海上平台安全仪表系统的安全监测有效性评估

阎晓楠

（中海油物装采购中心，北京 100027）

海上平台中控安全仪表系统是海上油气田开发工程中的关键环节之一，它是海上油气田各种开发设施的安全卫士，安全仪表系统可以及时、准确地探测到可能或已经发生的工艺系统故障、可燃气体泄漏事故和火灾情况，并及时采取相应措施以保护海上油气田人员和设施的安全。安全仪表系统主要由紧急关断系统和火气控制系统组成，是具有报警、消防及联锁关断保护功能的安全控制系统。在不断强调安全生产的今天，为了进一步提高海上平台安全仪表系统的安全可靠性，本文提出了一种用于海上平台安全仪表系统的安全监测有效性综合评估方法。

1 安全监测有效性评估研究范围

1）新建海上油（气）田开发工程项目详细设计或施工设计阶段应进行安全仪表系统的安全监测设计评估；

2）新建海上油（气）田生产固定平台投入运行前应实施安全仪表系统投产前的安全监测评估；

3）在役海上油（气）田生产固定平台涉及的安全监测对象或监测区域发生较大变化时，也应对变化部分或是整个在役平台进行安全仪表系统的安全监测设计评估；

4）安全仪表系统的安全监测宜结合工艺流程和安全仪表系统的运行周期，符合下列情形，应实施安全监测有效性评估：

1）安全仪表系统设计变更或退役前；

2）可能出现对安全仪表系统产生影响的工艺、设备等的修改实施前；

3）出现与安全控制体系有关的严重安全事故或发现明显影响安全监测有效性的设计缺陷时；

4）国家或行业有新的规定或标准规范发布，并有重新开展安全监测评估要求时。

2 安全监测有效性评估方法

安全仪表系统的安全监测有效性评估包含火气控制系统安全监测覆盖范围有效性、安全仪表系统安全可用性和风险减缓设备设施有效性的评估。安全监测有效性是火气控制系统安全监测覆盖范围有效性、安全仪表系统安全可用性和风险减缓设备设施有效性共同作用的结果。

2.1 火气控制系统安全监测覆盖范围有效性评估

火气控制系统安全监测有效性评估通过计算火焰、可燃气体、有毒气体等探测器的覆盖率，然后再通过覆盖率计算得出有效性的量化结果，实现对火气安全监测覆盖范围进行有效性评估，进而指导设计人员及用户对火气设备的布置设计方案进行验证、优化。

火气控制系统安全监测覆盖范围有效性评估所采用的工具主要有三维可视化模型软件。计算流体动力学仿真软件和探测器布局软件，探测器布局软件利用三维模型和计算流体动力学仿真结果开展计算，将探测器的位置和覆盖范围进行可视化展示并输出量化结果，其具体流程包括：

（1）危险评估与分级：在进行安全监测有效性评估之前应先开展火气控制系统的资料搜集工作，需要梳理收集工艺及仪表控制流程图（PFD & PID）、海上平台总体布置图、安全评价报告（HAZOP）、爆炸危险区域分布图、介质参数、原油物性及天然气组分等信息，然后通过相关资料整合分析对海上平台设备设施进行风险等级评估。

（2）主要设备与气体泄漏风险建模：根据气象数据（风力、风向等）、设备清单及海上平台的三维模型建立气体扩散模型用以确定海上平台主要设备与气体泄漏可能存在的风险。

（3）有效性评估：首先应根据探测器性能参数或设计要求采用空间分析法确定火气探测器在海上平台的覆盖情况，实现对探测器的平面覆盖率评估；然后应根据探测器性能参数，结合设备设施布局、释放源特性、泄漏频率和空气流动等特点通过场景分析法确定火气探测器在海上平台的场景覆盖情况，实现对探测器的场景覆盖风险评估；最后根据评估结论提出包含探测器技术选型、探测器数量及探测器布局的优化建议。

①空间分析法评估流程

a）目标定义。需要明确装置中需要被保护的对象及对象的属性，以氨气压缩机为例，其危险性来源于氨气的毒性、爆炸性以及压缩机内部的高压，如图1所示。

图1 氨气压缩机设备结构和危险源视图

b）确定风险层。按照一定的距离，生成环绕覆盖危险源的风险层。

c）探测器布局。配置保护目标周围的探测器数量、位置、类型、角度以及探测器参数。

d）几何计算。通过算法公式计算出探测器对风险层的覆盖率，最后给出优化方案。

②场景分析法评估流程

a）区域定义和目标气体定义。海上平台生产区通常由多个不同功能的装置区组成，这些装置区物理位置不同，因其工艺流程差异，产生的危险源也不相同。在开始分析之前，应综合考虑区域的物理位置及危险源种类，将生产区分为各自独立的区域，并明确需要探测的泄漏气体种类。

b）环境定义。海上平台不同作业区气候参数有所差异，环境是指一年之中当地的平均温度、大气压力、风向和风速的历史数据。通常可通过风向玫瑰图获取风速和风向的信息。

c）泄漏定义。定义泄漏点、泄漏介质以及泄漏量。

d）场景定义及 CFD气云计算。场景是由环境定义和泄漏定义所组成，每一个场景下其环境和泄漏都是确定的，因此其产生的气云也是确定的，所以每个场景都有对应的气云分布。图2是探测器对气云的捕获情况示意图。

图2 探测器对气云的捕获情况（★表示探测器位置）

e）探测器布局。配置保护目标周围的探测器数量、位置、类型、报警阈值及探测器参数。

f）分析计算。计算出气体浓度与气体探测器报警阈值的比值，以此了解不同场景下探测器对气云的捕获情况，得出探测器覆盖率，给出优化方案。

2.2 安全仪表系统的安全可用性评估

按照海洋石油针对安全仪表系统的安全规范要求，海上生产平台的安全仪表系统的逻辑控制器及执行单位需要采取冗余配置，安全仪表系统的安全完整性等级需要具备SIL3以上，用来确保安全仪表系统的功能安全可靠性。但是安全仪表系统在全生命周期运行过程中可能会存在安全失效及危险失效等异常状态，因此需要对安全仪表系统的安全可用性进行适时评估，通过及时的功能调整及故障避免进而实现安全仪表系统的可靠性运行。

（1）功能安全评估

功能安全评估是证明海上生产平台安全仪表系统满足仪表安全功能和安全完整性等级（SIL）要求的基础，这种评估的基本目的是通过对安全仪表系统的独立评估来保证其在开发生产过程中仍然遵循应有的安全要求。在海上平台全生命周期持续运行阶段，需要根据实际生产变化有计划地通过开展安全仪表系统逻辑优化及安全完整性等级分析验证工作进行功能安全评估。

首先需要对安全仪表系统的因果控制逻辑进行梳理，并依据设计标准规范对安全仪表系统的逻辑进行优化分析；其次是对安全仪表系统的安全完整性等级开展评估及分析验证工作，包括确定安全仪表功能的安全完整性要求、确定风险降低水平要求、计算探测器和控制单元的平均故障失效率、分析验证安全仪表功能的SIL等级；最后根据满足生产需求的安全完整性分析结果对安全仪表系统进行功能调整。

（2）过程危险和风险评估

过程危险和风险评估的目标是确定用以保证生产流程安全所需的安全功能（如各级保护层）及其相关风险性能降低。在开发生产过程中，使用多个安全层是常见的，这样在某一层失效时才不会导致或者允许产生有害的后果。危险和风险评估应确定和涉及在包括故障工况、合理的可预见的误操作、安全设备失效的情况下发生的危险和危险事件。就海上平台新建项目而言，需要在基本设计阶段就执行预先的危险和风险评估，因为确立、设计和实现安全仪表系统建设是较为复杂的任务，及早开展过程危险和风险评估是在完成生产工艺流程图设计之前需要确定安全仪表系统结构的整体性能要求。但是当进行详细设计时，可能会引入附加危险，因此还有必要进行二次危险和风险评估，这个阶段的评估分析应使用正式的全文档化规程，如危险和可操作性研究（HAZOP），确保所设计的安全层足以保证海上平台的安全，同时需考虑安全系统的失效是否会导致任何新的危险或请求，如有必要需重新定义安全功能。

首先是当考虑特定失效的后果时，应分析所有可能的结果和对结果产生影响的失效事件的频率，在风险分析中应忽略或去除不可靠的结果。例如使管道或压力容器承受超过设计的压力不一定会产生灾难性的污染损失，在许多情况下，设备都经过超过设计的压力试验，唯一可能导致火灾的后果是可燃物质的泄漏，它们不但需要考虑原始试验压力还要考虑包括腐蚀允许量在内的原始设计以及腐蚀管理程序是否到位，同时还需要考虑人为产生的某种特殊危险。

然后通过对安全仪表系统的潜在危险源进行评估，评估应包括以下情况：启动、连续操作、停机、维修错误、手动干预、供应中断（如仪表气、动力、冷却水、加热保温层等）。当考虑安全失效频率时，在某些复杂情况下，需要建立必要的故障树分析，因为可能会产生因多个事件同时失效而引起的过程危险和风险。

最后通过对安全仪表系统部署故障诊断分析评估系统及时发现因危险失效引起传感器或执行单元功能降低或丧失的异常状态，以降低安全仪表系统在运行过程中硬件设备失效、软件组态功能失效等产生的影响。

2.3 风险减缓有效性评估

风险减缓有效性是风险减缓设备设施减缓预期事故后果的程度，海上生产平台风险减缓设备设施主要是当发生工艺系统故障、火灾或可燃气体和有毒气体的泄漏时，能减缓或减轻事故后果的设备设施，包括紧急关断系统、安全消防系统、暖通系统、应急照明和广播报警系统。风险减缓有效性评估需要根据提供的相关设备设施合规性评估资料，综合分析风险减缓设备设施可能对预期事故后果产生的减缓程度，确定是否满足安全生产的要求。

首先应检查风险减缓设备设施的设计成果、过程成果审查的完整性，其次检查中海油企业监管机构的批复文件或验收文件的完整性，然后应检查企业自身验收文件和报备文件的完整性，最后根据完整性文件对风险减缓设备设施进行综合评估，用来确保出现可燃气泄漏或火灾事件后能够在及时有效时间内激活启动安全监测系统，以减缓这类事件的严重程度。

3 安全监测有效性评估内容

1）火气控制系统安全监测有效性：探测器性能参数是否符合设计要求；探测器安装及布置是否符合设计要求；火气控制系统安全监测覆盖范围有效性评估计划及策略；已解决由先前的安全监测系统设计评估提出的建议；系统调试成果记录文件查验。

2）安全仪表系统的安全可用性：提供满足安全完整性等级的证明文件；提供过程危险和风险评估报告；部署故障诊断分析评估系统；核查与防爆及防护相关证明文件；检查运行条件是否满足设计要求；对改造项目进行复核查验。

3）风险减缓设备设施有效性：复核查验满足国家强制性认证的证书文件或测试报告；复核查验相关技术文件及验收报告；提供风险减缓有效性评估分析报告。

4 结束语

目前海上油（气）田生产固定平台的安全仪表系统依据相关安全规范要求，其安全控制方式已逐步实现自动化、数字化的精细管理，但在工程建造阶段及生产运行过程中仍会存在不可避免的安全隐患。开展安全仪表系统的安全监测有效性综合评估工作是解决安全风险较为合理有效的方法，该方法通过对火气控制系统安全监测覆盖范围有效性、安全仪表系统安全可用性和风险减缓设备设施有效性进行综合评估，并根据评估结果提出安全仪表系统的优化措施，从而为海上平台安全生产提供技术支持和运维服务。