油田集输联合站监控系统可靠性研究

西安石油大学 本科 毕业 设计（论文） 油田集输联合站监控系统可靠性研究 摘 要： 目前，对油田集输联合站控制系统进行可靠性研究是一个研究热点。可靠性工程的分析方法可有效避免事故的发生，实现高效安全生产，实行数字化远程管理，有效控制生产作业过程中的关键技术环节，实现企业多期望的大规模生产作业所要求的统一、协调、高效、远程调度指挥、监管和控制。在分析青阳岔联合站的油气集输和污水处理的工艺流程基础上，针对此油田集输联合站监控系统的功能特点，提出了监控要求。依据联合站特殊作业的环境因素，分析出危险危害因素。在对比了各种可靠性分析方法，比如，可靠性框图法 、 、事件树分析法、故障树分析法，之后选择利用故障树分析法对油田集输联合站监控系统的可靠性进行定性、定量分析研究。运用马尔可夫化简法求出最小割集，算出各事件的结构重要度，得出对联合站监控系统影响最大的故障源。最终提出提高联合站监控系统可靠性的对策措施，在联合站监控系统设计中，应尽量选择冗余设计方式，提高硬件设备可靠性。 关键词： 联合站；监控系统；可靠性；故障树分析 西安石油大学 本科 毕业 设计（论文） n f n to on in is a s to it be to in of s to on of as as s In to to to we of it to of it to of s On of it be to to 安石油大学 本科 毕业 设计（论文） I 目 录 1 绪论 . 1 课题的背景以及研究意义 . 1 监控系统和可靠性工程的国内外研究现状 . 2 国外研究现状 . 2 国内研究现状 . 2 研究方法 . 3 技术路线 . 3 技术关键与难点 . 3 论文研究内容 . 3 2 可靠性分析理论基础 . 5 系统可靠性 . 5 系统可靠性概念 . 5 系统可靠性的重要意义 . 6 提高系统可靠性 . 6 提高软件系统可靠性 . 7 提高计算机控制系统可靠性 . 7 容错技术 . 8 可靠性分析方法 . 8 系统安全与安全评价 . 8 安全评价方法 . 8 系统安全理论 . 13 故障树分析方法 . 14 故障树分析法 . 14 故障树分析的优缺点及使用范围 . 14 故障树分析法名词术语和符号 . 15 故障树分析法步骤 . 16 故障树的构建 . 17 最小割集，最小径集 . 17 基本事件的重要度分析 . 18 其它常用的可靠性方法 . 19 可靠性框图法 . 19 . 20 动态故障树分析法 . 20 西安石油大学 本科 毕业 设计（论文） 分析方法比较 . 21 本章小结 . 21 3 油田集输联合站监控系统功能分析 . 22 联合站基本情况 . 22 油气集输系统工艺流程及其分析 . 22 油气集输工艺流程分析 . 22 污水处理系统工艺流程分析 . 23 联合站监控系统 . 24 监控系统特点 . 24 监控系统软件部分 . 25 监控系统硬件部分 . 25 联合站监控系统要求 . 27 危险危害因素分析 . 27 监控原则 . 28 监控要求 . 28 监控系统可靠性设计 . 29 控制系统可靠性 . 29 可靠性设计的目的、任务 . 30 可靠性设计中应遵循的基本准则 . 30 可靠性要求 . 31 可靠性设计的主要内容 . 31 本章小结 . 32 4 油田集输联合站监控系统可靠性研究 . 33 构建故障树 . 33 故障因素分析 . 33 故 障模式原因及故障树模型 . 34 联合站监控系统故障树定性分析 . 36 联合站监控系统故障树定量分析 . 37 监控系统故障树顶事件发生概率 . 38 监控系统故障树最小割集重要度分析 . 38 本章小结 . 40 5 提高联合站可靠性对策措施 . 41 故障（物的不安全状态） . 41 差错（人的不安全行为） . 42 对策措施 . 42 西安石油大学 本科 毕业 设计（论文） 主机的优化选择 . 42 元器件的优化选择 . 43 选用原则 . 43 本章小结 . 44 6 结论 . 45 本文结论 . 45 展望 . 46 参考文献 . 47 致 谢 . 49 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 1 1 绪论 课题的背景以及研究意义 著名学者钱学森曾明确指出“在研究一个大而复杂的系统（不论是技术领域 还是经济领域）时就不能不考虑它的可靠性”。一个功能比较齐全、技术性能指标的产品应该是一个复杂系统的综合，它包括技术性能、可靠性、维修性、安全性、保障性五个方面。其中可靠性处于重要地位，因为产品的可靠性是评价系统的最基本的价值目标之一，不仅关系要系统质量也与其整体研制成败有着不可分割的关系。如果在确定价值目标的序值时，忽视可靠性或者设计和生产中不能保证系统所要求的可靠性，其技术性能就不能很好的发挥出来。从而导致系统失去实用价值，为之所做的其他工作也就失去意义，甚至还可能造成不可估量的潜在损失，包括生命安全和政 治经济上的损失。由于现今的现代化系统工程多为自动化系统，如监控系统，他们之间相互联系相互依存，且功能复杂。如果不加强对系统可靠性的监控，系统可靠性可能会逐渐降低直至系统无法正常生产工作。 随着中国经济的快速发展，石油天然气等能源产业在国家经济中的地位愈加显著。石化、石油、化工等企业的生产条件复杂，存在各种危险性气体、固体的泄露，所以很容易发生各种生产事故。有效避免事故的发生，实现高效安全生产，实行数字化远程管理，有效控制生产作业过程中的关键技术环节，实现大规模生产作业所要求的统一、协调、高效、远程调 度指挥、监管和控制是目前众多大型企业所企盼的。而油田集输联合站是将油井采出的原油和天然气汇集、储存、初步加工和处理、储存和外输油品的重要场所，是油田油气集输的枢纽。针对油田集输联合站的工艺，监控系统从将油田各油井生产的原油和油田气进行收集、处理开始，到将油气分别输送至矿场油库或外输站和压气站开始，监控各个生产环节。任何环节的细节，如元器件失效、程序错误等，都可以引发事故造成人员伤亡财产损失的严重后果。 综上，油田集输联合站监控系统可靠性研究针对其生产既有点多、线长、面广的生产特性，又具有生产和储运的 易燃、易爆物质以及生产设备数量较多、工艺复杂、压力容器集中、生产连续性强等方面，确定其潜在危险，并对危险因素进行辨识和分析。预测这些危险对人员伤害或对设备损坏的可能性大小，为经营管理者的决策工作提供及时、全面、准确的信息资源。确保监控系统正常工作，保证原油平稳集输和安全生产，有效控制生产技术指标，减轻工人劳动强度，提高工人的工作效率和安全系数使联合站的自动化水平得到较大提高，达到良好的经济效益和社会意义。 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 2 监控系统和可靠性工程 的国内外研究现状 国外研究现状 （ 1） 监控系 统的国外研究现状 从 20 世纪 70 年代以来，预防重大工业事故已成为各国社会、经济和技术发展的重点研究对象之一，引起了国际社会的广泛关注。石油行业上，诸如 统来推进油罐区自动化，并在使用过程中不断完善和发展。到 80 年代，国外石油公司已普遍采用，在此期间 统出现并在一些大型企业获得广泛应用。基于现场总线的 控系统起步于 90 年代，目前逐渐成为研究与应用的主流。进入本世纪，基于工业以太网的监控系统开始在一些大型石油企业得到了应用。目前，国外在 安全监控系统方面，应用最多且比较成熟的是计算机监控及数据采集系统，由工控机、工控软件、分布式 I/O 或 组成，主要是应用于提高企业的自动化生产水平。 （ 2） 可靠性工程的国外研究现状 美国对可靠性的研究始于第二次世界大战。当时雷达系统已发展很快而电子元件却屡出故障。因此，早期的可靠性研究，重点放在故障占大半的电子管方面。不仅重视其电气性能，而且重视其耐震、耐冲击等可靠性方面。 60 年代以来，空间科学和宇航技术的发展提高了可靠性的研究水平，扩展了其研究范围。对可靠性的研究，已经由电子、航空、宇航、 核能等尖端工业部门扩展到电机与电力系统、机械、动力、土木等一般产业部门，扩展到工业产品的各个领域。当今，提高产品的可靠性，已经成为提高产品质量的关键。不仅如此，国外还把对产品可靠性的研究工作提高到节约资源和能源的高度来认识。这不仅是因为高可靠性产品的使用期长，而且通过可靠性设计，可以有效地利用材料，减少加工工时，获得体积小、重量轻的产品。 随着可靠性技术的发展和普及，可靠性技术正逐步扩大其应用范围，并开始渗透石油勘探领域。例如，英国石油公司建立的自动化监控系统可以根据监测到的地质情况自动控制油井的产 量，保证地层原油达到最大采收率。美国 司最近推出的 井自动控制系统功能齐全，完全能够满足对油田抽油机井进行全方位测控的需要。 国内研究现状 （ 1） 监控系统的国内研究现状 近年来， 油田集输联合站的监控系统已经是在 安全监管领域，把生产管理、过程控制、安全监控、视频监控和事故预案等功能有机结合起来，形成了一个多层次的集生产与安全监控、环境数据自动采集、模拟量限位报警与视频联动和智能专家分析与处理于一体的综合 监控系统 。 我国的油田联合站安全监控系统，特别是储罐区安全监控系统的建设和相 关技术，已有长足发展，绝大多数企业已经建立了自动化的监控系西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 3 统，很多系统均已过渡到以现场总线技术为基础的开放式的 统。部分系统实现了企业内部的不同系统之间的组网和数据融合；先进的系统已可将 统的控制主机与 统上位机进行互联互通。在系统建设过程中普遍注意了以冗余度设计提高系统可靠性，很多新型传感器技术得到了一定应用。 （ 2） 可靠性工程的国内研究现状 在我国，最早是由电子工业部门开始开展可靠性工作的，在 60 年代初进行了有关可靠性评估的开拓性工作。 70 年代初，航天部门首先提出了电子元器件必须经 过严格筛选。 70 年代中期，由于中日海底电缆工程的需要，提出高可靠性元器件验证试验的研究，促进了我国可靠性数学的发展。而目前对可靠性的研究，已经由电子、航空、宇航、核能等尖端工业部门扩展到电机与电力系统、机械、动力、土木等一般产业部门，扩展到工业产品的各个领域。可靠性工程专业性强、壁垒高，需要长期积累，且核心竞争力很难复制。随着我国经济的迅速发展 ,石油工业的战略地位越来越重要。石油工业是一个高风险产业，油田安全生产是石油工业生产和发展的基础和前提。由于油田生产环境条件苛刻，过程连续性强，生产过程中的易燃易爆、 有毒有害有腐蚀物质具有潜在危险，生产过程相对复杂。根据石油工业可靠性技术应用的基本情况，我国的石油，石化工业可靠性工作重点放在了石油，石化生产品和建设工程的可靠性应用，并区分不同产品和不同建设工程项目分别考虑可靠性问题。 研究 方法 技术路线 结合此油田集输联合站工艺流程和监控系统情况 ,选择合理可行的可靠性研究方法，如研究联合站监控系统故障因素，进行危险危害因素辨识和分析，建立故障树模型，进行可靠性定性、定量分析研究，提出故障对策措施以及建议。 技术关键与难点 为了确保联合站监控系统的高可靠性应注意以下几点： （ 1） 采用高质量的元部件和高品质电源。一般来说， I/O 模块的可靠性比 线 I/O 板卡的可靠性高。 （ 2） 采取各种抗干扰措施，包括滤波、屏蔽、隔离和避免模拟信号的长线传输等。 （ 3） 采用多种冗余工作方式。一旦发生故障备份设备投入运行。 （ 4） 对一些智能设备采用故障预测、故障报警等措施。出现故障时将执行机构的输出置于安全位置，或将自动运行转为手动状态。 论文研究内容 本课题以延长油田 靖边采油厂青阳岔联合站为研究对象，针对其集输联合站控西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 4 制系统的功能作出分析，建立联合站监控系统故障树模型，进行可靠性定性、定量分析研究，确定监控系统故障发生的概率。为联合站监控系统研究开发、维护和故障预测提供依据，并提出相应的改进措施。研究联合站监控系统可靠性主要研究其体现出的适用性、节约性、先进性、兼容性、可管理性和标准化的指导原则，研究其监控系统是否技术先进、功能齐全、维护方便、操作简单、扩展容易，是否能长期可靠、快速、稳定的运行等方面，并针对其不足给出意见。 第 一 章 ，绪论，介绍了油田集输联合站监控系统以 及可靠性研究 的概况，并对本文进行了总体的概述 ， 从实际角度出发，对 监控系统可靠性研究 的基本知识 作 以 简介。 第二章，可靠性分析理论基础， 介绍了 系统以及可靠性的概念。分析了各种安全评价方法和可靠性方法，重点介绍了故障树分析法， 为后续章节 的分析联合站可靠性奠定了 理论的 基础 。 第三章，油田集输联合站监控系统功能分析，阐述了联合站的功能作用，对油田集输联合站监控系统功能做了详细介绍，并详细说明了监控系统的控制要求，进行危险危害因素分析。 第四章，油田集输联合站监控系统可靠性分析，根据联合站监控系统的功能分析，以及各种安 全评价方法的适用范围，选择故障树方法对联合站进行可靠性研究。构建故障树模型，依据故障树对联合站定性、定量分析。本章是论文重点部分。 第五章，提高可靠性对策措施，对于油田集输联合站可靠性分析的结论总结。决定应采取的对策措施，对联合站监控系统的可靠性提出整改建议。 第六章，结论，对联合站监控系统可靠性分析的结论，故障树分析的结果总结，以及此方法的不足，并且对可靠性工程、联合站可靠性分析的未来展望。 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 5 2 可靠性分析理论基础 可靠性问题在理论方面和应用方面的发展首先是由于无线电子器件和复杂的控制系统的发展才得 以发展的。可靠性所研究的问题，可分为三个方向。首先，所有可靠性理论的一般问题，研究技术装置的故障和修复普遍规律和保证可靠性的一般方法的科学话题，应用概率论和数理统计等方法实现。第二个方向是有关单个元件和设备的可靠性。例如，研究半导体器件以及集成电路时，应研究这些器件的可靠性问题，确定外部条件对其的可靠性影响。第三个方向是研究自动调节和自动控制系统可靠性的专门理论问题记忆提高其可靠性的方法。其需要依据自动控制理论，数字计算机等方面知识。 系统可靠性 系统可靠性概念 可靠性是指元 件、产品、系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。 系统，就是由若干工作单元有机组合以完成特定功能的综合体。系统和单元是相对的两个概念，运载火箭的动力装置对其所属的部件可看成系统，而对于整个运载火箭也可看成是单元。 系统可靠性，就是系统可靠性与其各单元可靠性之间的关系。 可靠度是指产品在规定的条件下和规定时间内，无故障地完成规定功能的概率。可靠度是时间 t 的函数，称为可靠度函数，记作 ）（ 通常表示为 )( ）（ （ 2 式中， t 为规定的时间， T 表示产品寿命。根据可靠度的定义可知， ）（ 述了产品在（ 0， t ）时间段内完好的概率，且 ）（ 0R =1， ）（ R =0。 不可靠度 ）（ 义为产品从开始使用到时刻 t 发生故障的概率，其数学表达式为 )( ）（ （ 2 因“产品在时刻 t 要么故障要么正常，但不能似是而非”是个必然事件，故 1 ）（）（ （ 2 故障概率密度函数 )(指产品在包含 t 的单位时间内发生失效的概率，可表示为 dt t )()(1 0 （ 2 显然 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 6 t ()( （ 2 故障率函数 ）（ 定义是：产品在 t 时刻之前正常工作，在 t 时刻后单位时间内发生故障的（条件）概率，即 )(1 )()( )()( （ 2 平均无故障工作时间 也称首次故障平均时间，即产品寿命的期望值，表示为 0 )(（ 2 系统可靠性的重要意义 随着科学技术的发展，现代化的机器、技术装备、交通工具和探索工具越来越复杂。这些机器和设备等的可靠性受到了人们的广泛重视，我们把这种可靠性称为系统可靠性。系统愈复杂，若可靠性达不到较高的指标要求，则系统出故障的可能性愈大、造成的损失也愈大。这些损失可能是经济上的、信誉上的，甚至是造成生命安全或更严重的灾难性后果。譬如导航系统的不可靠或工作失误可导致飞机坠毁；飞机在着陆时，其控制系统如 不能将飞机的滑翔轮子可靠地弹出，后果将是不可想象的。 现代化管理可以大大提高工作效率和质量，当然也应包括可靠性。但是如果处理不当，系统可靠性没有得到足够保证，那么它也会带来严重的影响。试设想一下，假如在一次重要选举当中，采用计算机统计投票结果，却由计算机失误而打乱了进程，选出一个不该当选的领导人来，将是多么可笑。因此愈是走向现代化，愈要注意可靠性。 因此，人们在走向现代化的过程，必须在各个方面提高和改善系统可靠性。没有可靠性作基础的系统只能是空中楼阁。 提高系统可靠性 可靠性技术是为了分析 由于机械零部件的故障，或人的差错而使设备或系统丧失原有功能或功能下降的原因而产生的学科。故障（物的不安全状态）和差错（人的不安全行为）不仅会使设备或系统功能下降，而且还是导致意外事故和灾害的原因。在进行定量的系统安全分析时，比如事件树或故障树分析，各种事件发生的概率一般都需要通过分析相关设备或单元以及人的可靠性来获得。 提高系统的可靠性，一方面要提高构成系统的各元件本身的可靠性，如：要提高飞机的可靠性，首先要提高发动机、控制系统、导航系统等的可靠性。另一方面还要提高系统承受误操作的可靠性。 提高系统的可靠性 ，要从系统的设计着手。要使系统的元器件工作在正常状态下，西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 7 没有过载超负荷等现象的发生，并且要有一定的裕度。也可以采用冗余贮备，使系统即使有个别元器件或设备出现故障仍能正常工作，譬如大型客机拥有四个发动机，中型客机拥有两个发动机。也就是说有一个设备出现故障，有另一个设备顶替它工作。当然冗余设备有可能增加系统的复杂性和成本，但是如果设计得合理，在成本增加不多的情况下，使系统的可靠性有很大的提高，是完全值得的。 提高系统可靠性可以由以下几个因素影响： （ 1） 设备复杂性的增加以及复杂的自动控制系统 的出现。 （ 2） 和设备元件数量增加比较起来，配套元件可靠性水平的提高较为缓慢。 （ 3） 完成某些功能的设备的重要性的增大，因此对设备的可靠性要求提高。 （ 4） 运行条件的复杂化。 可靠性通常被定义为在与设备有关的特定设计限制条件下，设备在被要求工作时实现其特定功能的概率。判断一个设备是正常还是失效要明确以下四点：设备的指定功能，设备被要求工作的时刻，设备需达到的满意的性能，设定的设计限制条件。 提高软件系统可靠性 提高软件可靠性的方法： （ 1） 减少软件设计中的错误，主要包括采用模块化设计、进行软件评审软件调试等。 （ 2） 采用提高软件可调式性的设计方法，使得软件可维护性高、故障诊断及时迅速。 提高计算机控制系统可靠性 （ 1） 硬件措施：主要利用多串口数据通信方法。此法具有连接简单、使用灵活方便、数据传输可靠等优点。将一个通信过程，通过使用多串口通讯卡，由软件对各个串口同时扫描，实现多串口通讯的并行工作方式。 （ 2） 软件措施： 一个监控系统的监控软件的好坏，直接影响到整个监控系统的应用水平。 从 应用的角度，评价一个监控软件的标准大致有以下几个方面 ： 功能完善。监控软件是整个油田监控系统 (包括所有设备 )功能的集中和最后反映，一个符合具体需求且功能完善的监控软件能使监控系统的使用效果得到最大程度的发挥。 运行稳定可靠。对监控系统而言，要保证其数据的实时性和连续完整，就必须保证监控软件连续稳定正常地运行。 界面良好。操作人员和监控系统的交互是通过监控软件的界面进行的，能否把各种采集数据及控制按钮与生产工艺在界面上合理安排、能否使软件的各种功能操作简易明了十分重要。一个界面友好的软件 将缩短操作员培训时间、提高操作效率和舒适程度、减少操作出错的可能。 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 8 实时性好。监控软件能不能在尽量短的时间内反映所有被测参量数值发生的变化及执行要求的操作，对监控系统来说是一个重要方面。 通用性好。为了便于以后的维护和更新中心站的设备，监控软件必须在一些主流操作系统下都能顺利安装和运行，对计算机硬件没有特殊要求。 扩展性好。扩展性好包括两个方面的内容：当整个监控系统情况发生变动或容量增加时，监控软件能够在原来的基础上进行扩展；监控软件能够提供标准的数据接口，便于和其它应用程序进行数据交 换。 容错技术 容错技术，即在容忍和承认错误的前提下，考虑如何消除、抑制和减少错误影响的技术。常用方法是利用各种冗余技术将可靠性较低的元件组成一个可靠性较高的系统，实质是利用资源来换取高的可靠性。 冗余技术一般包括：硬件冗余、软件冗余、指令冗余和信息冗余等。 可靠性分析方法 系统安全与安全评价 可靠性分析是属于系统安全的一种分析方法。而安全评价方法中有很多方法与系统安全方法相同。 系统安全是指在系统生命周期内应用系统安全工程和系统安全管理方法，辨识系统中的危险源，并采取 有效的控制措施使其危险性最小，从而使系统在规定的性能、时间和成本范围内达到最佳的安全程度。系统安全是人们为解决复杂系统的安全性问题而开发、研究出来的安全理论、方法体系。系统安全的基本原则就是在一个新系统的构思阶段就必须考虑其安全性的问题，制定并执行安全工作规划（系统安全活动）。并且把系统安全活动贯穿于生命整个系统生命周期，直到系统报废为止。 安全评价是利用系统工程方法对拟建或已有工程、系统可能存在的危险性及其可能产生的后果进行综合评价和预测，并根据可能导致的事故风险的大小，提出相应的安全对策措施， 以达到工程、系统安全的过程。安全评价应贯穿于工程、系统的设计、建设、运行和退役整个生命周期的各个阶段。对工程、系统进行安全评价既是企业、生产经营单位搞好安全生产的重要保证，也是政府安全监督管理的需要。 安全评价方法 安全评价方法是对项目（工程）或系统的危险危害因素及其危险危害程度进行分析、评价的方法，是进行定性，定量安全评价的工具。目前国内外已研究开发出许多种不同特点、不同适用对象和范围、不同应用条件的评价方法和商业化的安全评价软件包。每种评价方法都有其适用范围和应用条件，方法的误用会导致错误 的评价结果，因此，在进行安全评价时，应根据安全评价对象和要实现安全评价目标，选择适用的安全评价方法。 西安石油大学 本科 毕业设计 （论文） 9 安全评价程序： （ 1） 准备阶段：明确被评价对象和范围，收集国内外相关法律法规、技术标准及工程和系统的技术资料。 （ 2） 危险危害因素识别与分析：根据被评价的工程和系统的情况，识别和分析危险危害因素，确定危险危害因素存在的部位、存在的方式、事故发生的途径及其变化的规律。 （ 3） 定性及定量评价：在危险危害因素识别与分析的基础上，划分评价单元，选择合理的评价方法，对工程和系统发生 事故的可能性和严重程度进行定性和定量评价。 （ 4） 提出安全对策措施：根据定性、定量评价结果，提出消