海上平臺ESD 現(xiàn)場儀表選型標(biāo)準(zhǔn)分析

程學(xué)華 騰 斌 侯振忠 蔣 林 張 健

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

由于我國海上油氣平臺的人員和設(shè)備長期處于高度集中的狀態(tài)，在這種環(huán)境下，易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)是非常高的，因此，對人員和設(shè)備的安全管理要求極高，為了降低工作的危險(xiǎn)性，一般會設(shè)置專門的ESD 系統(tǒng)，也就是我們常說的緊急關(guān)斷系統(tǒng)[1]。ESD 系統(tǒng)是經(jīng)專門機(jī)構(gòu)認(rèn)可的綜合安全防護(hù)系統(tǒng)，具有相應(yīng)的安全等級，以降低生產(chǎn)過程的風(fēng)險(xiǎn)。它不但能應(yīng)對生產(chǎn)過程中由于超越了安全限度所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還能檢查和解決設(shè)備自身的故障，以便于按照所設(shè)定的要求或程序使整個(gè)生產(chǎn)過程保持在安全狀況下，并保證人、設(shè)施和周圍環(huán)境的安全[2]。

1 關(guān)于應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的概念

應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）。該系統(tǒng)根據(jù)平臺的安全等級，分成四個(gè)級別關(guān)斷。現(xiàn)場儀表一般分為三、四級的關(guān)斷控制系統(tǒng)。應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的功能也比較多，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的功能較多，包括現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)采集、整個(gè)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動作、數(shù)據(jù)處理、生產(chǎn)過程畫面顯示、報(bào)警、歷史趨勢和報(bào)告的打印等。

2 對應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的要求

對于應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)，確保員工的安全是首要任務(wù)。廣義的安全是指系統(tǒng)的工作條件及其對人類生存、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境可能造成的危害限制在人類工業(yè)生產(chǎn)過程中所能承受的范圍內(nèi)的情況。

海上平臺周圍海洋環(huán)境復(fù)雜，石油支架易燃易爆，設(shè)備和人員非常集中，這表明一旦平臺發(fā)生重大事故，將造成巨大損失和大量財(cái)產(chǎn)損失。近年來，由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對現(xiàn)代安全系統(tǒng)的認(rèn)識逐漸提高，這就對安全系統(tǒng)提出了以下要求：

1.獨(dú)立于其他控制系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)本身的可靠性和可用性的極高。

3.是一套硬件冗余的系統(tǒng)。

4.控制系統(tǒng)能有效地自動處置緊急發(fā)生的各類重要任務(wù)，但同樣也需要降低控制系統(tǒng)誤觸發(fā)或誤停止的動作次數(shù)和頻率，以達(dá)到損失降到最低的良好效果。

5.控制系統(tǒng)必須便于維修和發(fā)現(xiàn)故障，并具備自我診斷功能。

6.操作系統(tǒng)需要用于組態(tài)，并具備實(shí)時(shí)更新組態(tài)的特殊功能。

7.安全控制系統(tǒng)還必須要和過程控制器及其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

8.能夠?qū)κ鹿蔬M(jìn)行順序記錄，也就是事故記錄（SOE）功能。

在實(shí)際生產(chǎn)中，ESD 系統(tǒng)完全符合其對于安全系統(tǒng)的要求，因此，在生產(chǎn)中投入ESD 系統(tǒng)能夠在很大的程度上能降低事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，這也就意味著投入ESD 系統(tǒng)就顯得尤為重要了[3]。

3 ESD 系統(tǒng)的關(guān)斷等級

3.1 一級關(guān)斷

一級關(guān)斷，對于海上平臺來說是非常嚴(yán)重的關(guān)斷級別，因?yàn)檫@是海上平臺關(guān)斷的最高級別，如果達(dá)到一級關(guān)斷，就意味著發(fā)生了極為嚴(yán)重的情況，因此一級關(guān)斷也常常被稱為棄平臺的關(guān)斷。執(zhí)行此關(guān)斷，一般需由海上平臺負(fù)責(zé)人或總監(jiān)等指定人確定，但此級關(guān)斷一般都將采取全自動執(zhí)行方法，其最重要的放棄平臺控制按鈕通常設(shè)在中央控制室、救生艇處，有時(shí)還有直升機(jī)甲板二側(cè)的樓梯口等處。當(dāng)完成最后一級關(guān)斷時(shí)，平臺需要關(guān)掉平臺上的所有發(fā)動機(jī)和生產(chǎn)設(shè)備，僅留下求生和應(yīng)急照明的部分。如果要關(guān)斷公用控制和動力控制等系統(tǒng)，就必須開啟BDV（緊急放空閥），火炬控制系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀況，并需要完成相關(guān)的泄壓排空的操作，最終，應(yīng)急發(fā)動機(jī)也將關(guān)閉，平臺運(yùn)行狀態(tài)燈熄滅。

3.2 二級關(guān)斷

二級關(guān)斷，即為火氣關(guān)斷。當(dāng)系統(tǒng)二級關(guān)斷時(shí)，平臺狀態(tài)指示燈和火災(zāi)告警紅燈亮、同時(shí)緊急發(fā)電系統(tǒng)正常工作，同時(shí)同步的無線電廣播系統(tǒng)也產(chǎn)生了火警警報(bào)，而所有機(jī)械設(shè)備則需要立即停止。但消防基礎(chǔ)設(shè)施、通信技術(shù)設(shè)備、直升機(jī)甲板邊界燈、障礙燈、霧警報(bào)器、應(yīng)急燈控制系統(tǒng)、發(fā)電和供水等機(jī)械設(shè)備仍應(yīng)處于正常工作狀態(tài)。

3.3 三級關(guān)斷

關(guān)閉三級意味著停止生產(chǎn)?？赡茉蚴牵鹤詣油Ｖ拱粹o；在工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)重要監(jiān)控信息、儀表低壓信息、工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)故障信息等的驅(qū)動下，關(guān)閉所有主閥和翼閥；然后關(guān)閉所有生產(chǎn)裝置或油管道。

3.4 四級關(guān)斷

四級關(guān)斷通常是指單元關(guān)斷，即單元設(shè)備上的異常信號產(chǎn)生。如由于壓力過高過低或液位過低、過高，或溫度過高等原因所引起的需要對單一設(shè)備的則關(guān)，同時(shí)在操作站中還設(shè)置了自動開關(guān)系統(tǒng)，從而能夠?qū)我辉O(shè)備實(shí)現(xiàn)自動則關(guān)。而該級則閉時(shí)只關(guān)斷故障單元，而競賽項(xiàng)目系統(tǒng)都不受影響。

4 ESD 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

對海上石油而言，確保系統(tǒng)的安全可靠性必須成為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。安全可靠性是指企業(yè)在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)確保安全的前提下，能安全可靠地長時(shí)間、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)和工作，在符合規(guī)定的條件下或者在規(guī)定的時(shí)期內(nèi)，具備了能夠很好地實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能的能力。

ESD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則為：控制系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置；盡量減少中心環(huán)節(jié)，一個(gè)級別的關(guān)停導(dǎo)致所有較低級別的關(guān)停。緊急停機(jī)時(shí)間后，用戶迅速排除故障并自動恢復(fù)工作后，即可恢復(fù)生產(chǎn)。緊急停機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為“故障-安全”。構(gòu)成ESD 的每個(gè)鏈路設(shè)備造成故障的概率不能為零，但也可能在電源和氣體供應(yīng)中斷時(shí)引起。當(dāng)ESD 設(shè)備被內(nèi)部或外界原因所損壞時(shí)，被保護(hù)設(shè)備將根據(jù)規(guī)定的次序安全停機(jī)或自動進(jìn)入安全狀態(tài)，這就是故障-安全原則。具體表現(xiàn)為：當(dāng)控制系統(tǒng)保持在正常狀況下時(shí)，信息接點(diǎn)為常閉，而在輸出回路則帶電；在系統(tǒng)中出現(xiàn)異常狀況時(shí)，將信息觸點(diǎn)切斷。輸出電路中的功率損耗形成了相關(guān)的聯(lián)鎖動態(tài)。

5 現(xiàn)場儀表的分類

平臺上常用的現(xiàn)場儀表設(shè)備主要有溫度計(jì)、溫度變送器、壓力表、壓力變送器、氣體分析儀，以及溫度調(diào)節(jié)控制器、帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)的切斷控制閥、電磁控制閥等。此處將著重討論怎樣完成對遠(yuǎn)傳信號進(jìn)行信號反饋的儀表。

5.1 開關(guān)量儀表

開關(guān)量儀表在時(shí)間限制上連續(xù)變化，在振幅上為二元物理量。

開關(guān)量儀表通常只取“1”或“0”。如電源的通斷、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)比等。平臺上廣泛應(yīng)用的急斷開關(guān)量檢測儀表，涵蓋了過程變量開關(guān)、自動控制器、鑰匙、繼電器控制量開關(guān)的觸點(diǎn)等，其中緊急切斷開關(guān)檢測儀應(yīng)在正常的工作狀態(tài)下關(guān)閉；異常時(shí)斷開。這類儀器很多，在深海油氣平臺上等特定場合下應(yīng)用的也很多，例如加壓容器中的流體需加溫，則應(yīng)設(shè)溫度開關(guān)，如出油管線上均裝有壓力高控制器（PSH）、壓力低控制器（PSL），這類開關(guān)如果檢測到異常的高壓或低溫時(shí)，就會將油井關(guān)斷。

5.2 變送器

變送器則是把標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出信息，轉(zhuǎn)換成能使控制器和測量儀表更準(zhǔn)確地接受標(biāo)準(zhǔn)信息的儀表。變送器中所使用的模擬量,一般采用4～20mA 以及0～10V 的信號傳輸方式，但4～20mA 信號則由于其傳遞距離長以及抗干擾能力強(qiáng)之優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于海上的使用。

ESD 控制系統(tǒng)中包含的現(xiàn)場變送器主要為壓力和液位變送器，少量為溫度和差壓變送器。因?yàn)樗梢灾苯觽鬏斕囟ǖ膮?shù)，所以應(yīng)用起來也非常簡單。至于緊急停機(jī)控制系統(tǒng)，還有許多其他地方可以使用，例如關(guān)斷閥閥后壓（PT），生產(chǎn)撬塊加壓容器的液位（LT），測量加溫器出口水溫（TT）等應(yīng)用也十分普遍。

變送器的檢測區(qū)域能夠在選型上先進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，而后期也能夠利用手操器等機(jī)械裝置調(diào)整或校準(zhǔn)，所以對實(shí)際應(yīng)用來說也能夠針對實(shí)際工況作出相應(yīng)區(qū)域的調(diào)整，而且只在硬件區(qū)域量程內(nèi)，通過設(shè)定量程便可以調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)檢測范圍。近些年來的海上平臺，相對開關(guān)式測量儀表的使用率也是在逐步下降，而相對變送器的使用量卻又逐步提高，從以下幾點(diǎn)中也可以簡單分析一下其原因：

5.2.1 成本

開關(guān)式測量儀器的生產(chǎn)成本，通常為相同規(guī)格變送器的四分之一至五分之一。雖然價(jià)格比最高，但裝配調(diào)試的工作量也略高于同類變送器。

5.2.2 量程和準(zhǔn)確度

看精度首先是看其精度等級，以壓力控制器為例，由于壓力控制器是純機(jī)器的變化引起微動開關(guān)電源動作。在壓力上升時(shí)，相互作用于變化的傳感技術(shù)壓力電子元器件（膜片、波紋管、氣缸）形成了變化，并向前移動，通過欄桿簧片等機(jī)械結(jié)構(gòu)，啟動上端微動開關(guān)電源動作，傳輸電信號。UE 壓力控制器設(shè)計(jì)方法在功能機(jī)理上，又可以分為連續(xù)變位型和力穩(wěn)定型。所以，壓力控制器通常都可以給出一種大概的壓力數(shù)值，最高的準(zhǔn)確度級別也就是2.5。壓力變送器還能夠把所接受來的廢氣、液體和壓力信號，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號（4～20mADC），從而供給二次儀表，比如命令報(bào)警儀表、記錄儀、電子調(diào)節(jié)器等，進(jìn)行檢測、命令以及過程調(diào)節(jié)，其精度一般可以達(dá)到0.5 級。

此外，通用壓力開關(guān)的范圍有限，變送器可根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行調(diào)整。因此，變送器之間的開關(guān)差小于一般開關(guān)或測量儀器之間的開關(guān)差。

5.2.3 可靠性

對于儀表而言，開關(guān)量儀表與變送器之間的比較基本上是機(jī)械與電氣的。開關(guān)量儀表的設(shè)備控制靈敏度較低，但安全特性也較高。但是，對ESD 控制系統(tǒng),開關(guān)或檢測儀器都很難作出任何判斷，但變送器卻能夠作出適當(dāng)?shù)脑u估。

舉個(gè)例子：假設(shè)有PS1、PS2、PS3 三個(gè)壓力開關(guān)。PS1 損壞了，但PS2 和PS3 工作正常，而控制系統(tǒng)卻無法監(jiān)測到這些情況。如果在這時(shí)發(fā)生了壓強(qiáng)達(dá)到最大值的情況，這三個(gè)壓力開關(guān)中，PS2 報(bào)告零，而PS3 由于高限的動作會報(bào)告一，但是由于PS1 已經(jīng)損壞，因此PS1 會直接報(bào)告0，這時(shí)，系統(tǒng)會收到兩個(gè)0 和一個(gè)1，進(jìn)行比較后，最終投票結(jié)論為零，因此ESD 不會進(jìn)行活動。

換一種假設(shè)，若有三個(gè)壓力變送器PT1、PT2、PT3,且這三個(gè)壓力變送器都已向ESD 系統(tǒng)發(fā)出了AI 信號。首先，各個(gè)通道的AI 信號均需要事先進(jìn)行上限判斷，并由CPU 中產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)點(diǎn)，就像壓力開關(guān)的出口。最后，投票將這些觀點(diǎn)視為邏輯。然后，我們可以算出平均值，該平均值可以連續(xù)與PT1、PT2 和PT3進(jìn)行比較，即使誤差過大，平均值也應(yīng)異常，這將確定三個(gè)變送器是否已經(jīng)損壞。許多智能變送器也有自己的診斷信息。為了測試變送器的強(qiáng)度，例如，一旦變送器被切斷，以及該值已被發(fā)送至零，則系統(tǒng)就可以馬上對其作出檢查。壓力開關(guān)在停電時(shí)，認(rèn)為壓力開關(guān)不能移動，不知道如何斷電。一旦壓力變送器過壓或膜盒破損，且電源仍未斷開時(shí)，則可能會將其送到最大值，或?qū)⒃\斷信息直接送到系統(tǒng)。在這些情況下，系統(tǒng)才能處理數(shù)據(jù)。

5.2.4 后期維護(hù)

1.隨著油田石油的不斷開發(fā)，井下壓力也在降低。然而，我們還是要求一種比較平衡的生產(chǎn)環(huán)境，這就要求現(xiàn)場儀表的工作范圍可以隨著生產(chǎn)環(huán)境的變化而相應(yīng)地調(diào)整。由于開關(guān)檢測儀的可調(diào)范圍很小，且調(diào)試流程比較繁瑣，必然會在油田生產(chǎn)中或后期形成很大的成本。此外，如果要改變的范圍大于開關(guān)量儀表的可調(diào)范圍，則可以更改現(xiàn)場儀表的狀態(tài)，可根據(jù)現(xiàn)場條件調(diào)整變送器的量程。

2.渤海的冬天溫度很低，如果使用開關(guān)測量儀，很容易凍結(jié)和堵塞，變送器則毫無這種疑慮。

3.開關(guān)儀表的調(diào)節(jié)比差壓變送器的調(diào)節(jié)復(fù)雜得多。在海上平臺的實(shí)際使用中，變送器的優(yōu)點(diǎn)顯著高于傳統(tǒng)開關(guān)式檢測儀器。目前，在海上平臺上所應(yīng)用的儀器，主要為變送器。所以，變送器的普遍應(yīng)用也形成了一種趨勢，但由于仍面臨著若干問題，對這一發(fā)展趨勢，仍有一定的影響。首先，平臺標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定“一次儀表應(yīng)使用開關(guān)”。此外，由于目前平臺上所使用的大部分變送器均要求擁有SIL 認(rèn)證，這在實(shí)際上提高了變送器的應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)語

總之，針對海洋油氣田特殊的生成過程和復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，海洋油氣田的快速高效發(fā)展應(yīng)始終將安全生產(chǎn)放在首位。近年來，隨著標(biāo)準(zhǔn)化ESD 體系的合理設(shè)計(jì)，海洋原油生產(chǎn)經(jīng)營中事故逐漸降低，重大惡性事故的出現(xiàn)也得以有效管控，進(jìn)而保障了海洋原油的安全生產(chǎn)和發(fā)展，產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效益也持續(xù)增加。然而，實(shí)踐也證明，合理設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)化ESD 系統(tǒng)，仍然是海上石油安全生產(chǎn)中不能缺少的重要因素。