引言

中國渤海海域石油平臺上，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)一直是保障平臺安全的重要器官，他通過對生產(chǎn)裝置可能發(fā)生的危險或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)和保護(hù)，使生產(chǎn)裝置進(jìn)入一個預(yù)定的安全停車工況，從而使危險降低到可以接受的最低程度，以保證人員，設(shè)備，生產(chǎn)和裝置或工廠周邊社區(qū)的安全。為了達(dá)到上述功能，現(xiàn)場配合應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)完成關(guān)斷的現(xiàn)場儀表就顯得尤為重要。現(xiàn)場儀表這幾年在使用上，變送器需求逐年增加，開關(guān)量儀表卻在下降。這種現(xiàn)象發(fā)生的背后，并非偶然，而是根據(jù)工藝油藏以及規(guī)范要求使然。

 

1　應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)概述

應(yīng) 急 關(guān) 斷 系 統(tǒng)（ESD），Emergency ShutdownDevice（圖 1）。該系統(tǒng)在海上平臺上使用，根據(jù)平臺安全等級分為四級關(guān)斷。現(xiàn)場儀表主要涉及第三，四級關(guān)斷。它通過對現(xiàn)場參數(shù)數(shù)據(jù)采集，實時對生產(chǎn)工藝進(jìn)行監(jiān)測并作出動作，包括數(shù)據(jù)處理，工藝畫面顯示，報警，歷史趨勢，打印報表等。

（1）現(xiàn)場儀表分類。平臺上常見的現(xiàn)場儀表有溫度表、溫度變送器、壓力表、壓力變送器、流量計、分析儀，以及調(diào)節(jié)閥、有執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)斷閥、電磁閥等。這里主要討論實現(xiàn)遠(yuǎn)傳信號實現(xiàn)信號反饋的儀表（開關(guān)量儀表和變送器）。

（2）開關(guān)量儀表。開關(guān)量是在時間上連續(xù)，在幅值上是二值化的量。

 

開關(guān)量的位式作用 ：開關(guān)量變量值的數(shù)目，一般只取限的數(shù)目。如“二位”開關(guān)的通斷，“三位”電動機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)等。平臺上使用的開關(guān)量測量儀表包括過程變量開關(guān)（主要討論）、手動開關(guān)、按鈕、繼電器觸點等。應(yīng)急關(guān)斷用的開關(guān)量測量儀表，正常工況下，觸點應(yīng)處于閉合狀態(tài) ；非正常工況時，觸點處于斷開狀態(tài)。這類儀表在海洋石油平臺上特定場合使用的很多，比如壓力容器中的流體需加熱，則應(yīng)設(shè)高溫安全裝置 TSH（temperature switch high）以便當(dāng)工藝流體超溫時切斷熱源 ；再比如出油管線上都設(shè)置 PSH（pressureswitch high）、PSL（pressure switch low），在檢測到異常高壓或低壓時關(guān)斷油井。

開關(guān)量儀表的參數(shù)，包括測量范圍和設(shè)定值通常出廠前便已確定，并且后期調(diào)整很麻煩，可見無論是換件還是調(diào)節(jié)校驗都并不方便。

 

（3）變送器。變送器是把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為可以被控制器或者測量儀表所接受標(biāo)準(zhǔn)信號的儀器。變送器使用的模擬量采用 4~20 mA 或 0~10 V 信號傳輸，而 4~20 mA 信號由于其長傳輸距離和抗干擾能力等優(yōu)點被海上廣泛應(yīng)用（圖 2）。

 

ESD 系統(tǒng)中涉及的現(xiàn)場變送器以壓力，液位變送器為主，還有少量的溫度變送器。因為可以直接傳輸具體參數(shù)，使用起來很方便，就應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)而言，能使用的地方就很多了，比如關(guān)斷閥閥后壓力（PT），生產(chǎn)撬塊壓力容器的液位（LT），測試加熱器出口溫度（TT）等等，使用非常廣泛。

變送器的測量范圍從選型上開始初步設(shè)定，后期亦可以通過手操器等設(shè)備修改或修正，所以使用起來可以根據(jù)工況進(jìn)行一定范圍的調(diào)節(jié)，所以只要在硬件范圍量程內(nèi)，通過設(shè)定量程便可更改和校正測量范圍。在渤海海域，開關(guān)量儀表的使用率在逐年下降，而相對變送器的使用量在逐漸上升，就以下幾點簡單分析下原因。

 

2　成本

開關(guān)量儀表的成本大致上是同類型號的變送器的四分之一到五分之一，性價比高，但是在安裝調(diào)試工作量上略高于同類變送器。

 

3　量程和精度

以壓力開關(guān)為例，壓力開關(guān)一般能夠提供一個大概的壓力值最高的精度等級也就 2.5 ，而壓力變送器將壓力轉(zhuǎn)換成電信號后輸出，精度可以做到 0.5 級。壓力開關(guān)的量程區(qū)間是有限的，而變送器則能根據(jù)現(xiàn)場情況隨意調(diào)整。變送器切換差比開關(guān)量儀表更小。

 

4　可靠性

就單個儀表而言，開關(guān)量儀表和變送器的對比基本就是機械和電子設(shè)備的對比，開關(guān)量儀表對于電磁干擾會更不敏感，可靠性能更高。但就 ESD 系統(tǒng)而言，開關(guān)量儀表幾乎無法進(jìn)行任何的診斷，而變送器則可以進(jìn)行相關(guān)診斷。

 

簡單舉例 ：

假設(shè)有 3 個壓力開關(guān)（PS1、PS2、PS3）。

 

PS1 損壞，PS2 和 PS3 正常，但是控制系統(tǒng)診斷不出這種狀況，此時發(fā)生壓力超限，結(jié)果 PS2 報 0，PS3報 1（高限動作），因為 PS1 損壞，一直送 0，所以 2 個0 比對 1 個 1，表決結(jié)果是 0，ESD 不動作。假設(shè)有 3 個變送器。

 

3 個變送器一直在送 AI 信號 給 ESD。首先每路 AI都要先做高限判斷，在 CPU 內(nèi)部生成一個開關(guān)點。就像壓力開關(guān)的輸出一樣。最終表決拿這個點去執(zhí)行邏輯。其次，可以將 (PT1_PV + PT2_PV + PT3_PV) /3 =PSP_PV。這個平均值可以不停的跟 PT1，PT2，PT3 作比較，偏差過大的值應(yīng)該是不正常的。這樣以判斷 3 個變送器的好壞。

 

很多的智能變送器，還帶有自身的診斷信息。以方便檢測 變送器的好壞。

 

假如某變送器斷線，值送 0，系統(tǒng)馬上就可以判斷出來。壓力開關(guān)斷線只能認(rèn)為壓力開關(guān)沒動作而不知道是斷線了。壓力變送器過壓或者膜盒損壞，但是沒斷線，可能會一直送最大值，但是會有診斷信息送給系統(tǒng)。這個時候，系統(tǒng)也可以針對處理。

 

5　后期維護(hù)

（1）油田中的油氣是一直開采中的，地底壓力是在不斷下降的，但是我們還是需要一個相對穩(wěn)定的產(chǎn)量，這就需要現(xiàn)場儀表跟隨環(huán)境的變化而相應(yīng)修改量程。由于開關(guān)量儀表可調(diào)范圍小，調(diào)試工藝復(fù)雜，在油田生產(chǎn)中后期必然會產(chǎn)生較高的費用。而且如果要求改的量程超過開關(guān)量儀表可修改的量程，那只能更換現(xiàn)場儀表。但變送器則能根據(jù)現(xiàn)場情況隨意調(diào)整量程。

（2）渤海海域冬季氣溫較低，如使用開關(guān)量儀表則容易出現(xiàn)凍堵 \ 卡堵現(xiàn)象。變送器則沒有這個顧慮。

（3）開關(guān)型儀表的調(diào)教要遠(yuǎn)比變送器復(fù)雜。在海上平臺實際使用中，變送器的優(yōu)點明顯高于開關(guān)量儀表，目前海上平臺使用的儀表大部分也是變送器，使用變送器已經(jīng)變?yōu)橐环N趨勢，但目前還有幾個問題仍對這種趨勢有一定的影響。首先就是在平臺規(guī)范中，明確寫到“一次儀表應(yīng)使用開關(guān)”。再者，在平臺使用的變送器絕大部分要求具有 SIL（Safety Integrity Level）認(rèn)證，這就無形中提高了變送器的使用價格。