赵 磊

(中海石油(中国)有限公司曹妃甸作业公司，天津 300461)

1 FPSO注水工艺流程介绍

渤海某油田FPSO注水系统流程如图1所示。经过处理的生产水，通过注水增压泵增压到1.5MPa,再经过6台并联的核桃壳过滤器处理后，进入注水缓冲罐内稳定液位和压力后，经过4台并联的注水泵增压到12～13MPa，输送到井口平台回注，剩余少部分达标生产水外排。设备详细设计和操作参数见表1。

表1 FPSO注水设备数据表

图1 FPSO注水流程图

2 注水系统存在的问题及优化措施

2.1 注水系统能力与油田开发需求匹配问题与优化

2.1.1 存在问题

FPSO上的注水泵是英国SULZER公司生产的12级离心泵,电机采用ABB变频电机。FPSO有注水泵四台，每台泵的初始设计流量为455 m3/h，四台注水泵的输送能力为1820 m3/h，随着油田的滚动开发，以及油藏类型为边底水丰富，无水采油期普遍在3个月左右，高含水采油采油周期长，油田综合含水的攀升较快，投产4年后，油田综合含水已经上升到92%，原有FPSO四台注水泵的设计最大处理量已经不能满足注水系统要求。因此迫切需要提高注水泵生产污水的输送能力。由于海上设施受限，因此原有设备能力扩容成为主要手段之一。

2.1.2 改造措施

经过分析(见表1)整个注水系统的瓶颈节点为注水泵，因此验证通过增大注水泵叶轮，可以使注水泵的设计排量能够提高9%。经计算，已有的电气设备的功率能够满足提升后泵的负载，可以只针对叶轮直径进行加大改造。

2.1.3 改造效果

在未增加新设备的情况，逐台对注水泵进行返厂更换叶轮。完成后对单台注水泵泵效进行测试，如图2。单台注水泵排量提高了9%，至495 m3/h，4台注水泵平均每天增加了大约3840m3的生产水注入量，及FPSO处理能力得到扩容，即可实现增加油30 m3/d，为油田增产和滚动开发夯实了基础。

图2 改造后注水泵泵效曲线

2.2 注水系统非计划关停时其他工艺流程连锁保护问题与优化

2.2.1 改造前注水系统流程工艺控制存在的问题

FPSO的生产水处理流程处于满负荷运行状态，4台注水泵同时上线运行，通过缓冲罐阀门LCV-4430C控制注水缓冲罐的压力和液位稳定，确保生产水系统的稳定运行。实际生产过程中会由于某个平台来液发生较大波动,控制系统响应不及时，油田电站PMS电源管理系统负载应急调整等种种原因，经常使得4台注水泵同时非计划关停，这样就会造成大量的生产水瞬间滞留在注水缓冲罐内，需迅速将液位调节阀门LV-4430C开大缓冲，但由于注水系统控制方案的设计设计要求LV-4430C 自动PID调节过程缓慢以把保证在正常生产时的系统运行平稳，无法自动瞬间开度达到100% 的状态，这时就需要中控控制员手动将控制器转到手动并迅速打开LV-4430C，通过实践，从中控员接收到报警到最终阀门被完全打开，必须需要7s内完成，超出这个时间范围，就会因为4台注水泵的关停，液位控制阀调整不及时，造成注水缓冲罐的压力高高或液位高高而触发逻辑使得生产水系统关停，处理不好甚至会造成全油田的关停，造成产量损失和增加设备故障率。

2.2.2 改造措施

对注水缓冲罐排海阀门LV-4430C调节新增高级计算控制模块CALCA，增加LV-4430C前级控制单元，控制要求：

正常生产时，保持原有PID控制逻辑，利用液位PID模块控制调节阀的输出，用于稳定注水缓冲罐的液位。4台注水泵异常关停时，高级计算模块控制器CALCA旁通PID控制器，直接输出给调节阀LV-4430C至某开度，为了适应各个工况，以保证流程的稳定，此调节阀开度可由中控人员自行设定至任意开度。同时需要增加异常关停的屏蔽功能，使系统可以在自动PID调节和紧急关停输出之间自由切换，便于注水流程调试及注水泵关停恢复时操作。

逻辑控制实现思路：

(1)逻辑控制系统包括DCS控制器、液位传感器、注水泵运行开关量信号、调节阀执行机构、I/O卡件输入输出接口。DCS控制器的输出经过I/O卡输出接口、执行机构，加到被控调节阀LV-4430C上。

(2)缓冲罐液位变送器作为PID模块的测量量， 经PID运算后输出4-20mA信号至调节阀阀门定位器，正常生产时会根据液位的波动，来实时控制调节阀LV-4430C 0-100%的开度，满足现场控制要求。

(3)注水泵运行信号是从现场LCIP控制盘内的PLC通讯至DCS系统FBM224模块，采用的接口是RS485,协议是modbus，读取的是Boolean quantity，注水泵运行时是true，停泵时是false，新增高级控制模块CALCA调用FBM224模块中的Boolean quantity即可，运算逻辑如下：

因为采用的OR的逻辑运算，只要有一台泵的运行信号是true，就会输出1，当4台泵全部下线时，所有运行信号全是false，就会输出0 。

(4)调节阀的开度是0～100%，是一个实数输出，当监测到4台泵异常关停时需要直接把LV-4430C全开，生产水可以通过此阀门及时排放至大舱内，在不影响生产的情况下留给了中控人员充分的反应时间。在高级计算块CALCA内增加实数输入RI，计算块实时自动监测到4台泵的运行信号全部是false后，把RI直接送到调节阀LV-4430C，使得阀门从现有PID输出值直接跳跃到RI的输出值，此控制逻辑为了适应各个工况，此RI采用可读写的量，中控操作员可在HMI直接修改RI的值，可修改范围0-100和阀门开度量程相对应，即RI的输入值就是注水泵异常关停时高级计算块CALCA的输出值，也是调节阀LV-4430C的开度。

(5)考虑到注水流程调试及注水泵关停恢复时操作需要，同时增加注水泵异常关停信号的屏蔽功能，使系统可以在自动PID调节和紧急关停输出之间自由切换。调取4 台泵的运行信号运算结果和手动屏蔽做AND运算。

当inhibit置0时，处于屏蔽监测模式状态，CALCA功能块直接读取PID运算结果输出至调节阀LV-4430C，此时可以修改PID的SP值或者手动来调节阀门的开度以满足控制实际需求，注水泵的运行状态不参与运算，RI值不输出。当inhibit置1时，处于监测模式，此时发生注水泵异常全部关停就会直接输出RI值到调节阀LV-4430C，当需要手动干预阀门开度时，必须先inhibit此功能。等注水泵正常上线，生产流程恢复后，及时把inhibit取消，恢复实时监测模式。

2.2.3 改造效果

解决了注水系统的PID控制模式下正常运行运行与应急运行情况的参数设置矛盾问题，将应急情况下的人为强制操作转变为自动控制，把整个过程响应时间从7s降低到2s内，经实际运行验证，功能正常、效果理想，实现了注水系统在正常和非正常情况下的全自动运行，改造后FPSO未再发生过因为注水系统非计划关停而未及时控制产生的生产水和原油处理系统连锁关停现象，从本质上避免了因为注水泵关停而导致的生产水系统关停的风险，提升了设备的本质安全和提高了整个油田的生产时率。

3 FPSO注水系统优化后效果和意义

从油田投产之初，到油田中后期开发的过程中，FPSO注水系统通过控制逻辑、控制方式，设备内部结构升级调整优化工作后，提高了注水处理能力整个系统处理能力4800 m3/d，间接提高油田产量40 m3/d，并且将注水生产时率由92.5%提升至98.2%，大大提升系统运行可操作性和可靠性，以及提升自动化程度，降低了对操作人员的操作难度以及技能水平要求，提生了劳动效率，为油田后续滚动开发打下了夯实的基础。同时对同类型高含水油田处理终端的注水系统新、改、扩建项目的设计、安装、调试，具有一定的借鉴意义。