海上石油平臺安全儀表系統(tǒng)的開發(fā)設計及應用

葉 鏑

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

安全儀表系統(tǒng)主要有傳感器、輸入電路和輸出電路等，其突出作用是在石油平臺發(fā)生故障時及時切除危險源，切斷系統(tǒng)間的聯(lián)系，使平臺保持正常運行，為平臺搶修提供時間，使工程流程更加科學合理[1]。

1 海上平臺安全儀表系統(tǒng)的構(gòu)成

安全平臺系統(tǒng)主要有檢測和執(zhí)行元件及邏輯運算器、過程控制系統(tǒng)等部分。為了確保海上平臺安全儀表系統(tǒng)安全運行，要應用雙冗余的結(jié)構(gòu)獨立供電，在這些邏輯運算器運行過程中需要兩套設備：一套為主要設備，另一套為備用設備。主要邏輯運算器和備用邏輯運算器及過程控制系統(tǒng)都要在通信板中有效實現(xiàn)信息交換。

2 安全儀表系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計注重完善元件和邏輯運算器，提升系統(tǒng)硬件設計的可靠程度及可用性。系統(tǒng)的可靠性能夠充分降低系統(tǒng)的危險程度，可用程度降低會造成系統(tǒng)無法得到有效控制，最終引發(fā)石油平臺災害事故，這說明了系統(tǒng)硬件設計的重要性。

（1）邏輯運算器的設計。邏輯運算器安全運行依托于安全儀表系統(tǒng)的安全程度，明確不同安全儀表系統(tǒng)的實踐應用情況，關注系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)和非冗余結(jié)構(gòu)，在滿足安全等級要求的基礎上利用邏輯運算器，使其產(chǎn)生更為強大的安全保護作用。系統(tǒng)的可用性是衡量系統(tǒng)的重要指標，在提高系統(tǒng)可用程度的基礎上增強系統(tǒng)的容錯能力，而系統(tǒng)的容錯能力可以在安全儀表系統(tǒng)和控制器發(fā)生故障的時候使安全儀表系統(tǒng)仍可以正常運行，同時提醒工作人員及時檢測問題。

（2）檢測執(zhí)行元件的設計。為了能夠較大程度上降低元件故障發(fā)生率，在選擇安全儀表系統(tǒng)和執(zhí)行元件的時候，優(yōu)先選取具備更高性能及較高質(zhì)量的產(chǎn)品。不同地區(qū)對智能產(chǎn)品和安全水平認證產(chǎn)品，檢測執(zhí)行元件的標準規(guī)模具有明顯差異，其中的冗余配置可以充分降低系統(tǒng)的故障發(fā)生率，使系統(tǒng)的可用性更高。設計執(zhí)行元件檢測時要滿足安全等級要求，將系統(tǒng)的可靠性作為主要原則，實施更加科學合理的設計[2]。

2.2 邏輯運算設計

2.2.1 典型邏輯關系

（1）邏輯運算關系。海上石油平臺安全儀表系統(tǒng)多數(shù)采用PLC 為基礎的硬件設備，安全聯(lián)鎖功能在邏輯運算支持下有效運行，在PLC 中更好地利用布爾代數(shù)運算。正常的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)通常利用多段邏輯運算，輸入信號對輸出的數(shù)據(jù)具有較大影響，在推動輸出和輸入信號相對應的情況下得出連鎖邏輯關系，確保系統(tǒng)的可靠性及安全性。

（2）人為啟用聯(lián)鎖和輸入信號旁路開關。安全聯(lián)鎖要借助于人工聯(lián)鎖按鈕，在人工干預的情況下使裝置更好地投運工作。啟動聯(lián)鎖設備后，設置信號開關，而工藝過程變量下無法滿足其自身要求時，也切斷聯(lián)鎖系統(tǒng)的相關輸入信號，啟用聯(lián)鎖和輸入信號旁路開關對系統(tǒng)維護和檢測具有重要作用。

2.2.2 典型邏輯關系設計

在典型邏輯關系設計過程中，要結(jié)合因果圖和數(shù)據(jù)圖表具體設計，有效化簡邏輯代數(shù)實現(xiàn)表達共識，結(jié)合表達共識畫出邏輯圖，最終實現(xiàn)旁路信號輸入。校驗輸入信號容易觸發(fā)聯(lián)鎖系統(tǒng)，推動其可以有效避免對人工聯(lián)鎖造成較大的影響。在邏輯關系設計的時候，要在輸入信號的入口設置旁路，為了使報警狀態(tài)能保持正常狀態(tài)，信號旁路邏輯也無法屏蔽報警顯示的輸出[3]。

平臺安全儀表系統(tǒng)需利用更安全的模式，如果系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，受控裝置可進入安全狀態(tài)，在系統(tǒng)處于靜態(tài)的狀態(tài)中進行監(jiān)視，并不需要人工監(jiān)控，系統(tǒng)處于運行狀態(tài)就能夠促使儀表系統(tǒng)發(fā)生作用，不容易被旁路取代。

3 海上石油平臺安全儀表系統(tǒng)具體操作

3.1 安全完整性等級的確定方法

確定安全完整性等級：①安全保護層矩陣法，在進行過程危害定性的基礎上，對危害及影響做出定性評估處理，根據(jù)各種事件及自身的潛在影響評估安全層情況；②采取故障樹方法，故障樹是顯示故障后果的邏輯圖，在這一圖表中所具有的頂級事件故障或事故前傳感器故障等基本事件；③完善HAZOP（Hazard and Operability Study，危險與可操作性分析）方法，使工作人員更好地掌握和應用HAZOP 方法，其本質(zhì)是在對工藝圖紙和相關操作程序分析的基礎上，明確安全事件的結(jié)果及發(fā)生的可能性和風險因素，為響應安全完整性等級評估過程，安全團隊也要結(jié)合安全完整性等級確定風險控制措施（圖1）。

圖1 HAZOP 方法

3.2 編制安全要求說明書

安全要求說明書是在安全需求和安全完整性需求等基礎上實現(xiàn)的，以安全功能中的定義確定事件的整體安全狀態(tài)，在安全儀表輸入及動作設定點確定后，有效加強海上石油平臺安全完整程度，更好地明確安全系統(tǒng)的SIL 等級和具體的診斷結(jié)果及日常維修相關情況，并滿足對試驗和可靠性的要求。

3.3 概念設計與詳細設計

概念設計也要針對安全要求所包含的具體說明，推動其充分驗證安全儀表系統(tǒng)的理論內(nèi)容，滿足安全規(guī)范要求。詳細設計屬于整體設計中較為重要內(nèi)容，不僅要求滿足安全完整性等級及安全儀表系統(tǒng)動作前后的狀態(tài)，也要能夠完成自動復位，其本身仍然需要分析環(huán)境和危險區(qū)域劃分對安全儀表系統(tǒng)的影響[4]。

3.4 安全儀表系統(tǒng)的安裝和調(diào)試

安全儀表系統(tǒng)在得到較好的安裝與調(diào)試之后，利用預啟動測試形成的支持，使安全儀表系統(tǒng)的相關標準能夠進一步滿足規(guī)范中的安全要求。其主要的內(nèi)容通常涉及到設備的接線、電源和安全設備的設定點等方面，要充分結(jié)合設計與現(xiàn)場施工間的工作情況，確保系統(tǒng)順利應用。

3.5 安全儀表系統(tǒng)的運行和維護

在安全儀表系統(tǒng)投入實踐應用的時候，運營商要接受相關培訓，熟讀使用操作手冊，為安全儀表的操作和維護提供保障，同時對其周期性功能實施必要測試。需要修改安全儀表系統(tǒng)時，設計人員要結(jié)合現(xiàn)場的實際情況提出具體要求，具體分析安全儀表系統(tǒng)本身的概念過程及其他相關環(huán)節(jié)，實現(xiàn)針對性設計[5]。

4 海上石油平臺安全儀表系統(tǒng)的防護和防爆設計

設計海上石油自動儀表系統(tǒng)，要關注其防護設計情況，注重設計內(nèi)容，凸顯關注要點。如果同一信號回路屏蔽層和排擾線設計接地，要防止自動儀表系統(tǒng)中的地電位差出現(xiàn)問題。海上石油平臺自動控制系統(tǒng)無法避免多點接地的時候，要利用電線將儀表系統(tǒng)中的多個接地點連接在一起，從而有效消除地電位差，對石油平臺的安全運行提供必要保障，使其安全程度更高，滿足海上石油平臺安全應用的要求。

結(jié)合爆炸的條件及發(fā)生原理，如果可燃氣體中存在的可燃物低于爆炸點就不容易發(fā)生爆炸事件，但容易發(fā)生燃燒現(xiàn)象；如果可燃氣體中的可燃物比爆炸的爆炸點更高，就不會發(fā)生燃燒和爆炸現(xiàn)象，但混合某些氣體會發(fā)生混合氣體爆炸事故。海上石油平臺安全儀表系統(tǒng)在設計防護和防爆等設施的時候，要消除燃燒條件和爆炸條件，使用自控儀隔離空氣密封可燃材料、消除火源，設計出滿足海上石油平臺安全運行需要的安全儀表系統(tǒng)。防護和防爆目標能夠保障海上石油平臺的安全性，設計中結(jié)合石油平臺危險區(qū)域內(nèi)的氣體組相關數(shù)據(jù)，確定海上石油平臺安全儀表系統(tǒng)的實踐應用范圍，選擇具備防爆作用的安全儀表系統(tǒng)對石油開發(fā)有積極的影響。避免石油開發(fā)作業(yè)場所成為火災危險區(qū)，海上石油平臺安全儀表系統(tǒng)可以充分提高防爆系統(tǒng)的安全性能[6]。

5 結(jié)束語

海上石油平臺安全儀表系統(tǒng)是對海洋平臺作業(yè)及石油生產(chǎn)安全實施保障的必要基礎，其自身的安全性能及可靠程度也和海洋石油生產(chǎn)存在著密切聯(lián)系，在相關設計及實際應用基礎上，可以推動海洋石油平臺安全儀表系統(tǒng)自身的安全性顯著提升，促使海洋石油平臺有效實現(xiàn)更為穩(wěn)定和安全的發(fā)展與運營。