火气系统在海上油气田的应用研究.pdf

置 麦 庄 火气 系统在海上油气 田的应用研究 奎 垂 海 洋石 油工程股份有 限公司，天津3 0 0 4 5 1 日廑旦塞 臼 摘要 海洋平台一旦发生火灾 、可燃或有毒气体泄漏等紧急情况，后果将极为严重。为了保证海洋平台人员和设 备的安全 ，需要一个及时 、准确、可靠的火气系统对现场的危险因素进行监控 ，将可能的事故及早消除或对已发生 的事故使损失减到最低。本文主要介绍了火气系统的功能与定义，典型海洋平台火气系统的结构和组成 ， 并且在大 量工程实践的基础上 ，总结出海洋平台火气系统设计过程中需要遵循的设计原则。 关键词海洋平台；火气系统；设计原理 中图分类号T E 5 4 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 4 0 4 0 0 4 3 0 3 Th e F i r e a n d g a s S y s t e m i n t h e Ap p l i c a t i o n o f t h e Of f s h o r e o i l a n d g a s F i e l d s f ‘ ， f O f f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， T i a n j i n 3 0 0 4 5 1 ， C h i n a Abs t r ac t On c e t h e o ffs h o r e p l a t f o r m i n a n e me r g e n c y s i t u a t i o n ， s u c h a s f i r e ， fla mma b l e o r t o x i c g a s l e a k a g e ，e r e ， t h e c o n s e q u e n c e s wi l l b e v e r y s e r i o u s ． I n o r d e r t o e n s u r e t h e s a f e t y o f p e r s o n n e l a n d e q u i p me n t o n t h e o f f s h o r e p l a t f o r ms ， i t r e q u i r e s a t i me l y ． a c c u r a t e a n d r e l i a b l e F i r e Ga s s y s t e m t o mo n i t o r t h e r i s k f a e t o r s i n t h e fi e l d ． i t u s e d t o e l i mi n a t e t h e p o s s i b l e i n c i d e n t s i n t h e e a r l y s t a g e o r mi n i mi z e t h e l o s s o f a n a c c i d e n t wh i c h h a s o c c u r r e d ． I t i S i n t r o d u c e d t h e f u n c t i o n a n d d e fin i t i o n o f F i r e Ga s s y s t e m a n d t y p i c a l s t r u c t u r e a n d c o mp o s i t i o n o f F i r e Ga s s y s t e m u s e d i n o f f s h o r e p l a t f o r m． S e v e r a l d e s i g n p ri n c i p l e wh i c h s h o u l d b e o b e y i n t h e d e s i g n a b o u t t h e F i r e Ga s s y s t e m a r e s u mma r i z e d f o r m a l a r g e n u mb e r o f e n g i n e e r i n g p r a c t i c e ． Ke y wo r d s o f f s h o r e p l a tf o r m； fi r eg a s s y s t e m； d e s i g n p ri n c i p l e 0 引言 海洋平台由于空间相对狭小 ，人员设备高度集中，人 员逃生困难 ，一旦发生火灾、有毒气体泄漏、可燃气体爆 炸等紧急情况 ，后果将极为严重。而随着国家和各行业对 安全生产越来越重视 ，为了保证海洋平台人员和设备的安 全 ，需要一个及时、准确、可靠的控制系统对现场的危险 因素进行监测和保护 ，将可能的事故及早消除或对已发生 的事故使损失减到最低 。显然传统的火灾报警方式火 灾控制盘无论从可靠性 、适用规模 、接 口的灵活性上显然 已经不能满足要求，而衍生出的火气系统则是对整个海上 油气田生产安全最直接的保证。 1海洋平 台火气系统的定义 火气系统 F i r e a n d G a s s y s t e m， F G S是针对海洋火 灾和气体探测的安全管理系统 ，通过各种探测设备对现场 进行连续地在线监控，及时发现火灾和可燃 、有毒气体泄 漏，采取相应的措施来控制火灾和气体泄漏的发生和进一 步蔓延 ，并根据事故发生的严重程度而确定报警和消防设 备控制器的输出等级 ，从而控制和避免灾难的发生 ，以防 止对人员和生产设施的伤害及对环境的影响 ] 。 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 2海洋平 台火气系统的结构 海洋平台火气系统 由火气控制设备 、现场探N／ 报警 设备组成，并通过冗余的安全网络，与紧急关断系统进行 通讯 ，火气系统配备冗余的以太网接口，连接到控制系统 的交换机与冗余的控制网络上的过程控制系统相互通讯。 在控制室内的工程师站或操作员站上可以查看各类报警信 息，实时显示各个检测元件的报警状态，进行全平台的集 中监控 ，以提高对紧急事件作出快速及时的响应和处理的 能力。应急操作盘与火气系统和紧急关断系统通过硬线连 接 ，现场发生火灾或气体检测超标时，应急操作盘上有相 应的声光报警 ，操作人员可根据现场情况进行人工干预。 火气系统与消防 、F M2 0 0 、紧急关断 E S D、报警 包括 P A ／ G A和H V AC 等系统有接口，如图1 所示。 2 ． 1火气控 制设备的组成 硬件组成 盘柜 控制器 、电源模块 、I ／ O 卡件 、通 讯接 口等 、电源分配柜 、操作站 、工程师站、应急操作 盘、生活楼／ 钻修机可寻址火灾盘。 软件组成操作系统软件、组态及各种应用软件。 2 ． 2海 洋平台常规探 测／ 报警设备 主要包括以下几种 1 火焰探测器紫外线 、红外线 、紫外， 红外线。 EI C VO I ．21 2 0 1 4 N0 ． 4 4 3 臼廛 塞 日 图1典型海洋平台火气系统结构图 Fig．1 A T y p i c a l o ffs h o r e p l a t f o r m s y s t e m s t r u c t u r e o f in t e rna l h e a t 2 热探测器定温型 包括易熔塞 、温升速率型、 组合式。 3 烟探测器 光电型 、离子型。 4 可燃／ 有毒气体探测器 触媒传感器、半导体传感 器、红外线传感器 包括点红外式和开路式 。 5手动报警设备手动报警站 、F M2 0 0 释放， 抑制按 钮、应急关断按钮等。 6 声光报警设备F M2 0 0 声光报警器 、平台状态灯、 警灯， 警铃等。 3海洋平 台火气系统的功能与特点 1 海洋平台火气系统是基于计算机技术、控制技术和 通讯技术 3 c 技术 ，将现场所有用于检测火灾和气体泄 漏的探测器、报警器和消防联动设备组成一个综合的监控 系统 。 2 海 洋平 台火气 系统具有相对 的独立性 ，既在D C S 和 E S D 层之外 ，设立一个单独的层 ，并且火气系统所在的安 全网与DC S 系统所在的控制网是相互隔离分开的。此多层 的安全系统模式可以最大可能地减少安全风险。 3海洋平台的火气系统是一个安全控制系统 ，控制 系统的安全等级一般都要求达 U S I L 2 或S I L 3 。控制器 、电 源、I ／ O 卡件和通信模块等关键部分多采用都采用多重化的 冗余容错结构，系统的可靠性高。 4火气系统可以做到ms 级别的实时性响应 ，能够及 时的在操作站和应急操作盘等设备上显示现场报警信息， 并且S O E 事件记录 的分辨率也同样很高。 5具有完善的自诊断测试功能 ，包括硬件和系统软 件，并支持卡件热拔插和在线程序修改下装。 6火气 系统 接 口灵活 ，兼容性 很强 ，在其 内部 和外 部有多种通讯方式，实现信息共享和联动。如通过卫星 ／ 海底光缆与陆地或其它平台通信 ；通过工业以太网与D C S 系统通信 ；通过硬接线的方式和E S D系统实现连锁关断； 通过R S 4 8 5 与生活楼和钻机模块的可寻址火气盘通信等。 7可以根据生产装置的实际情况设计适合当前生产 4 4 El C Vo 1 ． 2 1 2 0 1 4 No．4 器 墨昱 管理的逻辑控制程序，大量的信息可以通过图形化进行现 场显示，界面友好 ，报警点位置明确，实用性强。 8 人机接口HMI 除了安装在中控室内的操作站之外 ， 还包括安装着许多硬接线的开关、按钮和报警等的应急操 作盘 ，应急操作盘一般用来手动开启消防水 、F M2 0 0 等设 备，还用来指示不同火区的实时状态。 9海洋平台火气系统与传统火灾控制盘的对比，如表 1 所示 。 表1海洋平台火气系统与传统火灾控制盘的对比 T a b l e 1 Offs h o r e i n t e rn a l h e a t s y s t e m c o mp a r e d wi t h tr a d it i o n a l fir e c o n t r o l p a n e l 4海洋平台火气系统的设计原则 4 ． 1 安全完整性等级原则 生产过程所需要的安全完整性等级需要由专门的第三 方机构来评估确定 ，应该首先对需要安全仪表功能保护的 工艺流程或生产装置进行危险分析和风险评估，确定危险 等级 J 。然后根据能够接受的最大风险 绝对的安全是没 有的 ，确定应该降低的风险数量级，海洋平台火气系统 器 麦旦 的S I L 等级与该数量级密切相关 ，还要综合考虑其他安全 措施，比如常规过程控制系统的安全保护、安全阀等的可 靠性等。海洋平台的火气系统的安全完整性等级通常采用 S I L 2 或S I L 3 。 4 ． 2独立设置原则 根据I E C 6 1 5 1 1 对于过程工业控制和安全管理的分层 描述原理 ，对于化工装置的保护来说 ，它的内核是工艺流 程或生产装置 ，首先需要建立基本过程控制系统对过程对 象进行控制，它的外层是安全防护层 ，其中是紧急关断系 统 ，用于当生产过程的预定条件受到冲击时 ，自动将其置 于安全状态，这些预定条件包括压力 、温度高限等参数。 而下一层是减灾层，既火气系统。紧急关断系统是对工艺 过程的一种保护 ，而火气系统是对整个现场的保护 ，包括 生产设备，最重要的是人员安全 ，是力争把危险减低到最 小化。火气系统是要高于过程控制系统和紧急关断系统， 当上述两系统失效时，火气系统仍然能够对火灾和气体泄 漏进行检测，并驱动消防设备进行救护，指导人员逃生。 因此火气系统需要其他系统分开设置成一个独立的保护层， 如海洋平台火气系统一般都配备独立并且冗余的C P U、电 源模块和I ／ O 卡件 ，另外在中控系统U P S 电源之外 ，还额外 配备了一套供电3 0 m i n 的火气电池。 4 ． 3故障／ 非故障安全型原则 火气系统不同于传统上故障安全型设计的紧急关断系 统 ，并没有一个绝对的安全受控状态，而是处于一个动态 的连续监控状态。火气系统的逻辑处理器操作在断电 D e e n e r g i z e d 状态 ，而E S D 操作在通电 E n e r g i z e d状态，因 此要求F G S 输出执行安全功能。例如对触发F M 2 0 0 和消防 系统释放的输出信号，则应选择非故障安全型，防止故障 时 自动触发 ，但此时的I ／ O 信号应该至少具有断路和短路等 回路检测功能。 4 ． 4中间环节最少原则 在一个控制回路中，中间环节越多，其可靠性越差。 因此海洋平 台火气系统应该是一个简洁、可靠的系统 ， 这就要求尽可能的减少其中间环节，并且尽可能采用最简 单 、直接的检测与执行方式，在运行时对人员干预和选择 的需要最小化。例如在海洋平台危险区火气探测设备的 选择上 ，应尽量选用隔爆设备，防止本质安全型设备 中的 安全栅对整个火气系统控制回路安全完整性等级的影响， 尽量减少多余的故障点。在东南亚的一些平台的设计 中， 一 般都采用易熔塞回路代替火焰探测器的设计 ，这样不单 单能节约建设成本，更主要的是一旦发生火灾气动信号能 够直接动作，减少了大量的电气转换的中间环节。 4 ． 5技术的差异性原则 为了实现相应的功能，海洋平台火气系统具有很大的 技术的差异性 ，不同特定场合可以选用不同的技术方案来 实现。例如 不同的区域需要选择不同的火气探测方式， 井 口区火焰的探测采用易熔塞和火焰探测器的方式 ，而在 房间内则采用烟、热探测器的方式。 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 日廑旦塞 臼 4 ． 6逻辑表决原则 对于不同区域和不同的探测设备 ，海洋平台火气系统 中表决机制也是不尽相同的。例如火焰探测器和烟探测 器一般采用2 o o N 的表决机制；可靠性较高的热探测器一般 采用1 o o N 的表决机制；可燃气体探测器一般设置2 0 ％L E L 和5 0 ％ L E L 两级报警点，一级报警点只报警不动作 ，二级 报警点采取相应的动作 ，并且采用2 o o N 的表决机制。 4 ． 7安全理念原则 海洋平台火气系统在设计时需要与其他相关专业密切 配合，明确一个科学 、可靠的安全控制原则，这个原则应 该包括对安全隐患的识别，该隐患发生的可能性及其后果 的评价州。安全是相对的，绝对安全只能是一种理想状态， 因为经济、技术的先进性只能是逐步发展的，我们需要确 立一个安全理念把可能发生的风险降低到可容许的程度上 来达到安全。同时，火气系统的安全理念应贯穿工程设计 的全过程。 5海洋平台火气系统的发展 近年来 ，随着海上油气 田对安全生产 的需求不断提 高，对火灾和气体泄漏的极早探测和覆盖率提出了更高的 要求。基于气体扩散分析 ，火灾爆炸分析等定量分析的发 展，越来越多海洋平台在设计阶段进行火气探测覆盖率研 究 F G Ma p p i n g S t u d y，将海洋平台的3 D 模型导入到 C F D 软件中，对火焰辐射能量的传播和气体扩散进行流体 力学模拟分析 ，根据分析的结果对火焰和气体探测器的覆 盖范围进行评估 ，并且根据评估结果对探测器的布置进行 优化，更科学地指导火气探测设备的选型和布置。 6结束语 在海洋平台的生产过程中，火气系统是一个最终的安 全守护者角色，随着以人为本的理念不断深化 ，海洋平台 的安全环保也越来越受到人们的重视 ，对火气系统的要求 也越来越严格。在装置越来越大型化 ，安全生产越来越严 格化、控制管理越来越集中化的背景下，火气系统完全可 以胜任海洋平台安全生产的需求。 参考文献 【 1 】 I E C6 1 5 1 1 2 0 0 3 ，F u n c t i o n a l S a f e t yS a f e t y I n s t r u me n t e d S y s t e ms f o r t h e P r o c e s s I n d u s t r y S e c t o r 【 S 】 ． [ 2 】 徐伟 华 ． 火 ／ 气探 测 系统 与安 全仪 表技 术 【 J 】 ． 自动化博 览， 2 0 1 1 ， 1 2 4 2 6 【 3 】3 张峰， 冯传令． 火气系统在海洋石油工业中的应用研究U 】 ． 石油化 工自动化， 2 0 0 9 ，2 0 3 2 0 2 2 ． [ 4 ] 黄菲菲．浮式生产储油船 F P s o 火灾和可燃气体探测系统的设 计及优化改进[ I ] 船 舶电气， 2 0 0 5 ， 8 3 0 - 3 5 ． 投稿 日期2 0 1 4 - 0 3 2 8 作者简介李季 1 9 8 3 一，男，硕士研究生，从事海洋平台自动 化仪表的工程设计工作。 El C V Ol _2 1 2 0 1 4 No ． 4 4 5