普光氣田SIS系統一級關斷可靠性分析

朱瑞苗 Edmund Yap 魯毅 蔡曉霞

1中國石化中原石油工程設計有限公司2中國石化中原油田普光分公司3風控（北京）工程技術有限公司

普光氣田SIS系統一級關斷可靠性分析

杜麗民1商劍鋒2朱瑞苗1安柏芳3Edmund Yap3魯毅3蔡曉霞1

1中國石化中原石油工程設計有限公司2中國石化中原油田普光分公司3風控（北京）工程技術有限公司

為了提高氣田的生產穩定性，對集輸系統、天然氣凈化廠、外輸首站一級關斷SIS系統進行可靠性分析。分析各子系統對氣田一級關斷SIS系統的影響以及其相互界面間的影響，同時分析與SIS系統密切關聯的外部系統（如供電、通信等），找出影響普光氣田一級關斷SIS系統可靠性的薄弱點并提出改進方案。基于改造后的SIS配置與關斷邏輯，對原有SIS系統的可靠性RBD模型進行修正，普光氣田意外跳車的時間間隔由改造前的2.5年延長到5.3年。改進方案可以在確保原有SIS可靠關斷的基礎上，有效減少SIS系統誤動作觸發一級關斷，從而提高氣田生產的整體穩定性。

普光氣田；集輸系統；天然氣凈化廠；一級關斷；SIS系統；RBD

四川盆地普光氣田是國內規模最大的高含硫氣田，天然氣中硫化氫含量平均高達14.14%，井口的高含硫天然氣集輸后進入天然氣凈化廠脫硫、脫水處理，通過川氣東送管道外輸。氣田地面工程可分為集輸系統、天然氣凈化廠、外輸首站三大部分。

氣田自2010年投產運行至今，共發生了3次全氣田一級關斷事件，通過充分梳理總結，發現3次氣田一級關斷事件都不是由設計時所考慮的異常工藝條件所引發的，而是由晃電和集輸總站與外輸首站的SIS系統保障措施故障或誤動作引發的。

為了提高氣田的生產穩定性，對集輸系統、天然氣凈化廠、外輸首站一級關斷SIS系統進行可靠性分析。

1 SIS系統一級關斷可靠性分析

1.1氣田一級關斷應急聯鎖邏輯

一級關斷為最高級別關斷，為全氣田關斷（包括集輸、凈化和外輸三個系統），其處理分為兩種方式：緊急關斷并保壓（簡稱保壓）和緊急關斷并放火炬（簡稱放空）。

集輸、凈化、外輸三個系統間，任何引發一個系統的一級關斷，都會自動觸發其他兩個系統的一級關斷，從而引起全氣田的關斷。

1.2SIS一級關斷的RBD可靠性

可靠性框圖RBD將模型中設備組件的邏輯關系以圖示的形式表達出來。RBD顯示可靠性、可用性、可維護性RAM模型中各個設備與部件的可靠性關系，并表述設備與各部件（串聯或并聯）的配置，以及設備失效對系統可靠性與可用性的影響。

SIS系統的復雜配置可以歸納為以下兩類邏輯關系，即串聯回路和并聯回路。

根據SIS的硬件冗余關系，不同SIS系統之間邏輯關斷關系，普光氣田的SIS一級關斷系統，在考慮儀表風、供電系統等因素后，可以轉化為RBD邏輯關系框圖。

1.3收集硬件失效率數據

針對RAM模型中每個設備、SIS系統中的每個元器件的失效數據進行收集，作為可靠性模型計算輸入。包括在不同故障模型下平均無故障間隔時間（MTTF）及平均維修時間（MTTR）。數據收集參考EXIDA，OREADA等相關數據庫。

1.4計算SIS系統一級關斷的誤動作停車概率

計算運用Monte Carlo算法，Monte Carlo算法是一個多次重復計算法，根據計算結果的數據分布，進行可置信度統計的計算，廣泛應用于石油天然氣行業的可靠性計算。

本次計算進行1000個生命周期的模擬計算，并取置信度D90以上數據，作為普光氣田原有SIS系統一級關斷的誤動作概率。所有計算與分析的過程均符合ISO20815—2008、APIRP17N—2009、ISO14424—2004等石油天然氣行業可靠性計算的相關標準。

經計算，得出普光氣田SIS系統的年失效率、平均事故間隔（MTBE）及各個子系統的貢獻統計。

從異常停車頻率可以看出，普光氣田SIS系統一級連鎖意外跳車的平均時間間隔為2.5年。整個系統中對意外跳車影響最大的環節是集輸系統以及普光首站。

進一步對各子系統的計算進行分析，獲得各子系統設備及元器件的貢獻分布，得出：集輸系統中的關鍵影響部件是SIS系統PLC；普光首站中的關鍵影響部件是緊急切斷閥及SIS系統PLC；普光集氣總站與首站的SIS系統PLC均是主要的誤動作SIS一級關斷原因。

2 改進措施方案

基于SIS可靠性驗算結果，對普光氣田設施提出以下改進措施方案。

2.1一級關斷邏輯關系修改

根據可靠性分析結果，可看出目前氣田一級連鎖可能因三個不同SIS系統的任一故障引起一級關斷的狀況，從而引發氣田整體的一級關斷。因此，從工藝合理性的角度，采取提高引起一級關斷儀表的可靠性措施，保證氣田運行的穩定性。另外修改SIS一級邏輯關系，集輸系統、天然氣凈化廠、外輸首站為上下游關系，從目前的上下游互相聯鎖修改為上游聯鎖關斷信號僅自動關斷上游出口閥門，同時將報警信號送至下游聯鎖系統進行報警；下游聯鎖信號自動觸發上游聯鎖關斷，同時增加一級關斷的觸發原因。改進后氣田一級關斷聯鎖邏輯見圖1。

圖1 改進后氣田一級關斷聯鎖邏輯

2.2SIS一級聯鎖信號回路的可靠性優化

目前集輸、凈化、普光首站之間的SIS一級聯鎖信號采用單回路硬線連接，可靠性較低，在電纜損壞或松動的情況下，很容易造成誤動作停機。為了增加一級聯鎖邏輯的穩定性及可靠性，將原單回路一級聯鎖信號改為三個獨立回路。分別將三個不同數字量輸入模塊、數字量輸出模塊通過硬件連接形成三個獨立回路，邏輯關系采用三取二表決方式，三個中有一個結果與其他兩個不同，該信號誤報或故障，其余兩個繼續工作。若其余兩個結果不同，則系統一級觸發，從而增加可靠性和可用性。

2.3供電系統優化

SIS系統與通信系統、操作站等用電沒有分開，降低了SIS系統的可靠性。因此，對集輸系統、普光首站、凈化廠進行分區、分組供電調整。采用獨立配電方式，降低上下游裝置間的相互影響。

同時，在目前普光首站和集氣站SIS系統均采用靜態轉換開關的雙電源輸入、單電源輸出的供電方式基礎上，對SIS系統改造，采取單獨UPS直接供電方式，實現雙電源、雙回路。SIS的UPS建議應有獨立變壓器單元供電，從而提高供電系統的冗余度，確保供電可靠性。

3 可靠性對比

基于改進措施方案中的的SIS配置與關斷關系，對原有RBD模型進行修正，將元器件可靠性數據再次帶入新的RBD模型，進行敏感性比對計算。

表1為改造前與改造后SIS系統一級連鎖可靠性數據的對比。

表1 改造前、后的系統可靠性對比

通過表1的對比可以看出，經改造，集輸系統（現場和中控間）的SIS誤動作將不會觸發氣田SIS系統以及一級關斷，凈化廠及普光首站的年失效率均降低，普光氣田意外跳車的時間間隔由改造前的2.5年延長到5.3年。

4 結論

通過對普光氣田一級關斷SIS系統的可靠性驗算分析，分析了各子系統對氣田一級關斷SIS系統的影響以及其相互界面間的影響，同時分析與SIS系統密切相關聯的外部系統（如供電、通信等），找出普光氣田一級關斷SIS系統中可合理優化的薄弱點并提出改進措施方案：①修改SIS系統的一級關斷觸發邏輯，對硬線連接進行2oo3的冗余；②對供電系統進行改造，集輸系統及普光首站中控室新增UPS采取單獨UPS直接供電。

基于改造后的SIS配置與關斷關系，對原有RBD模型進行修正，并進行改造前后的對比，普光氣田意外跳車的時間間隔由改造前的2.5年延長到5.3年。改造方案可以有效減少聯鎖系統誤動作觸發一級關斷，從而提高氣田生產的整體穩定性。

RAM分析作為生產可用性、可靠性、可維護性的關鍵分析手段，已在國際石油公司的各類大型油氣田地面工程、長輸管線、天然氣液化、LNG運輸、LNG接收站，海洋石油開發特別是深水開發項目中得到廣泛應用。目前RAM的應用已經擴展到煉油石化一體化項目，新型煤化工項目等下游行業的前期項目規劃。國內目前相關的標準，工程實踐還處于起步階段，應在項目的不同階段，系統地引入并實施可靠性管理，有效地提高項目的可靠性、可用性及可維護性。

（0393）4829978、zyecdlm@yeah.net.

（欄目主持關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.2.017

杜麗民：高級工程師，畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運專業，主要從事天然氣集輸處理研究與設計工作。