产工艺进行监测并作出动作,包括数据处理,工艺画面显示,报警,历史趋势,打印报表等。
应急关断系统组成
(1)现场仪表分类。平台上常见的现场仪表有温度表、温度变送器、压力表、压力变送器、流量计、分析仪,以及调节阀、有执行机构的关断阀、电磁阀等。这里主要讨论实现远传信号实现信号反馈的仪表(开关量仪表和变送器)。
(2)开关量仪表。开关量是在时间上连续,在幅值上是二值化的量。
 
开关量的位式作用 :开关量变量值的数目,一般只取限的数目。如“二位”开关的通断,“三位”电动机的正转反转和停转等。平台上使用的开关量测量仪表包括过程变量开关(主要讨论)、手动开关、按钮、继电器触点等。应急关断用的开关量测量仪表,正常工况下,触点应处于闭合状态 ;非正常工况时,触点处于断开状态。这类仪表在海洋石油平台上特定场合使用的很多,比如压力容器中的流体需加热,则应设高温安全装置 TSH(temperature switch high)以便当工艺流体超温时切断热源 ;再比如出油管线上都设置 PSH(pressureswitch high)、PSL(pressure switch low),在检测到异常高压或低压时关断油井。
开关量仪表的参数,包括测量范围和设定值通常出厂前便已确定,并且后期调整很麻烦,可见无论是换件还是调节校验都并不方便。
 
(3)变送器。变送器是把传感器的输出信号转换为可以被控制器或者测量仪表所接受标准信号的仪器。变送器使用的模拟量采用 4~20 mA 或 0~10 V 信号传输,而 4~20 mA 信号由于其长传输距离和抗干扰能力等优点被海上广泛应用(图 2)。
 
ESD 系统中涉及的现场变送器以压力,液位变送器为主,还有少量的温度变送器。因为可以直接传输具体参数,使用起来很方便,就应急关断系统而言,能使用的地方就很多了,比如关断阀阀后压力(PT),生产撬块压力容器的液位(LT),测试加热器出口温度(TT)等等,使用非常广泛。
应急关断系统控制原理
变送器的测量范围从选型上开始初步设定,后期亦可以通过手操器等设备修改或修正,所以使用起来可以根据工况进行一定范围的调节,所以只要在硬件范围量程内,通过设定量程便可更改和校正测量范围。在渤海海域,开关量仪表的使用率在逐年下降,而相对变送器的使用量在逐渐上升,就以下几点简单分析下原因。
 
2 成本
开关量仪表的成本大致上是同类型号的变送器的四分之一到五分之一,性价比高,但是在安装调试工作量上略高于同类变送器。
 
3 量程和精度
以压力开关为例,压力开关一般能够提供一个大概的压力值最高的精度等级也就 2.5 ,而压力变送器将压力转换成电信号后输出,精度可以做到 0.5 级。压力开关的量程区间是有限的,而变送器则能根据现场情况随意调整。变送器切换差比开关量仪表更小。
 
4 可靠性
就单个仪表而言,开关量仪表和变送器的对比基本就是机械和电子设备的对比,开关量仪表对于电磁干扰会更不敏感,可靠性能更高。但就 ESD 系统而言,开关量仪表几乎无法进行任何的诊断,而变送器则可以进行相关诊断。
 
简单举例 :
假设有 3 个压力开关(PS1、PS2、PS3)。
 
PS1 损坏,PS2 和 PS3 正常,但是控制系统诊断不出这种状况,此时发生压力超限,结果 PS2 报 0,PS3报 1(高限动作),因为 PS1 损坏,一直送 0,所以 2 个0 比对 1 个 1,表决结果是 0,ESD 不动作。假设有 3 个变送器。
 
3 个变送器一直在送 AI 信号 给 ESD。首先每路 AI都要先做高限判断,在 CPU 内部生成一个开关点。就像压力开关的输出一样。最终表决拿这个点去执行逻辑。其次,可以将 (PT1_PV + PT2_PV + PT3_PV) /3 =PSP_PV。这个平均值可以不停的跟 PT1,PT2,PT3 作比较,偏差过大的值应该是不正常的。这样以判断 3 个变送器的好坏。
 
很多的智能变送器,还带有自身的诊断信息。以方便检测 变送器的好坏。
 
假如某变送器断线,值送 0,系统马上就可以判断出来。压力开关断线只能认为压力开关没动作而不知道是断线了。压力变送器过压或者膜盒损坏,但是没断线,可能会一直送最大值,但是会有诊断信息送给系统。这个时候,系统也可以针对处理。
 
5 后期维护
(1)油田中的油气是一直开采中的,地底压力是在不断下降的,但是我们还是需要一个相对稳定的产量,这就需要现场仪表跟随环境的变化而相应修改量程。由于开关量仪表可调范围小,调试工艺复杂,在油田生产中后期必然会产生较高的费用。而且如果要求改的量程超过开关量仪表可修改的量程,那只能更换现场仪表。但变送器则能根据现场情况随意调整量程。
(2)渤海海域冬季气温较低,如使用开关量仪表则容易出现冻堵 \ 卡堵现象。变送器则没有这个顾虑。
(3)开关型仪表的调教要远比变送器复杂。在海上平台实际使用中,变送器的优点明显高于开关量仪表,目前海上平台使用的仪表大部分也是变送器,使用变送器已经变为一种趋势,但目前还有几个问题仍对这种趋势有一定的影响。首先就是在平台规范中,明确写到“一次仪表应使用开关”。再者,在平台使用的变送器绝大部分要求具有 SIL(Safety Integrity Level)认证,这就无形中提高了变送器的使用价格。
 
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