石油平台自控仪表系统安全设计

岳沛霖

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东 深圳 518000)

0 引言

石油平台自控仪表系统的安全设计至关重要,是石油平台平稳运行和安全生产的重要保障。自控仪表系统工作范围包括工艺参数的示警、数据处理、调节偏差、控制阀门的开关等。通过传感器、输入电路和输出电路来保证自控仪表系统运行,因此关于自控仪表系统得人安全设计研究具有现实意义。

1 石油平台自控仪表系统安全设计原则

石油开发带来了可观的经济效益,但同时又伴随着危险,尤其是在海洋区域进行石油开采工作,对于石油平台的要求更加严格。在进行仪表系统设计时,需充分考虑施工人员生产安全问题,从而减少安全事故的发生。与此同时,自控仪表系统故障安全设计也能反映出石油开采技术的水平。从海洋石油发展前景来看具有极高的开发价值。因此,自控仪表系统的安全设计和利用将会成为未来石油平台研究中重要的技术领域。系统在设计之初就要将故障安全与实践相结合,保证设计的自控仪表系统在发生安全问题时能够通过系统设置,保证工作人员的安全以及为故障部位能够提供相应的维护和升级,以此来保障石油开采工作的正常进行[1]。

2 自控仪表系统安全设计

2.1 自控仪表系统的构成

石油平台自控仪表系统主要包括传感器、输入电路、输出电路、逻辑控制、终端元件等,负责系统检测和命令的执行,当系统发生故障时通过其切断危险联系,保证石油平台系统地安全。其中传感器以参数进行分类,包括温度、流量、液位线以及压力值等;输入信号和输出信号包括模拟输入、数字输入、模拟输出和数字输出;自控仪表系统中逻辑控制器至关重要,多半采用PLC控制器实现系统的控制;终端元件作为自控仪表系统的终端主要有关断阀、电磁阀、电机和泵等[2]。

2.2 自控仪表系统设计流程

自控仪表系统的安全设计流程从开始阶段到概念过程和最后系统停止工作,这个流程即为自控仪表系统的设计流程,也可以称之为安全生命周期。其中概念过程是指对系统所监控的设备和工作环境进行检测,以此保证整个设计流程能够顺利运行。

2.2.1 定义总体范围

定义总体范围分两个部分,其中一部分涉及受控设备和安全控制系统,另一部分是分析石油平台系统的危险性和风险性,自控仪表系统在工作时既要靠率外部因素对系统的影响同和工作状况带来的影响,又要做好偶然故障因素带给系统的影响。受控设备由于需要满足生产需求而进行参数的设置。自控仪表系统涵盖了整个控制系统,从传感器到控制器保证整个回路都具备控制功能。

2.2.2 应用非自控仪表系统安全保护

石油平台在生产工作中,工艺流程相比于理论会更加复杂,对系统控制过程的要求也相对较高。因此,自控仪表系统应用在石油平台上将会解决工艺带来的复杂以及控制的高要求,并成为未来的发展方向。

2.2.3 定义安全整体等级

系统确定了安全仪表系统以后,再确定目标系统的安全完整性等级(Security Integrity Level,SIL)。系统设计和设备需符合安全完整性等相关要求。

(1)期望故障率。

期望故障率(Probability of Failure on Demand,PFD)指的是在正常情况下系统停止相应的概率值。PFDavg是指自控仪表系统在某一段时间的安全仪表系统的平均值。其计算公式为:

其中,PFDse代表传感器和输入接口电路的期望故障率;PFDls代表逻辑控制器的期望故障率;PFDfe代表控制元件和输出电路的期望故障率。

SIL与平均故障率关系如表1所示。

表1 SIL与平均故障率关系

如果在自控仪表安全系统中,∑PFDse=0.01,∑PFDIs=0.02,∑PFDfe=0.01,那么平均故障率为:

通过与1表对比可知,证明该系统属于SIL1。

(2) SIL具体操作的确定。

SIL的具体操作的确定归功于过程安全小组,对于设备的操作是由专业的维修人员完成。因此,安全小组的组员对于设备的控制和相关技术以及工作原理都要做到掌控。

(3)安全完整性等级的确定方法。

安全完整性等级的确定方法主要有3种,第一种叫作安全保护层矩阵法。该方法是出于对危害的定性和理解并对后期的危害后果进行有效的评估;第二种叫故障树法。该方法是通过构建故障图表实现的,从树形逻辑图表中可以看出故障和相关的事故;第三种叫作改进了HAZOP方法。通过对操作程序和工艺图纸分析,以便于发现事故的严重性以及发生的可能性,从而制定行而有效的提案来降低风险的发生。

2.2.5 概念设计与详细设计

概念设计需要遵从安全要求中的具体说明,来进行自控仪表系统安全设计理论内容的验证,保证其符合安全规范。详细设计作为系统安全设计中重要的内容,首先要符合安全完整等级规范,还要保证仪表系统前后的工作状态和自动复位,同时详细设计对目标区域的状况和危险点的划分能否影响自控仪表系统安全进行有效分析。

2.2.6 自控仪表系统的安装和调试

自控仪表系统设计的安全与否还需要经过安装和调试过程,使用预启动测试的方式满足自控仪表系统安全规范设计。在此过程中要按照实际的需求以及安全规范将设备的接线、电源、安全设备设定点、开关顺序、复位等内容进行调试。根据现场实际需求与设计相互协调,以此保证系统的正常运行。

3 石油平台自控仪表系统的防护和防爆设计

对于自控仪表系统的安全设计,除了考虑系统本身的设计安全外,还需考虑自控仪表系统的物理防护。当石油平台工作时会产生大量的可燃气体,一旦发生燃烧就可能会产生爆炸事故,那么将会对石油平台以及整个系统造成损坏。石油平台自控仪表系统安全防爆设计,通过设计出自控安全仪表来消除燃烧条件和爆炸条件。其工作原理是仪表进行相关设计后,实现空气与可燃物的隔离,从而建立了石油平台的安全系统。与此同时,自控仪表通过对危险区域的气体组数据进行分析以及对石油平台范围和登记,以此设计出自控仪表系统做到石油平台的防护和防爆,保证石油的开采顺利进行[3]。

4 结语

综上所示,石油平台自控仪表系统的安全设计可以说关乎着平台的高效生产以及施工人员的人身安全,系统本身的安全性能以及可靠性与石油开采生产密不可分,设计人员在系统设计时,要充分地考虑系统的安全性和适用性,发挥出自控仪表系统的作用,促使石油平台能够实现稳定和安全发展。