火气系统在海洋石油工业中的应用研究.pdf

工程设计及标准 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 0 9 ，3 2 0 AUTOM AT1 0N I N PETRO CHEM I CAL I NDUS TRY 火气 系统在海洋石油工业 中的应用研究 张峰 ， 冯传 令 1 ．j E 京美盛 沃利工程技术有 限公 司 ， 北京 1 0 0 0 1 6 ； 2 ．中国石油集 团海洋工程有限公司 ， 北京 1 0 0 1 7 6 摘要 面对海洋石油中火灾和气体泄漏的实时探测及控制问题， 介绍了火气系统的概念、 火气系统的结构和组成， 以具体 应用为例描述 了火气系统的功能和作用 。在 I E C的层模式理论的基础上 ， 论述 了火气 系统与 E S D以及 D C S的关系 ， 总结 出了 火气 系统在设计安装过程 中需要遵循的几个指 导性原则 。 关键词 火气系统； 安全仪表系统； 海洋石油； 设计原理 中圈分类号 T P 2 1 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 0 9 0 3 0 0 2 0 0 3 Th e App l i c a t i o n o f F G S y s t e m i n t h e Of f s h o r e Pe t r o l e u m I nd us t r y Zha n g Fe ng ，Fe ng Chua nl i ng 1 ．Ma i s o n Wo r l e y P a r s o n s En g ．Te c h ．C o ．L t d ．，1 0 0 0 1 6 ，Be i j i n g 2 ． Chi na Na t i o n a l Pe t r o l e u m Of f s ho r e Eng．Co ． Lt d．， Ab s t r a c tTo b e a i m e d a t t he de t e c t i o n a nd c o nt r o l o f p o t e nt i a l f i r e a n d g a s l e a k a g e o n t i me i n o f f s h or e p e t r o l e u m pr o du c t i o n i t i s i nt r o d uc e d t ha t t he c on c e pt i on，s t r uc t ur e a nd c o m p os i t i on o f t he f i r e a nd ga s s y s t e m．Th e f u n c t i o n a n d r o l e o f F G s y s t e m i s i n t r o d u c e d b y t h e a c t u a l e x a mp l e ．I n t h e I E C t h e o r y t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n F G s y s t e m ，t h e ES D s y s t e m a n d DCS s y s t e m i s d e s c r i b e d，s e v e r a l d e s i g n p r i nc i pl e s whi c h s h ou l d be o be ye d i n t h e de s i g n a n d i ns t a l l a t i o n a bo ut t h e f i r e a n d g a s s ys t e m a r e s umma r i z e d． Ke y wo r d s FG S y s t e m ；S I S；o f f s h o r e p e t r o l e u m ；d e s i g n p r i n c i p l e 1 引 言 火 气系统 F i r e a n d Ga s ，FG 系 统 是 用 于 火灾及气体检测与控制的安全仪表系统 S I S 。属 于 I E C 6 1 5 1 1定义 的 缓解 层 Mi t i g a t i o n 之 内 的安 全仪表系统。根据 I E C规范， 可 以把火气 系统定 义为执行火灾及气体检测及控制等安全仪表功能 的全部传感器、 逻辑运算器、 终端执行元件所组成 的集合。 2 火气 系统 的结构 及组 成 a 大多数火 气系统使用 经安全认 证的 P L C 做逻辑运算器。比较典型 的是选用经 T UV认证 的 S I L 3系 统 。 b 人机接 口 HMI 包括 C R T或者基于 L C D 技术的监视器和输入设备， 安装在位于安全区的中 央控制室 内的控制台上。通常该控制 台上也安装 着许多硬接线的开关或按钮等设备， 这些开关和按 钮一般用来手动开启各种火气和消防的相关设备 。 一 般还在适当位置 安装一个模拟盘来指示防火分 区和各部分的状态 。 c 连接到火气 系统 的现场设备包 括 以下 几 类 气体 检测 器 ， 毒气 检测 器 ， 火焰 探测 器 ， 易熔 塞 回路系统 ， 离 子和光学感烟探测器 ， V E S D A 系统 激光早期烟检测器 ， 热探测器 ， 手动报警站 ， 平台 状态灯 ， 电磁 阀 用 于启 动消防设 备 ， 继 电器 与 P A， E S D和 HVAC等的硬接线接 口 等。 通 常火气 系统 都连 接着 基于气 体 的灭火 系统 ， 雨淋系统， 并与 E S D和生活楼的 HVAC系统等其 他系统 有通 讯 的数字 接 口。 3 火气 系统的功 能 和作用 火气系统的气体和毒气检测器被安装在可能 发生泄漏危险的各个位置 ， 承担着气体和毒气泄漏 的实时自动检测 ， 若干火焰探测器在现场各个火灾 危险区进行实时 自动检测。分布在海洋平 台各处 的手动报警按钮也可 以对溢油 、 气体泄漏、 火灾等 收稿 日期 2 0 0 9 一 O 1 0 5 。 作者简 介 张峰 1 9 7 o 一 ， 男 ， 辽宁 葫芦岛人 ， 1 9 9 3年毕业 于抚顺 石油学院， 学士学位 ， 毕业后在 中国石油锦西石化设计院从 事石油化工装 置的工程设计 ， 从 2 0 0 5年起在北京美 盛沃利工程 技 术有限公司专 门从事海洋石油工程设计工作至今 ， 任工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 张 峰等． 火气系统在海洋石油工业中的应用研究 紧急安全事件进行手动报警 。各种烟探测器 和热 探测器 被 安装在 设 备 问 、 生 活楼 等室 内空 间进 行火 灾实 时探 测 。火气 系统 还 直 接 控 制 着平 台状 态 灯 的颜 色和状 态 ， 进 行 可视 的安 全 状 态 指 示 ， 一 般 火 气系统 都带 有模 拟 盘 ， 对 事 故 定 性 、 定 量 与 定 位 指 示。火气系统都 与 E S D有接 口， 用于在紧急情况 下执行火气关断功 能。火气 系统还连接着公共广 播 P A 系统 ， 用 来 发 出声 音 报 警 。火 气 系 统 中 的 易熔 塞 回路 通常 直 接 连 接着 雨 淋 系 统 和 井 口安 全 阀 ， 可 以在 火 灾 时 直 接 启 动 雨 淋 系统 或 关 闭安 全 阀 。火气 系统 也 连接着 诸 如二 氧化碳 灭 火系 统 、 卤 代烷灭火系统 、 F M2 0 0灭火系统等气体灭火 系统 ， 主要 用 于对 室 内特 定 的空 间进行 自动消 防灭 火 。 综上 可见 ， 火气 系统 可 以对平 台上发 生 的火灾 进行 自动 检测 和控 制 ， 对 气体 泄漏 进行 自动 探测 与 报警 ， 对溢 油或 临近 的交 通工 具上 发生 的火 灾 等安 全相关 事件 进行 手 动报警 ， 在 确认 发生 安全 危 险时 进 行火 气关 断和 或 启 动 相 应 消 防设 备 。火 气 系 统还对紧急情况 下的应对措 施 的选取 ， 人员 的警 示 、 通 知与疏 导 ， 消 防指挥 ， 救 生救 助等起 到 重要 的 辅 助作 用 。 按照国家 固定平 台安全规则 的要求u ， 火 气系统应在检测到火灾时执行火灾关断 ， 火灾关断 应导 致 以下 动 作 生 产 关 断 ，关 断 所 有 的井 上 安 全 阀 、 打开 泄压 阀、 关 断 井下安 全 阀 。但 消 防设 施 、 通信设备 、 直升机 甲板边界灯 、 障碍灯、 雾笛、 应急 照 明及 应 急发 电与供 电设 备应 保 持工作 状 态 。 4 火气 系统 与 E S D和 D C S的关 系 在 海 洋采 油 设 施 上安 装 火 气 系统 的 目的是 为 工艺过程提供一个单独 的保护层 ， 进而形成多层结 构 的安全 系统 模式 。即在 DC S层 和 E S D 层之 外 ， 独立 构成 一个 单 独 的 层 。此 多 层 的安 全 系统 模 式 可 以最大 可能 地减少 安 全风 险 ， 是 工业 过 程控 制领 域最 先进 的系 统安全 控 制理 念 。在大 多数 情形 下 ， DC S会 起 着 控 制 工 艺 过 程 在 设 计 参 数 下 平 稳 运 行 ， 并按 需要 随 时调 整 生 产 ， 满 足 常 规 生 产 控 制 的 需 要 ， 形 成基 本 过程 控 制 层 B P C S 。D C S承 担 着 生 产控 制 的需求 而不 承担 安全 功能 上 的需求 。 E S D层 会保 护 工艺 过 程 时 时处 在 可 接 受 的安 全限值之 内， 该安全限值为基本过程控制层安全运 行的一个限定界线 ， 超出安全 限值的工艺过程被理 解为不可接受 的异 常情形 。在 异常情形发 生时 ， E S D 即 采取 关 断 措 施 来 关 闭工 艺 过 程 ， 切 断 物 料 流程 ， 对工艺过程进行 分段 隔离和保护 ， 避免工艺 过程朝危险方向进一步发展而失控 。根据 I E C的 定义 ， E S D 与 机 械 式 安 全 阀 一 起 同 属 于 防 止 层 P r e v e n t i o n 的安 全 仪 表 系统 S I S 。承 担着 对 工 艺过程的防止和 限定的安全功能需求 。其安全保 护手段一般仅限于使用大量 的切断 阀门以及对 电 源等 的联 锁关 闭 。 而火气系统所代表 的缓解层则扮演着在工艺 过 程 已经 失控 ， 或 灾 害 已经 发 生 的情 况 下 ， 采 取 相 应的应对措施来减少事故扩大和造成 主要资产 巨 大 损失 的风 险 。承 担着对 可 能发 生灾 害 的监 测 、 显 示 、 控制及消防减灾上的需求 。 尽 管 有 E S D 的保 护 ， 装 置失 控 的可 能 性 还 是 很 大的 。工 艺过 程 关 断 系统 本 身 也 有 没 有 被 有 效 执行 或者 由于某 方 面 的原 因 已经 失 效 的可 能 。而 且在设 备 意外 故 障或损 坏 等各 种事 故 情况 下 ， E S D 执行的关断和隔离等被动的应对措施很有限。况 且 E S D更不具备对火灾和油、 气 泄漏 等灾 害的主 动 防消特 性 。所 以增加 一个 单独 的火 气 系统层 ， 来 减 少事 故 扩大 的可 能性 是非 常重 要 的 。 5火 气 系统 的设计 原则 为 更好 地实 现火 气 系统 的设 置 目的 ， 更 好 地完 成 赋予 火气 系统 的功 能 ， 笔者 总结 出在 进行 火气 系 统设 计 时应该 遵 循 的几项 指导 原则 。 5 ． 1 技 术差 异性 原则 为 实现相 应 的功 能 ， 技 术 的差异 性 在火气 系 统 中是可 以被接 收 的 。不 同 的特 定 场 合 可 以 选 用不 同的技 术 方案 来 实 现 。可 以选 用 的 技术 方 案有 电 气 、 电子或可编程 电子技术， 也可 以采用由它们组 合的混合技术方 案。例如 ， 易熔塞 回路系统 采用 电气 技 术 的气 压 回路连 接着 雨淋 阀或 井 口安全 阀 等阀门的气压控制线 ， 在气压泄放时直接关闭这些 阀门 ， 同时具 有相 应 安全 等 级 的 P L C 可编 程 电子 技术 也 通过 控制 井 口控 制盘来 问 接控 制着 井 口安 全 阀 。 5 ． 2 安 全完 整性 等级 原 则 火气 系 统 属 于 I E C定 义 的 S I S的 范 畴 ， 应 根 据 对火 气 系统所 保 护 的工 艺 过 程 所需 要 的安 全 完 整 性 等级 S I L 来 确 定 火 气 系 统 的 安 全 等 级 。选 择具有合适的安全完整性等级并通过相应安全认 证的部件来构 成火气 系统 。当火气 系统执行不同 的几个安全完整性等级的安全仪表化功能时， 其共 享的或公共的硬件和软件 部分应该具有其 中最高 的那一级安全完整性等级 。 5 ． 3 故 障安 全型 原则 火气系统作为安全仪表 系统 ， 它的传感器 、 逻 辑运算器和终端执行元件都应该是故障安全型的。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 对于所有 的 I O来说都应该 至少具有断路 和短路 检测功能， 一般 D I 和 DO都被要求加入终端电阻 来实 现 ， 对 AI 点 应该 具 有 回路 电流 小 于 4 mA 和 大 于 2 0 mA 时 的异常 电流 检测 功 能 。许 多情 况下 最终 执行 元件 在 系 统 正 常 时应 该 是励 磁 的 。逻辑 运算器的硬件和软件一般都采用冗余或冗错等功 能 安全 的结构 。 5 ． 4独 立设 置原 则 根据多层安全模式 的原理 J ， 把火气系统和 其他诸如 E S D， P C S等系统分离设置， 以降低火气 系统和其 他各 层 同时失 效 的概率 ， 使火 气 系统 和其 他各层的系统互不依赖 ， 能独立发挥出各 自的完整 功能。一般情况下火气 系统均采用独立 的现场仪 表、 独立的现场接线箱 、 专用 的防火电缆、 独立的控 制柜和逻辑运算器 、 独立的冗余电源系统 。特殊情 况下当需要一种简单 的设计 ， 并且项 目上坚持把 F G和 E S D结合 在一 起时 ， 建议 根据 安全评 估 来 确认两 系 统间 的独立 程度 ， 可 能情况 下应 尽量 将系 统分离 成 独 立 的 I ／ O 机架 ， 并 在 系统 设 计 时 尽 量 避免或降低各系统在某个相同故 障下 同时失效 的 可能性 。并且如果可能 ， 在机柜中预 留出为那些独 立 的 I ／ O 安装 独立 的 P L C或 硬接线 逻 辑运算 器 的 空 间来 。独立 的设 置 也 方便 了火 气 系 统 使 用 不 同 的技 术来 实现 。 火气 系统 的独 立设 置适 用于 系统 的各个 方 面 ， 比如硬件 、 软件、 通讯、 维护等各方面都应该具有独 立性 ， 都不应受到来 自系统之外故障的影响。 5 ． 5中间环 节最 少原 则 火气 系统 应该 被设 计成 一个 高效 的 系统 ， 其 中 间环节应 是 最少 的 ， 尽 可能使 用 最直接 的测 量和 最 可靠的执行方式 ， 尽量避免繁琐复杂的和不必要的 设 计 。比如 ， 在 隔爆 技术可 以满足 现 场 防爆要 求 的 情 况下 ， 尽量 选 用 隔爆 技 术 ， 以避 免 本安 技 术 中多 出来的安全栅环节对整个系统的影 响。又如在易 熔塞回路直接覆盖的地方尽量选择气动信号直接 动作 ， 避免 过多 的气一 电和 电气 转换 环 节 。火 气 系 统也应该被设计成在运行 时对人员干预和选择环 节的需求是最少的或干脆没有 。 5 ． 6安全 理念原 则 火气系统设计时需要在充分 的安全分析、 研究 与论证 基 础上 ， 在概念 设计 中确 定一个 规范 、 科 学 、 合理的安全控制理念， 该理念应该包含对所有隐患 的识别 ， 对其发生的可能性和后果的分析 ， 并且从 技术 和经 济结 合 的角度确 定 出安全 对策 ， 该 安 全对 策所承担的风险及其风险值要符合最低合理可行 原则 。在基本设计 中确定的各类风险的基本应对 方法与措施 ， 以及在详细设计中火气系统各部分的 功 能选择 与详 细 的因果 逻辑设 计 ， 均 是该 安全 理念 的体现与细化 。火气系统的安全理念应该 是贯穿 工程设计过程始终 的、 有针对性的和全面的。这既 有利于设计出统一有效 、 科学合理的系统功能 ， 又 能对工艺过程的不 同之处进行分别处理和保护， 更 有利于生产操作人员熟练地记忆、 掌握和使用 。在 国际化 大 型工程项 目上 ， 一 般该理 念 以大量 文字描 述 并 附图形 和表格 的方 式提 供给作 业者 。 6 结 束语 火气系统的设置 ， 使海洋石油设施的安全控制 系统得 以完 善 和提高 ， 对安 全生 产方 面 以及 预 防油 气泄漏等环境保护方面均发挥着重要作用。随着 中 国安全 生产要 求 以及环境 保 护要求 越来越 严格 ， 人们安 全 意识 和环保 意识不 断增 强 ， 经过规 范设计 与安装的火气系统不仅在海洋石油工业 ， 在其他行 业也 必然将 会有 更 广泛 的应用 。 参考文献 1 I EC6 1 51 12 0 0 3 ， F u n c t io n a l S a f e t y - s 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 国经贸安全 [ 2 o o o ] 9 4 4 ， 固定平台安全规则 I s ] 3 I EC 6 1 5 0 8 1 9 9 8 ，Fu 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 E l e c t r o n i c S a f e t y r e l a t e d S y s t e ms [ S ] ．1 9 9 8 4 S OL AS 公约 国际海上人命 安全公 约E s 3 ．1 9 8 0 5 Of f s h o r e S t a n d a r d DNV- OS - A1 0 12 0 0 1，S a f e t y Pr i n e i p l e s a nd Ar r a n g e me n t s [ S ] ．2 0 0 1 6 李萍．易燃 易爆场所火灾 自动报警系统的选 型及应用口] ． 石油 化工 自动化 ， 2 0 0 5 ， 4 1 5 1 6 7 赵霄． 现代化乙烯工厂火灾及气体检测系统 F G S 的设计 探讨 E J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 5 ， 5 1 31 7 8文涛． F i r e Ga s监测 系统设 计及 应用 [ J ] ． 石 油化 工 自动 化 ， 2 0 0 6。 3】 92 1 我 刊已加入 中国学术期 刊 光 盘版 ， “ 中国期 刊网” ， “ 万 方数据系统科 技期 刊群” 等数据库 。我刊付给 论文作 者的稿酬 中 ， 已包含 中国学术 期刊 光盘版 的稿酬 。对于进入因特 网的论文 ， 本 刊不 收取 上网费用 ， 也不另付 稿 酬。如作 者不同意将文章纳入上述数据库 ， 请来 函声 明， 本刊将做适当处理 。 欢 迎 订 阅 石 油 化 工 自动 化 杂 志 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m