Проект «Сахалин-2»

Опубликовано 07.09.2011 13:53

Список сокращений

ESD – сигнал аварийного отключения платформы
LUN - A –платформа Лунское
TIAMS - Система Мониторинга Ускорений, Наведенных на Конструкции Верхней Палубы
АЦП – аналого-цифровой преобразователь.
БУИ – блок удаленный измерительный
ВИС – выносная измерительная система.
ГКО – Главная комната с оборудованием
ЕСКБ - Единая система контроля и безопасности
ИИУК – информационно измерительный управляющий комплекс
МАЦП – Модуль аналога – цифрового преобразователя
МПИ – Модуль первичных преобразователей
МУК – модуль управления калибровкой.
РА-В – платформа Пилтун – Астохское
СКП – система контроля платформы
СНУП – система накопления, управления, предобработки данных.
СНУП-М – модифицированная СНУП.
ТСКП-У - Терминал связи кабельный полевой удаленный
ТСКП-Ц - Терминал связи кабельный полевой центральный
УАО – унифицированное автоматизированное оборудование
ШУ – шкаф управления

В соответствии с проектом «Сахалин-2» фирма Sakhalin Energy Investment Company строит на шельфе у острова Сахалин морские газо-нефтедобывающие платформы PA - B и LUN - A .

Платформы располагаются в сейсмически опасной зоне, где могут быть разрушительные землетрясения.

С целью уменьшения риска экологических катастроф, которые могут возникнуть при добыче нефти и газа в результате воздействия на платформы разрушительного землетрясения, Заказчик принял решение оснастить их системами мониторинга ускорений, наведенных на конструкции верхней палубы ( далее по тексту «Система…»).

Был проведен тендер на разработку и изготовление систем мониторинга ускорений, наведенных на конструкции верхней палубы, который выиграл Институт Геоэкологии РАН. В соответствии с техническим заданием Заказчика отдел Информационно-измерительных систем ИГЭ РАН разработал и изготовил в 2005-2006 гг. «Систему…» для двух нефтегазодобывающих морских платформ Пильтун –Астохского (платформа PA - B ) и Лунского (платформа LUN - A ) месторождений.

Платформы LUN - A и PA - B сложнейшие технические сооружения. Каждая платформа имеет по три палубы размером с футбольное поле. Платформа стоит на четырех бетонных ногах – опорах. Диаметр ног от 16 до 24 метров , высота – около 60 метров , глубина моря в месте размещения платформ – 30…35 метров. Нижние палубы находиться на уровне ~ 27 метров , а верхние – 50…60 метров над поверхностью моря.

В верхних частях опор имеются фрикционные маятниковые подшипники, которые гасят горизонтальные колебания при сейсмических и ударных воздействиях на опоры платформ.

Основная функция системы мониторинга наведенных ускорений - отличать опасные землетрясения от других ударных воздействий на платформу (воздействия ледовых полей, удара корабля и волн, захваты бурового инструмента при проведении буровых работ), которые могут вызвать на конструкции верхней палубы ускорения такой же величины, как и при разрушительных землетрясениях. В случае распознавания опасного землетрясения, ускорения от которого превысят опасный порог 0,5 g , заданный Заказчиком, в любой точке конструкции верхней палубы, система мониторинга должна вырабатывать сигнал аварийного отключения оборудования платформы.

Таким образом, система мониторинга ускорений должна обеспечивать безопасность при эксплуатации газо-нефтедобывающих платформ.

Следует заметить, что в мировой практике систем распознавания опасных землетрясений от других ударных воздействий, вызывающих ускорения такой же силы, что и землетрясения не существует.

При создании системы мониторинга пришлось решать следующие задачи, обусловленные требованиями Заказчика и особенностями конструкции платформ:

• Система мониторинга ускорений должна работать в суровых климатических условиях эксплуатации - -40?С….+50?С, в агрессивной среде (морской туман);
• Система мониторинга ускорений должна работать в газоопасной среде, то есть удовлетворять требованиям искро-взрывобезопасности;
• Система мониторинга ускорений должна удовлетворять требования международного стандарта IEC 61508 « Системы электрические/электронные/программируемые электронные, связанные с функциональной безопасностью»;
• Проведение сертификации элементов системы и системы в целом;
• Создание имитации всех входных нагрузок на стадии приемо-сдаточных испытаний;
• Установление требований по частотному и динамическому диапазонам измеряемых ускорений;
• Определение откликов конструкции палубы платформы на опасные воздействия;
• Разработка методики по оптимальному размещению акселерометров и минимизации конфигурации системы.

В основе наших решений было унифицированное автоматизированное оборудование (УАО) для оснащения прогностических полигонов сейсмоопасных районов России, разработанное в Сейсмологическом Центре ИГЭ РАН С 1996 по 1998 годы в рамках Федеральной целевой программы "Развитие Федеральной сейсмологической системы наблюдений и прогноза землетрясений в 1996 -2000 гг." ( описание УАО приведено на сайте ИГЭ РАН www . geoenv . ru ).

Компанией АМЕС была разработана математическая модель платформы в системе ABAQUS и проведено моделирование воздействия землетрясений на платформы. Сотрудники ИГЭ РАН формализовали все заданные внешние ударные нагрузки и промоделировали их воздействие в системе ABAQUS на моделях платформ, предоставленных Заказчиком. Был проведен сравнительный анализ откликов платформ на ударные воздействия и на землетрясения (проанализировано более 60 тыс. графиков и диаграмм).

На 1-м этапе ИГЭ РАН выполнил следующие работы:

• Теоретическое обоснование физических характеристик внешних несейсмических воздействий на платформу, определены их конкретные характеристики: величина и направление действующих сил, временная зависимость.

• Численное моделирование 17 вариантов воздействий в системе ABAQUS внешних несейсмических воздействий на модели, разработанной АМЕС.

• Качественный физический анализ особенностей отклика верхней части платформы на землетрясения и другие ударные нагрузки, определение основных направлений и методов математической обработки и анализа результатов моделирования.

• Разработан программно-технологический комплекс обработки результатов моделирования и проведен анализ результатов моделирования сейсмических и несейсмических воздействий.

• Выбраны места расположения и количество датчиков (6) и разработаны требования к их установке.

• Разработан алгоритм распознавания землетрясений от несейсмических воздействий, алгоритм определения момента подачи сигнала аварийного отключения оборудования платформы ( ESD ).

• Опыт создания подобной системы и ее эксплуатации в экстремальных климатических условиях чрезвычайно важен при решении подобных задач для других, не менее экологически опасных объектах. К ним относятся предприятия атомной энергетики, химические предприятия, высотные дамбы, плотины. Аналогичной системой могли бы решаться многие задачи обеспечения безопасности мегаполисов.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА УСКОРЕНИЙ, НАВЕДЕННЫХ НА КОНСТРУКЦИИ ВЕРХНЕЙ ПАЛУБЫ ГАЗО-НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ ПЛАТФОРМ ( TOPSIDES INDUCED ACCELERATION MONITORING SYSTEM – TIAMS ).

Структурно-функциональная схема TIAMS изображена на рисунке 1.

В состав Системы входит 6 Блоков удаленных измерительных и оборудование, размещенное в Шкафу управления.

Внешний вид БУИ показан на рис.2.,3,4. Внешний вид ШУ показан на рис.5 и 6.

Состав БУИ дан в таблице 2

Таблица 2

Трехкомпонентные акселерометры ( T А), ВИС, ТСКП-У конструктивно объединены в блок удаленный измерительный (БУИ), который выполнен как полевой прибор, допускающий его эксплуатацию в опасных средах и жестких условиях. БУИ размещается непосредственно в точке измерения.

Рис 7. Акселерометр трехкомпонентный ( модуль первичных преобразователей и модуль формирования частотных характеристик)

Остальные элементы ИИУК размещаются в шкафу управления (ШУ), который размещается в главной комнате оборудования (ГКО) газонефтедобывающей платформы.

В состав ШУ входят:

Сигналы, поступающие от БУИ в шкаф управления, передаются по стандартному интерфейсу RS -485. Скорость передачи данных по последовательным портам 115200 бит/с. Сбор и предварительная обработка информации, поступающей от БУИ осуществляется в СНУП. СНУП-M осуществляет промежуточное хранение данных, полученных от СНУП, формирует информационные блоки в заданном формате, обработку информации по заданному алгоритму обнаружения опасных сейсмических событий и передачу их через стандартный последовательный интерфейс RS -485 в управляющий компьютер для регистрации, визуализации и текущего контроля состояния оборудования. В случае обнаружения опасного сейсмического события СНУП-M выдает сигнал ESD . Хранение, обработка полученной информации и визуализация производится на обрабатывающем компьютере

TIAMS разработана для автоматического режима эксплуатации, выполняя все функции по контролю и управлению элементами системы автоматически.

TIAMS обладает встроенными средствами диагностики технических средств и осуществляет автоматическое выявление аварийных ситуаций. При этом TIAMS вырабатывает сигнал тревоги « FAILURE » ( ALARM ).

Управляющий компьютер и обрабатывающий компьютер обеспечивают человеко-машинный интерфейс ( HMI ) в системе управления. На управляющем компьютере задаются режимы работы TIAMS , изменяется конфигурация, на мониторе отображается текущее состояние элементов системы, результаты диагностики, аварийные сообщения и пр.

Режимы работы TIAMS

TIAMS имеет следующие режимы работы:

• режим конфигурирования (ввода задания);
• рабочий режим;
• режим тестирования.

Режим конфигурирования позволяет установить логические адреса БУИ, калибровочные коэффициенты установленных акселерометров, пороги для отслеживания опасных сейсмических событий, местонахождение и длины файлов для записи получаемых от системы данных и т.д..

При включении питания TIAMS переходит в рабочий режим, работа в которого начинается с выбора задания, введенного в режиме конфигурирования. После самодиагностики и оценки адекватности задания реальной конфигурации TIAMS начинает мониторинг ускорений в выбранных точках платформы, анализ событий и выдачу сигнала ESD при распознавании опасного землетрясения по заданному алгоритму, производит периодическую калибровку акселерометров.

Режим тестирования позволяет производить детальное обследование работоспособности модулей.

Включение системы

При подаче питания включение системы происходит в три этапа:

• самотестирование;
• задание параметров конфигурации;
• запуск системы.

Самотестирование

При включении все программируемые устройства, входящие в систему (ВИС, МУК, СНУП, СНУП- M , Контролирующий компьютер) проводят самотестирование и проверку связи с нижестоящими устройствами. Функции тестирования конкретных устройств описаны в разделе «Мониторинг работоспособности».

После самотестирования и определения работоспособности подключенных программируемых устройств СНУП проводит начальную калибровку акселерометров.

Результаты самотестирования передаются по запросам вышестоящим устройствам.

После окончания самотестирования всех модулей результаты выдаются на экран управляющего компьютера и заносятся в протокол. Результатами являются:

• дерево адресов устройств;
• результаты самотестирования каждого устройства – исправно или перечисление неисправностей;
• результаты калибровки каждого акселерометра.

При обнаружении неисправностей СНУП-М выдает сигнал « Failure » в систему контроля платформы (СКП). Если неисправности не приводят к полной потере работоспособности системы, то система продолжает функционирование со следующими ограничениями:

• при отказе калибровочной платформы калибровка не производится до ее замены;
• при отказе одного из акселерометров усреднение производится по двум оставшимся;
• при отказе БУИ или СНУП система продолжает работать, но вероятность ложного срабатывания увеличивается;
• при отказе активного СНУП-М его функции выполняет дублирующий;
• при отказе порта или линии связи RS -485-1 СНУП-М связь осуществляется по дублирующему порту RS -485-2;
• при отказе управляющего компьютера его функции выполняет дублирующий;

Если не обнаружено фатальных неисправностей система переходит к этапу задания параметров конфигурации, в противном случае система считается неработоспособной до устранения неисправностей.

Задание параметров конфигурации

После окончания самотестирования система проверяет наличие рабочего задания, в котором содержатся параметры системы и ее конфигурация. Параметры содержатся в файле с фиксированным именем на управляющем компьютере. Если конфигурация системы определенная на этапе самотестирования совпадает с конфигурацией записанной в файле рабочего задания, то производится автоматический запуск системы (если установлен параметр автозапуска).

Если файл рабочего задания отсутствует, некорректный или не соответствует конфигурации системы определенной на этапе самотестирования, то система ожидает ввода корректных параметров, которые состоят из:

• Дерево серийных номеров и адресов устройств;
• Частота оцифровки ускорений;
• Используемые каналы ВИС;
• Периодичность тестирования и калибровки акселерометров;
• Коэффициенты пересчета показаний АЦП в ускорения;
• Пороговое значения ускорений;
• Параметры алгоритма обнаружения землетрясений;

После ввода корректных параметров запуск системы осуществляется оператором.

Запуск системы

По команде запуска производится:

• синхронизация службы времени со службой времени платформы;
• передача рабочего задания всем нижестоящим устройствам.
• запуск всех устройств.

Мониторинг работоспособности

• Каждое устройство периодически проводит самодиагностику и сообщает результаты вышестоящему устройству.
• Каждое устройство проводит мониторинг нижестоящих устройств.
• Каждое устройство контролирует связь с нижестоящими устройствами.
• Два СНУП-М проверяют работу друг друга и, в случае отказа основного СНУП-М, дублирующий принимает на себя его функции.
• В случае любого зарегистрированного отказа любой из СНУП-М включают сигнал « FAILURE ».
• Информация об обнаруженных неисправностях отображается на экране управляющего компьютера и заносится в протокол.
• Вся диагностика выполняется как в автоматическом режиме по программе, так и по командам оператора.
• Все процессорные устройства (ВИС, МУК, СНУП, СНУП- M , контролирующий компьютер) имеют WatchDog таймеры для предотвращения зависания программ.

Функции диагностики БУИ

Функции диагностики ВИС

Микроконтроллер ВИС производит следующую диагностику:

• памяти программ ВИС;
• памяти данных ВИС;
• памяти EEPROM ВИС;
• работоспособность АЦП ВИС;
• отклонения частоты оцифровки АЦП ВИС;
• корректность рабочего задания для АЦП ВИС;
• ведет статистику ошибок линии связи с СНУП.

Диагностика выполняется как в автоматическом режиме так и по командам СНУП.

Результаты диагностики передаются по запросам в СНУП.

Функции диагностики МУК

Микроконтроллер МУК производит следующую диагностику:

• памяти программ МУК;
• памяти EEPROM МУК;
• энергонезависимой внешней памяти МУК;
• наличие задания для калибровки акселерометров;
• работоспособность мотора;
• скорость вращения мотора;
• частоту колебаний калибровочной платформы;
• положение платформы в рабочем режиме;
• выдает сигналы « SELF TEST » для электронного тестирования акселерометров.
• ведет статистику ошибок линии связи с СНУП.

Диагностика выполняется как в автоматическом режиме, так и по командам СНУП.

Результаты диагностики передаются по запросам в СНУП.

Функции диагностики СНУП

Микропроцессор СНУП производит следующую диагностику:

• памяти программ СНУП;
• памяти данных СНУП;
• посылает команды тестирования и калибровки БУИ (ВИС и МУК);
• запрашивает результаты диагностики у БУИ;
• анализирует данные акселерометров и оценивает их работоспособность и калибровочные параметры;
• анализирует работоспособность линии связи с БУИ;
• ведет статистику ошибок линии связи с СНУП-М

Диагностика выполняется как в автоматическом режиме, так и по командам СНУП-М.

Результаты диагностики передаются по запросам в СНУП-М.

Функции диагностики СНУП-М

Микропроцессор СНУП-М производит следующую диагностику:

• памяти программ СНУП-М;
• памяти данных СНУП-М;
• посылает команды тестирования и калибровки во все СНУП;
• запрашивает результаты диагностики у СНУП;
• анализирует работоспособность линии связи со всеми СНУП;
• анализирует работоспособность дублирующего СНУП-М
• ведет статистику ошибок линии связи с дублирующим СНУП-М
• анализирует работоспособность основного и дублирующего управляющего компьютера
• ведет статистику ошибок линии связи с дублирующим СНУП-М
• анализирует работоспособность линии связи с дублирующим СНУП-М;
• ведет статистику ошибок линии связи с основным и дублирующим управляющим компьютером.
• анализирует работоспособность линии связи с основным и дублирующим управляющим компьютером;
• контролирует исправность источников вторичного питания.

Диагностика выполняется как в автоматическом режиме, так и по командам управляющего компьютера.

Результаты диагностики передаются по запросам в управляющий компьютер.

При обнаружении неисправностей СНУП-М выдает сигнал « Failure » в систему контроля платформы ( PCS ).

Функции диагностики УК

Управляющий компьютер выполняет следующие функции диагностики:

• передает задание на проведение автоматической диагностики и калибровки нижестоящим устройствам;
• передает задание на проведение диагностики и калибровки нижестоящим устройствам по командам оператора;
• собирает результаты диагностики всех устройств от СНУП-М.
• отображает на экране монитора состояние всех устройств.
• записывает в протокол сообщения о всех неисправностях и восстановлении работоспособности.

Все функции диагностики и хранения данных выполняются одновременно на основном и дублирующем управляющем компьютере. Команды также могут отдаваться с любого из управляющих компьютеров.

Проведение измерений и сохранение данных

Измерения начинаются по команде запуска и проводятся с частотой, заданной в конфигурационном файле.

В каждом БУИ результаты измерений трех акселерометров накапливаются в памяти двух ВИС и передаются по запросам в СНУП.

СНУП производит усреднение и накопление усредненных результатов в своей памяти данных.

Оба СНУП-М считывают результаты измерений со всех СНУП.

Управляющие компьютеры считывают все результаты измерений в свои кольцевые буферы на жесткий диск.

Управляющие компьютеры обрабатывают полученные результаты измерений для обнаружения событий превышающих заданный порог и вырабатывает команду записи этих событий в архив на жестком диске.

Выработка сигнала « ESD »

Оба СНУП-М М обрабатывают полученные результаты измерений по заданному алгоритму поиска опасных сейсмических событий и при обнаружении сейсмического события превышающего заданный порог выдают сигнал « ESD » в единую систему контроля и безопасности (ЕСКБ) для аварийного отключения платформы.

Выключение системы

Система позволяет без потери работоспособности всей системы отключать любые устройства для профилактики или ремонта, за исключением одновременного отключения дублирующих устройств (более двух БУИ одновременно, более двух СНУП одновременно, двух СНУП-М одновременно).

Для отключения всей системы необходимо подать команду « STOP » с управляющего компьютера. После чего можно выключать питание всей системы.

Рис. 1 Структурная схема «Системы ..»

Технические характеристики и описание работы БУИ

Технические характеристики БУИ приведены в табл. 1

Принцип действия БУИ основан на преобразовании трехкомпонентными акселерометрами наведенных линейных ускорений в аналоговые электрические сигналы с последующим аналого- цифровым преобразованием.

Трехкомпонентные акселерометры выполняют преобразование текущих значений ускорения по трем взаимно перпендикулярным осям в выходное напряжение.

Каждый акселерометр снабжен устройствами самотестирования и калибровки.

Самотестирование основано на изменении по команде “ Self - Test ” положения инерционной массы первичного преобразователя под воздействием электростатической силы, соответствующей приблизительно 20% калиброванного диапазона измерения (полной шкалы). Таким образом проверяется работоспособность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.

Электромотор в связке с редуктором, механизм привода, платформа, ДПП и МУК функционально образуют устройство калибровки, обеспечивающее режим калибровки, при котором положение платформы должно меняться по заданному закону. Управление процессами калибровки и самотестирования АТ выполняется Модулем управления калибровкой, который формирует сигнал самотестирования “ Self - Test ” и управляет работой электромотора, приводящего в движение платформу. Платформа предназначена для расположения, закрепления и взаимной ориентации трех МПИ. Платформа закреплена на подшипниках, установленных на опорах платформы. Платформа может изменять свое положение относительно продольной оси в диапазоне 0?…+45?. С помощью кривошипно-шатунного механизма, соединяющего ведущий вал электромотора и платформу, на нее передается момент, обеспечивающий колебательные движения платформы вокруг собственной оси. Частота колебаний платформы выбрана равной значению центральной частоты рабочего диапазона и составляет 1,0 Гц. Для обеспечения возвращения платформы в исходное (измерительное) положение применен датчик положения платформы, сигнал которого используется МУК для управления работой электромотора.

Калибровка акселерометрического измерительного канала основана на периодическом с частотой 1 Гц изменении положения в пространстве первичных акселерометрических преобразователей, входящих в состав МПИ, которые размещены на платформе. При этом методе изменяется проекция ускорения свободного падения на ось чувствительности датчика. Амплитуда вариаций этой проекции составляет около 0,15 g (1,5 м/с²) и является калибровочной константой. Значение калибровочной константы является опорной величиной при проведении периодической калибровки акселерометрических измерительных каналов.

Преобразование выходных аналоговых сигналов трехкомпонентных акселерометров в числовой код выполняют две Выносные измерительные системы, каждая из которых состоит из МАЦП и ММК, управляющего процессами аналого-цифрового преобразования, самотестирования, приема и передачи данных.

Процессы измерения амплитуды ускорения, тестирования и калибровки производятся по командам от ШУ в соответствии с рабочей программой системы мониторинга ускорений индуцируемых на верхнюю часть платформы ( TIAMS ).

В процессе создания TIAMS ИГЭ РАН получил Cертификаты :

1. Разрешение на применение Ростехнадзора.
2. Сертификат соответствия на электромагнитную совместимость.
3. Сертификат соответствия на взрывобезопасность.
4. Сертификат утверждения типа на элементы системы (ВИС. СНУП. ТСКП_Ц. ТСКП-У)
5. В стадии оформления Сертификат утверждения типа на всю систему в целом
6. В стадии оформления Сертификат утверждения типа на трехкомпонентный акселерометр
7. В процессе работы ИГЭ РАН сертифицировался по стандарту ISO 9001.