海上平臺安全儀表系統的安全監測有效性評估

閻曉楠

（中海油物裝采購中心，北京 100027）

海上平臺中控安全儀表系統是海上油氣田開發工程中的關鍵環節之一，它是海上油氣田各種開發設施的安全衛士，安全儀表系統可以及時、準確地探測到可能或已經發生的工藝系統故障、可燃氣體泄漏事故和火災情況，并及時采取相應措施以保護海上油氣田人員和設施的安全。安全儀表系統主要由緊急關斷系統和火氣控制系統組成，是具有報警、消防及聯鎖關斷保護功能的安全控制系統。在不斷強調安全生產的今天，為了進一步提高海上平臺安全儀表系統的安全可靠性，本文提出了一種用于海上平臺安全儀表系統的安全監測有效性綜合評估方法。

1 安全監測有效性評估研究范圍

1）新建海上油（氣）田開發工程項目詳細設計或施工設計階段應進行安全儀表系統的安全監測設計評估；

2）新建海上油（氣）田生產固定平臺投入運行前應實施安全儀表系統投產前的安全監測評估；

3）在役海上油（氣）田生產固定平臺涉及的安全監測對象或監測區域發生較大變化時，也應對變化部分或是整個在役平臺進行安全儀表系統的安全監測設計評估；

4）安全儀表系統的安全監測宜結合工藝流程和安全儀表系統的運行周期，符合下列情形，應實施安全監測有效性評估：

1）安全儀表系統設計變更或退役前；

2）可能出現對安全儀表系統產生影響的工藝、設備等的修改實施前；

3）出現與安全控制體系有關的嚴重安全事故或發現明顯影響安全監測有效性的設計缺陷時；

4）國家或行業有新的規定或標準規范發布，并有重新開展安全監測評估要求時。

2 安全監測有效性評估方法

安全儀表系統的安全監測有效性評估包含火氣控制系統安全監測覆蓋范圍有效性、安全儀表系統安全可用性和風險減緩設備設施有效性的評估。安全監測有效性是火氣控制系統安全監測覆蓋范圍有效性、安全儀表系統安全可用性和風險減緩設備設施有效性共同作用的結果。

2.1 火氣控制系統安全監測覆蓋范圍有效性評估

火氣控制系統安全監測有效性評估通過計算火焰、可燃氣體、有毒氣體等探測器的覆蓋率，然后再通過覆蓋率計算得出有效性的量化結果，實現對火氣安全監測覆蓋范圍進行有效性評估，進而指導設計人員及用戶對火氣設備的布置設計方案進行驗證、優化。

火氣控制系統安全監測覆蓋范圍有效性評估所采用的工具主要有三維可視化模型軟件。計算流體動力學仿真軟件和探測器布局軟件，探測器布局軟件利用三維模型和計算流體動力學仿真結果開展計算，將探測器的位置和覆蓋范圍進行可視化展示并輸出量化結果，其具體流程包括：

（1）危險評估與分級：在進行安全監測有效性評估之前應先開展火氣控制系統的資料搜集工作，需要梳理收集工藝及儀表控制流程圖（PFD & PID）、海上平臺總體布置圖、安全評價報告（HAZOP）、爆炸危險區域分布圖、介質參數、原油物性及天然氣組分等信息，然后通過相關資料整合分析對海上平臺設備設施進行風險等級評估。

（2）主要設備與氣體泄漏風險建模：根據氣象數據（風力、風向等）、設備清單及海上平臺的三維模型建立氣體擴散模型用以確定海上平臺主要設備與氣體泄漏可能存在的風險。

（3）有效性評估：首先應根據探測器性能參數或設計要求采用空間分析法確定火氣探測器在海上平臺的覆蓋情況，實現對探測器的平面覆蓋率評估；然后應根據探測器性能參數，結合設備設施布局、釋放源特性、泄漏頻率和空氣流動等特點通過場景分析法確定火氣探測器在海上平臺的場景覆蓋情況，實現對探測器的場景覆蓋風險評估；最后根據評估結論提出包含探測器技術選型、探測器數量及探測器布局的優化建議。

①空間分析法評估流程

a）目標定義。需要明確裝置中需要被保護的對象及對象的屬性，以氨氣壓縮機為例，其危險性來源于氨氣的毒性、爆炸性以及壓縮機內部的高壓，如圖1所示。

圖1 氨氣壓縮機設備結構和危險源視圖

b）確定風險層。按照一定的距離，生成環繞覆蓋危險源的風險層。

c）探測器布局。配置保護目標周圍的探測器數量、位置、類型、角度以及探測器參數。

d）幾何計算。通過算法公式計算出探測器對風險層的覆蓋率，最后給出優化方案。

②場景分析法評估流程

a）區域定義和目標氣體定義。海上平臺生產區通常由多個不同功能的裝置區組成，這些裝置區物理位置不同，因其工藝流程差異，產生的危險源也不相同。在開始分析之前，應綜合考慮區域的物理位置及危險源種類，將生產區分為各自獨立的區域，并明確需要探測的泄漏氣體種類。

b）環境定義。海上平臺不同作業區氣候參數有所差異，環境是指一年之中當地的平均溫度、大氣壓力、風向和風速的歷史數據。通常可通過風向玫瑰圖獲取風速和風向的信息。

c）泄漏定義。定義泄漏點、泄漏介質以及泄漏量。

d）場景定義及 CFD氣云計算。場景是由環境定義和泄漏定義所組成，每一個場景下其環境和泄漏都是確定的，因此其產生的氣云也是確定的，所以每個場景都有對應的氣云分布。圖2是探測器對氣云的捕獲情況示意圖。

圖2 探測器對氣云的捕獲情況（★表示探測器位置）

e）探測器布局。配置保護目標周圍的探測器數量、位置、類型、報警閾值及探測器參數。

f）分析計算。計算出氣體濃度與氣體探測器報警閾值的比值，以此了解不同場景下探測器對氣云的捕獲情況，得出探測器覆蓋率，給出優化方案。

2.2 安全儀表系統的安全可用性評估

按照海洋石油針對安全儀表系統的安全規范要求，海上生產平臺的安全儀表系統的邏輯控制器及執行單位需要采取冗余配置，安全儀表系統的安全完整性等級需要具備SIL3以上，用來確保安全儀表系統的功能安全可靠性。但是安全儀表系統在全生命周期運行過程中可能會存在安全失效及危險失效等異常狀態，因此需要對安全儀表系統的安全可用性進行適時評估，通過及時的功能調整及故障避免進而實現安全儀表系統的可靠性運行。

（1）功能安全評估

功能安全評估是證明海上生產平臺安全儀表系統滿足儀表安全功能和安全完整性等級（SIL）要求的基礎，這種評估的基本目的是通過對安全儀表系統的獨立評估來保證其在開發生產過程中仍然遵循應有的安全要求。在海上平臺全生命周期持續運行階段，需要根據實際生產變化有計劃地通過開展安全儀表系統邏輯優化及安全完整性等級分析驗證工作進行功能安全評估。

首先需要對安全儀表系統的因果控制邏輯進行梳理，并依據設計標準規范對安全儀表系統的邏輯進行優化分析；其次是對安全儀表系統的安全完整性等級開展評估及分析驗證工作，包括確定安全儀表功能的安全完整性要求、確定風險降低水平要求、計算探測器和控制單元的平均故障失效率、分析驗證安全儀表功能的SIL等級；最后根據滿足生產需求的安全完整性分析結果對安全儀表系統進行功能調整。

（2）過程危險和風險評估

過程危險和風險評估的目標是確定用以保證生產流程安全所需的安全功能（如各級保護層）及其相關風險性能降低。在開發生產過程中，使用多個安全層是常見的，這樣在某一層失效時才不會導致或者允許產生有害的后果。危險和風險評估應確定和涉及在包括故障工況、合理的可預見的誤操作、安全設備失效的情況下發生的危險和危險事件。就海上平臺新建項目而言，需要在基本設計階段就執行預先的危險和風險評估，因為確立、設計和實現安全儀表系統建設是較為復雜的任務，及早開展過程危險和風險評估是在完成生產工藝流程圖設計之前需要確定安全儀表系統結構的整體性能要求。但是當進行詳細設計時，可能會引入附加危險，因此還有必要進行二次危險和風險評估，這個階段的評估分析應使用正式的全文檔化規程，如危險和可操作性研究（HAZOP），確保所設計的安全層足以保證海上平臺的安全，同時需考慮安全系統的失效是否會導致任何新的危險或請求，如有必要需重新定義安全功能。

首先是當考慮特定失效的后果時，應分析所有可能的結果和對結果產生影響的失效事件的頻率，在風險分析中應忽略或去除不可靠的結果。例如使管道或壓力容器承受超過設計的壓力不一定會產生災難性的污染損失，在許多情況下，設備都經過超過設計的壓力試驗，唯一可能導致火災的后果是可燃物質的泄漏，它們不但需要考慮原始試驗壓力還要考慮包括腐蝕允許量在內的原始設計以及腐蝕管理程序是否到位，同時還需要考慮人為產生的某種特殊危險。

然后通過對安全儀表系統的潛在危險源進行評估，評估應包括以下情況：啟動、連續操作、停機、維修錯誤、手動干預、供應中斷（如儀表氣、動力、冷卻水、加熱保溫層等）。當考慮安全失效頻率時，在某些復雜情況下，需要建立必要的故障樹分析，因為可能會產生因多個事件同時失效而引起的過程危險和風險。

最后通過對安全儀表系統部署故障診斷分析評估系統及時發現因危險失效引起傳感器或執行單元功能降低或喪失的異常狀態，以降低安全儀表系統在運行過程中硬件設備失效、軟件組態功能失效等產生的影響。

2.3 風險減緩有效性評估

風險減緩有效性是風險減緩設備設施減緩預期事故后果的程度，海上生產平臺風險減緩設備設施主要是當發生工藝系統故障、火災或可燃氣體和有毒氣體的泄漏時，能減緩或減輕事故后果的設備設施，包括緊急關斷系統、安全消防系統、暖通系統、應急照明和廣播報警系統。風險減緩有效性評估需要根據提供的相關設備設施合規性評估資料，綜合分析風險減緩設備設施可能對預期事故后果產生的減緩程度，確定是否滿足安全生產的要求。

首先應檢查風險減緩設備設施的設計成果、過程成果審查的完整性，其次檢查中海油企業監管機構的批復文件或驗收文件的完整性，然后應檢查企業自身驗收文件和報備文件的完整性，最后根據完整性文件對風險減緩設備設施進行綜合評估，用來確保出現可燃氣泄漏或火災事件后能夠在及時有效時間內激活啟動安全監測系統，以減緩這類事件的嚴重程度。

3 安全監測有效性評估內容

1）火氣控制系統安全監測有效性：探測器性能參數是否符合設計要求；探測器安裝及布置是否符合設計要求；火氣控制系統安全監測覆蓋范圍有效性評估計劃及策略；已解決由先前的安全監測系統設計評估提出的建議；系統調試成果記錄文件查驗。

2）安全儀表系統的安全可用性：提供滿足安全完整性等級的證明文件；提供過程危險和風險評估報告；部署故障診斷分析評估系統；核查與防爆及防護相關證明文件；檢查運行條件是否滿足設計要求；對改造項目進行復核查驗。

3）風險減緩設備設施有效性：復核查驗滿足國家強制性認證的證書文件或測試報告；復核查驗相關技術文件及驗收報告；提供風險減緩有效性評估分析報告。

4 結束語

目前海上油（氣）田生產固定平臺的安全儀表系統依據相關安全規范要求，其安全控制方式已逐步實現自動化、數字化的精細管理，但在工程建造階段及生產運行過程中仍會存在不可避免的安全隱患。開展安全儀表系統的安全監測有效性綜合評估工作是解決安全風險較為合理有效的方法，該方法通過對火氣控制系統安全監測覆蓋范圍有效性、安全儀表系統安全可用性和風險減緩設備設施有效性進行綜合評估，并根據評估結果提出安全儀表系統的優化措施，從而為海上平臺安全生產提供技術支持和運維服務。