大型深水平臺(tái)安全控制保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用前景

洪 毅 孫 欽 張 藝

（中海油研究總院）

在世界深水能源開發(fā)進(jìn)程中往往都伴隨著大大小小的事故，如在英國(guó)北海、巴西以及墨西哥灣發(fā)生的平臺(tái)沉沒(méi)事故都造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境影響。隨著健康安全環(huán)保理念的不斷提升，作為高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，海洋石油開發(fā)始終伴隨著安全保護(hù)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用。我國(guó)南海大型深水天然氣田開發(fā)具有高壓力、大流量和高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，為此結(jié)合該海域某超大型深水平臺(tái)的實(shí)際工程情況，提出了一系列安全控制保障措施，包括用高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的壓力泄放方式作為工藝系統(tǒng)的最后一級(jí)保護(hù)來(lái)降低超壓風(fēng)險(xiǎn)；用水下隔離閥控制系統(tǒng)來(lái)降低海底管道和立管發(fā)生泄漏事故產(chǎn)生的影響；用開放路徑式可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)更加有效地探測(cè)到微小氣體的泄漏。這些安全控制保障系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)與成功應(yīng)用，不僅能夠全方位地加強(qiáng)南海大型深水氣田開發(fā)的安全可靠性，而且能夠豐富今后深水氣田開發(fā)的安全控制設(shè)計(jì)理念。

1 高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通常石油和天然氣工業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范中要求管線或壓力容器的最后一級(jí)超壓保護(hù)為機(jī)械的壓力釋放裝置。然而，在大型深水氣田開發(fā)中，深水區(qū)的水下井口產(chǎn)出的油氣經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的海底管線回接到淺水區(qū)的平臺(tái)，由于泄放量巨大，導(dǎo)致泄放裝置和火炬系統(tǒng)規(guī)模很大，在海洋平臺(tái)空間受限的情況下采用壓力泄放裝置作為海管的最后一級(jí)保護(hù)是不合適的，甚至是不可行的。另外，泄放燃燒的天然氣本身也是巨大的浪費(fèi)，同時(shí)還帶來(lái)環(huán)境污染。

高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)（HIPPS）是一種可以降低超壓風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)層，其功能主要是通過(guò)切斷壓力源來(lái)保護(hù)下游設(shè)備免受超壓的影響，通過(guò)及時(shí)切斷一個(gè)或者多個(gè)關(guān)斷閥來(lái)避免壓力傳導(dǎo)到管線的下游。HIPPS本身獨(dú)立于平臺(tái)的應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）來(lái)完成應(yīng)急壓力保護(hù)。本文按照IEC61508／61511和 API 521 等 規(guī) 范 和 標(biāo) 準(zhǔn) 的 要 求［1-4］，對(duì)HIPPS系統(tǒng)在南海大型深水氣田開發(fā)中的配置結(jié)構(gòu)、安裝位置以及關(guān)斷閥選擇等方面進(jìn)行了研究。

1.1 HIPPS配置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

HIPPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的是要確定保護(hù)回路所需達(dá)到的系統(tǒng)安全等級(jí)（SIL）。根據(jù)IEC61508／61511標(biāo)準(zhǔn)的安全等級(jí)分類，從人員安全、經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素綜合考慮，確定安全等級(jí)為SIL3，HIPPS系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。為了確保整體回路達(dá)到SIL3等級(jí)，應(yīng)對(duì)整個(gè)回路的壓力變送器、邏輯控制器和最終執(zhí)行單元選用經(jīng)過(guò)SIL驗(yàn)證的設(shè)備。

圖1 HIPPS系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)框圖

在HIPPS系統(tǒng)中，壓力變送器是用來(lái)檢測(cè)超壓的儀表，為保證可靠性，采用3選2的結(jié)構(gòu)形式，每臺(tái)壓力變送器需要滿足SIL2等級(jí)；邏輯控制器根據(jù)設(shè)定的邏輯將指令傳送到最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，基于輸入的壓力信號(hào)判斷當(dāng)前狀態(tài)是否安全，整體需要滿足SIL3等級(jí)；最終執(zhí)行單元是一種快速關(guān)斷閥，接收到邏輯控制器指令信息后在3s內(nèi)能切斷上游的壓力源，關(guān)斷閥采用2選1的結(jié)構(gòu)形式，每臺(tái)閥至少需要滿足SIL2等級(jí)。

1.2 HIPPS安裝位置設(shè)計(jì)

在南海某超大型平臺(tái)來(lái)氣海管上HIPPS的安裝位置設(shè)計(jì)有2個(gè)方案，一個(gè)是在收球裝置之前，另一個(gè)是在段塞流捕集器之前。HIPPS安裝位置設(shè)計(jì)在收球裝置之前海底管線的出口處，其優(yōu)點(diǎn)是可降低HIPPS后管線和收發(fā)球裝置壓力等級(jí)和重量，缺點(diǎn)是通球時(shí)的顆?？赡軙?huì)導(dǎo)致閥門磨損或卡?。籋IPPS安裝位置設(shè)計(jì)在段塞流捕集器入口處，其優(yōu)點(diǎn)是閥門類型可選擇范圍大，缺點(diǎn)是收發(fā)球裝置壓力等級(jí)高和增加設(shè)備重量。綜合考慮后，最終選擇HIPPS系統(tǒng)安裝在段塞流捕集器入口處。

1.3 HIPPS關(guān)斷閥選擇

關(guān)斷閥形式有2種，即軸流閥和普通球閥。軸流閥的優(yōu)點(diǎn)是體積小重量輕，關(guān)斷速度快，但是屬于專利技術(shù)，目前只有一個(gè)廠家能夠生產(chǎn)制造；另外，軸流閥不能用在需要通球的情況下，壓損也較普通球閥嚴(yán)重許多。普通球閥是比較成熟的產(chǎn)品，生產(chǎn)廠家比較多，但是隨著管線尺寸和壓力等級(jí)的提高，球閥的體積重量上升的很快，對(duì)于重量或者面積敏感的使用條件要引起注意。

2 水下隔離閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為解決南海某超大型深水平臺(tái)氣田開發(fā)中可燃?xì)怏w泄漏及爆炸保護(hù)問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了水下隔離閥（SSIV）控制系統(tǒng)。采用SSIV控制技術(shù)能夠在平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)或可燃?xì)怏w嚴(yán)重泄漏時(shí)及時(shí)切斷海管與平臺(tái)的物流聯(lián)系，確保人員和設(shè)施的安全。

SSIV控制系統(tǒng)是由液壓?jiǎn)卧?、臍帶纜上部終端、臍帶纜、臍帶纜水下終端、跨接纜和水下隔離閥組成，見(jiàn)圖2。這里僅闡述SSIV和臍帶纜的設(shè)計(jì)。

圖2 SSIV系統(tǒng)框圖

2.1 SSIV設(shè)計(jì)

SSIV設(shè)計(jì)基于以下2個(gè)原則：一是要保證平臺(tái)的安全，在設(shè)計(jì)上要突出閥體的安全可靠性；二是SSIV維護(hù)不方便，在設(shè)計(jì)上要求終身免維護(hù)。作為水下關(guān)斷閥，SSIV只有在平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)關(guān)斷時(shí)才關(guān)閉，所以閥門力矩計(jì)算的系數(shù)應(yīng)選取2倍的力矩。SSIV是采用直接液壓驅(qū)動(dòng)失敗安全型設(shè)計(jì)，即失去液壓時(shí)閥門關(guān)閉，閥位狀態(tài)信號(hào)由安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的限位開關(guān)經(jīng)過(guò)電纜傳遞到平臺(tái)中控室，也可用ROV操作機(jī)械機(jī)構(gòu)直接開關(guān)閥門。

閥體類型一般有分體式、全焊接和頂裝式，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況見(jiàn)表1。由表1可以看出，頂裝式閥門泄漏點(diǎn)較少，保持了閥體整體性，同時(shí)具有可拆卸的靈活性，故選擇其作為SSIV閥體類型。

表1 不同類型閥體優(yōu)缺點(diǎn)比較表

閥座結(jié)構(gòu)形式有2種，即單活塞效應(yīng)閥座（SPE）和雙活塞效應(yīng)閥座（DPE）。SPE閥座能抵抗1個(gè)方向上的力，可對(duì)中腔進(jìn)行排放；DPE閥座可抵抗2個(gè)方向上的力。SSIV的中腔禁止管道內(nèi)的流體向海排放，也不宜向下游排放，因此閥座上部選擇SPE結(jié)構(gòu)，下部選用DPE結(jié)構(gòu)。SSIV結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

為了保證使用壽命30年內(nèi)免維護(hù)，SSIV構(gòu)件材料選擇至關(guān)重要。根據(jù)規(guī)范API 6A，材料等級(jí)選用API HH。SSIV主要構(gòu)件的材料選型見(jiàn)表2。

圖3 水下隔離閥SSIV結(jié)構(gòu)示意圖

表2 SSIV主要構(gòu)件材料選型

2.2 臍帶纜設(shè)計(jì)

為了節(jié)省投資和安裝空間，采用1根臍帶纜控制3臺(tái)SSIV，臍帶纜設(shè)置液壓和電力分配單元；液壓供油和回油采用同一根管線，備用1根液壓管線；液壓源利用平臺(tái)上為水下生產(chǎn)系統(tǒng)配置的液壓?jiǎn)卧黾右粋€(gè)臍帶纜上部終端，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 臍帶纜結(jié)構(gòu)示意圖

采用1根臍帶纜控制3臺(tái)SSIV，大大節(jié)省了臍帶纜的費(fèi)用，節(jié)省了平臺(tái)立管的占用，水下的臍帶纜上部終端到每臺(tái)閥門的液壓和電信號(hào)均可通過(guò)跨接纜連接。

3 開放路徑式可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了避免傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式可燃?xì)馓綔y(cè)器誤動(dòng)作對(duì)平臺(tái)正常生產(chǎn)造成影響，同時(shí)增加平臺(tái)安全可靠性，在平臺(tái)甲板邊界、安全區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)的交界處設(shè)置了開放路徑式可燃?xì)馓綔y(cè)器，用于氣體擴(kuò)散的早期報(bào)警，此探測(cè)器在中海油海上平臺(tái)是首次使用。南海風(fēng)力較大，對(duì)傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式可燃?xì)馓綔y(cè)器的探測(cè)有較多限制和影響，而通過(guò)檢測(cè)開放路徑式發(fā)射探頭和接收探頭間的氣體云的大小進(jìn)行低報(bào)和高報(bào)，對(duì)平臺(tái)氣體泄漏檢測(cè)是很好的補(bǔ)充。

安裝開放路徑式可燃?xì)怏w探測(cè)器時(shí)，對(duì)探測(cè)器之間的安裝距離和高度都有要求，可根據(jù)平臺(tái)最終完工的總圖布置對(duì)遮擋物進(jìn)行合理規(guī)避，同時(shí)發(fā)射端盡量避免與非此接收端的探測(cè)器安裝在一起，以免造成信號(hào)干擾，除了考慮滿足探測(cè)器設(shè)備的安裝要求，還要考慮被檢測(cè)的泄漏氣體的密度?？紤]到平臺(tái)壓縮機(jī)很多，震動(dòng)會(huì)較大，可能會(huì)影響信號(hào)發(fā)射和接收的效果，因此在這種情況下該類型探頭不適于參與關(guān)斷邏輯表決，僅作氣體早期泄漏檢測(cè)報(bào)警。

在火焰探測(cè)器方面，選擇了抗干擾性強(qiáng)的三頻紅外類型，采用3種不同的波長(zhǎng)。探測(cè)器內(nèi)的電子元件自動(dòng)比較和測(cè)量波長(zhǎng)與正常環(huán)境下的變化，以確認(rèn)動(dòng)作的發(fā)生，可以防止日光輻射帶來(lái)的干擾，具有很高的靈敏性和很好的穩(wěn)定性。

南海某超大型深水平臺(tái)有許多大型設(shè)備，某些設(shè)備高于層高間距并最終穿透甲板，因此對(duì)此類設(shè)備在多層甲板處都要設(shè)置氣體和火焰探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)死角、風(fēng)向、甲板邊界、氣體泄漏擴(kuò)散等情況最終設(shè)計(jì)了12對(duì)開放路徑式可燃?xì)怏w探測(cè)器，與固定式可燃?xì)怏w探頭一起組成平臺(tái)的安全屏障，進(jìn)一步提高了大型天然氣平臺(tái)的安全可靠性。

4 應(yīng)用前景

結(jié)合南海某超大型平臺(tái)項(xiàng)目的實(shí)際工程情況，提出了一系列安全控制保障措施，包括高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)，水下隔離閥控制系統(tǒng)以及開放路徑式可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，這些安全控制保障系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)與成功應(yīng)用，不僅能夠全方位地加強(qiáng)南海大型深水氣田開發(fā)的安全可靠性，而且可以豐富今后深水氣田開發(fā)中的安全控制設(shè)計(jì)方面的新理念。隨著我國(guó)對(duì)海洋環(huán)境以及生產(chǎn)安全的要求越來(lái)越嚴(yán)格，這些安全控制新技術(shù)將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用前景。

對(duì)于高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)HIPPS來(lái)說(shuō)，如果將其設(shè)置在海底管線進(jìn)入平臺(tái)工藝系統(tǒng)的入口處，將會(huì)有效地降低天然氣平臺(tái)工藝系統(tǒng)的壓力等級(jí)，提高安全可靠性，同時(shí)大大地減小火炬分液罐和火炬的大小，節(jié)省可觀的投資，對(duì)于深水天然氣管線更是如此；水下隔離閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，可以避免平臺(tái)如果出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，長(zhǎng)輸海底管線氣串等可能帶來(lái)的災(zāi)難擴(kuò)大，大大提升天然氣平臺(tái)以及海底管線的安全保障；開放路徑式可燃?xì)怏w探測(cè)器的使用，可以有效補(bǔ)充點(diǎn)式探測(cè)器的不足，進(jìn)一步提升平臺(tái)可燃?xì)怏w泄漏的檢測(cè)范圍和檢測(cè)精度，提高火氣探測(cè)系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)的保障能力。這些關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)均是從大型深水平臺(tái)工程實(shí)際出發(fā)，具有較強(qiáng)的可實(shí)施性，其設(shè)計(jì)理念和經(jīng)驗(yàn)可以指導(dǎo)其他海上油氣田的開發(fā)，具有廣泛的推廣價(jià)值。

［1］IEC 61511—1：2003，F(xiàn)unctional Safety-Safety Instrumented Systems for the process Industry sector—part1：Framework，definitions，system，hardware and software requirements［S］.IEC，2003.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB／T21109.1-2007過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全 第1部分：框架、定義、系統(tǒng)、硬件和軟件要求［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［3］IEC 61511—3：2003Functional Safety--Safety Instrumented Systems for the process Industry sector—part3：Guidance for the determination of the required safety integrity levels［S］.IEC，2003.

［4］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB／T21109.3-2007過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全 第3部分：確定要求的安全完整性等級(jí)的指南［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.