صنعت نفت و گاز یکی از بزرگترین صنایع جهان است که صدها هزار نفر را در سراسر دنیا به کار گرفته و سالانه میلیاردها دلار درآمد ایجاد میکند. در کشور ما نیز صنعت نفت، گاز و پتروشیمی سال ها است که به عنوان اصلی ترین منبع درآمدی و یکی از مهمترین ارکان اقتصادی کشور شناخته میشود و نقش بسزایی در تأمین انرژی، ایجاد اشتغال، توسعه زیرساختها و تأمین منابع ارزی دارد. از این رو، توسعه و بهکارگیری فناوریهای نوین در این صنعت، بهویژه در زمینه افزایش بهرهوری، کاهش هزینهها، ارتقای ایمنی و حفاظت از تجهیزات، از اهمیت ویژهای برخوردار است. در این سری از مقاله ها قصد دارم با ارائه یک راهنمای جامع تجربیات چندین ساله خود را در این زمینه به اشتراک بگذارم. خواندن این مقاله ها به کلیه مهندسین و علاقه مندان این حوزه پیشنهاد می گردد.
حوزه های کلیدی صنعت نفت و گاز
- بالادستی (Upstream): شامل عملیات اکتشاف (جستوجوی ذخایر نفت خام)، حفاری، توسعه پروژه و اجرای آن، بهعلاوه تولید و نگهداری زیرساختها.
- میاندستی (Midstream): شامل حملونقل، ذخیرهسازی و فرآورش نفت و گاز. در این مرحله، محصول توسط تانکرهای نفتکش، خطوط لوله یا ناوگان حملونقل جادهای به پالایشگاه منتقل میشود.
- پاییندستی (Downstream): شامل جداسازی نفت خام، پالایش نفت و گاز طبیعی به محصولات قابلاستفاده، و همچنین بازاریابی و توزیع محصول نهایی (مانند جایگاههای سوخت).
انواع تأسیسات نفت و گاز
این تأسیسات سایتهایی هستند که از تجهیزات شیمیایی، فیزیکی، الکتریکی و مکانیکی برای انجام یکی از مراحل تولید، تصفیه یا حملونقل نفت خام در مقیاس صنعتی بهره میبرند. این تأسیسات بسته به نوع محیط (از بسیار سرد تا بسیار گرم) در خشکی (Onshore) یا دریا (Offshore) واقع شدهاند.
- فراساحل (Offshore): عملیات در آبهای اقیانوسی و در اعماق مختلف انجام میشود؛ شامل سکوها (Platform)، شناورهای تولید، ذخیرهسازی و تخلیه (FPSO) و تأسیسات زیردریایی (subsea).
- خشکی (Onshore): عملیات روی زمین انجام میشود؛ شامل دکل حفاری (Drilling Rig)، سایتهای تولید، مخازن ذخیرهسازی، تأسیسات LNG و پالایشگاهها (refinery).
محصولات هیدرو کربنی
سوختهای فسیلی (Fossil Fuel) زمانی تشکیل میشوند که مقادیر زیادی از میکروارگانیسمها در زیر لایههای رسوبی مدفون شده و در طی میلیونها سال تحت فشار و دمای شدید قرار بگیرند. این هیدروکربنها مخلوطی از ترکیبات مولکولی با تعداد متغیری از اتمهای هیدروژن و کربن (آلکانها) هستند. سوختهای فسیلی اصلی شامل زغالسنگ، نفت و گاز طبیعی هستند که انسان از طریق معدن کاری و حفاری استخراج میکند.
اصطلاح Petroleum به طور کلی به نفت خام، گاز طبیعی و ناخالصیهای دیگر اطلاق میشود. نسبت نفت به گاز و ترکیبات شیمیایی آن، بسته به جغرافیا و شرایط محیطی (دما و فشار) که تحت آن بوده است، متغیر است.
نفت خام (Crude Oil): نفت خام محصولی طبیعی و خام است که از ذخایر هیدروکربنی و سایر مواد آلی تشکیل شده و برای تولید بنزین، گازوئیل و سایر محصولات پتروشیمی پالایش میشود. هر یک بشکه نفت خام معادل ۱۵۹ لیتر می باشد.
گاز طبیعی (Natural Gas): هیدروکربنی گازیشکل، بیرنگ و بهشدت قابل اشتعال است که عمدتاً از متان و اتان تشکیل شده است. این نوعی از نفت است که معمولاً همراه با نفت خام یافت میشود و برای تولید برق، گرمایش، پختوپز و سوخت برخی وسایل نقلیه به کار میرود.
فرآورده های نفت خام
پالایش نفت خام به مجموعه فرآیندهایی گفته میشود که بر روی نفت خام استخراج شده انجام میشود تا این ماده به فرآوردههایی هیدروکربنی مانند بنزین، گازوئیل، برخی از سوختها و .. تبدیل شود.
گاز مایع (LPG): گاز مایع (Liquefied Petroleum Gas) حاصل فرآورش گاز طبیعی و پالایش نفت خام است. حدود ۶۰ درصد LPG جهان از گاز طبیعی و ۴۰ درصد باقیمانده از پالایش نفت خام به دست میآید. هنگام استخراج گاز طبیعی از زمین، محصول هیدروکربنی حاصل، مخلوطی از چندین گاز و مایع است. حدود ۹۰ درصد آنچه از گاز طبیعی بازیابی میشود، متان است و ۱۰ درصد دیگر شامل پروپان، بوتان و اتان است که پس از مایعسازی به نام LPG شناخته میشود. LPG معمولاً به عنوان سوخت موتور وسایل نقلیه، سوخت ژنراتورهای پشتیبان و سوخت گرمایشی برای پختوپز (مانند کبابپزهای گازی و اجاقها) استفاده میشود. برخلاف گازوئیل، LPG میتواند بهصورت نامحدود و بدون افت کیفیت ذخیره شود.
مراحل اجرای یک پروژه نفت، گاز پتروشیمی
- اکتشاف (Exploration): جستوجو برای منابعی مانند نفت خام و گاز طبیعی در پوسته زمین.
- حفاری (Drilling): استفاده از دکل (Rig) برای سوراخ کردن زمین با مته جهت ایجاد چاه و دسترسی به مخزن نفت خام.
- طراحی و مهندسی (Design & Engineering): انجام مطالعات امکانسنجی، طراحی و تهیه مستندات فنی لازم برای تحقق و اجرای تأسیسات.
- تدارکات (Procurement): خرید تجهیزات، استعلام قیمت از تأمینکنندگان مورد تأیید، تهیه و مدیریت لیست مناقصات و واگذاری قراردادها.
- ساخت و نصب (Construction and Installation): پیادهسازی طرح از طریق ساخت (Fabrication) و نصب زیرساختها.
- راهاندازی (Commissioning): برقدار کردن تأسیسات و انجام تستها و رویههای لازم برای اثبات توانایی عملیاتی پروژه.
- بهرهبرداری و نگهداری (Operations and Maintenance): فعالیتهای لازم جهت حفظ تولید برای تحقق سود مورد انتظار و نگهداری از تأسیسات جهت حفظ داراییها.
- نوسازی و بازسازی (Upgrade and Revamping): پروژهای مستقل شامل بهروزرسانی، ارتقا یا افزایش ظرفیت تولید احتمالی در تأسیسات موجود که میتواند در تمام مراحل پیشین باشد.
قراردادها (Contractual Agreements)
در هر پروژه، قراردادی بین طرفین ذینفع منعقد میشود؛ طرفین شامل: شرکت ملی نفت، شرکتهای بزرگ نفتی، پیمانکار اصلی، پیمانکار فرعی و تأمینکنندگان (Vendors). هزینه پروژه میتواند بسیار سنگین باشد و تا رسیدن به سود معمولا سالها زمان نیاز است. آگاهی از نوع قرارداد امضا شده ضروری است، زیرا انتظارات از مزایای آن متفاوت است؛ مواردی مانند: توجیه هزینه و زمان، الزامات گزارشدهی، تحویل پروژه طبق زمانبندی یا بودجه، و تقسیم ریسک و توانمندیها.
طرفین قرارداد
- شرکت ملی نفت (NOC): شرکت نفت و گازی که تمام یا اکثریت سهام آن متعلق به دولت است.
- شرکت بزرگ نفتی / اپراتور (Oil Major Company/Operator): شرکتهای نفت و گاز سهامی عام که به عنوان مدیر کل و تصمیمگیرنده نهایی پروژه حفاری عمل میکنند.
- پیمانکار اصلی (Main Contractor): مسئولیت کلی پروژه برای اجرای یکی از مراحل EPCIC یعنی مهندسی(Engineering)، تدارکات(Procurement)، ساخت(Construction)، نصب(Installation) و راهاندازی(Commissioning) را بر عهده دارد.
- پیمانکار فرعی (Subcontractor): موظف به ارائه خدمات تخصصی یا تأمین مواد و تجهیزات به صورت پکیج می باشد.
رشتههای فنی اصلی مورد نیاز
- سازه (Structural): طراحی و ساخت ساختمانها و سازههایی که ایمن بوده و در برابر عوامل محیطی مقاوم باشند؛ همچنین بهبود یکپارچگی سازهای ساختمانهای موجود.
- برق (Electrical): طراحی، توسعه، نصب و نگهداری سیستمهای الکتریکی مانند تولید و توزیع برق. مسئولیت ایزولاسیون تجهیزاتی مانند موتورها و پمپها برای حفاظت در برابر خطرات الکتریکی نیز بر عهده این بخش است.
- پایپینگ (Piping): طراحی و ساخت سیستمهای لولهکشی برای انتقال مایعات یا گازها. این سیستم، تجهیزات یک کارخانه را به هم متصل میکند تا فرآیند شکل بگیرد و شامل لوله های اسپول (piping spools) پیش ساخته با فعالیتهای جوشکاری و برش آن ها است.
- مکانیک (Mechanical): طراحی، توسعه، نصب و نگهداری تجهیزات دوار مانند پمپها، موتورها و توربینها. در بخش نگهداری، مکانیک مسئول عملیات لولهکشی نیز میباشد.
- ابزار دقیق (Instrumentation): طراحی، نصب و نگهداری دستگاههایی که متغیرهای فیزیکی را اندازهگیری و کنترل میکنند تا بهرهوری، کیفیت و معیارهای زیستمحیطی کارخانه محقق شود. همچنین شامل تجهیزات سیستم اعلام و اطفای حریق (F&G) است که ایمنی تأسیسات را تضمین میکند.
مراحل فعالیتهای رشته ابزار دقیق
- مهندسی: نصب، طراحی و تحویل مستندات، لیست متریال یا MTO (مخفف Material Take-off) و تدارکات.
- ساخت: پشتیبانی از ساخت و نصب، نصب سینی کابل(cable tray)، نصب تجهیزات، کابلکشی، تیوبینگ، و سربندی سیمها.
- پیشراهاندازی (Pre-commissioning): تست عایقی/تداوم کابلها، تست نشتی تیوبینگ.
- راهاندازی (Commissioning): برقدار کردن تجهیزات، تست لوپ (Loop Check)، تست عملیاتی و شبیهسازی فرآیند.
- تعمیر و نگهداری: شامل فعالیت های پیشگیرانه (Preventive) و اصلاحی (Curative).
استانداردها و مشخصات فنی (Standards & Specifications)
- استانداردها: مجموعهای از دستورالعملها یا الزامات که عموماً توسط صنعت پذیرفته شده و رعایت میشوند. با اعمال استانداردها، صنعت از شیوهها و زبان مشترک برای بهبود کیفیت، ایمنی، کاهش هزینه و حفظ دانش فنی استفاده میکند. با وجود رقابت بینالمللی استانداردها، امروزه مؤسسات به سمت همسویی و مکمل بودن حرکت میکنند. استانداردهای حاکم بر هر پروژه به کشور مبدأ میدان نفتی و کشور مبدأ اپراتور بستگی دارد. (برخی استانداردها: ISA, ANSI, API, EEMUA, IEEE, IEC, EN, BS, ISO). در کشور ایران استانداردهای IPS (مخفف Iranian Petroleum Standard) توسط شرکت ملی نفت ایران توسعه داده شده است.
- مشخصات فنی (Specifications): دستورالعملها و الزاماتی هستند که در صورت لزوم، اولویت بالاتری نسبت به استانداردها دارند. هدف این است که از بهترین تجربیاتِ شرکتِ اپراتور استفاده شود. این مشخصات میتواند به یک استاندارد ارجاع دهد یا جزئیات دقیقتری ارائه کند و مالکیت آن در اختیار شرکت اپراتور است که میتواند پیمانکار را ملزم به رعایت کامل یا جزئی آن نماید.
سیستم های ابزاردقیق
ابزارهای اندازهگیری (Measuring Instruments): یک کمیت فیزیکی (مربوط به متغیرهای فرآیند) را توسط سنسور خود اندازهگیری کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی استاندارد تبدیل میکنند. این سیگنال به ورودی سیستم محاسباتی ارسال میشود تا عملیات منطقی را مدیریت کند.
ابزارهای کنترلی (Control Instruments): یک سیگنال فرمان استاندارد را از خروجی سیستم محاسباتی دریافت میکنند تا بر روی کمیت فیزیکی فرآیند اثر بگذارند.
اتاق فنی (Technical Room) و اتاق کنترل (Control Room): در حالی که ابزارهای اندازهگیری یا کنترلی در محیط بیرونی و داخل تأسیسات فرآیندی (که معمولاً به آن میدان/فیلد/Field گفته میشود) قرار دارند، سیستم محاسباتی در فضای داخلی و در اتاق فنی یا اتاق کنترل مستقر است.
سیستم کنترل صنعتی (Industrial Control System – ICS)
سیستم محاسباتی اصلی که سیستم کنترل صنعتی (ICS) نامیده میشود، مجموعهای از اجزای سختافزاری و نرمافزاری است که از طریق یک پروتکل ارتباطی یکسان با یکدیگر در ارتباط هستند. انواع معماریهای ICS بسته به اندازه تأسیسات و تعداد تجهیزات (ورودی/خروجیها یا I/O) متفاوت است. همچنین این معماریها از نظر سطح ایمنی(Safety)، امنیت(Security)، افزونگی(Redundancy) قابلیت کنترل از راه دور و مدیریت دادهها با هم تفاوت دارند.
سیستمهای DCS و SCADA
معماریهای معمول ICS در واحدهای نفت و گاز عبارتند از:
- سیستم کنترل توزیعشده (Distributed Control System – DCS): معمولاً در یک واحد فرآیندی مستقل و بزرگ با اتاق کنترل مستقر در محل (On-site) استفاده میشود تا قابلیت اطمینان(Reliability) و امنیت(Security) بالایی را تضمین کند.
- سیستم کنترل نظارتی و گردآوری داده (Supervisory Control and Data Acquisition – SCADA): مقیاسپذیری بیشتری دارد و امکان نظارت از راه دور بر چندین سایت را بدون محدودیت جغرافیایی فراهم میکند.
تفاوتهای کلیدی:
- SCADA: رویداد-محور (Event-driven) است، اولویت آن گردآوری دادههاست و به دلیل پشتیبانی از پروتکلهای ارتباطی متنوع، انعطافپذیری بیشتری نسبت به DCS دارد.
- DCS: معمولاً به صورت یک راهکار کاملاً یکپارچه شامل نرمافزار و کتابخانههای منطقی پیشساخته (بلوکها و توابع منطقی آماده) ارائه میشود، در حالی که سیستم SCADA معمولا برای یکپارچه سازی با سیستمهای متنوع انعطاف پذیرتر است اما برای راه اندازی کامل به نرمافزارهای جانبی بیشتر و ساخت پایگاه داده اختصاصی نیاز دارد.
امروزه سیستمهای ICS به سمت سیستمهای SCADA تعمیمیافته با معماری DCS یکپارچه (شامل اتصال اترنت و سیستمعامل ویندوز) حرکت میکنند. این روند باعث شده ICS به یک سیستم IT نزدیکتر شود که البته این امر ریسک مواجهه با تهدیدات امنیت سایبری (Cyber Security) را نیز افزایش میدهد.
پروتکلهای ارتباطی تلهمتری (Telemetry):
- در DCS: پروتکلهایی مانند پروفیباس(Profibus)، فیبرنوری(fiber optic)، اترنت(Ethernet) و پروفینت(Profinet).
- در SCADA: پروتکلهایی مانند GSM، GPRS، Ethernet، Modbus، RS485 و RS232.
تأمینکنندگان اصلی ICS
در صنعت نفت و گاز، ترکیب چندین تأمینکننده در یک سایت بسیار رایج است (به دلیل تحویل از تأمینکنندگان مختلف یا ادغام در زمان نوسازی). برندهای اصلی عبارتند از:
Yokogawa (ژاپن)
Emerson (آمریکا)
General Electric (آمریکا)
ABB (سوئد-سوئیس)
Schneider Electric (فرانسه)
Siemens (آلمان)
Honeywell (آمریکا)
Rockwell Automation/Allen-Bradley (آمریکا)
تجهیزات پکیجی (Package Equipment)
مجموعهای از چندین قطعه کوچکتر است که در کارخانه سازنده (Vendor) ساخته شده و بر روی یک شاسی (Skid) سوار میشوند تا برای اتصال و استفاده در سایت آماده باشند. پیمانکار اصلی موظف است سازنده را ملزم کند تا مستندات مهندسی اختصاصی و پکیج را مطابق با برنامه زمانبندی پروژه، جهت ادغام در سایت تحویل دهد.
انواع پکیجها:
۱. سیمکشی منطق و ابزار دقیق بهطور کامل در سیستم ICS ادغام شده است.
۲. مدیریت منطق از طریق یک کابینت اختصاصی توسط PLC (در حالت Slave) انجام میشود.
نکته مهندسی: تقسیم سایت در هنگام نصب به پکیجهای مختلف، اجازه بهرهگیری از تخصص سازندگان خاص را میدهد و ریسک تأخیر نیروی کار در سایت را کاهش داده و در نهایت هزینههای نصب را پایین میآورد. آنچه در سایت باقی میماند، ادغام فرآیندی برای لولهکشی و همچنین سربندی (Termination) مربوط به کابلهای برق و تجهیزات ابزار دقیق است.
تستهای پذیرش
- تست پذیرش کارخانه (Factory Acceptance Test – FAT): فرآیندی که در تأسیسات سازنده و با حضور طرفین پروژه، پیش از ارسال تجهیزات انجام میشود تا از صحت مونتاژ و مطابقت با مشخصات طراحی اطمینان حاصل شود.
- تست پذیرش در سایت (Site Acceptance Test – SAT): پس از نصب و ادغام در سایت، طی مراحل راهاندازی (Commissioning/Start-up) برای تأیید عملکرد انجام میشود.
کنترلکننده منطقی برنامهپذیر (PLC)
یک PLC یا RTU (مخفف Remote Terminal Unit به معنای واحد ترمینال از راه دور)، یک کامپیوتر صنعتی تخصصی است که تجهیزات پکیج (که یک زیرسیستم شامل ابزار دقیق، موتورها و غیره است) را کنترل میکند. PLC بر اساس برنامه منطقی پیکربندی شده، در پاسخ به شرایط ورودی، خروجیهای لحظهای (Real-time) تولید میکند.
- PLC دادهها را از طریق پروتکل های تلهمتری به DCS ارسال میکند.
- DCS یا SCADA در واقع مانند یک PLC در مقیاس بالاتر است؛ اما به جای دریافت ورودی/خروجی مستقیم از ابزار دقیق، ورودیها را از چندین PLC (و ورودی/خروجیهای داخلی خود) دریافت میکند تا اجزا را مانند یک سیستم واحد با هم در تعامل قرار دهد.
- در اینجا از اصطلاحات Master و Slave برای تعیین اولویت فرمان استفاده میشود.
- DCS لیست انتخابی از I/Oها را از/به PLC رد و بدل میکند که اینها باید طبق اسناد “جدول تبادل داده” (Exchange Table Document) دارای آدرسهای انفرادی مطابقتیافته باشند.
ویژگی های PLC
PLC ها در شکل ها و اندازه های مختلف زیر تولید می شوند:
- Compact (فشرده): کوچک با ظرفیت ورودی/خروجی ثابت.
- Modular (ماژولار): دارای رک (Rack) که امکان نصب ماژولهای مختلف I/O را به راحتی فراهم میکند.
اجزای اصلی PLC
منبع تغذیه(Power Supply)، رک(Rack)، واحد پردازش مرکزی (CPU) و بخش های ورودی/خروجی (I/O).
- بخش CPU: شامل میکروپروسسور و برنامه ذخیره شده در حافظه Flash (غیرفرار) یا RAM با پشتیبان باتری است. همچنین دارای پورت ارتباطی برای آپلود/اصلاح برنامه از طریق لپتاپ، تشخیص خطا (Diagnostic)، عیبیابی (Debugging) و شبیهسازی آفلاین است.
- بخش I/O: شامل ماژولهایی است که سیگنالهای آنالوگ را برای پردازش توسط برنامه به دیجیتال تبدیل میکنند. انواع سیگنالها عبارت است از:
- خروجی دیجیتال (شیرهای On/Off، چراغهای نشانگر).
- دما (ترموکوپل یا RTD بدون ترانسمیتر).
- ورودی آنالوگ (ابزارهای اندازهگیری).
- خروجی آنالوگ (شیرهای کنترلی).
- ورودی دیجیتال (سوئیچها).
برنامهنویسی PLC
معمولاً از روشهای Ladder Logic (منطق نردبانی)، Function Block Diagram (نمودار بلوک عملکردی) و Structured Text (متنی ساختاریافته) استفاده میشود. هر سیگنال در برنامه دارای یک شماره شناسایی منحصربهفرد به نام “آدرس” (Address) است که بر اساس موقعیت آن در ماژول تعیین میشود. الزامات زبان های برنامه نویسی در استاندارد IEC 61131-3 تشریح شده است.
نمایشگرها (Displays)
- HMI (رابط انسان و ماشین): صفحهنمایشی متصل به PLC که در محل پکیج یا کابینت تجهیزات قرار دارد. اپراتور از طریق منوی پیمایش، با گرافیکهای نمایشدهنده مقادیر لحظهای، لیست رویدادها، هشدارها، آلارمها، روندها (Trends)، تاریخچه و فرمانها در تعامل است.
- OPS (مخفف Operator Station به معنی ایستگاه اپراتور): اطلاعات را متمرکز کرده و نظارت و عملیات کل کارخانه را فراهم میکند. OPS مشابه HMI است اما در مقیاس کل کارخانه عمل میکند.
اجزای اصلی سیستم کنترل و ابزار دقیق، اجزای جانبی و محدوده های کاری
تصویر زیر معماری رایج سیستم کنترل و ابزار دقیق یک واحد صنعتی/فرآیندی و مسیر انتقال سیگنال از تجهیزات فیلد تا سیستم کنترل و سپس نمایش برای اپراتور را نشان میدهد.
همانطور که مشاهده می کنید سه ناحیه اصلی وجود دارد: در سمت راست سطح فیلد یا پروسه قراردارد، در ناحیه وسط کابینت های صنعتی قرار گرفته است که در خود انواع تجهیزات صنعتی را جای می دهد و در سمت چپ نیز اتاق های سرور و کنترل قرار دارد که وظیفه مدیریت و مانیتورینک را بر عهده دارند.
- Junction Boxes (جعبههای تقسیم): کابلهای تکرشتهای از ابزار دقیق به اینجا میآیند و از اینجا کابلهای چندرشتهای (Multi-cable) به کابینتهای مارشالینگ (Marshaling) میروند.
- MCT (مخفف Multi-Cable Transit به معنی ترانزیت کابلهای چندرشتهای).
- Terminal Block (بلوک ترمینال).
- Battery Limit (مرز عملیاتی): محدوده کاری ابزار دقیق معمولاً در کابینت مارشالینگ (Marshalling Cabinet) به پایان میرسد و اجزای ICS بر عهده متخصص سیستمهای کنترل (ICS Specialist) است. با این حال، درک ساختار و اجزا برای مراحل راهاندازی و عیبیابی در حین نگهداری ضروری است.
این معماری برای پروژههای بزرگ بسیار مهم است، چون وقتی تعداد I/Oها به صدها یا هزاران نقطه میرسد، بدون JB، Marshalling و طراحی مناسب کابینتها و کابلها، سیستم Wiring و Maintenance بسیار پیچیده خواهد شد.
دیدگاهتان را بنویسید