3. Ứng dụng thực hiện chương trình điều khiển vào hệ thống công nghệ:
3.1. Hệ thống tích hợp PCS và SSD trên các cụm công nghệ:
Sơ đồ quá trình công nghệ :
Hình 4.37 : Sơ đồ công nghệ
Cụm Well Head : Prodution Wells
Khu vực đầu giếng được thiết kế với 9 đầu giếng khai thác và 3 giếng ép vỉa. 9 giếng khai thác được bảo vệ bởi tủ Well Control Panel.
Sơ đồ làm việc của một giếng khai thác :
Hình 4.38 : Sơ đồ cây thông
Giếng làm việc được thiết kế gồm có :
Transmitter áp suất đọc giá trị áp suất làm việc của giếng truyền tín hiệu về hệ thống PCS giúp người trực vận hành theo dõi áp suất trên phong điều khiển. Transmitter được thiết kế để theo dõi liên tục áp suất làm việc của giếng và đưa ra cảnh báo cho người vận hành trong trường hợp áp suất làm việc của giếng thấp hơn hoặc cao hơn giá trị Setpoint đặt trước.
Well Control Panel :
Giếng có 3 van an toàn được điều khiển bởi tủ Well Control Panel. Tủ WCP là tủ điều khiển khí nén/ thủy lực theo nguyên tắc luôn duy trì áp suất thủy lực cho các van hoạt động. Bất cứ khi nào áp suất thủy lực xuống dưới giá trị cho phép thì van sẽ đóng lại. Áp suất thủy lực được bơm và duy trì nhờ các bơm khí nén/thủy lực.
Áp suất thủy lực cấp cho Van an toàn nhánh và van an toàn trung tâm là 120 Bar
Áp suất thủy lực cấp cho van an toàn sâu là 320 Bar Khí nuôi cấp cho tủ sau khi qua Regulator là 4 Bar . Sơ đồ nguyên lý của tủ WCP :
Hình 4.39 : Sơ đồ tủ đầu giếng
Hoạt động của tủ WCP :
Tủ WCP dùng để dừng khẩn cấp khi có các tác động từ hệ thống dừng khẩn cấp SSD hoặc các tác động từ các yếu tố bất thường đến từ quá trình công nghệ. Một giếng được bảo vệ bởi 3 van là van an toàn nhánh, van an toàn trung tâm và van an toàn sâu.
PSD : Một Switch Hi/Lo pressure theo dõi áp suất trên đường ra của từng giếng. Nếu áp suất giếng nhỏ hơn 5Bar hoặc lớn hơn 40Bar thì Switch sẽ tác động gây mất khí pilot của giếng. Khí pilot mất sẽ làm cho 2 solenoid điều khiển van nhánh và van trung tâm xả áp xuất thủy lực về đường hồi. Điều này dẫn đến van nhánh và van trung tâm mất áp suất thủy lực để giữ van và ngay lập tức đóng lại nhằm bảo vệ giếng khỏi áp suất bất thường. Khi 2 van mất áp suất thì 2 switch báo áp suất thấp tác động và báo về phòng điều khiển trạng thái van đã đóng.
ESD : Trong khu vực đầu giếng có 9 nút fussible flug làm bằng chì. Khi có cháy tại khu vực đầu giếng, các nút này sẽ tan chảy ra và làm mất khí ESD của tủ WCP. Khi khí ESD bị mất, nó ngay lập tức đóng hết các van nhánh và van trung tâm của tất cả các giếng. Sau 1 phút thì van sâu của tất cả các giếng cũng sẽ đóng lại
nhờ một bình khí ổn áp duy trì áp suất khí nuôi cho solenoid van sâu thêm 1 phút. ESD còn xảy ra khi có báo cháy tại khu vực đầu giếng,ESD-A, tác động từ phòng điều khiển hoặc tác động bằng tay tại nút nhấn tay ngay tại khu vực đầu giếng.
Cụm Gaslift
Khí Gaslift của giàn được nhận từ giàn giàn nén khí trung tâm, qua giàn MSP- 6 để qua giàn ThTC-1. Khi qua giàn Thtc-1, đầu tiên Gaslift sẽ đi qua Riser, qua Skid 5 để lọc condersat rồi qua Skid 2 để phân phối đi các giếng.
Skid 5 : Là cụm nhận khí Gaslift, lọc condersat và đo áp suất, nhiệt độ và
lưu lượng tổng khí Gaslift giàn tiêu thụ.
Hình 4.40 : Sơ đồ SKID 5
SDV-800 đóng khẩn cấp khi có các tác động ESD tương ứng. BDV-801 sẽ mở ra khi có ESD nhằm xả hết khí GL dư trong đường ống ra máng xả. Theo logic, SDV sẽ phải đóng trước sau đó BDV mới được mở. Sau khi Reset ESD, để hoạt động lại bình thường thì BDV sẽ phải đóng lại trước thì SDV mới mở lại được.
Một Transmitter PTS801 đọc áp suất về cho hệ thống SM nhằm theo dõi giá trị áp suất trên đường ống. Nếu giá trị áp suất trên đường ống nhỏ hơn giá trị Setpoint tương ứng thì sẽ kích hoạt ESD. Ngoài ra, PTS801 còn được dùng để điều khiển quá trình cấp Gaslift.
Bộ đo lưu lượng Transmitter FI801 đươc dùng để đo lưu lượng Gaslift tiêu thụ của giàn. Transmitter lưu lượng FI801 dùng phương pháp đo Orifit theo nguyên lý Bernuolli, theo đó, dòng lưu lượng sẽ chảy qua một tấm lỗ có đường kính nhất định nào đó. Bằng cách đó giá trị chênh lệch áp suất trước và sau tấm lỗ ta sẽ xác định được lưu lượng tức thời. Với mỗi kích thước tấm lỗ ta xác định được tầm đo tương ứng cho bộ đo. Tùy theo lưu lượng tối đa cần đo ta sẽ thay các tấm lỗ có kích
thước tương ứng vào bộ đo. Hiện giàn đang sử dụng tấm lỗ có tầm đo từ 0 đến 220000 m3/d.
Transmittet FI801 sẽ truyền tín hiệu về hệ thống PCS để đọc giá trị tưc thời lưu lượng Gaslift. Giá trị tức thời này sau đó sẽ được tính toán cộng đồn để đưa ra giá trị lưu lượng thực tế tiêu thụ dự vào giá trị áp suất ( được đo bởi Transmitter áp suất PI802 ), nhiệt độ ( TI801 ) và các giá trị tham khảo được đưa ra bởi viện NIPI của Vietsovpetro.
Công thức tính lưu lượng :
𝐹𝑄𝑇 = 𝐹𝐼 ∗ 𝑃 + 𝑃0 𝑃𝐷 ∗ 𝑇𝐷 + 273 𝑇 + 273 ∗ 𝑀𝑊 𝑀𝑊𝐷 Trong đó : 𝐹𝑄𝑇 : Lưu lượng tổng
𝐹𝐼: Lưu lượng tức thời
P : Áp suất tức thời trên đường ống. Hoạt động bình thường là 100Bar.
𝑃𝐷 : Áp suất tham khảo.
𝑇𝐷 : Nhiệt độ tham khảo.
T : Nhiệt độ tức thời
MW : Molecular weight
MWD : Molecule weight tham khảo
Skid 2 : Khí Gaslift sau khi qua Skid 5 sẽ được đưa đến Skid 2 để phân
phối đi từng giếng.
Hình 4.41 : Sơ đồ giếng Gaslift
Gaslift đi vào giếng qua van điều khiển lưu lượng FIC. Một Transmitter lưu lượng dạng tấm lỗ đo lưu lượng Gaslift tức thời vào giếng. Tín hiệu lưu lượng tức thời sẽ đọc về hệ thống PCS. Tại đây, một vòng điều khiển PID sẽ thực hiện tính toán và đưa ra phần trăm mở van cho FIC để điều chỉnh lưu lượng cấp cho giếng theo một giá trị Setpoint đặt trước.
Hình 4.42 : Vòng điều khiển PID lưu lượng Gaslift
Trên mỗi nhánh Gaslift có 1 Transmitter áp suất PTS-823 đọc giá trị áp suất Gaslift của nhánh đó và đưa về hệ thống SM để theo dõi. Nếu giá trị áp suất thấp dưới điểm Setpoint thì SM sẽ ra lệnh ngắt Solenoid XY-813 để ngắt khí điều khiển vào bộ IP của van FIC và làm van đóng lại.
Khi có ESD xảy ra thì hệ thống SM cũng sẽ ra lệnh đóng van XY-813 lại để đóng khẩn cấp van cấp Gaslift FIC. Van được thiết kế để khi có sự cố sẽ đóng lại ( Fail to Close).
Cụm hóa phẩm :
Cụm hóa phẩm được thiết kế để nén hóa phẩm chống đông dầu vào từng nhánh ra của giếng. Do vậy hệ thống hóa phẩm có 9 bơm làm việc cho 9 giếng và 2
bơm dự phòng. Bơm được dùng là loại bơm màng dùng khí nén để hoạt động. Mỗi bơm được điều khiển bởi 1 Solenoid điện từ đóng mở để cấp khí nén vào cho bơm hoạt động. Trạng thái hoạt động của từng bơm được đọc về bởi switch áp suất cao được gắn trên đường ra của bơm.
Mỗi bơm có 2 chế độ hoạt động là Local và Remote được lựa chọn trên HMI. Ờ chế độ Local thì bơm được bật tắt ngay tại Panel điều khiện đặt tại cụm hóa phẩm. Ở chế độ Remote, người vận hành sẽ cho bơm chạy trên màn hình HMI ở phòng điều khiển.
Khi có ESD xảy ra thì hệ thống SM sẽ gửi tín hiệu dừng khẩn cấp đến hệ thống PCS qua giao tiếp tay đôi ( Peer Control Data Interface ) để báo cho hệ thống PCS biết và cho ngắt toàn bộ các Solenoid của cụm hóa phẩm.
Để chứa hóa phẩm cho việc bơm ép thì 4 tank được sử dụng. Trong đó 2 tank E-1-1 và E-1-2 là 2 tank chứa chính, 2 tank E-1-3 và E-1-4 là 2 tank chứa dự phòng. Trên mỗi tank có một Transmitter mức của Rosemount để theo dõi mức hóa phẩm trong tank. Các Transmitter sử dụng phương pháp đo chênh lệch áp suất giữa mặt đáy bình và mặt thoáng và dựa vào tỷ trọng hóa phẩm để tính ra chiều cao của mức hóa phẩm.
Cụm Inlet Manifold : Sơ đồ cụm Inlet Manifold :
Cụm Inlet Manifold vừa là cụm phân dòng cho dầu sau khi đi ra khỏi giếng, vừa làm nhiệm vụ theo dõi áp suất đầu ra của từng giếng.
Mỗi nhánh ra của giếng có 1 SDV làm nhiệm vụ đóng khẩn cấp khi có tín hiệu ESD.Trên mỗi nhánh có 3 Transmitter PTS theo dõi áp suất và cắt ngưỡng báo động khi áp suất vượt quá 50 Bar hoặc thấp quá 5 Bar.
Ba PTS hoạt động theo nguyên lý Vooting logic 2oo3 như sau :
Nếu cả 3 Transmitter áp suất đều online thì voting logic sẽ là 2oo3. 2 trong số 3 Transmitter áp suất báo HiHi (> 50Bar) hoặc LoLo (<5Bar) thì sẽ kích hoạt đóng van SDV.
Nếu 1 trong 3 Transmitter ở trạng thái lỗi hoặc bypass và 2 Transmitter còn lại online thì voting giảm xuống là 1oo2.
Nếu 2 trong 3 Transmitter ở trạng thái lỗi hoặc bypass và chỉ 1 Transmitter còn lại online thì voting giảm xuống là 1oo1.
Nếu cả 3 Transmitter ở trạng thái lỗi hoặc bypass thì sẽ kích hoạt đóng SDV.
Đầu ra của cụm có các van tay dùng cho người vận hành phân dòng cho dầu. Các nhánh đầu ra :
Ra Riser để đưa về giàn MSP-6
Qua bình đo V-400 để đo lưu lượng của giếng.
Qua bình xả V-200 thông qua các van an toàn.
Cụm có 2 van BDV sẽ mở khi có tín hiệu ESD để xả hỗn hợp dầu khí đọng lại trong đường ống sau khi SDV đóng lại.
Hình 4.44 : Sơ đồ bình đo V-400.
Sau khi qua cụm Inlet Manifold, một line sẽ được phân dòng vào bình đo V- 400 để đo lưu lượng sản phẩm của giếng đó. Bình V-400 sẽ tách 2 pha khí và lỏng ra để đo riêng. Sau khi 2 pha được đo riêng biệt xong sẽ nhập lại cùng với các giếng khác và đưa về Riser để đưa về giàn MSP-6.
Khí sẽ đi lên theo đường ống trên đĩnh bình và qua Transmitter FI401 để đo lưu lượng khí của giếng. Cũng như các bộ đo khí Gaslift, bộ đo khí FI401 sử dụng phương pháp đo chênh áp khi dòng chảy đi qua tấm lỗ. Để ổn định áp suất trong bình nhằm làm ổn định và giảm sai số đo, một vòng điều khiển PID được sử dụng để điều khiển áp suất trong bình bám theo giá trị Setpoint cho trước. Do vậy một van điều khiển PIC-401 được sử dụng kết hợp với một Transmitter áp suất PI-401 đọc áp suất trong bình để điều khiển áp suất trong bình.
Pha lõng gồm hỗn hợp dầu và nước sẽ lắng xuống đáy bình và qua bộ đo Micromotion Flowmetter để đo lưu lượng dầu và phần trăm nước trong dầu. Bộ đo Micromotion sẽ đo và truyền thông số đo về phòng điều khiển thông qua giao thức Modbus RTU. Tín hiệu Modbus RTU sẽ qua Terminal Server và chuyển đổi thành Modbus TCP và kết nối với Experion Server qua FTE Switch.
Ứng dụng SCADA của Experion PKS là Quick Builder sẽ lấy dữ liệu Modbus và download vào Server thành các SCADA Point. Các point sẽ được nhúng vào trang màn hình theo dõi thông số của bộ đo Micromotion .
Bộ đo Micromotion đo theo nguyên lý đo độ lệch pha của tần số rung được ghi nhận khi có lưu chất đi qua bộ đo. Nếu chất lỏng có khí thì sẽ dẫn đến kết quả đo không chính xác. Vì khí và lỏng vận di chuyển với vận tốc khác nhau, do vậy khí lọt vào sẽ tạo tích tụ lại tạo thành các nút khí, khi các nút khí đi qua ống cong của bộ đo sẽ tạo thành những dao động nhiễu và ảnh hưởng đến tần số tự nhiên của bộ đo gây sai số kết quả đo. Vì vậy, để giảm khí qua bộ đo, bình đo sẽ có một vòng điều khiển mức bình sao cho mức bình luôn bám theo một giá trị Setpoint đủ cao để tách phần lớn khí ra khỏi chất lỏng. Một vòng điều khiển PID sử dụng một van điều khiển mức bình LIC-400 được gắn trên đầu ra của bộ đo kết hợp với một Transmitter mức LI-400 sẽ điều khiển mức bình bám theo giá trị Setpoint cho trước.
Hình 4.46 : Vòng điều khiển mức bình
Hệ thống bảo vệ an toàn bình:
Để đảm bảo bình vận hành an toàn, Transmitter áp suất PTS-402 đo áp suất trong bình, LTS-400 đo mức bình và truyền tín hiệu về hệ thống SM. Khi áp suất và mức trong bình vượt ngưỡng an toàn thì hệ thống SM sẽ ra lệnh đóng SDV đầu vào để cô lập bình.
Van SDV-400 đầu vào của bình được thiết kế sao cho khi có ESD xảy ra thì van nagy lập tức đóng lại, van điều khiển áp suất bình PIC-401 và van điều khiển mức bình LIC-400 đóng lại nhằm cô lập bình. Đồng thời BDV-401 của bình mở ra nhằm đẩy hết áp suất dư trong đường ống ra bình xả.
Riser : là cụm trung chuyển của giàn. Riser có 4 nhánh :
Riser 01 : Nhận Gaslift từ MSP-6 . Đường cấp khí Gaslift từ giàn MSP-6
qua giàn ThTC-1 đi qua SDV901. Khi có tín hiệu ESD từ hệ thống SM thì SDV sẽ đóng lại để cô lập nguồn cấp Gaslift. Trên line có một Transmitter áp suất PI901 truyền tín hiệu về hệ thống PCS xử lý và hiển thị trên HMI cho người vận hành theo dõi áp suất trên đường ống.
Một Transmitter áp suất PTS901 truyền tín hiệu về hệ thống SM để giám sát áp suất trên đường ống. Khi áp suất đọc được từ PTS901 thấp hơn Setpoint thì hệ thống SM sẽ gây ra ESD-GL và ra lệnh cho SDV đóng lại.
Riser 03 : Chuyển hỗn hợp sản phẩm dầu khí sang MSP-6 :
Trên nhánh Riser 03 có 1 van SDV903, khi có tín hiệu ESD từ hệ thống SM thì SDV sẽ đóng lại.
Transmitter áp suất PI903 và TI903 làm nhiệm vụ đo áp suất và nhiệt độ trên đường ống và truyền tín hiệu về PCS. Phần mềm HMIWeb Display Building sẽ nhúng tín hiệu lên trang màn hình cho người vận hành theo dõi.
Trên nhánh có 2 Transmitter áp suất PTS903A và PTS903B làm nhiệm vụ đo áp suất và truyền tín hiệu về hệ thống SM để giám sát. Khi áp suất trên đường ống cao hơn mức Setpoint thì sẽ gây ra PSD trên nhánh Riser 03. Hai Transmitter áp suất hoạt động theo logic Voting 2oo2 :
Nếu có 2 Transmitter online thì voting logic sẽ là 2oo2 : Cả 2 Transmitter tác động (> 50Bar) thì sẽ kích hoạt PSD.
Nếu chỉ còn một Transmitter online thì voting sẽ giảm xuống là 1oo1.
Nếu tất cả các Transmitter ở trạng thái lỗi hoặc bypass thì sẽ kích hoạt PSD.
Riser 02 : Là nhánh Riser dự phòng cho Riser 03 nên có thiết kế hoàn toàn giống Riser 03. Nhánh này hiện nay không hoạt động và đang để dự phòng.
Riser 04 : Nhánh nhận nước ép vỉa từ MSP-6. Trên nhánh có một
Transmitter áp suất PI904 để theo dõi áp suất nước ép vỉa cấp cho giàn. Transmitter truyền tín hiệu về hệ thống PCS và hiển thị cho người vận hành theo dõi áp suất trên đường ống.