海上平臺ESD 現場儀表選型標準分析

程學華 騰 斌 侯振忠 蔣 林 張 健

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

由于我國海上油氣平臺的人員和設備長期處于高度集中的狀態，在這種環境下，易燃易爆的風險是非常高的，因此，對人員和設備的安全管理要求極高，為了降低工作的危險性，一般會設置專門的ESD 系統，也就是我們常說的緊急關斷系統[1]。ESD 系統是經專門機構認可的綜合安全防護系統，具有相應的安全等級，以降低生產過程的風險。它不但能應對生產過程中由于超越了安全限度所產生的風險，同時還能檢查和解決設備自身的故障，以便于按照所設定的要求或程序使整個生產過程保持在安全狀況下，并保證人、設施和周圍環境的安全[2]。

1 關于應急關斷系統的概念

應急關斷系統（ESD）。該系統根據平臺的安全等級，分成四個級別關斷。現場儀表一般分為三、四級的關斷控制系統。應急關斷系統的功能也比較多，應急關斷系統的功能較多，包括現場設備參數采集、整個生產過程的實時監控和動作、數據處理、生產過程畫面顯示、報警、歷史趨勢和報告的打印等。

2 對應急關斷系統的要求

對于應急關斷系統，確保員工的安全是首要任務。廣義的安全是指系統的工作條件及其對人類生存、財產和環境可能造成的危害限制在人類工業生產過程中所能承受的范圍內的情況。

海上平臺周圍海洋環境復雜，石油支架易燃易爆，設備和人員非常集中，這表明一旦平臺發生重大事故，將造成巨大損失和大量財產損失。近年來，由于科學技術的飛速發展，人類對現代安全系統的認識逐漸提高，這就對安全系統提出了以下要求：

1.獨立于其他控制系統。

2.系統本身的可靠性和可用性的極高。

3.是一套硬件冗余的系統。

4.控制系統能有效地自動處置緊急發生的各類重要任務，但同樣也需要降低控制系統誤觸發或誤停止的動作次數和頻率，以達到損失降到最低的良好效果。

5.控制系統必須便于維修和發現故障，并具備自我診斷功能。

6.操作系統需要用于組態，并具備實時更新組態的特殊功能。

7.安全控制系統還必須要和過程控制器及其他計算機進行通信。

8.能夠對事故進行順序記錄，也就是事故記錄（SOE）功能。

在實際生產中，ESD 系統完全符合其對于安全系統的要求，因此，在生產中投入ESD 系統能夠在很大的程度上能降低事故的發生風險，這也就意味著投入ESD 系統就顯得尤為重要了[3]。

3 ESD 系統的關斷等級

3.1 一級關斷

一級關斷，對于海上平臺來說是非常嚴重的關斷級別，因為這是海上平臺關斷的最高級別，如果達到一級關斷，就意味著發生了極為嚴重的情況，因此一級關斷也常常被稱為棄平臺的關斷。執行此關斷，一般需由海上平臺負責人或總監等指定人確定，但此級關斷一般都將采取全自動執行方法，其最重要的放棄平臺控制按鈕通常設在中央控制室、救生艇處，有時還有直升機甲板二側的樓梯口等處。當完成最后一級關斷時，平臺需要關掉平臺上的所有發動機和生產設備，僅留下求生和應急照明的部分。如果要關斷公用控制和動力控制等系統，就必須開啟BDV（緊急放空閥），火炬控制系統處于正常運行狀況，并需要完成相關的泄壓排空的操作，最終，應急發動機也將關閉，平臺運行狀態燈熄滅。

3.2 二級關斷

二級關斷，即為火氣關斷。當系統二級關斷時，平臺狀態指示燈和火災告警紅燈亮、同時緊急發電系統正常工作，同時同步的無線電廣播系統也產生了火警警報，而所有機械設備則需要立即停止。但消防基礎設施、通信技術設備、直升機甲板邊界燈、障礙燈、霧警報器、應急燈控制系統、發電和供水等機械設備仍應處于正常工作狀態。

3.3 三級關斷

關閉三級意味著停止生產。可能原因是：自動停止按鈕；在工業生產控制系統重要監控信息、儀表低壓信息、工業生產系統故障信息等的驅動下，關閉所有主閥和翼閥；然后關閉所有生產裝置或油管道。

3.4 四級關斷

四級關斷通常是指單元關斷，即單元設備上的異常信號產生。如由于壓力過高過低或液位過低、過高，或溫度過高等原因所引起的需要對單一設備的則關，同時在操作站中還設置了自動開關系統，從而能夠對單一設備實現自動則關。而該級則閉時只關斷故障單元，而競賽項目系統都不受影響。

4 ESD 系統的設計原則

對海上石油而言，確保系統的安全可靠性必須成為首要的設計準則。安全可靠性是指企業在整個產品生命周期內確保安全的前提下，能安全可靠地長時間、平穩運轉和工作，在符合規定的條件下或者在規定的時期內，具備了能夠很好地實現規定功能的能力。

ESD 系統設計原則為：控制系統獨立設置；盡量減少中心環節，一個級別的關停導致所有較低級別的關停。緊急停機時間后，用戶迅速排除故障并自動恢復工作后，即可恢復生產。緊急停機控制系統設計為“故障-安全”。構成ESD 的每個鏈路設備造成故障的概率不能為零，但也可能在電源和氣體供應中斷時引起。當ESD 設備被內部或外界原因所損壞時，被保護設備將根據規定的次序安全停機或自動進入安全狀態，這就是故障-安全原則。具體表現為：當控制系統保持在正常狀況下時，信息接點為常閉，而在輸出回路則帶電；在系統中出現異常狀況時，將信息觸點切斷。輸出電路中的功率損耗形成了相關的聯鎖動態。

5 現場儀表的分類

平臺上常用的現場儀表設備主要有溫度計、溫度變送器、壓力表、壓力變送器、氣體分析儀，以及溫度調節控制器、帶執行機構的切斷控制閥、電磁控制閥等。此處將著重討論怎樣完成對遠傳信號進行信號反饋的儀表。

5.1 開關量儀表

開關量儀表在時間限制上連續變化，在振幅上為二元物理量。

開關量儀表通常只取“1”或“0”。如電源的通斷、電機的正反轉比等。平臺上廣泛應用的急斷開關量檢測儀表，涵蓋了過程變量開關、自動控制器、鑰匙、繼電器控制量開關的觸點等，其中緊急切斷開關檢測儀應在正常的工作狀態下關閉；異常時斷開。這類儀器很多，在深海油氣平臺上等特定場合下應用的也很多，例如加壓容器中的流體需加溫，則應設溫度開關，如出油管線上均裝有壓力高控制器（PSH）、壓力低控制器（PSL），這類開關如果檢測到異常的高壓或低溫時，就會將油井關斷。

5.2 變送器

變送器則是把標準傳感器的輸出信息，轉換成能使控制器和測量儀表更準確地接受標準信息的儀表。變送器中所使用的模擬量,一般采用4～20mA 以及0～10V 的信號傳輸方式，但4～20mA 信號則由于其傳遞距離長以及抗干擾能力強之優點，已被廣泛應用于海上的使用。

ESD 控制系統中包含的現場變送器主要為壓力和液位變送器，少量為溫度和差壓變送器。因為它可以直接傳輸特定的參數，所以應用起來也非常簡單。至于緊急停機控制系統，還有許多其他地方可以使用，例如關斷閥閥后壓（PT），生產撬塊加壓容器的液位（LT），測量加溫器出口水溫（TT）等應用也十分普遍。

變送器的檢測區域能夠在選型上先進行初步設計，而后期也能夠利用手操器等機械裝置調整或校準，所以對實際應用來說也能夠針對實際工況作出相應區域的調整，而且只在硬件區域量程內，通過設定量程便可以調節和校準檢測范圍。近些年來的海上平臺，相對開關式測量儀表的使用率也是在逐步下降，而相對變送器的使用量卻又逐步提高，從以下幾點中也可以簡單分析一下其原因：

5.2.1 成本

開關式測量儀器的生產成本，通常為相同規格變送器的四分之一至五分之一。雖然價格比最高，但裝配調試的工作量也略高于同類變送器。

5.2.2 量程和準確度

看精度首先是看其精度等級，以壓力控制器為例，由于壓力控制器是純機器的變化引起微動開關電源動作。在壓力上升時，相互作用于變化的傳感技術壓力電子元器件（膜片、波紋管、氣缸）形成了變化，并向前移動，通過欄桿簧片等機械結構，啟動上端微動開關電源動作，傳輸電信號。UE 壓力控制器設計方法在功能機理上，又可以分為連續變位型和力穩定型。所以，壓力控制器通常都可以給出一種大概的壓力數值，最高的準確度級別也就是2.5。壓力變送器還能夠把所接受來的廢氣、液體和壓力信號，轉換成標準的電壓信號（4～20mADC），從而供給二次儀表，比如命令報警儀表、記錄儀、電子調節器等，進行檢測、命令以及過程調節，其精度一般可以達到0.5 級。

此外，通用壓力開關的范圍有限，變送器可根據現場條件進行調整。因此，變送器之間的開關差小于一般開關或測量儀器之間的開關差。

5.2.3 可靠性

對于儀表而言，開關量儀表與變送器之間的比較基本上是機械與電氣的。開關量儀表的設備控制靈敏度較低，但安全特性也較高。但是，對ESD 控制系統,開關或檢測儀器都很難作出任何判斷，但變送器卻能夠作出適當的評估。

舉個例子：假設有PS1、PS2、PS3 三個壓力開關。PS1 損壞了，但PS2 和PS3 工作正常，而控制系統卻無法監測到這些情況。如果在這時發生了壓強達到最大值的情況，這三個壓力開關中，PS2 報告零，而PS3 由于高限的動作會報告一，但是由于PS1 已經損壞，因此PS1 會直接報告0，這時，系統會收到兩個0 和一個1，進行比較后，最終投票結論為零，因此ESD 不會進行活動。

換一種假設，若有三個壓力變送器PT1、PT2、PT3,且這三個壓力變送器都已向ESD 系統發出了AI 信號。首先，各個通道的AI 信號均需要事先進行上限判斷，并由CPU 中產生一個開關點，就像壓力開關的出口。最后，投票將這些觀點視為邏輯。然后，我們可以算出平均值，該平均值可以連續與PT1、PT2 和PT3進行比較，即使誤差過大，平均值也應異常，這將確定三個變送器是否已經損壞。許多智能變送器也有自己的診斷信息。為了測試變送器的強度，例如，一旦變送器被切斷，以及該值已被發送至零，則系統就可以馬上對其作出檢查。壓力開關在停電時，認為壓力開關不能移動，不知道如何斷電。一旦壓力變送器過壓或膜盒破損，且電源仍未斷開時，則可能會將其送到最大值，或將診斷信息直接送到系統。在這些情況下，系統才能處理數據。

5.2.4 后期維護

1.隨著油田石油的不斷開發，井下壓力也在降低。然而，我們還是要求一種比較平衡的生產環境，這就要求現場儀表的工作范圍可以隨著生產環境的變化而相應地調整。由于開關檢測儀的可調范圍很小，且調試流程比較繁瑣，必然會在油田生產中或后期形成很大的成本。此外，如果要改變的范圍大于開關量儀表的可調范圍，則可以更改現場儀表的狀態，可根據現場條件調整變送器的量程。

2.渤海的冬天溫度很低，如果使用開關測量儀，很容易凍結和堵塞，變送器則毫無這種疑慮。

3.開關儀表的調節比差壓變送器的調節復雜得多。在海上平臺的實際使用中，變送器的優點顯著高于傳統開關式檢測儀器。目前，在海上平臺上所應用的儀器，主要為變送器。所以，變送器的普遍應用也形成了一種趨勢，但由于仍面臨著若干問題，對這一發展趨勢，仍有一定的影響。首先，平臺標準中明確規定“一次儀表應使用開關”。此外，由于目前平臺上所使用的大部分變送器均要求擁有SIL 認證，這在實際上提高了變送器的應用價值。

6 結語

總之，針對海洋油氣田特殊的生成過程和復雜多變的海洋環境，海洋油氣田的快速高效發展應始終將安全生產放在首位。近年來，隨著標準化ESD 體系的合理設計，海洋原油生產經營中事故逐漸降低，重大惡性事故的出現也得以有效管控，進而保障了海洋原油的安全生產和發展，產出經濟效益也持續增加。然而，實踐也證明，合理設置的標準化ESD 系統，仍然是海上石油安全生產中不能缺少的重要因素。