SIS在海洋石油平臺中的應用

張雙亮,李小瑞

(中國石油集團海洋工程有限公司,北京 100176)

SIS在海洋石油平臺中的應用

張雙亮,李小瑞

(中國石油集團海洋工程有限公司,北京 100176)

DeltaV SIS是經(jīng)過 TüV認證的新型整體回路概念的智能安全儀表系統(tǒng),它的出現(xiàn)改變了安全系統(tǒng)領域的技術現(xiàn)狀。作為數(shù)字工廠結構的一項延伸,它是工業(yè)領域中首次從傳感器到邏輯控制器到最終控制元件全過程采用數(shù)字智能和診斷技術的智能安全儀表系統(tǒng),是可以提供整體安全回路解決方案的智能化系統(tǒng)。通過對安全儀表系統(tǒng)的簡單介紹,結合SIS在海洋石油平臺安全儀表系統(tǒng)中的實際應用,論述了SIS“安全回路”智能化安全理念。

安全儀表系統(tǒng);海洋石油平臺;安全功能;智能;安全回路

0 引 言

由于海上采油作業(yè)的特殊性,一旦發(fā)生事故,海上逃生和救援的難度均比陸地大很多。因此,在海洋油氣田的工程設施中,安全儀表系統(tǒng)(SIS)是不可缺少的最重要的系統(tǒng)之一,主要目的是在事故發(fā)生時,通過緊急關斷系統(tǒng),使工藝系統(tǒng)關斷以保護平臺人員和工程設施的安全,防止環(huán)境污染,將事故的損失降到最小。

1 基本概念

目前,很多人對SIS的概念僅限于其邏輯控制器部分,這是有局限性的,也有悖于 IEC 61508及IEC 61511對SIS的定義[1-2]。

海洋石油平臺SIS[3]通常包括緊急關斷系統(tǒng)(ESD)和火氣探測系統(tǒng)(FGS)。ESD能夠連續(xù)監(jiān)測工藝過程中的工藝參數(shù),一旦主要工藝參數(shù)出現(xiàn)異常或超過設定值,則啟動相應的聯(lián)鎖邏輯保護功能和報警,使其進入預定的安全停車狀態(tài)。FGS全天候不間斷地對平臺各區(qū)域進行監(jiān)測,當平臺上任意區(qū)域出現(xiàn)火情或氣體泄漏時,該系統(tǒng)可觸發(fā)平臺報警裝置(報警燈、鈴等),同時,按照系統(tǒng)預定設計的邏輯進行表決,觸發(fā)信號至ESD,以便關斷該險情區(qū)域內(nèi)的已預知的助燃設備,同時,激活平臺消防系統(tǒng)。

SIS在安全生命周期內(nèi)能否完成其安全功能,依賴于設計人員、工程實施過程中的相關人員、操作人員及維護人員能否共同遵照SIS建立、操作及維護各階段中的相關要求,完成各自的工作。

2 海洋石油平臺SIS的應用

2.1 項目概況

NP1-29平臺位于渤海灣西北部冀東南堡油田1號構造,距離2號人工島(NP1-2D)西側約2.4 km,水深約6.4 m。該工程主要包括1座生產(chǎn)平臺(PRP)、3座井口平臺 (WHPA,WHPB, WIP)、1條從NP1-29平臺到2號人工島的6 in (1 in=25.4 mm)海底油氣混輸管線、1條從NP1-2D到NP1-29平臺的6 in海底注水管線和1條從NP1-2D到NP1-29平臺的復合海底電纜。井口平臺與生產(chǎn)平臺之間采用棧橋連接。在正常生產(chǎn)期間,井口平臺產(chǎn)出的物流經(jīng)棧橋上的管道輸往生產(chǎn)平臺PRP,在PRP上經(jīng)過計量、加熱處理后進入海底管線,輸至NP1-2D。

2.2 工藝概要及安全控制要求

NP1-29平臺油井生產(chǎn)的流體經(jīng)油嘴節(jié)流后,通過井口出油管線分別進入生產(chǎn)/計量管匯,該管匯上的閥門能對與之相接的單井進行生產(chǎn)和計量切換。需要計量的油井物流經(jīng)過計量管線進入計量管匯,經(jīng)計量電加熱器升溫,再進入多相流量計進行油、氣、水三相計量,計量后的油、氣、水混合匯入到生產(chǎn)加熱器出口。計量數(shù)據(jù)通過流量變送器送至遠端控制中心顯示。不計量的油井物流經(jīng)生產(chǎn)管線進入生產(chǎn)管匯,物流經(jīng)生產(chǎn)加熱器升溫后通過海底混輸管線輸至NP1-2D。

平臺工藝安全控制的核心是井口裝置出油管線和外輸管線入口的壓力緊急關斷聯(lián)鎖控制。出油管段上的減壓設施(如油嘴)前后工作壓力是不同的,為防止油嘴出油后的管段下游堵塞造成出油管段超壓,或者出油管段破裂發(fā)生泄漏,在出油管段上設置了高低壓變送器PT(PSHH和PSLL)來檢測壓力。為防止外輸管線下游堵塞,造成外輸管線過壓,或者外輸管線破裂發(fā)生泄漏,在外輸管段入?？谔幵O置了壓力變送器來檢測壓力。根據(jù)平臺上的危險程度、對應關斷級別的不同,在采油樹上分別設置了不同的安全閥,井下安全閥(SCSSV)、井口主閥(MSSV)、井口翼閥(WSSV),以及在外輸管線入?？谔幵O置了緊急關斷閥SDV。當出油管段上的壓力變送器檢測到異常高壓或低壓時,關閉對應井的主閥和翼閥。當外輸管段入海口處的壓力變送器檢測到異常高壓或低壓時,關閉全部井的主閥、翼閥、外輸管線入?？诘年P斷閥,以及相應的生產(chǎn)設施。當井口區(qū)發(fā)生火災或天然氣泄漏時,除關閉所有井的主閥、翼閥、外輸管線入?？诘年P斷閥,以及相應的生產(chǎn)設施外,還應關閉全部的井下安全閥,啟動相應的消防設施。

平臺FGS的核心是在探測到平臺某區(qū)域發(fā)生火情時,即刻關斷該險情區(qū)域中已預知的助燃設備,同時激活平臺消防系統(tǒng)。故該系統(tǒng)中邏輯最為復雜、功能實現(xiàn)最具代表性的部分即為消防系統(tǒng)。當平臺某個區(qū)域發(fā)生火情時,安裝在該區(qū)域的探頭即可探測到,并觸發(fā)信號至火氣控制盤。經(jīng)過FGS的邏輯判斷表決,火氣控制盤通過安全網(wǎng)絡將觸發(fā)信號送至緊急關斷系統(tǒng),通過該系統(tǒng)關斷發(fā)生火情區(qū)域的生產(chǎn)設施。同時火氣控制盤觸發(fā)火災報警裝置(報警燈、鈴),按照預設的邏輯程序,火氣控制盤首先觸發(fā)啟動1號電動消防泵的信號,如果1號電動消防泵由于故障等原因未啟動,則火氣控制盤經(jīng)過20 s的延遲后觸發(fā)啟動2號電動消防泵的信號。

2.3 系統(tǒng)選型及配置

經(jīng)過危險和可操作性研究(HAZOP)和儀表保護功能研究(IPF Study)評估,確定系統(tǒng)最高安全回路等級為SIL2。基于SIL2的要求,NP1-29平臺中,由SIS邏輯單元與智能化變送器和數(shù)字閥門組成安全聯(lián)鎖回路。SIS配置了2個SIS邏輯單元,分別應用于平臺的ESD和FGS。每個SIS單元都由冗余通信模塊、冗余電源模塊、冗余網(wǎng)絡、CPU(僅做通信使用)、邏輯控制器組成。

在檢測元件、執(zhí)行元件的配置上,國內(nèi)外相關的標準規(guī)范對此有明確的描述。在SH/T 3018—2003[4]中,分別描述了檢測元件、執(zhí)行元件的獨立及冗余原則,SIL2以上等級的SIS宜采用獨立或冗余配置的檢測元件。為減少投資成本,且安全聯(lián)鎖回路安全度等級滿足SIL2要求,檢測元件、執(zhí)行元件獨立配置,要求具有SIL2等級。檢測元件選用智能化變送器,執(zhí)行元件選用的是配備智能定位器的閥門,均達到了 SIL2等級并獲得 TüV認證。

為滿足系統(tǒng)擴展需要,可能個別回路 SIL具有需要提高的要求,選用具有 SIL3的邏輯控制器。這是一個獨立的模塊,將處理器、輸入和輸出封裝在一個單一的模塊中,該模塊包括冗余的CPU和16個不分類型的IO通道,CPU處理器和IO處理器相互獨立,可任意組合為 HART AI, HART AO,DI和DO使用。SIS采用分散設計,使所有安全聯(lián)鎖功能不再依賴于中心CPU的存在,每個邏輯控制器連續(xù)地處理和執(zhí)行本控制器的安全邏輯程序,真正地做到了分散的安全聯(lián)鎖控制,排除了傳統(tǒng)安全系統(tǒng)中因控制器故障引起整個SIS停車的可能性,同時使在線增加邏輯控制器不會影響到其他邏輯執(zhí)行。每個邏輯控制器都經(jīng)過TüV認證,具有SIL3安全等級。此外,系統(tǒng)邏輯控制器具有完備的診斷功能,提供基于每個通道的IO狀態(tài),包括泄漏電流檢測等。

3 系統(tǒng)特點

3.1 集成又獨立

DCS和SIS在海洋平臺中應用非常廣泛,目前有一種趨勢是將DCS和SIS選用同一個生產(chǎn)廠商整合在一起的產(chǎn)品,這樣可減少系統(tǒng)之間硬接線,通過通信方式進行數(shù)據(jù)交換且能達到規(guī)定SIL等級要求。

電源供應、通信通道、硬件和實時操作系統(tǒng)與標準的DeltaV卡件和DeltaV邏輯控制器完全獨立,保持IEC 61508所要求的獨立性。與其他SIS方案不同,工程、操作和維護與DeltaV系統(tǒng)集成但保持相對獨立的結構。

3.2 靈活可變的架構

SIS采用分散的設計,使系統(tǒng)結構和規(guī)模靈活可變,并且消除了集中CPU所帶來的單點故障。模塊化的邏輯控制器硬件具有16個可組態(tài)的IO,這意味著每當添加一個邏輯控制器時,將自動增加內(nèi)存和CPU。同一通信處理器下的邏輯控制器之間采用冗余安全網(wǎng)SISnet通信,不同通信處理器下的邏輯控制器采用冗余光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)冗余安全網(wǎng)通信,所有安全通信網(wǎng)都通過 TüV認證。根據(jù)不同規(guī)模的安全應用要求,SIS的在線擴展非常簡便。

3.3 組態(tài)的簡潔與高效

SIS與DCS共享組態(tài)環(huán)境,DCS所有方便易用的特點,如即插即用、拖放的組態(tài)方式、樹狀結構的瀏覽器等,都充分應用到了SIS軟件中去。DCS提供了簡單易用的組態(tài)工具既用于控制也用于安全,避免了兩方都需要獨立組態(tài),然后還要進行數(shù)據(jù)通信的復雜步驟。這一優(yōu)點在NP1-29平臺項目當中體現(xiàn)得尤為突出,通過簡單易用的組態(tài)工具,工程師瀏覽引用到他所需要的位號和參數(shù),所有的SIS數(shù)據(jù)對基本過程控制系統(tǒng)BPCS來說都是可用并可直接引用的,充分滿足了一個流程畫面上對BPCS包括SIS數(shù)據(jù)同時顯示的功能。

DCS組態(tài)工作室里包含特別為SIS設計的一套完善的經(jīng) TüV認證專用于SIS的智能功能塊、模塊庫等。組態(tài)采用功能塊圖的形式,避免了以往復雜梯形圖的編制,使安全聯(lián)鎖功能組態(tài)直觀易用。傳統(tǒng)的SIS項目一般要求采用復雜的因果矩陣(CEM),一旦采用后,通常會轉換成邏輯框圖并最終表示成特定供應商的梯形圖。SIS采用CEM功能塊,可直接在邏輯控制器中采用因果圖,CEM表能夠執(zhí)行其表示的邏輯功能。

海洋石油平臺中 ESD,FGS最主要的聯(lián)鎖控制回路通過SIS簡單實用的功能組態(tài),輕松實現(xiàn)了相對復雜的聯(lián)鎖要求。

3.4 管理的智能化

實踐證明,安全回路中,大多數(shù)故障出現(xiàn)在現(xiàn)場儀表上,只增強邏輯控制器本身的可靠性并不能提高整個安全回路的可靠性,解決對現(xiàn)場儀表的診斷和校正是提高安全回路的關鍵所在。SIS的操作站配備AMS智能設備管理系統(tǒng)可有效對現(xiàn)場智能儀表潛在的故障做出診斷及校正,提高安全回路的可靠性。

智能設備管理系統(tǒng)(AMS)是針對智能儀表、智能閥門定位器等進行在線組態(tài)、調整、校驗管理、診斷及數(shù)據(jù)庫事件記錄的一體化方案。結合AMS的應用,SIS邏輯控制器通過跟現(xiàn)場智能儀表進行的數(shù)字通信,將HART信號數(shù)據(jù)送給AMS,給出清楚和詳細的關于故障的描述,邏輯控制器可以在裝置跳車之前提醒操作員或者維護人員關注相關信息,用戶可以進行預測性維護,這樣就增加了生產(chǎn)過程的可用性,大大減少了因設備故障而發(fā)生的停車時間。

4 結束語

SIS以其面向用戶的靈活解決方案、全新的概念和設計、靈活可變的結構體系、智能化安全回路理念、簡易直觀的軟件和組態(tài)等特點,在NP1-29平臺項目多方位體驗了它的價值優(yōu)勢所在,在海洋石油平臺安全控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。

[1] International Electrotechnical Commission.IEC61508-2000 FunctionalSafety of Electrical/Electronic/Programmable Safety-Related System [S]. Geneva: International Electrotechnical Commission,2000.

[2] InternationalElectrotechnicalCommission. IEC61511-2003 Functional Safety:Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector[S].Geneva:International Electrotechnical Commission,2003.

[3] American National Standards Institute. ANSI/ISA S84.01-1996 Application of Safety Instrumented System to the Process Industries[S].Washington:American National Standards Institute,1996.

[4] 宋志遠.SIL報告在自控設計中的指導應用[J].石油化工自動化,2009,45(3):6-9.

[5] 國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.海上固定平臺安全規(guī)則[S].北京:中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會,2000.

[6] 陽憲惠,郭海濤.安全儀表系統(tǒng)的功能安全[M].北京:清華大學出版社,2007.

[7] 錢 鈞,魏利軍,李少鵬.安全儀表系統(tǒng)等級劃分與HAZOP分析的結合應用[J].中國安全生產(chǎn)科學技術,2009,(5): 149-151.

[8] 王秋紅,孫 旭.石化裝置安全度等級與安全儀表系統(tǒng)的設計[J].石油化工自動化,2008,44(1):8-10.

[9] 黃步余,王建明,王玉華.SH/T 3018-2003石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范[S].北京:中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會,2004.

[10] 艾默生過程管理公司.安全儀表系統(tǒng)智能化方案[G].上海:艾默生過程管理公司,2004.

[11] 艾默生過程管理公司.AMS Suite[G].上海:艾默生過程管理公司,2006.

The Application of SIS in Offshore Oil Platforms

Zhang Shuangliang,Li Xiaorui
(China National Petroleum Offshore Eng.Co.Ltd.,Beijing,100176,China)

DeltaV SIS is the new type of intelligent safety instrumented system with TüV certification, which has changed the status of safety systems technology.As an extension of digital plant architecture, it is the first time in the industrial field that from the sensor to the logic controller,to the final control element in the whole process,digital intelligence and diagnostics of smart safety instrumented system is adopted,which can provide overall safety loop solution for safety instrumented system.Through the simple introduction of safety instrumented system and the practical application of SIS in the offshore oil platform,the SIS“safety loop”smart concept of security is illustrated.

SIS;offshore petroleum platform;safety function;intelligent;safety loop

TP274+.5

B

1007-7324(2011)01-0017-03

2010-10-25。

張雙亮(1978—),男,2001年畢業(yè)于信陽師范學院電子信息工程專業(yè),現(xiàn)從事海洋石油工程自動化儀表設計工作,任工程師。