海洋石油161平台液位遥测系统错误信号及关断故障的处理

张文平，郑庆军，李丙焱，曲双杰，王 鹏

(中海油能源发展采油服务公司天津作业公司 天津 300452)

海洋石油161平台隶属于中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，2012年7月投产于中海油天津分公司渤中3-2油田，其油、水舱的液位遥测系统的跳变给油田安全高效生产带来了很多不稳定因素。液位遥测系统作为平台的核心系统，与海上作业平台的安全可靠运行紧密相关，平台所应用的液位遥测系统集成了不同测量液位的方法来对油舱、水舱等各舱液位值进行监控并报警。该系统可以通过与液位显示仪表连接直接将液位计数值进行显示，除此之外，还能够采用现场总线的通信方式将传感器采集到的数据上载到上位机，利用上位机组态及人机交互界面实现现场各液位的显示和监控[1]。海上采油平台的液位遥测系统按其实现功能大致可以分为3项：①对现场的油、水各个大舱的压力、温度、液位均能进行准确的测量、监控、显示[2]；②液位超过设定报警限位时进行报警；③液位超过关断设定点时关停相关联锁设备。

1 现有问题分析

1.1 液位遥测系统简介

海洋石油161平台共有6个原油舱(左油1、中油1、右油1、左油2、中油2、右油2)，每个舱的有效舱高约为5.5m，每个油舱有2个液位传感器、2个温度传感器、1个压力传感器。测量方式分别为超声波液位计和导波雷达液位计，可以实现各舱液位的低、高报警和低低、高高关断功能。鉴于在以往的实践中导波雷达和超声波测液位均出现跳变，2种变送器在目前情况下均不能可靠工作，为了避免因液位高高造成三级关断，只能将6个油舱和左、右生产水舱的液位高高信号进行旁通，这就使得平台处于不受保护的状态。

导波雷达式的液位计如图1所示，是根据时域反射原理(TDR)为基础的雷达液位计。雷达液位计的电磁脉冲是以光的速度沿钢缆或探棒传播，每当传播到被测介质表面时，雷达液位计的一大部分脉冲就会被介质表面反射而形成回波，并沿原路径返回到脉冲发出的原始点，发射的设备与被测介质的表面之间距离和脉冲在其间的传播时间成正比，通过算法便能得到各舱液位的高度。

图1 导波雷达液位传感器 Fig.1 Guided wave radar liquid level sensor

超声波液位计如图2所示，安装在大舱顶部，在主电路板模块的控制下，探头会向所要测量的液体介质发射一束超声波脉冲，其声波被介质的表面反射，一部分反射回波由探头接收并将其转为电压或电流信号。从超声波发射出去到被反射回来重新被接收，所经历的时间与探头到被测物体间的距离成正比。主电路板模块检测出这段时间，并根据声音的传播速度计算出被测的距离。通过减法运算(舱高-空高)就可以算出液体介质的液位高度[3]。

图2 超声波液位传感器 Fig.2 Ultrasonic liquid level sensor

1.2 液位遥测系统问题概述

使用超声波测液位的右油2液位发生跳变，由1.26m跳变到0m，平台发生四级关断。为了检查这一问题，紧固右油2超声波液位变送器的仪表接线和现场控制盘的所有接线，整个紧固过程中未发现任何端子有明显松动。右油2的液位在2日后又一次发生了跳变，由0.86m跳变到0m，造成平台四级关断；当天晚上又陆续出现数次跳变；第2天上午跳变情况更加严重，不到1min就出现1次，同时触发四级关断，现场检查液位并未发现任何异常故障情况。

由于每个油舱共有2个液位传感器，导波雷达液位计和超声波液位计都属于液位遥测系统，所以主监控传感器可以在两者之间互相切换，也可以同时互相作为备用。

基于上述右油二液位跳变频发的情况，将超声波液位变送器的接线断开，改为由导波雷达液位变送器测量，二者液位差值达0.16m，但仍出现跳变现象，并触发了现场的关断。

导波雷达液位计和超声波测液位计所测量的液位值的准确性也无法得到验证，在外输结束后对6个油舱的液位进行了记录，数据如表1所示，差值中最大的将近0.4m，小的近0.03m。

表1 外输后6个油舱的液位值(单位：m) Tab.1 Liquid level values of six oil tanks after offloading

1.3 跳变造成的后果与影响

仅通过一次外输后液位值的对比观察效果可能很不好。但据维修人员记录，液位计跳变频率最高的除了左油2、右油2、中油1和右油1外，中油1也出现了多次跳变。污油舱等在每次跳变后对导波雷达液位计滤除干扰信号后都能保持稳定运行一段时间，但并不能从根本上解决问题，针对其中6个油舱超声波液位变送器本身跳变的故障只是暂时在软件上做了设置，即在发生误动作跳变时不产生关断。各个油舱的液位高高信号均可以造成三级关断，三级关断频繁发生的后果非常严重，不仅可以造成井上井下安全阀的关闭，而且会造成电潜泵停运，继而影响油田的原油产量、增加平台人员的工作压力、降低油井电泵的使用寿命。

2 改进方案

2.1 改进计划

鉴于导波雷达和超声波测液位均出现跳变，2种液位变送器在目前情况下均不能可靠工作，为了避免因液位高高造成三级关断，只能将6个油舱和左、右生产水舱的液位高高信号旁通，然而这就使得平台处于不受保护的状态。

为了避免因液位计的跳变信号的输出达到关断点造成三级或四级关断，将油舱的超声波传感器更换成西门子的超声波传感器，该超声波传感器工作温度高于原超声波变送器。除了硬件上的改进，也要在软件上下足功夫，通过对源程序进行修改，将超声波液位计改为备用、导波雷达变送器改为主用；在程序中增加输入点和输出点，增加判断液位是否跳变的程序，对液位跳变后输出关断信号的延时功能(延时关断时间：油舱设定为20min，水舱设定为10min)， 并对导波雷达的测量结果进行修正，避免假信号的 干扰。

2.2 实施措施

①将平台舱室的主监控传感器改为VEGA导波雷达传感器，导波雷达是基于时间行程原理的“俯视”式测量，其测量结果不受温度、液位密度、雾气和泡沫工艺条件的影响，且抗干扰能力强、电磁波恒定，调校时只需输入量程等参数即可[4]，所以上位机采用导波雷达传感器的测量值，关断信号同样采用导波雷达传感器的测量值，而超声波传感器作为备用，其测量值不进入监控程序，只作为参考值。

②为了利用软件来识别有用信号和干扰信号，并滤除干扰信号，设计了软件滤波。在之前程序中就已有滤波程序，但是在实际应用中这种算法的滤波程序不能满足现场需求，所以通过比较各种滤波算法的优缺点对滤波程序进行了调整，减少了信号跳变的频率和幅值，切实提高了设备的容错及抗干扰能力。

③增加了跳变信号程序，当导波雷达传感器发生异常信号(信号突然变化的值＞0.1m)时，也就是跳变信号的值超过关断设定点，程序将自动跳转到跳变信号程序。当数据大于高报警值或低于低报警值时会正常显示报警和触发报警器发声，但却能够保证系统在10min内不输出关断信号，此时维修人员有足够时间观察跳变信号的变化。如果在10min内能够恢复到正常状态，则消除报警后继续运行；如果还未恢复到正常状态，且显示值仍然超过关断设定值，那么10min后发出关断信号，程序跳转去执行关断程序，这就给维修人员进行旁通此通道的时间。另外，生产水舱和净水舱的导波雷达液位计当发生信号跳变时同样按此步骤执行。

④当导波雷达液位计出现断线导波雷达传感器的测量值显示0时，此时中控监控显示界面将在1min后自动切入到超声波液位计测量值，备用超声波液位计发挥作用。超声波液位计的测量值为监控程序的显示值和输出关断值，系统执行主液位计导波雷达液位计的功能，此时中控画面上显示值旁边出现蓝色方框图标，表示传感器值为超声波传感器值。待导波雷达传感器恢复正常后，监控程序将自动执行导波雷达传感器的测量值。

⑤加装内容存储功能，通过液位遥测系统人机界面对数据进行运算，实现各参数的监控，如液位、温度、压力等的检测，检测软件包括通信检测、参数设置、图标显示等模块，同时还新增了存储区域和加装了存储功能，以此来辅助硬件系统达到液位计的技术指标，实现液位数据的自动采集、存储、运输、图形显示、参数修改、报警等功能。如在信号发生跳变时会将跳变瞬间的生产状态、舱室温度、压力、液位等数据生成报表并记录保存，以方便日后参考，并作为分析故障排查原因的依据。

3 结论和建议

关于延时信号关断的改造理念源于巧妙创新的思路，通过对液位传感器跳变问题分析，开展了硬件的升级、软件的完善，彻底解决了平台上由于错误信号导致发生意外关断的问题。针对液位遥测系统的升级改造，保证了平台核心系统的正常运行，保障了油田安全稳定生产，降低了设备的故障率，节约了维修成本，该理念可以应用到整个海上采油平台，具有推广借鉴意义。

根据设备在平台上的实际运行情况找出在某些程序设计上的不足，并据此提出建议，使各舱室液位监控系统运行更加平稳、可靠。对于油田来说，这样可以避免由于液位遥测系统的跳变输出错误的液位关断值而造成系统关断的问题，所以增加跳变程序、延时输出的程序能及时有效地过渡跳变检测、延迟关断程序的执行、降低触发平台关断的概率；同时，可减少因关断造成的产量的损失和维修费用，延长设备的使用寿命，提高工作效率。■