張雙亮,李小瑞

(中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司,北京 100176)

SIS在海洋石油平臺(tái)中的應(yīng)用

張雙亮,李小瑞

(中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司,北京 100176)

DeltaV SIS是經(jīng)過(guò) TüV認(rèn)證的新型整體回路概念的智能安全儀表系統(tǒng),它的出現(xiàn)改變了安全系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀。作為數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)延伸,它是工業(yè)領(lǐng)域中首次從傳感器到邏輯控制器到最終控制元件全過(guò)程采用數(shù)字智能和診斷技術(shù)的智能安全儀表系統(tǒng),是可以提供整體安全回路解決方案的智能化系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)安全儀表系統(tǒng)的簡(jiǎn)單介紹,結(jié)合SIS在海洋石油平臺(tái)安全儀表系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用,論述了SIS“安全回路”智能化安全理念。

安全儀表系統(tǒng);海洋石油平臺(tái);安全功能;智能;安全回路

0 引 言

由于海上采油作業(yè)的特殊性,一旦發(fā)生事故,海上逃生和救援的難度均比陸地大很多。因此,在海洋油氣田的工程設(shè)施中,安全儀表系統(tǒng)(SIS)是不可缺少的最重要的系統(tǒng)之一,主要目的是在事故發(fā)生時(shí),通過(guò)緊急關(guān)斷系統(tǒng),使工藝系統(tǒng)關(guān)斷以保護(hù)平臺(tái)人員和工程設(shè)施的安全,防止環(huán)境污染,將事故的損失降到最小。

1 基本概念

目前,很多人對(duì)SIS的概念僅限于其邏輯控制器部分,這是有局限性的,也有悖于 IEC 61508及IEC 61511對(duì)SIS的定義[1-2]。

海洋石油平臺(tái)SIS[3]通常包括緊急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)和火氣探測(cè)系統(tǒng)(FGS)。ESD能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)工藝過(guò)程中的工藝參數(shù),一旦主要工藝參數(shù)出現(xiàn)異?；虺^(guò)設(shè)定值,則啟動(dòng)相應(yīng)的聯(lián)鎖邏輯保護(hù)功能和報(bào)警,使其進(jìn)入預(yù)定的安全停車狀態(tài)。FGS全天候不間斷地對(duì)平臺(tái)各區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)平臺(tái)上任意區(qū)域出現(xiàn)火情或氣體泄漏時(shí),該系統(tǒng)可觸發(fā)平臺(tái)報(bào)警裝置(報(bào)警燈、鈴等),同時(shí),按照系統(tǒng)預(yù)定設(shè)計(jì)的邏輯進(jìn)行表決,觸發(fā)信號(hào)至ESD,以便關(guān)斷該險(xiǎn)情區(qū)域內(nèi)的已預(yù)知的助燃設(shè)備,同時(shí),激活平臺(tái)消防系統(tǒng)。

SIS在安全生命周期內(nèi)能否完成其安全功能,依賴于設(shè)計(jì)人員、工程實(shí)施過(guò)程中的相關(guān)人員、操作人員及維護(hù)人員能否共同遵照SIS建立、操作及維護(hù)各階段中的相關(guān)要求,完成各自的工作。

2 海洋石油平臺(tái)SIS的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

NP1-29平臺(tái)位于渤海灣西北部冀東南堡油田1號(hào)構(gòu)造,距離2號(hào)人工島(NP1-2D)西側(cè)約2.4 km,水深約6.4 m。該工程主要包括1座生產(chǎn)平臺(tái)(PRP)、3座井口平臺(tái) (WHPA,WHPB, WIP)、1條從NP1-29平臺(tái)到2號(hào)人工島的6 in (1 in=25.4 mm)海底油氣混輸管線、1條從NP1-2D到NP1-29平臺(tái)的6 in海底注水管線和1條從NP1-2D到NP1-29平臺(tái)的復(fù)合海底電纜。井口平臺(tái)與生產(chǎn)平臺(tái)之間采用棧橋連接。在正常生產(chǎn)期間,井口平臺(tái)產(chǎn)出的物流經(jīng)棧橋上的管道輸往生產(chǎn)平臺(tái)PRP,在PRP上經(jīng)過(guò)計(jì)量、加熱處理后進(jìn)入海底管線,輸至NP1-2D。

2.2 工藝概要及安全控制要求

NP1-29平臺(tái)油井生產(chǎn)的流體經(jīng)油嘴節(jié)流后,通過(guò)井口出油管線分別進(jìn)入生產(chǎn)/計(jì)量管匯,該管匯上的閥門能對(duì)與之相接的單井進(jìn)行生產(chǎn)和計(jì)量切換。需要計(jì)量的油井物流經(jīng)過(guò)計(jì)量管線進(jìn)入計(jì)量管匯,經(jīng)計(jì)量電加熱器升溫,再進(jìn)入多相流量計(jì)進(jìn)行油、氣、水三相計(jì)量,計(jì)量后的油、氣、水混合匯入到生產(chǎn)加熱器出口。計(jì)量數(shù)據(jù)通過(guò)流量變送器送至遠(yuǎn)端控制中心顯示。不計(jì)量的油井物流經(jīng)生產(chǎn)管線進(jìn)入生產(chǎn)管匯,物流經(jīng)生產(chǎn)加熱器升溫后通過(guò)海底混輸管線輸至NP1-2D。

平臺(tái)工藝安全控制的核心是井口裝置出油管線和外輸管線入口的壓力緊急關(guān)斷聯(lián)鎖控制。出油管段上的減壓設(shè)施(如油嘴)前后工作壓力是不同的,為防止油嘴出油后的管段下游堵塞造成出油管段超壓,或者出油管段破裂發(fā)生泄漏,在出油管段上設(shè)置了高低壓變送器PT(PSHH和PSLL)來(lái)檢測(cè)壓力。為防止外輸管線下游堵塞,造成外輸管線過(guò)壓,或者外輸管線破裂發(fā)生泄漏,在外輸管段入?？谔幵O(shè)置了壓力變送器來(lái)檢測(cè)壓力。根據(jù)平臺(tái)上的危險(xiǎn)程度、對(duì)應(yīng)關(guān)斷級(jí)別的不同,在采油樹(shù)上分別設(shè)置了不同的安全閥,井下安全閥(SCSSV)、井口主閥(MSSV)、井口翼閥(WSSV),以及在外輸管線入?？谔幵O(shè)置了緊急關(guān)斷閥SDV。當(dāng)出油管段上的壓力變送器檢測(cè)到異常高壓或低壓時(shí),關(guān)閉對(duì)應(yīng)井的主閥和翼閥。當(dāng)外輸管段入?？谔幍膲毫ψ兯推鳈z測(cè)到異常高壓或低壓時(shí),關(guān)閉全部井的主閥、翼閥、外輸管線入海口的關(guān)斷閥,以及相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)施。當(dāng)井口區(qū)發(fā)生火災(zāi)或天然氣泄漏時(shí),除關(guān)閉所有井的主閥、翼閥、外輸管線入海口的關(guān)斷閥,以及相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)施外,還應(yīng)關(guān)閉全部的井下安全閥,啟動(dòng)相應(yīng)的消防設(shè)施。

平臺(tái)FGS的核心是在探測(cè)到平臺(tái)某區(qū)域發(fā)生火情時(shí),即刻關(guān)斷該險(xiǎn)情區(qū)域中已預(yù)知的助燃設(shè)備,同時(shí)激活平臺(tái)消防系統(tǒng)。故該系統(tǒng)中邏輯最為復(fù)雜、功能實(shí)現(xiàn)最具代表性的部分即為消防系統(tǒng)。當(dāng)平臺(tái)某個(gè)區(qū)域發(fā)生火情時(shí),安裝在該區(qū)域的探頭即可探測(cè)到,并觸發(fā)信號(hào)至火氣控制盤。經(jīng)過(guò)FGS的邏輯判斷表決,火氣控制盤通過(guò)安全網(wǎng)絡(luò)將觸發(fā)信號(hào)送至緊急關(guān)斷系統(tǒng),通過(guò)該系統(tǒng)關(guān)斷發(fā)生火情區(qū)域的生產(chǎn)設(shè)施。同時(shí)火氣控制盤觸發(fā)火災(zāi)報(bào)警裝置(報(bào)警燈、鈴),按照預(yù)設(shè)的邏輯程序,火氣控制盤首先觸發(fā)啟動(dòng)1號(hào)電動(dòng)消防泵的信號(hào),如果1號(hào)電動(dòng)消防泵由于故障等原因未啟動(dòng),則火氣控制盤經(jīng)過(guò)20 s的延遲后觸發(fā)啟動(dòng)2號(hào)電動(dòng)消防泵的信號(hào)。

2.3 系統(tǒng)選型及配置

經(jīng)過(guò)危險(xiǎn)和可操作性研究(HAZOP)和儀表保護(hù)功能研究(IPF Study)評(píng)估,確定系統(tǒng)最高安全回路等級(jí)為SIL2?；赟IL2的要求,NP1-29平臺(tái)中,由SIS邏輯單元與智能化變送器和數(shù)字閥門組成安全聯(lián)鎖回路。SIS配置了2個(gè)SIS邏輯單元,分別應(yīng)用于平臺(tái)的ESD和FGS。每個(gè)SIS單元都由冗余通信模塊、冗余電源模塊、冗余網(wǎng)絡(luò)、CPU(僅做通信使用)、邏輯控制器組成。

在檢測(cè)元件、執(zhí)行元件的配置上,國(guó)內(nèi)外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)此有明確的描述。在SH/T 3018—2003[4]中,分別描述了檢測(cè)元件、執(zhí)行元件的獨(dú)立及冗余原則,SIL2以上等級(jí)的SIS宜采用獨(dú)立或冗余配置的檢測(cè)元件。為減少投資成本,且安全聯(lián)鎖回路安全度等級(jí)滿足SIL2要求,檢測(cè)元件、執(zhí)行元件獨(dú)立配置,要求具有SIL2等級(jí)。檢測(cè)元件選用智能化變送器,執(zhí)行元件選用的是配備智能定位器的閥門,均達(dá)到了 SIL2等級(jí)并獲得 TüV認(rèn)證。

為滿足系統(tǒng)擴(kuò)展需要,可能個(gè)別回路 SIL具有需要提高的要求,選用具有 SIL3的邏輯控制器。這是一個(gè)獨(dú)立的模塊,將處理器、輸入和輸出封裝在一個(gè)單一的模塊中,該模塊包括冗余的CPU和16個(gè)不分類型的IO通道,CPU處理器和IO處理器相互獨(dú)立,可任意組合為 HART AI, HART AO,DI和DO使用。SIS采用分散設(shè)計(jì),使所有安全聯(lián)鎖功能不再依賴于中心CPU的存在,每個(gè)邏輯控制器連續(xù)地處理和執(zhí)行本控制器的安全邏輯程序,真正地做到了分散的安全聯(lián)鎖控制,排除了傳統(tǒng)安全系統(tǒng)中因控制器故障引起整個(gè)SIS停車的可能性,同時(shí)使在線增加邏輯控制器不會(huì)影響到其他邏輯執(zhí)行。每個(gè)邏輯控制器都經(jīng)過(guò)TüV認(rèn)證,具有SIL3安全等級(jí)。此外,系統(tǒng)邏輯控制器具有完備的診斷功能,提供基于每個(gè)通道的IO狀態(tài),包括泄漏電流檢測(cè)等。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 集成又獨(dú)立

DCS和SIS在海洋平臺(tái)中應(yīng)用非常廣泛,目前有一種趨勢(shì)是將DCS和SIS選用同一個(gè)生產(chǎn)廠商整合在一起的產(chǎn)品,這樣可減少系統(tǒng)之間硬接線,通過(guò)通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換且能達(dá)到規(guī)定SIL等級(jí)要求。

電源供應(yīng)、通信通道、硬件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的DeltaV卡件和DeltaV邏輯控制器完全獨(dú)立,保持IEC 61508所要求的獨(dú)立性。與其他SIS方案不同,工程、操作和維護(hù)與DeltaV系統(tǒng)集成但保持相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。

3.2 靈活可變的架構(gòu)

SIS采用分散的設(shè)計(jì),使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和規(guī)模靈活可變,并且消除了集中CPU所帶來(lái)的單點(diǎn)故障。模塊化的邏輯控制器硬件具有16個(gè)可組態(tài)的IO,這意味著每當(dāng)添加一個(gè)邏輯控制器時(shí),將自動(dòng)增加內(nèi)存和CPU。同一通信處理器下的邏輯控制器之間采用冗余安全網(wǎng)SISnet通信,不同通信處理器下的邏輯控制器采用冗余光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)冗余安全網(wǎng)通信,所有安全通信網(wǎng)都通過(guò) TüV認(rèn)證。根據(jù)不同規(guī)模的安全應(yīng)用要求,SIS的在線擴(kuò)展非常簡(jiǎn)便。

3.3 組態(tài)的簡(jiǎn)潔與高效

SIS與DCS共享組態(tài)環(huán)境,DCS所有方便易用的特點(diǎn),如即插即用、拖放的組態(tài)方式、樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的瀏覽器等,都充分應(yīng)用到了SIS軟件中去。DCS提供了簡(jiǎn)單易用的組態(tài)工具既用于控制也用于安全,避免了兩方都需要獨(dú)立組態(tài),然后還要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的復(fù)雜步驟。這一優(yōu)點(diǎn)在NP1-29平臺(tái)項(xiàng)目當(dāng)中體現(xiàn)得尤為突出,通過(guò)簡(jiǎn)單易用的組態(tài)工具,工程師瀏覽引用到他所需要的位號(hào)和參數(shù),所有的SIS數(shù)據(jù)對(duì)基本過(guò)程控制系統(tǒng)BPCS來(lái)說(shuō)都是可用并可直接引用的,充分滿足了一個(gè)流程畫(huà)面上對(duì)BPCS包括SIS數(shù)據(jù)同時(shí)顯示的功能。

DCS組態(tài)工作室里包含特別為SIS設(shè)計(jì)的一套完善的經(jīng) TüV認(rèn)證專用于SIS的智能功能塊、模塊庫(kù)等。組態(tài)采用功能塊圖的形式,避免了以往復(fù)雜梯形圖的編制,使安全聯(lián)鎖功能組態(tài)直觀易用。傳統(tǒng)的SIS項(xiàng)目一般要求采用復(fù)雜的因果矩陣(CEM),一旦采用后,通常會(huì)轉(zhuǎn)換成邏輯框圖并最終表示成特定供應(yīng)商的梯形圖。SIS采用CEM功能塊,可直接在邏輯控制器中采用因果圖,CEM表能夠執(zhí)行其表示的邏輯功能。

海洋石油平臺(tái)中 ESD,FGS最主要的聯(lián)鎖控制回路通過(guò)SIS簡(jiǎn)單實(shí)用的功能組態(tài),輕松實(shí)現(xiàn)了相對(duì)復(fù)雜的聯(lián)鎖要求。

3.4 管理的智能化

實(shí)踐證明,安全回路中,大多數(shù)故障出現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)儀表上,只增強(qiáng)邏輯控制器本身的可靠性并不能提高整個(gè)安全回路的可靠性,解決對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的診斷和校正是提高安全回路的關(guān)鍵所在。SIS的操作站配備AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)可有效對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表潛在的故障做出診斷及校正,提高安全回路的可靠性。

智能設(shè)備管理系統(tǒng)(AMS)是針對(duì)智能儀表、智能閥門定位器等進(jìn)行在線組態(tài)、調(diào)整、校驗(yàn)管理、診斷及數(shù)據(jù)庫(kù)事件記錄的一體化方案。結(jié)合AMS的應(yīng)用,SIS邏輯控制器通過(guò)跟現(xiàn)場(chǎng)智能儀表進(jìn)行的數(shù)字通信,將HART信號(hào)數(shù)據(jù)送給AMS,給出清楚和詳細(xì)的關(guān)于故障的描述,邏輯控制器可以在裝置跳車之前提醒操作員或者維護(hù)人員關(guān)注相關(guān)信息,用戶可以進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù),這樣就增加了生產(chǎn)過(guò)程的可用性,大大減少了因設(shè)備故障而發(fā)生的停車時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

SIS以其面向用戶的靈活解決方案、全新的概念和設(shè)計(jì)、靈活可變的結(jié)構(gòu)體系、智能化安全回路理念、簡(jiǎn)易直觀的軟件和組態(tài)等特點(diǎn),在NP1-29平臺(tái)項(xiàng)目多方位體驗(yàn)了它的價(jià)值優(yōu)勢(shì)所在,在海洋石油平臺(tái)安全控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

[1] International Electrotechnical Commission.IEC61508-2000 FunctionalSafety of Electrical/Electronic/Programmable Safety-Related System [S]. Geneva: International Electrotechnical Commission,2000.

[2] InternationalElectrotechnicalCommission. IEC61511-2003 Functional Safety:Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector[S].Geneva:International Electrotechnical Commission,2003.

[3] American National Standards Institute. ANSI/ISA S84.01-1996 Application of Safety Instrumented System to the Process Industries[S].Washington:American National Standards Institute,1996.

[4] 宋志遠(yuǎn).SIL報(bào)告在自控設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2009,45(3):6-9.

[5] 國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).海上固定平臺(tái)安全規(guī)則[S].北京:中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì),2000.

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[10] 艾默生過(guò)程管理公司.安全儀表系統(tǒng)智能化方案[G].上海:艾默生過(guò)程管理公司,2004.

[11] 艾默生過(guò)程管理公司.AMS Suite[G].上海:艾默生過(guò)程管理公司,2006.

The Application of SIS in Offshore Oil Platforms

Zhang Shuangliang,Li Xiaorui
(China National Petroleum Offshore Eng.Co.Ltd.,Beijing,100176,China)

DeltaV SIS is the new type of intelligent safety instrumented system with TüV certification, which has changed the status of safety systems technology.As an extension of digital plant architecture, it is the first time in the industrial field that from the sensor to the logic controller,to the final control element in the whole process,digital intelligence and diagnostics of smart safety instrumented system is adopted,which can provide overall safety loop solution for safety instrumented system.Through the simple introduction of safety instrumented system and the practical application of SIS in the offshore oil platform,the SIS“safety loop”smart concept of security is illustrated.

SIS;offshore petroleum platform;safety function;intelligent;safety loop

TP274+.5

B

1007-7324(2011)01-0017-03

2010-10-25。

張雙亮(1978—),男,2001年畢業(yè)于信陽(yáng)師范學(xué)院電子信息工程專業(yè),現(xiàn)從事海洋石油工程自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)工作,任工程師。