石油平臺自控儀表系統安全設計

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的安全設計至關重要,是石油平臺平穩運行和安全生產的重要保障。自控儀表系統工作范圍包括工藝參數的示警、數據處理、調節偏差、控制閥門的開關等。通過傳感器、輸入電路和輸出電路來保證自控儀表系統運行,因此關于自控儀表系統得人安全設計研究具有現實意義。

1 石油平臺自控儀表系統安全設計原則

石油開發帶來了可觀的經濟效益,但同時又伴隨著危險,尤其是在海洋區域進行石油開采工作,對于石油平臺的要求更加嚴格。在進行儀表系統設計時,需充分考慮施工人員生產安全問題,從而減少安全事故的發生。與此同時,自控儀表系統故障安全設計也能反映出石油開采技術的水平。從海洋石油發展前景來看具有極高的開發價值。因此,自控儀表系統的安全設計和利用將會成為未來石油平臺研究中重要的技術領域。系統在設計之初就要將故障安全與實踐相結合,保證設計的自控儀表系統在發生安全問題時能夠通過系統設置,保證工作人員的安全以及為故障部位能夠提供相應的維護和升級,以此來保障石油開采工作的正常進行[1]。

2 自控儀表系統安全設計

2.1 自控儀表系統的構成

石油平臺自控儀表系統主要包括傳感器、輸入電路、輸出電路、邏輯控制、終端元件等,負責系統檢測和命令的執行,當系統發生故障時通過其切斷危險聯系,保證石油平臺系統地安全。其中傳感器以參數進行分類,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、數字輸入、模擬輸出和數字輸出;自控儀表系統中邏輯控制器至關重要,多半采用PLC控制器實現系統的控制;終端元件作為自控儀表系統的終端主要有關斷閥、電磁閥、電機和泵等[2]。

2.2 自控儀表系統設計流程

自控儀表系統的安全設計流程從開始階段到概念過程和最后系統停止工作,這個流程即為自控儀表系統的設計流程,也可以稱之為安全生命周期。其中概念過程是指對系統所監控的設備和工作環境進行檢測,以此保證整個設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備和安全控制系統,另一部分是分析石油平臺系統的危險性和風險性,自控儀表系統在工作時既要靠率外部因素對系統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的影響。受控設備由于需要滿足生產需求而進行參數的設置。自控儀表系統涵蓋了整個控制系統,從傳感器到控制器保證整個回路都具備控制功能。

2.2.2 應用非自控儀表系統安全保護

石油平臺在生產工作中,工藝流程相比于理論會更加復雜,對系統控制過程的要求也相對較高。因此,自控儀表系統應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,并成為未來的發展方向。

2.2.3 定義安全整體等級

系統確定了安全儀表系統以后,再確定目標系統的安全完整性等級(Security Integrity Level,SIL)。系統設計和設備需符合安全完整性等相關要求。

(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停止相應的概率值。PFDavg是指自控儀表系統在某一段時間的安全儀表系統的平均值。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與平均故障率關系如表1所示。

表1 SIL與平均故障率關系

如果在自控儀表安全系統中,∑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,對于設備的操作是由專業的維修人員完成。因此,安全小組的組員對于設備的控制和相關技術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。該方法是通過構建故障圖表實現的,從樹形邏輯圖表中可以看出故障和相關的事故;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,以便于發現事故的嚴重性以及發生的可能性,從而制定行而有效的提案來降低風險的發生。

2.2.5 概念設計與詳細設計

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

2.2.6 自控儀表系統的安裝和調試

自控儀表系統設計的安全與否還需要經過安裝和調試過程,使用預啟動測試的方式滿足自控儀表系統安全規范設計。在此過程中要按照實際的需求以及安全規范將設備的接線、電源、安全設備設定點、開關順序、復位等內容進行調試。根據現場實際需求與設計相互協調,以此保證系統的正常運行。

3 石油平臺自控儀表系統的防護和防爆設計

對于自控儀表系統的安全設計,除了考慮系統本身的設計安全外,還需考慮自控儀表系統的物理防護。當石油平臺工作時會產生大量的可燃氣體,一旦發生燃燒就可能會產生爆炸事故,那么將會對石油平臺以及整個系統造成損壞。石油平臺自控儀表系統安全防爆設計,通過設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設計后,實現空氣與可燃物的隔離,從而建立了石油平臺的安全系統。與此同時,自控儀表通過對危險區域的氣體組數據進行分析以及對石油平臺范圍和登記,以此設計出自控儀表系統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 結語

綜上所示,石油平臺自控儀表系統的安全設計可以說關乎著平臺的高效生產以及施工人員的人身安全,系統本身的安全性能以及可靠性與石油開采生產密不可分,設計人員在系統設計時,要充分地考慮系統的安全性和適用性,發揮出自控儀表系統的作用,促使石油平臺能夠實現穩定和安全發展。