海上石油平台安全仪表系统的开发设计及应用

叶 镝

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

安全仪表系统主要有传感器、输入电路和输出电路等，其突出作用是在石油平台发生故障时及时切除危险源，切断系统间的联系，使平台保持正常运行，为平台抢修提供时间，使工程流程更加科学合理[1]。

1 海上平台安全仪表系统的构成

安全平台系统主要有检测和执行元件及逻辑运算器、过程控制系统等部分。为了确保海上平台安全仪表系统安全运行，要应用双冗余的结构独立供电，在这些逻辑运算器运行过程中需要两套设备：一套为主要设备，另一套为备用设备。主要逻辑运算器和备用逻辑运算器及过程控制系统都要在通信板中有效实现信息交换。

2 安全仪表系统设计

2.1 系统硬件设计

系统硬件设计注重完善元件和逻辑运算器，提升系统硬件设计的可靠程度及可用性。系统的可靠性能够充分降低系统的危险程度，可用程度降低会造成系统无法得到有效控制，最终引发石油平台灾害事故，这说明了系统硬件设计的重要性。

（1）逻辑运算器的设计。逻辑运算器安全运行依托于安全仪表系统的安全程度，明确不同安全仪表系统的实践应用情况，关注系统的冗余结构和非冗余结构，在满足安全等级要求的基础上利用逻辑运算器，使其产生更为强大的安全保护作用。系统的可用性是衡量系统的重要指标，在提高系统可用程度的基础上增强系统的容错能力，而系统的容错能力可以在安全仪表系统和控制器发生故障的时候使安全仪表系统仍可以正常运行，同时提醒工作人员及时检测问题。

（2）检测执行元件的设计。为了能够较大程度上降低元件故障发生率，在选择安全仪表系统和执行元件的时候，优先选取具备更高性能及较高质量的产品。不同地区对智能产品和安全水平认证产品，检测执行元件的标准规模具有明显差异，其中的冗余配置可以充分降低系统的故障发生率，使系统的可用性更高。设计执行元件检测时要满足安全等级要求，将系统的可靠性作为主要原则，实施更加科学合理的设计[2]。

2.2 逻辑运算设计

2.2.1 典型逻辑关系

（1）逻辑运算关系。海上石油平台安全仪表系统多数采用PLC 为基础的硬件设备，安全联锁功能在逻辑运算支持下有效运行，在PLC 中更好地利用布尔代数运算。正常的安全联锁系统通常利用多段逻辑运算，输入信号对输出的数据具有较大影响，在推动输出和输入信号相对应的情况下得出连锁逻辑关系，确保系统的可靠性及安全性。

（2）人为启用联锁和输入信号旁路开关。安全联锁要借助于人工联锁按钮，在人工干预的情况下使装置更好地投运工作。启动联锁设备后，设置信号开关，而工艺过程变量下无法满足其自身要求时，也切断联锁系统的相关输入信号，启用联锁和输入信号旁路开关对系统维护和检测具有重要作用。

2.2.2 典型逻辑关系设计

在典型逻辑关系设计过程中，要结合因果图和数据图表具体设计，有效化简逻辑代数实现表达共识，结合表达共识画出逻辑图，最终实现旁路信号输入。校验输入信号容易触发联锁系统，推动其可以有效避免对人工联锁造成较大的影响。在逻辑关系设计的时候，要在输入信号的入口设置旁路，为了使报警状态能保持正常状态，信号旁路逻辑也无法屏蔽报警显示的输出[3]。

平台安全仪表系统需利用更安全的模式，如果系统中的环节出现问题，受控装置可进入安全状态，在系统处于静态的状态中进行监视，并不需要人工监控，系统处于运行状态就能够促使仪表系统发生作用，不容易被旁路取代。

3 海上石油平台安全仪表系统具体操作

3.1 安全完整性等级的确定方法

确定安全完整性等级：①安全保护层矩阵法，在进行过程危害定性的基础上，对危害及影响做出定性评估处理，根据各种事件及自身的潜在影响评估安全层情况；②采取故障树方法，故障树是显示故障后果的逻辑图，在这一图表中所具有的顶级事件故障或事故前传感器故障等基本事件；③完善HAZOP（Hazard and Operability Study，危险与可操作性分析）方法，使工作人员更好地掌握和应用HAZOP 方法，其本质是在对工艺图纸和相关操作程序分析的基础上，明确安全事件的结果及发生的可能性和风险因素，为响应安全完整性等级评估过程，安全团队也要结合安全完整性等级确定风险控制措施（图1）。

图1 HAZOP 方法

3.2 编制安全要求说明书

安全要求说明书是在安全需求和安全完整性需求等基础上实现的，以安全功能中的定义确定事件的整体安全状态，在安全仪表输入及动作设定点确定后，有效加强海上石油平台安全完整程度，更好地明确安全系统的SIL 等级和具体的诊断结果及日常维修相关情况，并满足对试验和可靠性的要求。

3.3 概念设计与详细设计

概念设计也要针对安全要求所包含的具体说明，推动其充分验证安全仪表系统的理论内容，满足安全规范要求。详细设计属于整体设计中较为重要内容，不仅要求满足安全完整性等级及安全仪表系统动作前后的状态，也要能够完成自动复位，其本身仍然需要分析环境和危险区域划分对安全仪表系统的影响[4]。

3.4 安全仪表系统的安装和调试

安全仪表系统在得到较好的安装与调试之后，利用预启动测试形成的支持，使安全仪表系统的相关标准能够进一步满足规范中的安全要求。其主要的内容通常涉及到设备的接线、电源和安全设备的设定点等方面，要充分结合设计与现场施工间的工作情况，确保系统顺利应用。

3.5 安全仪表系统的运行和维护

在安全仪表系统投入实践应用的时候，运营商要接受相关培训，熟读使用操作手册，为安全仪表的操作和维护提供保障，同时对其周期性功能实施必要测试。需要修改安全仪表系统时，设计人员要结合现场的实际情况提出具体要求，具体分析安全仪表系统本身的概念过程及其他相关环节，实现针对性设计[5]。

4 海上石油平台安全仪表系统的防护和防爆设计

设计海上石油自动仪表系统，要关注其防护设计情况，注重设计内容，凸显关注要点。如果同一信号回路屏蔽层和排扰线设计接地，要防止自动仪表系统中的地电位差出现问题。海上石油平台自动控制系统无法避免多点接地的时候，要利用电线将仪表系统中的多个接地点连接在一起，从而有效消除地电位差，对石油平台的安全运行提供必要保障，使其安全程度更高，满足海上石油平台安全应用的要求。

结合爆炸的条件及发生原理，如果可燃气体中存在的可燃物低于爆炸点就不容易发生爆炸事件，但容易发生燃烧现象；如果可燃气体中的可燃物比爆炸的爆炸点更高，就不会发生燃烧和爆炸现象，但混合某些气体会发生混合气体爆炸事故。海上石油平台安全仪表系统在设计防护和防爆等设施的时候，要消除燃烧条件和爆炸条件，使用自控仪隔离空气密封可燃材料、消除火源，设计出满足海上石油平台安全运行需要的安全仪表系统。防护和防爆目标能够保障海上石油平台的安全性，设计中结合石油平台危险区域内的气体组相关数据，确定海上石油平台安全仪表系统的实践应用范围，选择具备防爆作用的安全仪表系统对石油开发有积极的影响。避免石油开发作业场所成为火灾危险区，海上石油平台安全仪表系统可以充分提高防爆系统的安全性能[6]。

5 结束语

海上石油平台安全仪表系统是对海洋平台作业及石油生产安全实施保障的必要基础，其自身的安全性能及可靠程度也和海洋石油生产存在着密切联系，在相关设计及实际应用基础上，可以推动海洋石油平台安全仪表系统自身的安全性显著提升，促使海洋石油平台有效实现更为稳定和安全的发展与运营。