海上平臺(tái)ESD現(xiàn)場(chǎng)儀表選型標(biāo)準(zhǔn)分析

程學(xué)華 騰斌 侯振忠 蔣林 張健

摘 要 應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)在海上平臺(tái)的使用中有著舉足輕重的意義，可以確保海上平臺(tái)安全穩(wěn)健地工作，從而減少風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題出現(xiàn)的可能性。想要提高應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的效率需要選擇最適合應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表，因此，本文從不同儀表的各個(gè)方面進(jìn)行分析選擇最適合海上平臺(tái)ESD系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表，希望可以給有關(guān)工作人員帶來(lái)更多的思考。

關(guān)鍵詞 海上平臺(tái) ESD 儀表選型標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U653 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）06-0031-03

由于我國(guó)海上油氣平臺(tái)的人員和設(shè)備長(zhǎng)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(duì)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(huì)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的ESD系統(tǒng)，也就是我們常說(shuō)的緊急關(guān)斷系統(tǒng)[1]。ESD系統(tǒng)是經(jīng)專(zhuān)門(mén)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(jí)，以降低生產(chǎn)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)。它不但能應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(guò)程保持在安全狀況下，并保證人、設(shè)施和周?chē)h(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(tái)的安全等級(jí)，分成四個(gè)級(jí)別關(guān)斷?，F(xiàn)場(chǎng)儀表一般分為三、四級(jí)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(chǎng)設(shè)備參數(shù)采集、整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)作、數(shù)據(jù)處理、生產(chǎn)過(guò)程畫(huà)面顯示、報(bào)警、歷史趨勢(shì)和報(bào)告的打印等。

2 對(duì)應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的要求

對(duì)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(duì)人類(lèi)生存、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境可能造成的危害限制在人類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所能承受的范圍內(nèi)的情況。

海上平臺(tái)周?chē)Ｑ蟓h(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(tái)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(lái)，由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)現(xiàn)代安全系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)逐漸提高，這就對(duì)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(dòng)處置緊急發(fā)生的各類(lèi)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(dòng)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(guò)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(duì)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(jí)

3.1 一級(jí)關(guān)斷

一級(jí)關(guān)斷，對(duì)于海上平臺(tái)來(lái)說(shuō)是非常嚴(yán)重的關(guān)斷級(jí)別，因?yàn)檫@是海上平臺(tái)關(guān)斷的最高級(jí)別，如果達(dá)到一級(jí)關(guān)斷，就意味著發(fā)生了極為嚴(yán)重的情況，因此一級(jí)關(guān)斷也常常被稱(chēng)為棄平臺(tái)的關(guān)斷。執(zhí)行此關(guān)斷，一般需由海上平臺(tái)負(fù)責(zé)人或總監(jiān)等指定人確定，但此級(jí)關(guān)斷一般都將采取全自動(dòng)執(zhí)行方法，其最重要的放棄平臺(tái)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(jí)關(guān)斷時(shí)，平臺(tái)需要關(guān)掉平臺(tái)上的所有發(fā)動(dòng)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(dòng)力控制等系統(tǒng)，就必須開(kāi)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(dòng)機(jī)也將關(guān)閉，平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)燈熄滅。

3.2 二級(jí)關(guān)斷

二級(jí)關(guān)斷，即為火氣關(guān)斷。當(dāng)系統(tǒng)二級(jí)關(guān)斷時(shí)，平臺(tái)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(wú)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(jí)關(guān)斷

關(guān)閉三級(jí)意味著停止生產(chǎn)?？赡茉蚴牵鹤詣?dòng)停止按鈕;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(dòng)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(jí)關(guān)斷

四級(jí)關(guān)斷通常是指單元關(guān)斷，即單元設(shè)備上的異常信號(hào)產(chǎn)生。如由于壓力過(guò)高過(guò)低或液位過(guò)低、過(guò)高，或溫度過(guò)高等原因所引起的需要對(duì)單一設(shè)備的則關(guān)，同時(shí)在操作站中還設(shè)置了自動(dòng)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，從而能夠?qū)我辉O(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)則關(guān)。而該級(jí)則閉時(shí)只關(guān)斷故障單元，而競(jìng)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(duì)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(zhǎng)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(jí)別的關(guān)停導(dǎo)致所有較低級(jí)別的關(guān)停。緊急停機(jī)時(shí)間后，用戶(hù)迅速排除故障并自動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)。426B0E92-BEF1-465A-AC85-8D2F2499E6FE

5 現(xiàn)場(chǎng)儀表的分類(lèi)

平臺(tái)上常用的現(xiàn)場(chǎng)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(duì)遠(yuǎn)傳信號(hào)進(jìn)行信號(hào)反饋的儀表。

5.1 開(kāi)關(guān)量?jī)x表

開(kāi)關(guān)量?jī)x表在時(shí)間限制上連續(xù)變化，在振幅上為二元物理量。

開(kāi)關(guān)量?jī)x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(tái)上廣泛應(yīng)用的急斷開(kāi)關(guān)量檢測(cè)儀表，涵蓋了過(guò)程變量開(kāi)關(guān)、自動(dòng)控制器、鑰匙、繼電器控制量開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)等，其中緊急切斷開(kāi)關(guān)檢測(cè)儀應(yīng)在正常的工作狀態(tài)下關(guān)閉;異常時(shí)斷開(kāi)。這類(lèi)儀器很多，在深海油氣平臺(tái)上等特定場(chǎng)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(kāi)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(lèi)開(kāi)關(guān)如果檢測(cè)到異常的高壓或低溫時(shí)，就會(huì)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(cè)量?jī)x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(hào)傳輸方式，但4～20mA信號(hào)則由于其傳遞距離長(zhǎng)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(chǎng)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(lái)也非常簡(jiǎn)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(cè)量加溫器出口水溫（TT）等應(yīng)用也十分普遍。

變送器的檢測(cè)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(duì)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)也能夠針對(duì)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(guò)設(shè)定量程便可以調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)檢測(cè)范圍。近些年來(lái)的海上平臺(tái)，相對(duì)開(kāi)關(guān)式測(cè)量?jī)x表的使用率也是在逐步下降，而相對(duì)變送器的使用量卻又逐步提高，從以下幾點(diǎn)中也可以簡(jiǎn)單分析一下其原因：

5.2.1 成本

開(kāi)關(guān)式測(cè)量?jī)x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(lèi)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(jí)，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(dòng)開(kāi)關(guān)電源動(dòng)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(dòng)，通過(guò)欄桿簧片等機(jī)械結(jié)構(gòu)，啟動(dòng)上端微動(dòng)開(kāi)關(guān)電源動(dòng)作，傳輸電信號(hào)。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(jí)別也就是2.5。壓力變送器還能夠把所接受來(lái)的廢氣、液體和壓力信號(hào)，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)（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(cè)、命令以及過(guò)程調(diào)節(jié)，其精度一般可以達(dá)到0.5級(jí)。

此外，通用壓力開(kāi)關(guān)的范圍有限，變送器可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)整。因此，變送器之間的開(kāi)關(guān)差小于一般開(kāi)關(guān)或測(cè)量?jī)x器之間的開(kāi)關(guān)差。

5.2.3 可靠性

對(duì)于儀表而言，開(kāi)關(guān)量?jī)x表與變送器之間的比較基本上是機(jī)械與電氣的。開(kāi)關(guān)量?jī)x表的設(shè)備控制靈敏度較低，但安全特性也較高。但是，對(duì)ESD控制系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)或檢測(cè)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(píng)估。

舉個(gè)例子：假設(shè)有PS1、PS2、PS3三個(gè)壓力開(kāi)關(guān)。PS1損壞了，但PS2和PS3工作正常，而控制系統(tǒng)卻無(wú)法監(jiān)測(cè)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(kāi)關(guān)中，PS2報(bào)告零，而PS3由于高限的動(dòng)作會(huì)報(bào)告一，但是由于PS1已經(jīng)損壞，因此PS1會(huì)直接報(bào)告0，這時(shí)，系統(tǒng)會(huì)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(huì)進(jìn)行活動(dòng)。

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(hào)。首先，各個(gè)通道的AI信號(hào)均需要事先進(jìn)行上限判斷，并由CPU中產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)，就像壓力開(kāi)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(guò)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(cè)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(duì)其作出檢查。壓力開(kāi)關(guān)在停電時(shí)，認(rèn)為壓力開(kāi)關(guān)不能移動(dòng)，不知道如何斷電。一旦壓力變送器過(guò)壓或膜盒破損，且電源仍未斷開(kāi)時(shí)，則可能會(huì)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(kāi)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(chǎng)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(kāi)關(guān)檢測(cè)儀的可調(diào)范圍很小，且調(diào)試流程比較繁瑣，必然會(huì)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(kāi)關(guān)量?jī)x表的可調(diào)范圍，則可以更改現(xiàn)場(chǎng)儀表的狀態(tài)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)關(guān)測(cè)量?jī)x，很容易凍結(jié)和堵塞，變送器則毫無(wú)這種疑慮。

3.開(kāi)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(tái)的實(shí)際使用中，變送器的優(yōu)點(diǎn)顯著高于傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)式檢測(cè)儀器。目前，在海上平臺(tái)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(shì)，但由于仍面臨著若干問(wèn)題，對(duì)這一發(fā)展趨勢(shì)，仍有一定的影響。首先，平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定“一次儀表應(yīng)使用開(kāi)關(guān)”。此外，由于目前平臺(tái)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(yǔ)

總之，針對(duì)海洋油氣田特殊的生成過(guò)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(lái)，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(yíng)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。

參考文獻(xiàn)：

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