葉 鏑，歷 超，李曉升

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

由于海上油氣田的進(jìn)一步開發(fā)，使更多的石油平臺得到使用。在對油氣進(jìn)行生產(chǎn)期間，中央控制系統(tǒng)非常重要，其功能在于可以對有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、做好偏差調(diào)節(jié)等。在中央控制系統(tǒng)中，安全儀表是重要的組成部分，作用在于可以在突發(fā)狀況下進(jìn)行相關(guān)操作，確保工藝期間的合理運(yùn)行，保證平臺安全。

1 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計流程

1.1 概念過程

概念過程主要是對相關(guān)設(shè)備和環(huán)境狀況進(jìn)行有效控制，確保安全周期的順利進(jìn)行。在此期間，要確立危險源和類型，獲取設(shè)計工作所需的有關(guān)規(guī)范。此外還要掌握好附近受控設(shè)備因彼此間的關(guān)聯(lián)性而可能造成的危險。

1.2 總體范圍定義

總體范圍定義主要包括2 個層面，分別是對受控設(shè)備以及安全控制系統(tǒng)的界定，以及對所存在的危險和風(fēng)險進(jìn)行研究。其中受控設(shè)備是指依據(jù)生產(chǎn)需求而進(jìn)行參數(shù)控制的設(shè)備。控制系統(tǒng)主要包括從傳感器到執(zhí)行器的整個回路，可以確保控制功能得到充分發(fā)揮。對危險和風(fēng)險因素進(jìn)行研究，不但要重視外部因素和子系統(tǒng)情況對整個系統(tǒng)的干擾，同時還要掌握突發(fā)性故障因素。

1.3 定義安全完整性登記

（1）期望故障率。其能夠展現(xiàn)出正常狀況下系統(tǒng)的概率值。主要使用以下工作來進(jìn)行運(yùn)算：PFDavg=PFDse+PFDis+PFDfe。其中，PFDse代表傳感器和輸入結(jié)構(gòu)電路的期望故障率，PFDse代表邏輯控制器的期望故障率，PFDfe代表執(zhí)行元件以及輸出電路的期望故障值。SIL（安全完整性）等級和平均故障關(guān)系見表1。在安全系統(tǒng)中，PFDse=0.01，PFDis=0.02，PFDfe=0.01，這樣平均故障率是PFDavg=0.01+0.02+0.01=0.04。通過對表1 的分析能夠了解到，此系統(tǒng)屬于SIL1。

（2）確定SIL 的具體操作。對其定義工作要由專業(yè)安全小組來負(fù)責(zé)，主要工作負(fù)責(zé)人包括設(shè)備操控人員和具有多年維修經(jīng)驗(yàn)的工作者。在工作期間，相關(guān)工作者要掌握具體過程、設(shè)備控制的基本技能以及工作原理。

（3）安全完整性等級的確定方法?？紤]到過程存在危險性，所以要對有可能發(fā)生的危險情況和影響進(jìn)行合理的評估。安全保護(hù)層矩陣法要能夠及時發(fā)現(xiàn)所要出現(xiàn)的問題和有可能造成的后果。

（4）改進(jìn)HAZOP 法。此方法主要是給工藝圖紙和操作過程做好分析工作。分析內(nèi)容主要有對后果造成的影響、出現(xiàn)風(fēng)險的概率和其他有關(guān)的風(fēng)險因素。要根據(jù)評估的過程，讓過程安全小組采取合適的推薦意見，或者對所要采用的風(fēng)險控制措施能否得到合理的運(yùn)用進(jìn)行分析。

（5）創(chuàng)建安全要求說明書。安全功能需求以及安全完整性是安全說明書的主要構(gòu)成部分。安全功能主要包含確立已經(jīng)確定的過程安裝狀態(tài)、SIS 輸入和動作設(shè)定點(diǎn)等方面。安全完整性要求包含安全系統(tǒng)的SIL 等級和對其進(jìn)行的檢修、試驗(yàn)等方面的需求。

表1 SIL 和平均故障關(guān)系

2 概念設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計

2.1 傳感器要求

對工藝參數(shù)進(jìn)行檢測是傳感器的主要作用，其能否得到合理使用，關(guān)系到控制回路的效果。在設(shè)計過程中，基礎(chǔ)過程控制系統(tǒng)一般情況下會和SIS 一同使用相同的傳感器。如果對場合沒有太多要求，比如SIL1 時，其平均故障率一般會保持在10-1～10-2，所以可以采用相同的傳感器。若對場合要求多，比如SIL2時，BPCS 和SIS 都要采用符合自身要求的傳感器。若使用公用傳感器，如果傳感器在過程控制系統(tǒng)的設(shè)定點(diǎn)以下范圍失效，但此時實(shí)際控制參數(shù)高于設(shè)定值，那么所發(fā)生的狀況就會是BPCS系統(tǒng)依據(jù)檢測元件故障前所獲取的值采取反向調(diào)節(jié)，這樣會導(dǎo)致工藝參數(shù)和設(shè)定點(diǎn)發(fā)生偏差；而且SIS 無法獲取控制參數(shù)高出或少于安全線的信號，這樣會造成安全系統(tǒng)動作無效。所以，一定要對傳感器進(jìn)行分離。對于SIL3，系統(tǒng)則對傳感器具有更高需求，在必要情況下要使用符合要求的傳感器，這樣就可以避免相同的產(chǎn)品出現(xiàn)同一種故障。

2.2 S/S 執(zhí)行元件的要求

很多系統(tǒng)的執(zhí)行功能主要是通過關(guān)斷閥完成。對于SIL1，如果閥的平均故障可以符合安全等級的規(guī)定，那么調(diào)節(jié)閥就能夠一同使用到過程控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)中。但要注意，調(diào)節(jié)閥對安全系統(tǒng)的響應(yīng)不但要快于控制系統(tǒng)，同時還要具備優(yōu)先權(quán)，從而達(dá)到安全需求。對于SIL2 和SIL3，對調(diào)節(jié)閥的分析更為關(guān)鍵。如在某個工藝過程中，BPCS 與SIS 一同使用相同的調(diào)節(jié)閥。一般狀況下，調(diào)節(jié)閥會依據(jù)控制器的輸出來合理調(diào)整流量，安全系統(tǒng)在突發(fā)狀況下可以將調(diào)節(jié)閥全部關(guān)閉，這樣一來就能夠確保隨后的工藝過程得到順利進(jìn)行。如果發(fā)生極端狀況，當(dāng)調(diào)節(jié)閥在啟動情況下出現(xiàn)故障，而此時正好出現(xiàn)危險狀況，那么SIS 就要關(guān)掉此調(diào)節(jié)閥，這樣可以避免矛盾?，F(xiàn)在，海洋石油平臺普遍使用調(diào)節(jié)閥和關(guān)斷閥分離的方式。

3 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)同硬件設(shè)計

對檢測設(shè)計、執(zhí)行元件的設(shè)計等是系統(tǒng)硬件設(shè)計的主要工作，在設(shè)計過程中要注重其可靠性和可用性。系統(tǒng)能否可靠，會很大程度決定系統(tǒng)運(yùn)行安全，而可用性盡管不會降低系統(tǒng)的安全性，不過要是下降，則很有可能導(dǎo)致裝置不能得到有效運(yùn)行。

3.1.1 邏輯運(yùn)算器設(shè)計

要使邏輯運(yùn)算器設(shè)計具有可靠性，就要符合安全儀表系統(tǒng)的安全度等，利用此規(guī)定合理采用各種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。在全部系統(tǒng)中，主要包括三重化、四重化等結(jié)構(gòu)。無論哪種結(jié)構(gòu)，都已經(jīng)得到認(rèn)證，同時符合有關(guān)安全等級的規(guī)定。所以，相關(guān)的邏輯運(yùn)算器就能夠在裝置上得到合理使用，這樣一來就可以達(dá)到安全保護(hù)的效果。系統(tǒng)的可用性程度直接關(guān)系到系統(tǒng)的基本指標(biāo)，要加強(qiáng)系統(tǒng)的可用性就一定要讓系統(tǒng)具備容錯能力。其作用是能夠在系統(tǒng)或控制器出現(xiàn)問題的情況下，確保系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且還能夠檢查出存在的故障；這就要求系統(tǒng)當(dāng)中要具有冗余，電源、通信模塊等冗余配置是進(jìn)行容錯的最基礎(chǔ)條件。通常，進(jìn)行隔離、故障檢查、故障辨別等是容錯主要具有的功能。

3.1.2 檢測、執(zhí)行元件的設(shè)計

要使元件自身出現(xiàn)故障的可能性下降，則要在檢查安全儀表系統(tǒng)時，選用高性能的產(chǎn)品。如何設(shè)置檢測以及執(zhí)行元件，一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)制定出有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，就是在安全儀表系統(tǒng)當(dāng)中盡量采用冗余配置，其能夠很大程度降低系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性，從而讓系統(tǒng)能夠提高可用性。

3.2 邏輯運(yùn)算設(shè)計

3.2.1 典型邏輯關(guān)系

目前海洋平臺安全儀表系統(tǒng)，普遍使用基礎(chǔ)硬件設(shè)備。而安全鎖功能主要是通過邏輯計算進(jìn)行，一般情況下采用布爾代數(shù)運(yùn)算。標(biāo)準(zhǔn)的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，通常都具備多段邏輯運(yùn)算；在系統(tǒng)里，不但需要過程信號產(chǎn)生連鎖結(jié)果，而且還要對其余的某部分操作方式和信號關(guān)系進(jìn)行設(shè)立，這樣就可以確保此系統(tǒng)的安全可靠性。

3.2.2 人為啟動聯(lián)鎖和輸入信號旁路開關(guān)

安全聯(lián)鎖一般情況下都會設(shè)立人工連鎖按鈕。如果要進(jìn)行人為干預(yù)，為了能夠做好裝置開工過程系統(tǒng)的投運(yùn)，最好啟用連鎖，然后對某些信號設(shè)立旁路開關(guān)；要是工藝過程量無法符合有關(guān)需求，則要切斷連鎖系統(tǒng)的有關(guān)輸入信號。另外，輸入信號旁路開關(guān)要在維護(hù)和檢測期間起到應(yīng)有效果。

3.3 典型邏輯關(guān)系設(shè)計

3.3.1 旁路設(shè)計

在施工期間或停工過程中要對旁路傳送信號。要是輸入信號存在問題，則要立即進(jìn)行維修；在校驗(yàn)輸入信號過程中，如果觸發(fā)連鎖系統(tǒng)，就不會給人工連鎖造成影響；在對邏輯關(guān)系進(jìn)行設(shè)計的過程中，僅需要在輸入信號的入口處進(jìn)行旁路；另外，想要確保報警系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，則信號旁路邏輯不允許把報警顯示的輸出進(jìn)行屏蔽。

3.3.2 故障安全設(shè)計

平臺安全儀表系統(tǒng)要采用故障安全模式，若系統(tǒng)其中一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障，就會導(dǎo)致受控裝置停止運(yùn)行。在通常狀況下，系統(tǒng)會保持靜態(tài)，也就是在靜態(tài)狀態(tài)下監(jiān)測裝置的運(yùn)行情況，無需人為操控；只有在生產(chǎn)裝備不正常的情況，或具有安全問題時，才會通過程序設(shè)計方案來讓有關(guān)裝備停止運(yùn)行。如果裝置繼續(xù)運(yùn)行，儀表系統(tǒng)就一定要起到作用，不允許被旁路代替。在對故障安全采取設(shè)計過程中，要確立故障情況、故障所出現(xiàn)的位置等。在全部確立后，就能夠做好故障安全設(shè)計工作。

4 結(jié)束語

目前，工藝過程對系統(tǒng)的安全性具有更高要求，這樣一來就加大了儀表設(shè)計難度。設(shè)計人員的能力會直接決定生產(chǎn)的安全平穩(wěn)性。所以，對安全儀表設(shè)計過程中，設(shè)計工作者要參照國際標(biāo)準(zhǔn)，并吸取全新技術(shù)，完善設(shè)計方案。而且，在儀表選型過程中，要控制好后期維護(hù)的成本，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，降低項目所需的投資經(jīng)費(fèi)。