閻曉楠

（中海油物裝采購中心，北京 100027）

海上平臺中控安全儀表系統(tǒng)是海上油氣田開發(fā)工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它是海上油氣田各種開發(fā)設(shè)施的安全衛(wèi)士，安全儀表系統(tǒng)可以及時、準(zhǔn)確地探測到可能或已經(jīng)發(fā)生的工藝系統(tǒng)故障、可燃?xì)怏w泄漏事故和火災(zāi)情況，并及時采取相應(yīng)措施以保護(hù)海上油氣田人員和設(shè)施的安全。安全儀表系統(tǒng)主要由緊急關(guān)斷系統(tǒng)和火氣控制系統(tǒng)組成，是具有報警、消防及聯(lián)鎖關(guān)斷保護(hù)功能的安全控制系統(tǒng)。在不斷強(qiáng)調(diào)安全生產(chǎn)的今天，為了進(jìn)一步提高海上平臺安全儀表系統(tǒng)的安全可靠性，本文提出了一種用于海上平臺安全儀表系統(tǒng)的安全監(jiān)測有效性綜合評估方法。

1 安全監(jiān)測有效性評估研究范圍

1）新建海上油（氣）田開發(fā)工程項目詳細(xì)設(shè)計或施工設(shè)計階段應(yīng)進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)的安全監(jiān)測設(shè)計評估；

2）新建海上油（氣）田生產(chǎn)固定平臺投入運行前應(yīng)實施安全儀表系統(tǒng)投產(chǎn)前的安全監(jiān)測評估；

3）在役海上油（氣）田生產(chǎn)固定平臺涉及的安全監(jiān)測對象或監(jiān)測區(qū)域發(fā)生較大變化時，也應(yīng)對變化部分或是整個在役平臺進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)的安全監(jiān)測設(shè)計評估；

4）安全儀表系統(tǒng)的安全監(jiān)測宜結(jié)合工藝流程和安全儀表系統(tǒng)的運行周期，符合下列情形，應(yīng)實施安全監(jiān)測有效性評估：

1）安全儀表系統(tǒng)設(shè)計變更或退役前；

2）可能出現(xiàn)對安全儀表系統(tǒng)產(chǎn)生影響的工藝、設(shè)備等的修改實施前；

3）出現(xiàn)與安全控制體系有關(guān)的嚴(yán)重安全事故或發(fā)現(xiàn)明顯影響安全監(jiān)測有效性的設(shè)計缺陷時；

4）國家或行業(yè)有新的規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范發(fā)布，并有重新開展安全監(jiān)測評估要求時。

2 安全監(jiān)測有效性評估方法

安全儀表系統(tǒng)的安全監(jiān)測有效性評估包含火氣控制系統(tǒng)安全監(jiān)測覆蓋范圍有效性、安全儀表系統(tǒng)安全可用性和風(fēng)險減緩設(shè)備設(shè)施有效性的評估。安全監(jiān)測有效性是火氣控制系統(tǒng)安全監(jiān)測覆蓋范圍有效性、安全儀表系統(tǒng)安全可用性和風(fēng)險減緩設(shè)備設(shè)施有效性共同作用的結(jié)果。

2.1 火氣控制系統(tǒng)安全監(jiān)測覆蓋范圍有效性評估

火氣控制系統(tǒng)安全監(jiān)測有效性評估通過計算火焰、可燃?xì)怏w、有毒氣體等探測器的覆蓋率，然后再通過覆蓋率計算得出有效性的量化結(jié)果，實現(xiàn)對火氣安全監(jiān)測覆蓋范圍進(jìn)行有效性評估，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計人員及用戶對火氣設(shè)備的布置設(shè)計方案進(jìn)行驗證、優(yōu)化。

火氣控制系統(tǒng)安全監(jiān)測覆蓋范圍有效性評估所采用的工具主要有三維可視化模型軟件。計算流體動力學(xué)仿真軟件和探測器布局軟件，探測器布局軟件利用三維模型和計算流體動力學(xué)仿真結(jié)果開展計算，將探測器的位置和覆蓋范圍進(jìn)行可視化展示并輸出量化結(jié)果，其具體流程包括：

（1）危險評估與分級：在進(jìn)行安全監(jiān)測有效性評估之前應(yīng)先開展火氣控制系統(tǒng)的資料搜集工作，需要梳理收集工藝及儀表控制流程圖（PFD & PID）、海上平臺總體布置圖、安全評價報告（HAZOP）、爆炸危險區(qū)域分布圖、介質(zhì)參數(shù)、原油物性及天然氣組分等信息，然后通過相關(guān)資料整合分析對海上平臺設(shè)備設(shè)施進(jìn)行風(fēng)險等級評估。

（2）主要設(shè)備與氣體泄漏風(fēng)險建模：根據(jù)氣象數(shù)據(jù)（風(fēng)力、風(fēng)向等）、設(shè)備清單及海上平臺的三維模型建立氣體擴(kuò)散模型用以確定海上平臺主要設(shè)備與氣體泄漏可能存在的風(fēng)險。

（3）有效性評估：首先應(yīng)根據(jù)探測器性能參數(shù)或設(shè)計要求采用空間分析法確定火氣探測器在海上平臺的覆蓋情況，實現(xiàn)對探測器的平面覆蓋率評估；然后應(yīng)根據(jù)探測器性能參數(shù)，結(jié)合設(shè)備設(shè)施布局、釋放源特性、泄漏頻率和空氣流動等特點通過場景分析法確定火氣探測器在海上平臺的場景覆蓋情況，實現(xiàn)對探測器的場景覆蓋風(fēng)險評估；最后根據(jù)評估結(jié)論提出包含探測器技術(shù)選型、探測器數(shù)量及探測器布局的優(yōu)化建議。

①空間分析法評估流程

a）目標(biāo)定義。需要明確裝置中需要被保護(hù)的對象及對象的屬性，以氨氣壓縮機(jī)為例，其危險性來源于氨氣的毒性、爆炸性以及壓縮機(jī)內(nèi)部的高壓，如圖1所示。

圖1 氨氣壓縮機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)和危險源視圖

b）確定風(fēng)險層。按照一定的距離，生成環(huán)繞覆蓋危險源的風(fēng)險層。

c）探測器布局。配置保護(hù)目標(biāo)周圍的探測器數(shù)量、位置、類型、角度以及探測器參數(shù)。

d）幾何計算。通過算法公式計算出探測器對風(fēng)險層的覆蓋率，最后給出優(yōu)化方案。

②場景分析法評估流程

a）區(qū)域定義和目標(biāo)氣體定義。海上平臺生產(chǎn)區(qū)通常由多個不同功能的裝置區(qū)組成，這些裝置區(qū)物理位置不同，因其工藝流程差異，產(chǎn)生的危險源也不相同。在開始分析之前，應(yīng)綜合考慮區(qū)域的物理位置及危險源種類，將生產(chǎn)區(qū)分為各自獨立的區(qū)域，并明確需要探測的泄漏氣體種類。

b）環(huán)境定義。海上平臺不同作業(yè)區(qū)氣候參數(shù)有所差異，環(huán)境是指一年之中當(dāng)?shù)氐钠骄鶞囟取⒋髿鈮毫?、風(fēng)向和風(fēng)速的歷史數(shù)據(jù)。通常可通過風(fēng)向玫瑰圖獲取風(fēng)速和風(fēng)向的信息。

c）泄漏定義。定義泄漏點、泄漏介質(zhì)以及泄漏量。

d）場景定義及 CFD氣云計算。場景是由環(huán)境定義和泄漏定義所組成，每一個場景下其環(huán)境和泄漏都是確定的，因此其產(chǎn)生的氣云也是確定的，所以每個場景都有對應(yīng)的氣云分布。圖2是探測器對氣云的捕獲情況示意圖。

圖2 探測器對氣云的捕獲情況（★表示探測器位置）

e）探測器布局。配置保護(hù)目標(biāo)周圍的探測器數(shù)量、位置、類型、報警閾值及探測器參數(shù)。

f）分析計算。計算出氣體濃度與氣體探測器報警閾值的比值，以此了解不同場景下探測器對氣云的捕獲情況，得出探測器覆蓋率，給出優(yōu)化方案。

2.2 安全儀表系統(tǒng)的安全可用性評估

按照海洋石油針對安全儀表系統(tǒng)的安全規(guī)范要求，海上生產(chǎn)平臺的安全儀表系統(tǒng)的邏輯控制器及執(zhí)行單位需要采取冗余配置，安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級需要具備SIL3以上，用來確保安全儀表系統(tǒng)的功能安全可靠性。但是安全儀表系統(tǒng)在全生命周期運行過程中可能會存在安全失效及危險失效等異常狀態(tài)，因此需要對安全儀表系統(tǒng)的安全可用性進(jìn)行適時評估，通過及時的功能調(diào)整及故障避免進(jìn)而實現(xiàn)安全儀表系統(tǒng)的可靠性運行。

（1）功能安全評估

功能安全評估是證明海上生產(chǎn)平臺安全儀表系統(tǒng)滿足儀表安全功能和安全完整性等級（SIL）要求的基礎(chǔ)，這種評估的基本目的是通過對安全儀表系統(tǒng)的獨立評估來保證其在開發(fā)生產(chǎn)過程中仍然遵循應(yīng)有的安全要求。在海上平臺全生命周期持續(xù)運行階段，需要根據(jù)實際生產(chǎn)變化有計劃地通過開展安全儀表系統(tǒng)邏輯優(yōu)化及安全完整性等級分析驗證工作進(jìn)行功能安全評估。

首先需要對安全儀表系統(tǒng)的因果控制邏輯進(jìn)行梳理，并依據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對安全儀表系統(tǒng)的邏輯進(jìn)行優(yōu)化分析；其次是對安全儀表系統(tǒng)的安全完整性等級開展評估及分析驗證工作，包括確定安全儀表功能的安全完整性要求、確定風(fēng)險降低水平要求、計算探測器和控制單元的平均故障失效率、分析驗證安全儀表功能的SIL等級；最后根據(jù)滿足生產(chǎn)需求的安全完整性分析結(jié)果對安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行功能調(diào)整。

（2）過程危險和風(fēng)險評估

過程危險和風(fēng)險評估的目標(biāo)是確定用以保證生產(chǎn)流程安全所需的安全功能（如各級保護(hù)層）及其相關(guān)風(fēng)險性能降低。在開發(fā)生產(chǎn)過程中，使用多個安全層是常見的，這樣在某一層失效時才不會導(dǎo)致或者允許產(chǎn)生有害的后果。危險和風(fēng)險評估應(yīng)確定和涉及在包括故障工況、合理的可預(yù)見的誤操作、安全設(shè)備失效的情況下發(fā)生的危險和危險事件。就海上平臺新建項目而言，需要在基本設(shè)計階段就執(zhí)行預(yù)先的危險和風(fēng)險評估，因為確立、設(shè)計和實現(xiàn)安全儀表系統(tǒng)建設(shè)是較為復(fù)雜的任務(wù)，及早開展過程危險和風(fēng)險評估是在完成生產(chǎn)工藝流程圖設(shè)計之前需要確定安全儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性能要求。但是當(dāng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計時，可能會引入附加危險，因此還有必要進(jìn)行二次危險和風(fēng)險評估，這個階段的評估分析應(yīng)使用正式的全文檔化規(guī)程，如危險和可操作性研究（HAZOP），確保所設(shè)計的安全層足以保證海上平臺的安全，同時需考慮安全系統(tǒng)的失效是否會導(dǎo)致任何新的危險或請求，如有必要需重新定義安全功能。

首先是當(dāng)考慮特定失效的后果時，應(yīng)分析所有可能的結(jié)果和對結(jié)果產(chǎn)生影響的失效事件的頻率，在風(fēng)險分析中應(yīng)忽略或去除不可靠的結(jié)果。例如使管道或壓力容器承受超過設(shè)計的壓力不一定會產(chǎn)生災(zāi)難性的污染損失，在許多情況下，設(shè)備都經(jīng)過超過設(shè)計的壓力試驗，唯一可能導(dǎo)致火災(zāi)的后果是可燃物質(zhì)的泄漏，它們不但需要考慮原始試驗壓力還要考慮包括腐蝕允許量在內(nèi)的原始設(shè)計以及腐蝕管理程序是否到位，同時還需要考慮人為產(chǎn)生的某種特殊危險。

然后通過對安全儀表系統(tǒng)的潛在危險源進(jìn)行評估，評估應(yīng)包括以下情況：啟動、連續(xù)操作、停機(jī)、維修錯誤、手動干預(yù)、供應(yīng)中斷（如儀表氣、動力、冷卻水、加熱保溫層等）。當(dāng)考慮安全失效頻率時，在某些復(fù)雜情況下，需要建立必要的故障樹分析，因為可能會產(chǎn)生因多個事件同時失效而引起的過程危險和風(fēng)險。

最后通過對安全儀表系統(tǒng)部署故障診斷分析評估系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)因危險失效引起傳感器或執(zhí)行單元功能降低或喪失的異常狀態(tài)，以降低安全儀表系統(tǒng)在運行過程中硬件設(shè)備失效、軟件組態(tài)功能失效等產(chǎn)生的影響。

2.3 風(fēng)險減緩有效性評估

風(fēng)險減緩有效性是風(fēng)險減緩設(shè)備設(shè)施減緩預(yù)期事故后果的程度，海上生產(chǎn)平臺風(fēng)險減緩設(shè)備設(shè)施主要是當(dāng)發(fā)生工藝系統(tǒng)故障、火災(zāi)或可燃?xì)怏w和有毒氣體的泄漏時，能減緩或減輕事故后果的設(shè)備設(shè)施，包括緊急關(guān)斷系統(tǒng)、安全消防系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、應(yīng)急照明和廣播報警系統(tǒng)。風(fēng)險減緩有效性評估需要根據(jù)提供的相關(guān)設(shè)備設(shè)施合規(guī)性評估資料，綜合分析風(fēng)險減緩設(shè)備設(shè)施可能對預(yù)期事故后果產(chǎn)生的減緩程度，確定是否滿足安全生產(chǎn)的要求。

首先應(yīng)檢查風(fēng)險減緩設(shè)備設(shè)施的設(shè)計成果、過程成果審查的完整性，其次檢查中海油企業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批復(fù)文件或驗收文件的完整性，然后應(yīng)檢查企業(yè)自身驗收文件和報備文件的完整性，最后根據(jù)完整性文件對風(fēng)險減緩設(shè)備設(shè)施進(jìn)行綜合評估，用來確保出現(xiàn)可燃?xì)庑孤┗蚧馂?zāi)事件后能夠在及時有效時間內(nèi)激活啟動安全監(jiān)測系統(tǒng)，以減緩這類事件的嚴(yán)重程度。

3 安全監(jiān)測有效性評估內(nèi)容

1）火氣控制系統(tǒng)安全監(jiān)測有效性：探測器性能參數(shù)是否符合設(shè)計要求；探測器安裝及布置是否符合設(shè)計要求；火氣控制系統(tǒng)安全監(jiān)測覆蓋范圍有效性評估計劃及策略；已解決由先前的安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計評估提出的建議；系統(tǒng)調(diào)試成果記錄文件查驗。

2）安全儀表系統(tǒng)的安全可用性：提供滿足安全完整性等級的證明文件；提供過程危險和風(fēng)險評估報告；部署故障診斷分析評估系統(tǒng)；核查與防爆及防護(hù)相關(guān)證明文件；檢查運行條件是否滿足設(shè)計要求；對改造項目進(jìn)行復(fù)核查驗。

3）風(fēng)險減緩設(shè)備設(shè)施有效性：復(fù)核查驗滿足國家強(qiáng)制性認(rèn)證的證書文件或測試報告；復(fù)核查驗相關(guān)技術(shù)文件及驗收報告；提供風(fēng)險減緩有效性評估分析報告。

4 結(jié)束語

目前海上油（氣）田生產(chǎn)固定平臺的安全儀表系統(tǒng)依據(jù)相關(guān)安全規(guī)范要求，其安全控制方式已逐步實現(xiàn)自動化、數(shù)字化的精細(xì)管理，但在工程建造階段及生產(chǎn)運行過程中仍會存在不可避免的安全隱患。開展安全儀表系統(tǒng)的安全監(jiān)測有效性綜合評估工作是解決安全風(fēng)險較為合理有效的方法，該方法通過對火氣控制系統(tǒng)安全監(jiān)測覆蓋范圍有效性、安全儀表系統(tǒng)安全可用性和風(fēng)險減緩設(shè)備設(shè)施有效性進(jìn)行綜合評估，并根據(jù)評估結(jié)果提出安全儀表系統(tǒng)的優(yōu)化措施，從而為海上平臺安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持和運維服務(wù)。