SIS在海洋石油平台中的应用.pdf

第 4 7卷第 1期 2 0 1 1年 2月 石油化工 自 动化 AUT0M AT1 0N I N PETR0一 CHEMI CAL I NDUSTRY V0 1 ． 4 7。No ． 1 Fe b r u a r y ，2 0 1 1 S I S在海洋石油平 台中的应用 张双亮 ， 李 小瑞 中国石油集 团海洋 工程有限公司 ， 北京1 0 0 1 7 6 摘 要 De l t a V S I S是经 过 T a V 认证的新型整体 回路 概念的智能安全仪表 系统 ， 它的出现改变 了安全 系统领 域的技术现 状 。作为数字工厂结构 的一项延伸 ， 它是工业领域 中首次从传感器 到逻辑控 制器到最终控 制元件全过 程采用数字智 能和诊断 技术 的智能安全仪表系统 ， 是可 以提供整体安全 回路解决方案 的智能化 系统 。通过对安全仪表系统 的简单介绍 ， 结合 S I S在海 洋石油平 台安全仪表系统 中的实 际应用 ， 论述 了 S I S “ 安全回路” 智能化安全理念 。 关键 词 安全仪表系统； 海洋石油平台； 安全功能； 智能； 安全回路 中图分类号 T P 2 7 4 ． 5 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 1 0 1 0 0 1 7 0 3 The Ap pl i c a t i o n o f SI S i n Of f s h o r e Oi l Pl a t f o r ms Zha ng Shu a ng l i a ng，Li Xi a o r u i Ch i n a Na t i o n a l Pe t r o l e u m Of f s h o r e En g ．Co ．Lt d ．，Be i j i n g，1 0 0 1 7 6，Ch i n a Ab s t r a c t De l t a V S I S i s t h e n e w t y p e o f i n t e l l i g e n t s a f e t y i n s t r u me n t e d s y s t e m wi t h Tn V c e r t i f i c a t i o n， wh i c h h a s c h a n g e d t h e s t a t u s o f s a f e t y s y s t e ms t e c h n o l o g y ．As a n e x t e n s i o n o f d i g i t a l p l a n t a r c h i t e c t u r e ， i t i s t h e f i r s t t i me i n t h e i n d u s t r i a l f i e l d t h a t f r o m t h e s e n s o r t o t h e l o g i c c o n t r o l l e r ，t o t h e f i n a l c o n t r o l e l e me n t i n t h e wh o l e p r o c e s s ，d i g i t a l i n t e l l i g e n c e a n d d i a g n o s t i c s o f s ma r t s a f e t y i n s t r u me n t e d s y s t e m i s a do pt e d，whi c h c a n p r o v i d e ov e r a l l s a f e t y l o o p s o l u t i o n f o r s a f e t y i ns t r u m e nt e d s y s t e m ． Th r o ug h t he s i m p l e i nt r o du c t i on o f s a f e t y i ns t r u m e nt e d s y s t e m a nd t he pr a c t i c a l a p pl i c a t i on o f SI S i n t he of f s ho r e oi l p l a t f or m ，t he SI S “s a f e t y l o op ” s m a r t c on c e pt of s e c u r i t y i s i l l us t r a t e d． Ke y wo r d s S I S；o f f s h o r e p e t r o l e u m p l a t f o r m ；s a f e t y f u n c t i o n；i n t e l l i g e n t ；s a f e t y l o o p O 引 言 由于海上采油作业 的特殊性 ， 一旦发生 事故 ， 海上逃生和救援 的难度均比陆地大很多 。因此 ， 在 海洋油气 田的工程设施 中， 安全仪表系统 S I S 是 不可缺少的最重要的系统之一 ， 主要 目的是在事故 发生时， 通过紧急关断系统， 使工艺系统关 断以保 护平台人员和工程设施 的安全 ， 防止环境污染 ， 将 事故的损失降到最小。 1 基 本概 念 目前 ， 很多人对 S I S的概念仅限于其逻辑控制 器部分 ， 这是有局 限性 的， 也有悖 于 I E C 6 1 5 0 8及 I E C 6 1 5 1 1 对 S I S的定 义l 1 ] 。 海洋石油平 台 S I S __ 3 通 常包 括紧急关 断系统 E S D 和火 气 探 测 系 统 F GS 。E S D能 够 连 续 监 测工艺过程中的工艺参数 ， 一旦主要工艺参数出现 异常或超过设定值 ， 则启动相应 的联锁逻辑保护功 能和报警 ， 使 其进 入预定 的安全停 车状态 。F G S 全天候不间断地对平台各区域进行监测 ， 当平台上 任意区域出现火情或气体泄漏时， 该系统可触发平 台报警装置 报警灯 、 铃等 ， 同时， 按照系统预定设 计 的逻辑进行表决 ， 触发信号至 E S D， 以便关断该 险情区域内的已预知 的助燃设备 ， 同时 ， 激活平 台 消防系统。 S I S在安全生命周期内能否完成其安全功能， 依赖于设计人员 、 工程实施过程 中的相关人员 、 操 作人员及维护人员能否共同遵照 S I S建立 、 操作及 维护各阶段 中的相关要求 ， 完成各 自的工作 。 2 海洋石油平台 S I S的应用 2． 1 项 目概况 NP 1 2 9平台位于渤海湾西北部冀东南堡油 田 1号构造 ， 距离 2号人工 岛 NP 12 D 西侧 约 2 ． 4 k m， 水深约 6 ． 4 m。该工程主要包括 1座生产 平 台 P R P 、 3座 井 口平 台 WHP A， WHP B， Wl P 、 1条从 NP 12 9平 台 到 2号 人 工 岛 的 6 i n 1 i n 2 5 ． 4 mm 海底油气混输管线、 1 条从 N P 1 2 D 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 2 5 。 作者简 介 张双亮 1 9 7 8 一 ， 男， 2 0 0 1年毕业于信 阳师范学院 电子信息工程 专业 ， 现从事海洋石油工 程 自动化仪表设计工作 ， 任 工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 第 4 7 卷 到 NP 12 9平 台的 6 i n海底注水 管线和 1条从 NP 1 2 D到 NP 1 2 9 平 台的复合海底 电缆 。井 口 平台与生产平 台之 间采用栈 桥连接 。在正常生产 期间 ， 井 口平 台产出的物流经栈桥上的管道输往生 产平 台 P RP， 在 P RP上经 过计量 、 加 热处 理后进 人 海底 管线 ， 输至 NP 1 2 D。 2 ． 2工 艺概 要及 安全控 制要 求 NP 1 2 9平 台油井 生产 的流体 经油 嘴节流 后 ， 通过井 口出油管线分别进入生产／ 计量管汇， 该 管汇上的阀门能对 与之相接的单井进行生产和计 量切换。需要计量的油井物流经过计量管线进入 计 量管 汇 ， 经计 量 电加 热 器 升 温 ， 再进 入 多 相 流 量 计进行油、 气 、 水三相计量 ， 计量后 的油 、 气 、 水混合 汇 人到 生产 加热 器 出 口。计 量 数 据通 过 流 量 变 送 器送至远端控制 中心显示。不计量的油井物流经 生产管线进入生产管汇， 物流经生产加热器升温后 通过海底混输管线输至 NP 12 D。 平 台工艺安全控制的核心是井 口装置出油管 线和外输管线入 口的压力紧急关断联锁控制 。出 油管段上的减压设施 如油嘴 前后工作压力是不 同的， 为防止油嘴出油后的管段下游堵塞造成 出油 管段 超压 ， 或 者 出油 管 段破 裂 发 生 泄 漏 ， 在 出 油管 段上设置 了高低压变送器 P T P S HH 和 P S L L 来 检测压力 。为防止外输管线下游堵塞 ， 造成外输管 线过压 ， 或者外输管线破裂发生泄漏 ， 在外输管段 人 海 口处 设 置 了压 力 变 送器 来 检 测 压 力 。根 据 平 台上的危险程度 、 对应关断级别 的不 同， 在采油树 上 分 别 设 置 了 不 同 的 安 全 阀，井 下 安 全 阀 S C S S V 、 井 口主阀 MS S V 、 井 口翼 阀 WS S V ， 以及 在外 输 管 线 人 海 口处设 置 了 紧急 关 断 阀 S DV。当出油管段上 的压力变送器检测到异常高 压或低 压 时 ， 关 闭对 应井 的主 阀和翼 阀 。当外 输管 段人海 口处的压力变送器检测到异常高压或低压 时 ， 关 闭全部井的主阀、 翼 阀、 外输管线人海 口的关 断阀， 以及相应 的生产设施。当井 口区发生火灾或 天然气泄漏时， 除关 闭所有井 的主阀、 翼 阀、 外输管 线人海 口的关断阀， 以及相应 的生产设施外 ， 还应 关闭全部 的井下安全阀， 启动相应的消防设施 。 平台 F GS的核心是在探测到平台某区域发生 火情时， 即刻关断该 险情 区域 中已预知 的助燃设 备 ， 同时激活平台消防系统 。故该系统中逻辑最为 复杂 、 功能实现最具代 表性 的部分即为消防系统。 当平台某个 区域发生火情时 ， 安装在该区域的探头 即可探 测 到， 并 触发 信 号 至 火气 控 制 盘。经 过 F G S的逻辑判断表决 ， 火气控制盘通过安全网络 将触发信号送至紧急关断系统 ， 通过该系统关断发 生火情区域的生产设施 。同时火气控制盘触发火 灾报警装置 报警灯 、 铃 ， 按照预设的逻辑程序， 火 气控制盘首先触发启动 1 号电动消防泵的信号， 如 果 1 号电动消防泵 由于故障等原因未启动 ， 则火气 控制盘经过 2 o S 的延迟后触发启动 2 号 电动消防 泵 的信号。 2 ． 3 系统 选型 及配 置 经过危 险和可操作性研究 HA z O P 和仪表 保护功能研究 I P F S t u d y 评估 ， 确定系统最高安 全回路等级为 S I L 2 。基于 S I L 2的要求 ， NP 1 2 9 平台中， 由 S I S逻辑单元与智能化变送器和数字阀 门组成安全联锁 回路。S I S配置了 2个 S I S逻辑 单元 ， 分 别应 用 于平 台 的 E S D 和 F GS 。每个 S I S 单元都由冗余通信模块 、 冗余 电源模块 、 冗余 网络 、 C P U 仅做通信使用 、 逻辑控制器组成。 在检测元件、 执行元件 的配置上 ， 国内外相关 的标准规范对此有明确的描述 。在 S H／ T 3 O 1 8 2 0 0 3 [ 4 ] 中， 分别描述了检测元件 、 执行元件 的独立 及冗余原则 ， S I L 2以上等级 的 S I S宜采用独立或 冗余配置的检测元件 。为减少投资成本 ， 且安全联 锁回路安全度等级满足 S I L 2要求 ， 检测元件 、 执 行元件独立配置， 要求具有 S I L 2等级 。检测元件 选用智能化变送器 ， 执行元件选用的是配备智能定 位器 的 阀 门， 均达 到 了 S I L 2等 级 并 获 得 Tn V 认证 。 为满 足 系 统 扩展 需 要 ， 可 能 个 别 回路 S I L具 有需 要提 高的要 求， 选 用具有 S I L 3的逻辑 控制 器 。这 是 一个 独 立 的模 块 ， 将 处 理 器 、 输 入 和 输 出 封装 在 一个 单 一 的模块 中， 该 模 块包 括冗 余 的 C P U 和 1 6 个不分类型的 I O通道， C P U处理器和 I O处理 器相 互独 立， 可任 意组合 为 HA RT AI ， HAR T AO， DI 和 DO使 用。S I S采用分散设计 ， 使所有安全联锁功能不再依赖 于中心 C P U 的存 在， 每个逻辑控制器连续地处理和执行本控制器的 安全逻辑程序 ， 真正 地做 到 了分散 的安全 联锁控 制 ， 排除了传统安全系统中因控制器故障引起整个 S I S停车的可能性 ， 同时使在线增加逻辑控制器不 会影响到其他逻辑执行。每个逻辑控制器都 经过 Tn V认证 ， 具有 S I L 3安 全等级。此外 ， 系统逻辑 控制器具有完备的诊断功能 ， 提供基于每个通道的 I O状态 ， 包括泄漏电流检测等 。 3 系统特 点 3 ． 1 集成 又独 立 D C S和 S I S在海洋平 台中应用非 常广泛， 目 前有一种趋势是将 DC S和 S I S选用 同一个生产厂 商整合在一起 的产品， 这样可 减少系统之 间硬 接 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张双亮等 ．S I S在海洋石 油平 台中的应用 线 ， 通过通信方式进行数据交换且能达到规定 S I L 等级要求。 电源供应、 通信通道 、 硬件 和实 时操作系统 与 标准的 De l t a V卡件 和 D e l t a V逻辑控制器完全独 立 ， 保持 I E C 6 1 5 0 8所要求的独立性 。与其他 S I S 方案不同， 工程、 操作和维护与 De l t a V系统集成但 保持相对独立 的结构 。 3 ． 2 灵 活可 变 的架构 S I S采用分散的设计 ， 使系统结构和规模灵活 可变 ， 并且 消除 了集 中 C P U 所带来 的单点故 障。 模块化 的逻辑控制器硬件具有 1 6个可组态的 I O， 这意味着每当添加一个逻辑控制器时， 将 自动增加 内存和 C P U。同一通信处理器下的逻辑控制器之 间采用冗余 安全网 S I S n e t 通信 ， 不 同通信处理 器 下 的逻辑控制器采用冗余光纤环 网实现冗余 安全 网通信 ， 所有安全通信 网都通过 Tn V认证 。根据 不同规模 的安全应 用要求 ， S I S的在线 扩 展非 常 简便。 3 ． 3组态 的简 洁 与高效 S I S与 DC S共享 组态环境 ， D C S所有 方便易 用的特点 ， 如即插即用、 拖放的组态方式 、 树状结构 的浏览器等 ， 都充分应用到了 S I S软件 中去。D C S 提供 了简单易用的组态工具既用于控制也用 于安 全 ， 避免 了两方都需要独立组态 ， 然后还要进行数 据通信的复杂步骤。这一优点在 N P 12 9 平 台项 目当中体现得尤 为突 出， 通过 简单 易用 的组态工 具 ， 工程师浏览引用到他所需要 的位号和参数 ， 所 有的 S I S数据对基本过程控制系统 B P C S来说都 是可 用并 可直 接 引用 的 ， 充 分 满足 了一 个流 程 画面 上对 B P C S包括 S I S数据同时显示 的功能 。 D C S组态工作室里包含特别为 S I S设计 的一 套完善的经 Tn V认证专用于 S I S的智能功能块 、 模块库等 。组态采用功能块图的形式 ， 避免了以往 复杂梯形 图的编 制， 使 安全联锁功 能组态直 观易 用 。传统的 S I S项 目一般要求采用复杂的因果矩 阵 C E M ， 一旦采用后， 通常会转换成逻辑框 图并 最终表示成特定供应商的梯形图。S I S采用 C E M 功能块 ， 可直接在逻辑控制器 中采用因果图， C E M 表能够执行其表示的逻辑功能。 海 洋 石油 平 台 中 E S D， F GS最 主 要 的联 锁 控 制 回路通过 S I S简单实用的功能组态 ， 轻松实现了 相对复杂的联锁要求 。 3 ． 4管理 的智 能化 实践证明， 安全 回路 中， 大多数故障出现在现 场仪表上 ， 只增强逻辑控制器本身的可靠性并不能 提高整个安全 回路 的可靠性， 解决对现场仪表的诊 断和校正是提 高安 全 回路的关键所在。S I S的操 作站配备 AMS智能设 备管理 系统可有效对现场 智能仪表潜在的故障做出诊断及校正， 提高安全回 路的可靠性。 智能设 备管 理系统 AMS 是 针对智能仪表、 智能 阀门定位器等进行在线组态、 调整、 校验管理、 诊断及数据库事件记录的一体化方案 。结合 AMS 的应用， S I S逻辑控制器通过跟现场智能仪表进行 的数字通信 ， 将 HART信号数据送给 AMS， 给 出 清楚和详细的关于故 障的描述， 逻辑控制器可以在 装置跳车之前提醒操作员或者维护 人员关注相关 信息 ， 用户可以进行预测性维护 ， 这样就增加 了生 产过程 的可用性 ， 大大减少了因设备故障而发生的 停车时问。 4 结 束语 S I S以其面向用户的灵活解决方案 、 全新的概 念和设计 、 灵活可变 的结构体系、 智能化安全回路 理念、 简易直观的软件和组态等特点 ， 在 NP 1 2 9 平台项 目多方位体验 了它的价值优势所在 ， 在海洋 石油平台安全控制系统中得到 了广泛的应用 。 参考文献 [1] I n t e r n a t i o n a l El e c t r o t e c h n i c a l C o mmi s s i o n ． I E C 6 1 5 0 82 0 0 0 F u n c t i o n a l S a f e t y o f E l e c t r i c a l ／ E l e c t r o n i c ／ P r o g r a mma b l e S a f e t y Re l a t e d S y s t e m[S] ． Ge n e v a I n t e r n a t io n a l El e c t r o t e c hn i c a l Co mmi s s i o n，2 0 0 0 ． [2] I n t e r n a t i o n a l E l e e t r o t e c h n i c a l Co mmi s s i o n ． I E C 6 1 5 1 1 2 0 03 Fu n c t i o n a 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