大型深水平臺安全控制保障系統設計與應用前景

洪 毅 孫 欽 張 藝

（中海油研究總院）

在世界深水能源開發進程中往往都伴隨著大大小小的事故，如在英國北海、巴西以及墨西哥灣發生的平臺沉沒事故都造成了巨大的財產損失和環境影響。隨著健康安全環保理念的不斷提升，作為高風險行業，海洋石油開發始終伴隨著安全保護技術的不斷創新和應用。我國南海大型深水天然氣田開發具有高壓力、大流量和高風險的特點，為此結合該海域某超大型深水平臺的實際工程情況，提出了一系列安全控制保障措施，包括用高完整性壓力保護系統取代傳統的壓力泄放方式作為工藝系統的最后一級保護來降低超壓風險；用水下隔離閥控制系統來降低海底管道和立管發生泄漏事故產生的影響；用開放路徑式可燃氣體探測系統更加有效地探測到微小氣體的泄漏。這些安全控制保障系統的合理設計與成功應用，不僅能夠全方位地加強南海大型深水氣田開發的安全可靠性，而且能夠豐富今后深水氣田開發的安全控制設計理念。

1 高完整性壓力保護系統設計

通常石油和天然氣工業的設計規范中要求管線或壓力容器的最后一級超壓保護為機械的壓力釋放裝置。然而，在大型深水氣田開發中，深水區的水下井口產出的油氣經過長距離的海底管線回接到淺水區的平臺，由于泄放量巨大，導致泄放裝置和火炬系統規模很大，在海洋平臺空間受限的情況下采用壓力泄放裝置作為海管的最后一級保護是不合適的，甚至是不可行的。另外，泄放燃燒的天然氣本身也是巨大的浪費，同時還帶來環境污染。

高完整性壓力保護系統（HIPPS）是一種可以降低超壓風險的保護層，其功能主要是通過切斷壓力源來保護下游設備免受超壓的影響，通過及時切斷一個或者多個關斷閥來避免壓力傳導到管線的下游。HIPPS本身獨立于平臺的應急關斷系統（ESD）來完成應急壓力保護。本文按照IEC61508／61511和 API 521 等 規 范 和 標 準 的 要 求［1-4］，對HIPPS系統在南海大型深水氣田開發中的配置結構、安裝位置以及關斷閥選擇等方面進行了研究。

1.1 HIPPS配置結構設計

HIPPS系統設計最關鍵的是要確定保護回路所需達到的系統安全等級（SIL）。根據IEC61508／61511標準的安全等級分類，從人員安全、經濟因素和環境因素綜合考慮，確定安全等級為SIL3，HIPPS系統配置結構框圖見圖1。為了確保整體回路達到SIL3等級，應對整個回路的壓力變送器、邏輯控制器和最終執行單元選用經過SIL驗證的設備。

圖1 HIPPS系統配置結構框圖

在HIPPS系統中，壓力變送器是用來檢測超壓的儀表，為保證可靠性，采用3選2的結構形式，每臺壓力變送器需要滿足SIL2等級；邏輯控制器根據設定的邏輯將指令傳送到最終執行機構，基于輸入的壓力信號判斷當前狀態是否安全，整體需要滿足SIL3等級；最終執行單元是一種快速關斷閥，接收到邏輯控制器指令信息后在3s內能切斷上游的壓力源，關斷閥采用2選1的結構形式，每臺閥至少需要滿足SIL2等級。

1.2 HIPPS安裝位置設計

在南海某超大型平臺來氣海管上HIPPS的安裝位置設計有2個方案，一個是在收球裝置之前，另一個是在段塞流捕集器之前。HIPPS安裝位置設計在收球裝置之前海底管線的出口處，其優點是可降低HIPPS后管線和收發球裝置壓力等級和重量，缺點是通球時的顆粒可能會導致閥門磨損或卡住；HIPPS安裝位置設計在段塞流捕集器入口處，其優點是閥門類型可選擇范圍大，缺點是收發球裝置壓力等級高和增加設備重量。綜合考慮后，最終選擇HIPPS系統安裝在段塞流捕集器入口處。

1.3 HIPPS關斷閥選擇

關斷閥形式有2種，即軸流閥和普通球閥。軸流閥的優點是體積小重量輕，關斷速度快，但是屬于專利技術，目前只有一個廠家能夠生產制造；另外，軸流閥不能用在需要通球的情況下，壓損也較普通球閥嚴重許多。普通球閥是比較成熟的產品，生產廠家比較多，但是隨著管線尺寸和壓力等級的提高，球閥的體積重量上升的很快，對于重量或者面積敏感的使用條件要引起注意。

2 水下隔離閥控制系統設計

為解決南海某超大型深水平臺氣田開發中可燃氣體泄漏及爆炸保護問題，研究設計了水下隔離閥（SSIV）控制系統。采用SSIV控制技術能夠在平臺發生火災或可燃氣體嚴重泄漏時及時切斷海管與平臺的物流聯系，確保人員和設施的安全。

SSIV控制系統是由液壓單元、臍帶纜上部終端、臍帶纜、臍帶纜水下終端、跨接纜和水下隔離閥組成，見圖2。這里僅闡述SSIV和臍帶纜的設計。

圖2 SSIV系統框圖

2.1 SSIV設計

SSIV設計基于以下2個原則：一是要保證平臺的安全，在設計上要突出閥體的安全可靠性；二是SSIV維護不方便，在設計上要求終身免維護。作為水下關斷閥，SSIV只有在平臺發生火災關斷時才關閉，所以閥門力矩計算的系數應選取2倍的力矩。SSIV是采用直接液壓驅動失敗安全型設計，即失去液壓時閥門關閉，閥位狀態信號由安裝在執行機構上的限位開關經過電纜傳遞到平臺中控室，也可用ROV操作機械機構直接開關閥門。

閥體類型一般有分體式、全焊接和頂裝式，其優缺點對比情況見表1。由表1可以看出，頂裝式閥門泄漏點較少，保持了閥體整體性，同時具有可拆卸的靈活性，故選擇其作為SSIV閥體類型。

表1 不同類型閥體優缺點比較表

閥座結構形式有2種，即單活塞效應閥座（SPE）和雙活塞效應閥座（DPE）。SPE閥座能抵抗1個方向上的力，可對中腔進行排放；DPE閥座可抵抗2個方向上的力。SSIV的中腔禁止管道內的流體向海排放，也不宜向下游排放，因此閥座上部選擇SPE結構，下部選用DPE結構。SSIV結構示意圖見圖3。

為了保證使用壽命30年內免維護，SSIV構件材料選擇至關重要。根據規范API 6A，材料等級選用API HH。SSIV主要構件的材料選型見表2。

圖3 水下隔離閥SSIV結構示意圖

表2 SSIV主要構件材料選型

2.2 臍帶纜設計

為了節省投資和安裝空間，采用1根臍帶纜控制3臺SSIV，臍帶纜設置液壓和電力分配單元；液壓供油和回油采用同一根管線，備用1根液壓管線；液壓源利用平臺上為水下生產系統配置的液壓單元，增加一個臍帶纜上部終端，具體結構見圖4。

圖4 臍帶纜結構示意圖

采用1根臍帶纜控制3臺SSIV，大大節省了臍帶纜的費用，節省了平臺立管的占用，水下的臍帶纜上部終端到每臺閥門的液壓和電信號均可通過跨接纜連接。

3 開放路徑式可燃氣體探測系統設計

為了避免傳統的點對點式可燃氣探測器誤動作對平臺正常生產造成影響，同時增加平臺安全可靠性，在平臺甲板邊界、安全區與危險區的交界處設置了開放路徑式可燃氣探測器，用于氣體擴散的早期報警，此探測器在中海油海上平臺是首次使用。南海風力較大，對傳統的點對點式可燃氣探測器的探測有較多限制和影響，而通過檢測開放路徑式發射探頭和接收探頭間的氣體云的大小進行低報和高報，對平臺氣體泄漏檢測是很好的補充。

安裝開放路徑式可燃氣體探測器時，對探測器之間的安裝距離和高度都有要求，可根據平臺最終完工的總圖布置對遮擋物進行合理規避，同時發射端盡量避免與非此接收端的探測器安裝在一起，以免造成信號干擾，除了考慮滿足探測器設備的安裝要求，還要考慮被檢測的泄漏氣體的密度。考慮到平臺壓縮機很多，震動會較大，可能會影響信號發射和接收的效果，因此在這種情況下該類型探頭不適于參與關斷邏輯表決，僅作氣體早期泄漏檢測報警。

在火焰探測器方面，選擇了抗干擾性強的三頻紅外類型，采用3種不同的波長。探測器內的電子元件自動比較和測量波長與正常環境下的變化，以確認動作的發生，可以防止日光輻射帶來的干擾，具有很高的靈敏性和很好的穩定性。

南海某超大型深水平臺有許多大型設備，某些設備高于層高間距并最終穿透甲板，因此對此類設備在多層甲板處都要設置氣體和火焰探測器進行探測。根據死角、風向、甲板邊界、氣體泄漏擴散等情況最終設計了12對開放路徑式可燃氣體探測器，與固定式可燃氣體探頭一起組成平臺的安全屏障，進一步提高了大型天然氣平臺的安全可靠性。

4 應用前景

結合南海某超大型平臺項目的實際工程情況，提出了一系列安全控制保障措施，包括高完整性壓力保護系統，水下隔離閥控制系統以及開放路徑式可燃氣體探測系統設計等，這些安全控制保障系統的合理設計與成功應用，不僅能夠全方位地加強南海大型深水氣田開發的安全可靠性，而且可以豐富今后深水氣田開發中的安全控制設計方面的新理念。隨著我國對海洋環境以及生產安全的要求越來越嚴格，這些安全控制新技術將會有更廣泛的應用前景。

對于高完整性壓力保護系統HIPPS來說，如果將其設置在海底管線進入平臺工藝系統的入口處，將會有效地降低天然氣平臺工藝系統的壓力等級，提高安全可靠性，同時大大地減小火炬分液罐和火炬的大小，節省可觀的投資，對于深水天然氣管線更是如此；水下隔離閥控制系統的設計與應用，可以避免平臺如果出現火災時，長輸海底管線氣串等可能帶來的災難擴大，大大提升天然氣平臺以及海底管線的安全保障；開放路徑式可燃氣體探測器的使用，可以有效補充點式探測器的不足，進一步提升平臺可燃氣體泄漏的檢測范圍和檢測精度，提高火氣探測系統對平臺的保障能力。這些關鍵技術的創新設計均是從大型深水平臺工程實際出發，具有較強的可實施性，其設計理念和經驗可以指導其他海上油氣田的開發，具有廣泛的推廣價值。

［1］IEC 61511—1：2003，Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the process Industry sector—part1：Framework，definitions，system，hardware and software requirements［S］.IEC，2003.

［2］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB／T21109.1-2007過程工業領域安全儀表系統的功能安全 第1部分：框架、定義、系統、硬件和軟件要求［S］.北京：中國標準出版社，2007.

［3］IEC 61511—3：2003Functional Safety--Safety Instrumented Systems for the process Industry sector—part3：Guidance for the determination of the required safety integrity levels［S］.IEC，2003.

［4］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB／T21109.3-2007過程工業領域安全儀表系統的功能安全 第3部分：確定要求的安全完整性等級的指南［S］.北京：中國標準出版社，2007.