建设海洋强国，加快深海油气资源勘探开发，是近些年海洋石油产业的主旋律，海洋石油事业迎来蓬勃发展的机遇, 原油产量在逐年递增, 保证原油外输^[1]流程的稳定是保证油田稳产、增产的关键一环。外输系统是海上油气处理流程的最后一环：它将FPSO处理完成的原油，输送到提油轮上，提油轮则可以把原油运到下游产业进行深加工。外输作业清空了储满原油的沉降舱^[2]，给后续原油下舱腾出空间，是保证海上处理流程持续顺利进行的重要一步。

1.   外输系统简介

1.1   FPSO简介

FPSO全称为Floating Production Storage and Offloading System，即为浮式液化天然气生产储卸装置，负责对软钢臂系泊系统汇集而来的，各个井口平台的原油的基本处理和储存，并进行外输。主要由系泊系统、船体部分、生产设备、外输系统和配套系统组成。

1.2   外输系统

渤海某FPSO外输系统主要由储油沉降舱、外输液压系统、外输计量系统及外输系泊系统等组成。其中，外输计量系统位于FPSO上部模块，主要由四路双螺旋式流量计^[3]、在线标定系统、自动采样系统以及控制系统等组成。

采用的双螺旋式^[4]流量计，型号为TNZ300，流量范围为250～2 500 m³/h，精确度为±0.15%（国家标准要求用于贸易交接流量计精度不低于0.2%），重复性为±0.02%。

在线标定系统主要由体积管、四通阀^[5]等组成。

自动采样系统主要由气动采样泵和微动开关组成。

控制系统采用欧米尼流量计算机（OMINI FLOW COMPUTER）和罗克韦尔可编程逻辑控制器（AB PLC）。

1.3   采样系统

自动采样系统（图1）在原油外输计量过程中的作用是：在原油外输时对外输原油均匀取样，然后将取样原油交给化验人员进行化验，确定外输原油品质，该化验结果将直接影响油品油质的判定。

图  1  JISKOOT 210P气动采样泵采样过程

Figure  1.  Sampling process of JISKOOT 210P pneumatic sampling pump

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采样量差值有一个可供商检参考的允许值：Total Grabs（采样泵动作次数）与CAN A/B抓取样滴（微动开关实际计数）的总和的差要在150滴以内。这两个数值原则上应该一致，如果差值超过150滴，表示整个原油外输过程中未均匀采样，即存在某段性质油品的油样未被采集到，样品缺失，进而影响最终油样的化验结果。

渤海某FPSO采样系统运行至今已十多个年头，设备老化问题严重，系统健康状态越来越差：原油外输过程中会出现采样开关不动作、不计数等故障，需要仪表维修人员到现场排除相关问题。既严重影响了外输的效率及原油采样的准确性，又增加了仪表维修人员的工作量。

某FPSO的外输计量自动采样系统主要由容积式气动JISKOOT 210P采样泵、JISKOOT GS100^[6]微动开关 (样滴抓取传感器)、采样收集罐切换系统以及采样控制器组成。

1.4   采样系统流程

当外输开始后，气动取样泵接受取样指令开始动作，从原油管线中心区域采到的油样从泵头处打出，进入并经过连接软管到达微动开关处，达到微动开关设定压力，微动开关起跳并产生计数脉冲，油样进入后续管线后最终流入收集罐中。一次完整的外输过程，微动开关一般起跳并计数九千多次，即油样收集罐的油样液位达到其容积的80%。

外输计量系统的稳定运行，对油田的稳定生产和和原油外输都具有独一无二的重要性。

2.   现有问题及分析

2.1   现存问题

（1）每次原油外输时，货油泵启动后、停止前，原油流量较低、或出现自然流量波动、以及人为调整管线外输原油流量时，管线中压力会降低到操作压力设定值以下，微动开关计数就会出现盲区，即理论上采样泵采到了油样，但计数开关未动作，PLC（可编程逻辑控制器）中就会计不到数。以上情况会导致FPSO采样系统的采样计数与理论采样总滴数之间有较大的偏差，如果超过150滴，商检方判定该次外输取样失败。

（2）微动采样计数开关时常会出现机械性卡顿，故障率较高，每次外输期间都需要仪表维修人员进行故障处理^[7]，大大增加了仪表维修人员的工作量。

（3）备件采购难度大，采购周期长。现用取样开关一旦损坏，就会成为制约原油外输及生产的大难题。

2.2   原因分析

（1）原JISKOOT GS100微动采样开关的压力设定值^[8]为一个恒定值，货油泵启泵后、停泵前或自然流量波动以及人为调整管线外输原油流量时，管线内压力会降至正常操作压力以下，造成取样压力不稳定，进而导致微动开关不动作，出现计数盲区，造成取样罐取样缺失。

（2）设备工作年限长，动作频次已过高，内部产生机械磨损和疲劳，导致原油渗入微动开关的动作部件内部，造成其动作卡涩。

（3）原装微动开关为采样器配套的进口设备，由于技术封锁，备件采购难度大，采购周期长，且该类型号备件采购价格较高，不利于降本增效。

3.   系统升级目标

不改变原控制系统和计量系统^[8]，新系统依然沿用美国AB公司PLC技术平台^[9]。对原JISKOOT GS100微动采样开关进行升级改造，保证其功能，降低故障频次。

3.1   方案一

对原油采样管线进行加热，这样会降低原油的黏度^[10]，增加原油流动性，从而减少黏稠原油对微动开关的磨损，增加微动开关的灵敏度和寿命。同时每次外输结束后，用柴油对采样管线进行清洗，保证管线的清洁，这样就会避免黏稠原油堵塞管线造成的流量减少，进而提高微动开关动作的准确性。

3.2   方案二

不改变原有管线，将微动开关换型为压力变送器。

微动开关的原理是当压力达到设定值时，开关内部闭合（或断开），AB PLC则通过DI（数字量输入）卡监测这一动作，进行信号采集和后续计算。

压力变送器则可以实时监测管线中压力变化，我们可以利用AI（模拟量输入）卡，采集这一信号，在AB PLC程序中增加一段比较逻辑，当压力大于设定值时，触点逻辑中的触点，利用该触点进行后续计算。这样就在逻辑组态中实现了压力变送器替代原微动开关的功能。

3.3   方案比选

方案一不改变原系统设备和结构，操作更加直观，但该操作增加了运维人员的工作量。使用柴油清洗管线也造成了能源的浪费，虽然一定程度上会减少计数失准的问题，延长微动开关寿命，但整体来说是一种治标不治本的方案。

方案二涉及系统中增加AI（数字量输入）卡和变送器的安装，但是没有改变原系统架构。现阶段运维人员能够掌握AB PLC的硬件组态和逻辑编程，且对于压力变送器的维护比较熟悉。该方案前期会增加硬件费用，但后续维护成本低，既降低了人员工作量，又节省了维护费用，是一种一劳永逸的方案。

故本次升级采用方案二。

4.   升级方案

（1）将自动采样系统中，采样泵出口管线上连接的JISKOOT GS100微动采样开关换为监测精度为±0.2%的罗斯蒙特4600G22E11A5AE5型压力变送器，并有效利用了原微动开关的信号传输电缆，将变送器信号引入控制系统。

（2）在原油外输自动采样系统的Allen Bradley Logix 5000 PLC（可编程逻辑控制器）上增加一块1756 AI卡（AB PLC中1756系列中的模拟量输入卡），将变送器AI信号接入PLC中。现场硬件安装、卡件组态由仪表运维人员完成。

（3）逻辑编程。压力变送器AI点取代了原来的微动开关DI点，采用梯度压力比较的方式，随工况变化，自动修改系统压力设定点：在原油外输刚开始时，原油黏稠度高，或外输流量较低时，管线中压力低。上述两种情况下，压力变送器采集到的压力值较低，此时设定值比较低；当外输正常进行后，设定值就可以适当提高。既能连续监控取样系统压力变化，又能实时取样，同时利用计数模块很好地实现了计数脉冲通断的控制。仪表运维人员可以根据实际情况，修正设定值，保证计数准确性。

微动开关换型为罗斯蒙特变送器后，利用了原采样系统的布线和控制系统，仅需完成控制系统数据采集模块的接线和组态工作，即可实现系统升级目标。升级后使用压力变送器替换了原压力开关，可根据流程工况，设定触发上下限，不仅完整取代了压力开关功能，还能在中控室上位机处，时刻监控流程压力变化，便于操作人员了解流程工况变化，如果出现问题可及时干扰处置，大大提高了系统自动化程度。

维修人员还可以定期对该压力变送器进行五点标定，保证该压力变送器在外输期间测量数值准确可靠。本压力变送器测量数值，也可以和流程上压力表和其他压力变送器互为参考，通过对比，也可确定其他压力测量元件测量值是否可靠。未来还可以利用该压力变送器进行调节阀自动控制，或者设置报警功能，也为以后的系统功能升级留下了广阔空间。

升级后系统精度不减（图2），工作两年有余，未出现之前出现的无法采样或计数的问题，工作稳定性大大提高。即使出现问题，维修人员可以参照变送器压力数值历史趋势，进行相关故障判断，快速锁定故障原因，进而进行处理。同时压力变送器还有一些辅助功能，如增加阻尼时间，可以有效避免压力波动对工作稳定性的影响。这些功能都保证了原油外输过程中对原油采样的设计要求，保障了油品的化验结果，同时减少了设备维保人员故障检修的时间和频次。

图  2  升级前后计数滴数差异变化

Figure  2.  Differences of counting drops before and after upgrade

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5.   结论

将原来的微动采样开关换型为压力变送器，避免了之前外输时出现的采样计数故障问题，降低了设备故障频次，提高了外输的效率。同时利用了原压力开关传输电缆及接线方式，降低了升级难度和成本，提高了升级效率。该换型方法，开辟了设备故障处理的新思路。维修人员不能仅执着于对单个故障点的处理，而要从工况、选型和设备升级换代等深层次角度思考问题，找到解决新方法。该思路和方法，可向其他设施设备或其他FPSO进行推广，对同类型问题有借鉴指导意义。