岳沛霖

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518000)

0 引言

石油平臺自控儀表系統(tǒng)的安全設(shè)計至關(guān)重要,是石油平臺平穩(wěn)運行和安全生產(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、控制閥門的開關(guān)等。通過傳感器、輸入電路和輸出電路來保證自控儀表系統(tǒng)運行,因此關(guān)于自控儀表系統(tǒng)得人安全設(shè)計研究具有現(xiàn)實意義。

1 石油平臺自控儀表系統(tǒng)安全設(shè)計原則

石油開發(fā)帶來了可觀的經(jīng)濟效益,但同時又伴隨著危險,尤其是在海洋區(qū)域進行石油開采工作,對于石油平臺的要求更加嚴格。在進行儀表系統(tǒng)設(shè)計時,需充分考慮施工人員生產(chǎn)安全問題,從而減少安全事故的發(fā)生。與此同時,自控儀表系統(tǒng)故障安全設(shè)計也能反映出石油開采技術(shù)的水平。從海洋石油發(fā)展前景來看具有極高的開發(fā)價值。因此,自控儀表系統(tǒng)的安全設(shè)計和利用將會成為未來石油平臺研究中重要的技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)在設(shè)計之初就要將故障安全與實踐相結(jié)合,保證設(shè)計的自控儀表系統(tǒng)在發(fā)生安全問題時能夠通過系統(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)的維護和升級,以此來保障石油開采工作的正常進行[1]。

2 自控儀表系統(tǒng)安全設(shè)計

2.1 自控儀表系統(tǒng)的構(gòu)成

石油平臺自控儀表系統(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,負責系統(tǒng)檢測和命令的執(zhí)行,當系統(tǒng)發(fā)生故障時通過其切斷危險聯(lián)系,保證石油平臺系統(tǒng)地安全。其中傳感器以參數(shù)進行分類,包括溫度、流量、液位線以及壓力值等;輸入信號和輸出信號包括模擬輸入、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、電機和泵等[2]。

2.2 自控儀表系統(tǒng)設(shè)計流程

自控儀表系統(tǒng)的安全設(shè)計流程從開始階段到概念過程和最后系統(tǒng)停止工作,這個流程即為自控儀表系統(tǒng)的設(shè)計流程,也可以稱之為安全生命周期。其中概念過程是指對系統(tǒng)所監(jiān)控的設(shè)備和工作環(huán)境進行檢測,以此保證整個設(shè)計流程能夠順利運行。

2.2.1 定義總體范圍

定義總體范圍分兩個部分,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系統(tǒng)的危險性和風險性,自控儀表系統(tǒng)在工作時既要靠率外部因素對系統(tǒng)的影響同和工作狀況帶來的影響,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)需求而進行參數(shù)的設(shè)置。自控儀表系統(tǒng)涵蓋了整個控制系統(tǒng),從傳感器到控制器保證整個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

石油平臺在生產(chǎn)工作中,工藝流程相比于理論會更加復雜,對系統(tǒng)控制過程的要求也相對較高。因此,自控儀表系統(tǒng)應(yīng)用在石油平臺上將會解決工藝帶來的復雜以及控制的高要求,并成為未來的發(fā)展方向。

2.2.3 定義安全整體等級

系統(tǒng)確定了安全儀表系統(tǒng)以后,再確定目標系統(tǒng)的安全完整性等級(Security Integrity Level,SIL)。系統(tǒng)設(shè)計和設(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)在某一段時間的安全儀表系統(tǒng)的平均值。其計算公式為:

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:

通過與1表對比可知,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程安全小組,對于設(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)安全完整性等級的確定方法。

安全完整性等級的確定方法主要有3種,第一種叫作安全保護層矩陣法。該方法是出于對危害的定性和理解并對后期的危害后果進行有效的評估;第二種叫故障樹法。該方法是通過構(gòu)建故障圖表實現(xiàn)的,從樹形邏輯圖表中可以看出故障和相關(guān)的事故;第三種叫作改進了HAZOP方法。通過對操作程序和工藝圖紙分析,以便于發(fā)現(xiàn)事故的嚴重性以及發(fā)生的可能性,從而制定行而有效的提案來降低風險的發(fā)生。

2.2.5 概念設(shè)計與詳細設(shè)計

概念設(shè)計需要遵從安全要求中的具體說明,來進行自控儀表系統(tǒng)安全設(shè)計理論內(nèi)容的驗證,保證其符合安全規(guī)范。詳細設(shè)計作為系統(tǒng)安全設(shè)計中重要的內(nèi)容,首先要符合安全完整等級規(guī)范,還要保證儀表系統(tǒng)前后的工作狀態(tài)和自動復位,同時詳細設(shè)計對目標區(qū)域的狀況和危險點的劃分能否影響自控儀表系統(tǒng)安全進行有效分析。

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)計的安全與否還需要經(jīng)過安裝和調(diào)試過程,使用預(yù)啟動測試的方式滿足自控儀表系統(tǒng)安全規(guī)范設(shè)計。在此過程中要按照實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、開關(guān)順序、復位等內(nèi)容進行調(diào)試。根據(jù)現(xiàn)場實際需求與設(shè)計相互協(xié)調(diào),以此保證系統(tǒng)的正常運行。

3 石油平臺自控儀表系統(tǒng)的防護和防爆設(shè)計

對于自控儀表系統(tǒng)的安全設(shè)計,除了考慮系統(tǒng)本身的設(shè)計安全外,還需考慮自控儀表系統(tǒng)的物理防護。當石油平臺工作時會產(chǎn)生大量的可燃氣體,一旦發(fā)生燃燒就可能會產(chǎn)生爆炸事故,那么將會對石油平臺以及整個系統(tǒng)造成損壞。石油平臺自控儀表系統(tǒng)安全防爆設(shè)計,通過設(shè)計出自控安全儀表來消除燃燒條件和爆炸條件。其工作原理是儀表進行相關(guān)設(shè)計后,實現(xiàn)空氣與可燃物的隔離,從而建立了石油平臺的安全系統(tǒng)。與此同時,自控儀表通過對危險區(qū)域的氣體組數(shù)據(jù)進行分析以及對石油平臺范圍和登記,以此設(shè)計出自控儀表系統(tǒng)做到石油平臺的防護和防爆,保證石油的開采順利進行[3]。

4 結(jié)語

綜上所示,石油平臺自控儀表系統(tǒng)的安全設(shè)計可以說關(guān)乎著平臺的高效生產(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采生產(chǎn)密不可分,設(shè)計人員在系統(tǒng)設(shè)計時,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,促使石油平臺能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定和安全發(fā)展。