海上石油平臺安全儀表系統的開發設計及應用

葉 鏑

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

安全儀表系統主要有傳感器、輸入電路和輸出電路等，其突出作用是在石油平臺發生故障時及時切除危險源，切斷系統間的聯系，使平臺保持正常運行，為平臺搶修提供時間，使工程流程更加科學合理[1]。

1 海上平臺安全儀表系統的構成

安全平臺系統主要有檢測和執行元件及邏輯運算器、過程控制系統等部分。為了確保海上平臺安全儀表系統安全運行，要應用雙冗余的結構獨立供電，在這些邏輯運算器運行過程中需要兩套設備：一套為主要設備，另一套為備用設備。主要邏輯運算器和備用邏輯運算器及過程控制系統都要在通信板中有效實現信息交換。

2 安全儀表系統設計

2.1 系統硬件設計

系統硬件設計注重完善元件和邏輯運算器，提升系統硬件設計的可靠程度及可用性。系統的可靠性能夠充分降低系統的危險程度，可用程度降低會造成系統無法得到有效控制，最終引發石油平臺災害事故，這說明了系統硬件設計的重要性。

（1）邏輯運算器的設計。邏輯運算器安全運行依托于安全儀表系統的安全程度，明確不同安全儀表系統的實踐應用情況，關注系統的冗余結構和非冗余結構，在滿足安全等級要求的基礎上利用邏輯運算器，使其產生更為強大的安全保護作用。系統的可用性是衡量系統的重要指標，在提高系統可用程度的基礎上增強系統的容錯能力，而系統的容錯能力可以在安全儀表系統和控制器發生故障的時候使安全儀表系統仍可以正常運行，同時提醒工作人員及時檢測問題。

（2）檢測執行元件的設計。為了能夠較大程度上降低元件故障發生率，在選擇安全儀表系統和執行元件的時候，優先選取具備更高性能及較高質量的產品。不同地區對智能產品和安全水平認證產品，檢測執行元件的標準規模具有明顯差異，其中的冗余配置可以充分降低系統的故障發生率，使系統的可用性更高。設計執行元件檢測時要滿足安全等級要求，將系統的可靠性作為主要原則，實施更加科學合理的設計[2]。

2.2 邏輯運算設計

2.2.1 典型邏輯關系

（1）邏輯運算關系。海上石油平臺安全儀表系統多數采用PLC 為基礎的硬件設備，安全聯鎖功能在邏輯運算支持下有效運行，在PLC 中更好地利用布爾代數運算。正常的安全聯鎖系統通常利用多段邏輯運算，輸入信號對輸出的數據具有較大影響，在推動輸出和輸入信號相對應的情況下得出連鎖邏輯關系，確保系統的可靠性及安全性。

（2）人為啟用聯鎖和輸入信號旁路開關。安全聯鎖要借助于人工聯鎖按鈕，在人工干預的情況下使裝置更好地投運工作。啟動聯鎖設備后，設置信號開關，而工藝過程變量下無法滿足其自身要求時，也切斷聯鎖系統的相關輸入信號，啟用聯鎖和輸入信號旁路開關對系統維護和檢測具有重要作用。

2.2.2 典型邏輯關系設計

在典型邏輯關系設計過程中，要結合因果圖和數據圖表具體設計，有效化簡邏輯代數實現表達共識，結合表達共識畫出邏輯圖，最終實現旁路信號輸入。校驗輸入信號容易觸發聯鎖系統，推動其可以有效避免對人工聯鎖造成較大的影響。在邏輯關系設計的時候，要在輸入信號的入口設置旁路，為了使報警狀態能保持正常狀態，信號旁路邏輯也無法屏蔽報警顯示的輸出[3]。

平臺安全儀表系統需利用更安全的模式，如果系統中的環節出現問題，受控裝置可進入安全狀態，在系統處于靜態的狀態中進行監視，并不需要人工監控，系統處于運行狀態就能夠促使儀表系統發生作用，不容易被旁路取代。

3 海上石油平臺安全儀表系統具體操作

3.1 安全完整性等級的確定方法

確定安全完整性等級：①安全保護層矩陣法，在進行過程危害定性的基礎上，對危害及影響做出定性評估處理，根據各種事件及自身的潛在影響評估安全層情況；②采取故障樹方法，故障樹是顯示故障后果的邏輯圖，在這一圖表中所具有的頂級事件故障或事故前傳感器故障等基本事件；③完善HAZOP（Hazard and Operability Study，危險與可操作性分析）方法，使工作人員更好地掌握和應用HAZOP 方法，其本質是在對工藝圖紙和相關操作程序分析的基礎上，明確安全事件的結果及發生的可能性和風險因素，為響應安全完整性等級評估過程，安全團隊也要結合安全完整性等級確定風險控制措施（圖1）。

圖1 HAZOP 方法

3.2 編制安全要求說明書

安全要求說明書是在安全需求和安全完整性需求等基礎上實現的，以安全功能中的定義確定事件的整體安全狀態，在安全儀表輸入及動作設定點確定后，有效加強海上石油平臺安全完整程度，更好地明確安全系統的SIL 等級和具體的診斷結果及日常維修相關情況，并滿足對試驗和可靠性的要求。

3.3 概念設計與詳細設計

概念設計也要針對安全要求所包含的具體說明，推動其充分驗證安全儀表系統的理論內容，滿足安全規范要求。詳細設計屬于整體設計中較為重要內容，不僅要求滿足安全完整性等級及安全儀表系統動作前后的狀態，也要能夠完成自動復位，其本身仍然需要分析環境和危險區域劃分對安全儀表系統的影響[4]。

3.4 安全儀表系統的安裝和調試

安全儀表系統在得到較好的安裝與調試之后，利用預啟動測試形成的支持，使安全儀表系統的相關標準能夠進一步滿足規范中的安全要求。其主要的內容通常涉及到設備的接線、電源和安全設備的設定點等方面，要充分結合設計與現場施工間的工作情況，確保系統順利應用。

3.5 安全儀表系統的運行和維護

在安全儀表系統投入實踐應用的時候，運營商要接受相關培訓，熟讀使用操作手冊，為安全儀表的操作和維護提供保障，同時對其周期性功能實施必要測試。需要修改安全儀表系統時，設計人員要結合現場的實際情況提出具體要求，具體分析安全儀表系統本身的概念過程及其他相關環節，實現針對性設計[5]。

4 海上石油平臺安全儀表系統的防護和防爆設計

設計海上石油自動儀表系統，要關注其防護設計情況，注重設計內容，凸顯關注要點。如果同一信號回路屏蔽層和排擾線設計接地，要防止自動儀表系統中的地電位差出現問題。海上石油平臺自動控制系統無法避免多點接地的時候，要利用電線將儀表系統中的多個接地點連接在一起，從而有效消除地電位差，對石油平臺的安全運行提供必要保障，使其安全程度更高，滿足海上石油平臺安全應用的要求。

結合爆炸的條件及發生原理，如果可燃氣體中存在的可燃物低于爆炸點就不容易發生爆炸事件，但容易發生燃燒現象；如果可燃氣體中的可燃物比爆炸的爆炸點更高，就不會發生燃燒和爆炸現象，但混合某些氣體會發生混合氣體爆炸事故。海上石油平臺安全儀表系統在設計防護和防爆等設施的時候，要消除燃燒條件和爆炸條件，使用自控儀隔離空氣密封可燃材料、消除火源，設計出滿足海上石油平臺安全運行需要的安全儀表系統。防護和防爆目標能夠保障海上石油平臺的安全性，設計中結合石油平臺危險區域內的氣體組相關數據，確定海上石油平臺安全儀表系統的實踐應用范圍，選擇具備防爆作用的安全儀表系統對石油開發有積極的影響。避免石油開發作業場所成為火災危險區，海上石油平臺安全儀表系統可以充分提高防爆系統的安全性能[6]。

5 結束語

海上石油平臺安全儀表系統是對海洋平臺作業及石油生產安全實施保障的必要基礎，其自身的安全性能及可靠程度也和海洋石油生產存在著密切聯系，在相關設計及實際應用基礎上，可以推動海洋石油平臺安全儀表系統自身的安全性顯著提升，促使海洋石油平臺有效實現更為穩定和安全的發展與運營。