An Optimization Scheme of FPSO Export Sampling System
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摘要: FPSO 外输计量自动采样系统的作用是在原油外输期间,对外输原油均匀取样,然后由化验人员对取样原油进行化验,确定外输原油品质。为了保障原油外输的稳定性,避免因原油外输出现问题导致的减产,对原油外输过程中经常出现问题的采样系统进行研究。该文主要介绍采样系统取样开关在使用时经常出现的问题,通过与其他在用系统中更加稳定的压力检测元件比较,对采样开关进行换型优化:在有效利用原系统架构和功能的情况下,将微动式压力开关升级为压力变送器。采用压力变送器后,有效避免了原压力开关带来的一些问题,提高了原油外输的稳定性。该升级思路,对其他同类型设备,或其他压力开关问题有借鉴和指导意义。Abstract: The function of the FPSO export metering automatic sampling system is to evenly sample the exported crude oil during the export of crude oil, and then the laboratory personnel will test the sampled crude oil to determine the quality of the exported crude oil. In order to ensure the stability of crude oil export and avoid the reduction of production caused by the problem of crude oil export, the sampling system which occasionally encounters problems in the process of crude oil export is studied. This paper mainly introduces the common problems that often occur in the use of the sampling switch in the sampling system. By comparing with other more stable pressure detection components, the sampling switch is changed and optimized. Under the condition of effective use of the original system architecture and functions, the micro-motion pressure switch is upgraded to a pressure transmitter. After using the pressure transmitter, some problems caused by the original pressure switch are effecting avoided, and the stability of crude oil export is improved.This upgrade idea has reference and guiding significance for other similar equipments, or other pressure switch problems.
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Keywords:
- FPSO /
- export /
- sampling system
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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。
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。
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。
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