普光氣田SIS系統(tǒng)一級關(guān)斷可靠性分析

朱瑞苗 Edmund Yap 魯毅 蔡曉霞

1中國石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司2中國石化中原油田普光分公司3風(fēng)控（北京）工程技術(shù)有限公司

普光氣田SIS系統(tǒng)一級關(guān)斷可靠性分析

杜麗民1商劍鋒2朱瑞苗1安柏芳3Edmund Yap3魯毅3蔡曉霞1

1中國石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司2中國石化中原油田普光分公司3風(fēng)控（北京）工程技術(shù)有限公司

為了提高氣田的生產(chǎn)穩(wěn)定性，對集輸系統(tǒng)、天然氣凈化廠、外輸首站一級關(guān)斷SIS系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。分析各子系統(tǒng)對氣田一級關(guān)斷SIS系統(tǒng)的影響以及其相互界面間的影響，同時(shí)分析與SIS系統(tǒng)密切關(guān)聯(lián)的外部系統(tǒng)（如供電、通信等），找出影響普光氣田一級關(guān)斷SIS系統(tǒng)可靠性的薄弱點(diǎn)并提出改進(jìn)方案?；诟脑旌蟮腟IS配置與關(guān)斷邏輯，對原有SIS系統(tǒng)的可靠性RBD模型進(jìn)行修正，普光氣田意外跳車的時(shí)間間隔由改造前的2.5年延長到5.3年。改進(jìn)方案可以在確保原有SIS可靠關(guān)斷的基礎(chǔ)上，有效減少SIS系統(tǒng)誤動作觸發(fā)一級關(guān)斷，從而提高氣田生產(chǎn)的整體穩(wěn)定性。

普光氣田；集輸系統(tǒng)；天然氣凈化廠；一級關(guān)斷；SIS系統(tǒng)；RBD

四川盆地普光氣田是國內(nèi)規(guī)模最大的高含硫氣田，天然氣中硫化氫含量平均高達(dá)14.14%，井口的高含硫天然氣集輸后進(jìn)入天然氣凈化廠脫硫、脫水處理，通過川氣東送管道外輸。氣田地面工程可分為集輸系統(tǒng)、天然氣凈化廠、外輸首站三大部分。

氣田自2010年投產(chǎn)運(yùn)行至今，共發(fā)生了3次全氣田一級關(guān)斷事件，通過充分梳理總結(jié)，發(fā)現(xiàn)3次氣田一級關(guān)斷事件都不是由設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的異常工藝條件所引發(fā)的，而是由晃電和集輸總站與外輸首站的SIS系統(tǒng)保障措施故障或誤動作引發(fā)的。

為了提高氣田的生產(chǎn)穩(wěn)定性，對集輸系統(tǒng)、天然氣凈化廠、外輸首站一級關(guān)斷SIS系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。

1 SIS系統(tǒng)一級關(guān)斷可靠性分析

1.1氣田一級關(guān)斷應(yīng)急聯(lián)鎖邏輯

一級關(guān)斷為最高級別關(guān)斷，為全氣田關(guān)斷（包括集輸、凈化和外輸三個(gè)系統(tǒng)），其處理分為兩種方式：緊急關(guān)斷并保壓（簡稱保壓）和緊急關(guān)斷并放火炬（簡稱放空）。

集輸、凈化、外輸三個(gè)系統(tǒng)間，任何引發(fā)一個(gè)系統(tǒng)的一級關(guān)斷，都會自動觸發(fā)其他兩個(gè)系統(tǒng)的一級關(guān)斷，從而引起全氣田的關(guān)斷。

1.2SIS一級關(guān)斷的RBD可靠性

可靠性框圖RBD將模型中設(shè)備組件的邏輯關(guān)系以圖示的形式表達(dá)出來。RBD顯示可靠性、可用性、可維護(hù)性RAM模型中各個(gè)設(shè)備與部件的可靠性關(guān)系，并表述設(shè)備與各部件（串聯(lián)或并聯(lián)）的配置，以及設(shè)備失效對系統(tǒng)可靠性與可用性的影響。

SIS系統(tǒng)的復(fù)雜配置可以歸納為以下兩類邏輯關(guān)系，即串聯(lián)回路和并聯(lián)回路。

根據(jù)SIS的硬件冗余關(guān)系，不同SIS系統(tǒng)之間邏輯關(guān)斷關(guān)系，普光氣田的SIS一級關(guān)斷系統(tǒng)，在考慮儀表風(fēng)、供電系統(tǒng)等因素后，可以轉(zhuǎn)化為RBD邏輯關(guān)系框圖。

1.3收集硬件失效率數(shù)據(jù)

針對RAM模型中每個(gè)設(shè)備、SIS系統(tǒng)中的每個(gè)元器件的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，作為可靠性模型計(jì)算輸入。包括在不同故障模型下平均無故障間隔時(shí)間（MTTF）及平均維修時(shí)間（MTTR）。數(shù)據(jù)收集參考EXIDA，OREADA等相關(guān)數(shù)據(jù)庫。

1.4計(jì)算SIS系統(tǒng)一級關(guān)斷的誤動作停車概率

計(jì)算運(yùn)用Monte Carlo算法，Monte Carlo算法是一個(gè)多次重復(fù)計(jì)算法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)分布，進(jìn)行可置信度統(tǒng)計(jì)的計(jì)算，廣泛應(yīng)用于石油天然氣行業(yè)的可靠性計(jì)算。

本次計(jì)算進(jìn)行1000個(gè)生命周期的模擬計(jì)算，并取置信度D90以上數(shù)據(jù)，作為普光氣田原有SIS系統(tǒng)一級關(guān)斷的誤動作概率。所有計(jì)算與分析的過程均符合ISO20815—2008、APIRP17N—2009、ISO14424—2004等石油天然氣行業(yè)可靠性計(jì)算的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)計(jì)算，得出普光氣田SIS系統(tǒng)的年失效率、平均事故間隔（MTBE）及各個(gè)子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)。

從異常停車頻率可以看出，普光氣田SIS系統(tǒng)一級連鎖意外跳車的平均時(shí)間間隔為2.5年。整個(gè)系統(tǒng)中對意外跳車影響最大的環(huán)節(jié)是集輸系統(tǒng)以及普光首站。

進(jìn)一步對各子系統(tǒng)的計(jì)算進(jìn)行分析，獲得各子系統(tǒng)設(shè)備及元器件的貢獻(xiàn)分布，得出：集輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵影響部件是SIS系統(tǒng)PLC；普光首站中的關(guān)鍵影響部件是緊急切斷閥及SIS系統(tǒng)PLC；普光集氣總站與首站的SIS系統(tǒng)PLC均是主要的誤動作SIS一級關(guān)斷原因。

2 改進(jìn)措施方案

基于SIS可靠性驗(yàn)算結(jié)果，對普光氣田設(shè)施提出以下改進(jìn)措施方案。

2.1一級關(guān)斷邏輯關(guān)系修改

根據(jù)可靠性分析結(jié)果，可看出目前氣田一級連鎖可能因三個(gè)不同SIS系統(tǒng)的任一故障引起一級關(guān)斷的狀況，從而引發(fā)氣田整體的一級關(guān)斷。因此，從工藝合理性的角度，采取提高引起一級關(guān)斷儀表的可靠性措施，保證氣田運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外修改SIS一級邏輯關(guān)系，集輸系統(tǒng)、天然氣凈化廠、外輸首站為上下游關(guān)系，從目前的上下游互相聯(lián)鎖修改為上游聯(lián)鎖關(guān)斷信號僅自動關(guān)斷上游出口閥門，同時(shí)將報(bào)警信號送至下游聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警；下游聯(lián)鎖信號自動觸發(fā)上游聯(lián)鎖關(guān)斷，同時(shí)增加一級關(guān)斷的觸發(fā)原因。改進(jìn)后氣田一級關(guān)斷聯(lián)鎖邏輯見圖1。

圖1 改進(jìn)后氣田一級關(guān)斷聯(lián)鎖邏輯

2.2SIS一級聯(lián)鎖信號回路的可靠性優(yōu)化

目前集輸、凈化、普光首站之間的SIS一級聯(lián)鎖信號采用單回路硬線連接，可靠性較低，在電纜損壞或松動的情況下，很容易造成誤動作停機(jī)。為了增加一級聯(lián)鎖邏輯的穩(wěn)定性及可靠性，將原單回路一級聯(lián)鎖信號改為三個(gè)獨(dú)立回路。分別將三個(gè)不同數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊通過硬件連接形成三個(gè)獨(dú)立回路，邏輯關(guān)系采用三取二表決方式，三個(gè)中有一個(gè)結(jié)果與其他兩個(gè)不同，該信號誤報(bào)或故障，其余兩個(gè)繼續(xù)工作。若其余兩個(gè)結(jié)果不同，則系統(tǒng)一級觸發(fā)，從而增加可靠性和可用性。

2.3供電系統(tǒng)優(yōu)化

SIS系統(tǒng)與通信系統(tǒng)、操作站等用電沒有分開，降低了SIS系統(tǒng)的可靠性。因此，對集輸系統(tǒng)、普光首站、凈化廠進(jìn)行分區(qū)、分組供電調(diào)整。采用獨(dú)立配電方式，降低上下游裝置間的相互影響。

同時(shí)，在目前普光首站和集氣站SIS系統(tǒng)均采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的雙電源輸入、單電源輸出的供電方式基礎(chǔ)上，對SIS系統(tǒng)改造，采取單獨(dú)UPS直接供電方式，實(shí)現(xiàn)雙電源、雙回路。SIS的UPS建議應(yīng)有獨(dú)立變壓器單元供電，從而提高供電系統(tǒng)的冗余度，確保供電可靠性。

3 可靠性對比

基于改進(jìn)措施方案中的的SIS配置與關(guān)斷關(guān)系，對原有RBD模型進(jìn)行修正，將元器件可靠性數(shù)據(jù)再次帶入新的RBD模型，進(jìn)行敏感性比對計(jì)算。

表1為改造前與改造后SIS系統(tǒng)一級連鎖可靠性數(shù)據(jù)的對比。

表1 改造前、后的系統(tǒng)可靠性對比

通過表1的對比可以看出，經(jīng)改造，集輸系統(tǒng)（現(xiàn)場和中控間）的SIS誤動作將不會觸發(fā)氣田SIS系統(tǒng)以及一級關(guān)斷，凈化廠及普光首站的年失效率均降低，普光氣田意外跳車的時(shí)間間隔由改造前的2.5年延長到5.3年。

4 結(jié)論

通過對普光氣田一級關(guān)斷SIS系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)算分析，分析了各子系統(tǒng)對氣田一級關(guān)斷SIS系統(tǒng)的影響以及其相互界面間的影響，同時(shí)分析與SIS系統(tǒng)密切相關(guān)聯(lián)的外部系統(tǒng)（如供電、通信等），找出普光氣田一級關(guān)斷SIS系統(tǒng)中可合理優(yōu)化的薄弱點(diǎn)并提出改進(jìn)措施方案：①修改SIS系統(tǒng)的一級關(guān)斷觸發(fā)邏輯，對硬線連接進(jìn)行2oo3的冗余；②對供電系統(tǒng)進(jìn)行改造，集輸系統(tǒng)及普光首站中控室新增UPS采取單獨(dú)UPS直接供電。

基于改造后的SIS配置與關(guān)斷關(guān)系，對原有RBD模型進(jìn)行修正，并進(jìn)行改造前后的對比，普光氣田意外跳車的時(shí)間間隔由改造前的2.5年延長到5.3年。改造方案可以有效減少聯(lián)鎖系統(tǒng)誤動作觸發(fā)一級關(guān)斷，從而提高氣田生產(chǎn)的整體穩(wěn)定性。

RAM分析作為生產(chǎn)可用性、可靠性、可維護(hù)性的關(guān)鍵分析手段，已在國際石油公司的各類大型油氣田地面工程、長輸管線、天然氣液化、LNG運(yùn)輸、LNG接收站，海洋石油開發(fā)特別是深水開發(fā)項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。目前RAM的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到煉油石化一體化項(xiàng)目，新型煤化工項(xiàng)目等下游行業(yè)的前期項(xiàng)目規(guī)劃。國內(nèi)目前相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，工程實(shí)踐還處于起步階段，應(yīng)在項(xiàng)目的不同階段，系統(tǒng)地引入并實(shí)施可靠性管理，有效地提高項(xiàng)目的可靠性、可用性及可維護(hù)性。

（0393）4829978、zyecdlm@yeah.net.

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.2.017

杜麗民：高級工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運(yùn)專業(yè)，主要從事天然氣集輸處理研究與設(shè)計(jì)工作。