石油平臺(tái)自控儀表系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

岳沛霖

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518000)

0 引言

石油平臺(tái)自控儀表系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要,是石油平臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行和安全生產(chǎn)的重要保障。自控儀表系統(tǒng)工作范圍包括工藝參數(shù)的示警、數(shù)據(jù)處理、調(diào)節(jié)偏差、控制閥門的開(kāi)關(guān)等。通過(guò)傳感器、輸入電路和輸出電路來(lái)保證自控儀表系統(tǒng)運(yùn)行,因此關(guān)于自控儀表系統(tǒng)得人安全設(shè)計(jì)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 石油平臺(tái)自控儀表系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)原則

石油開(kāi)發(fā)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,但同時(shí)又伴隨著危險(xiǎn),尤其是在海洋區(qū)域進(jìn)行石油開(kāi)采工作,對(duì)于石油平臺(tái)的要求更加嚴(yán)格。在進(jìn)行儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需充分考慮施工人員生產(chǎn)安全問(wèn)題,從而減少安全事故的發(fā)生。與此同時(shí),自控儀表系統(tǒng)故障安全設(shè)計(jì)也能反映出石油開(kāi)采技術(shù)的水平。從海洋石油發(fā)展前景來(lái)看具有極高的開(kāi)發(fā)價(jià)值。因此,自控儀表系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)和利用將會(huì)成為未來(lái)石油平臺(tái)研究中重要的技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就要將故障安全與實(shí)踐相結(jié)合,保證設(shè)計(jì)的自控儀表系統(tǒng)在發(fā)生安全問(wèn)題時(shí)能夠通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置,保證工作人員的安全以及為故障部位能夠提供相應(yīng)的維護(hù)和升級(jí),以此來(lái)保障石油開(kāi)采工作的正常進(jìn)行[1]。

2 自控儀表系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

2.1 自控儀表系統(tǒng)的構(gòu)成

石油平臺(tái)自控儀表系統(tǒng)主要包括傳感器、輸入電路、輸出電路、邏輯控制、終端元件等,負(fù)責(zé)系統(tǒng)檢測(cè)和命令的執(zhí)行,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)通過(guò)其切斷危險(xiǎn)聯(lián)系,保證石油平臺(tái)系統(tǒng)地安全。其中傳感器以參數(shù)進(jìn)行分類,包括溫度、流量、液位線以及壓力值等;輸入信號(hào)和輸出信號(hào)包括模擬輸入、數(shù)字輸入、模擬輸出和數(shù)字輸出;自控儀表系統(tǒng)中邏輯控制器至關(guān)重要,多半采用PLC控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制;終端元件作為自控儀表系統(tǒng)的終端主要有關(guān)斷閥、電磁閥、電機(jī)和泵等[2]。

2.2 自控儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

自控儀表系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)流程從開(kāi)始階段到概念過(guò)程和最后系統(tǒng)停止工作,這個(gè)流程即為自控儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程,也可以稱之為安全生命周期。其中概念過(guò)程是指對(duì)系統(tǒng)所監(jiān)控的設(shè)備和工作環(huán)境進(jìn)行檢測(cè),以此保證整個(gè)設(shè)計(jì)流程能夠順利運(yùn)行。

2.2.1 定義總體范圍

定義總體范圍分兩個(gè)部分,其中一部分涉及受控設(shè)備和安全控制系統(tǒng),另一部分是分析石油平臺(tái)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)性,自控儀表系統(tǒng)在工作時(shí)既要靠率外部因素對(duì)系統(tǒng)的影響同和工作狀況帶來(lái)的影響,又要做好偶然故障因素帶給系統(tǒng)的影響。受控設(shè)備由于需要滿足生產(chǎn)需求而進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。自控儀表系統(tǒng)涵蓋了整個(gè)控制系統(tǒng),從傳感器到控制器保證整個(gè)回路都具備控制功能。

2.2.2 應(yīng)用非自控儀表系統(tǒng)安全保護(hù)

石油平臺(tái)在生產(chǎn)工作中,工藝流程相比于理論會(huì)更加復(fù)雜,對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的要求也相對(duì)較高。因此,自控儀表系統(tǒng)應(yīng)用在石油平臺(tái)上將會(huì)解決工藝帶來(lái)的復(fù)雜以及控制的高要求,并成為未來(lái)的發(fā)展方向。

2.2.3 定義安全整體等級(jí)

系統(tǒng)確定了安全儀表系統(tǒng)以后,再確定目標(biāo)系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)(Security Integrity Level,SIL)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備需符合安全完整性等相關(guān)要求。

(1)期望故障率。

期望故障率(Probability of Failure on Demand,PFD)指的是在正常情況下系統(tǒng)停止相應(yīng)的概率值。PFDavg是指自控儀表系統(tǒng)在某一段時(shí)間的安全儀表系統(tǒng)的平均值。其計(jì)算公式為:

其中,PFDse代表傳感器和輸入接口電路的期望故障率;PFDls代表邏輯控制器的期望故障率;PFDfe代表控制元件和輸出電路的期望故障率。

SIL與平均故障率關(guān)系如表1所示。

表1 SIL與平均故障率關(guān)系

如果在自控儀表安全系統(tǒng)中,∑PFDse=0.01,∑PFDIs=0.02,∑PFDfe=0.01,那么平均故障率為:

通過(guò)與1表對(duì)比可知,證明該系統(tǒng)屬于SIL1。

(2) SIL具體操作的確定。

SIL的具體操作的確定歸功于過(guò)程安全小組,對(duì)于設(shè)備的操作是由專業(yè)的維修人員完成。因此,安全小組的組員對(duì)于設(shè)備的控制和相關(guān)技術(shù)以及工作原理都要做到掌控。

(3)安全完整性等級(jí)的確定方法。

安全完整性等級(jí)的確定方法主要有3種,第一種叫作安全保護(hù)層矩陣法。該方法是出于對(duì)危害的定性和理解并對(duì)后期的危害后果進(jìn)行有效的評(píng)估;第二種叫故障樹(shù)法。該方法是通過(guò)構(gòu)建故障圖表實(shí)現(xiàn)的,從樹(shù)形邏輯圖表中可以看出故障和相關(guān)的事故;第三種叫作改進(jìn)了HAZOP方法。通過(guò)對(duì)操作程序和工藝圖紙分析,以便于發(fā)現(xiàn)事故的嚴(yán)重性以及發(fā)生的可能性,從而制定行而有效的提案來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

2.2.5 概念設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)需要遵從安全要求中的具體說(shuō)明,來(lái)進(jìn)行自控儀表系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)理論內(nèi)容的驗(yàn)證,保證其符合安全規(guī)范。詳細(xì)設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容,首先要符合安全完整等級(jí)規(guī)范,還要保證儀表系統(tǒng)前后的工作狀態(tài)和自動(dòng)復(fù)位,同時(shí)詳細(xì)設(shè)計(jì)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的狀況和危險(xiǎn)點(diǎn)的劃分能否影響自控儀表系統(tǒng)安全進(jìn)行有效分析。

2.2.6 自控儀表系統(tǒng)的安裝和調(diào)試

自控儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全與否還需要經(jīng)過(guò)安裝和調(diào)試過(guò)程,使用預(yù)啟動(dòng)測(cè)試的方式滿足自控儀表系統(tǒng)安全規(guī)范設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中要按照實(shí)際的需求以及安全規(guī)范將設(shè)備的接線、電源、安全設(shè)備設(shè)定點(diǎn)、開(kāi)關(guān)順序、復(fù)位等內(nèi)容進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求與設(shè)計(jì)相互協(xié)調(diào),以此保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 石油平臺(tái)自控儀表系統(tǒng)的防護(hù)和防爆設(shè)計(jì)

對(duì)于自控儀表系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì),除了考慮系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)安全外,還需考慮自控儀表系統(tǒng)的物理防護(hù)。當(dāng)石油平臺(tái)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的可燃?xì)怏w,一旦發(fā)生燃燒就可能會(huì)產(chǎn)生爆炸事故,那么將會(huì)對(duì)石油平臺(tái)以及整個(gè)系統(tǒng)造成損壞。石油平臺(tái)自控儀表系統(tǒng)安全防爆設(shè)計(jì),通過(guò)設(shè)計(jì)出自控安全儀表來(lái)消除燃燒條件和爆炸條件。其工作原理是儀表進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)后,實(shí)現(xiàn)空氣與可燃物的隔離,從而建立了石油平臺(tái)的安全系統(tǒng)。與此同時(shí),自控儀表通過(guò)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的氣體組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及對(duì)石油平臺(tái)范圍和登記,以此設(shè)計(jì)出自控儀表系統(tǒng)做到石油平臺(tái)的防護(hù)和防爆,保證石油的開(kāi)采順利進(jìn)行[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所示,石油平臺(tái)自控儀表系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)可以說(shuō)關(guān)乎著平臺(tái)的高效生產(chǎn)以及施工人員的人身安全,系統(tǒng)本身的安全性能以及可靠性與石油開(kāi)采生產(chǎn)密不可分,設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),要充分地考慮系統(tǒng)的安全性和適用性,發(fā)揮出自控儀表系統(tǒng)的作用,促使石油平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定和安全發(fā)展。