海上平臺火氣系統(tǒng)的應(yīng)用及可靠性分析

劉 璇，嚴(yán) 龍，李玉明

(中國石化安全工程研究院，山東青島 266071)

海上平臺火氣系統(tǒng)的應(yīng)用及可靠性分析

劉 璇，嚴(yán) 龍，李玉明

(中國石化安全工程研究院，山東青島266071)

介紹了海上平臺火氣系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和組成，從探測器覆蓋率、安全可用性、減緩有效性3個方面對火氣系統(tǒng)的可靠性分析進(jìn)行了探討。

火氣系統(tǒng) 可靠性 探測器覆蓋率

火氣系統(tǒng)FGS(F&G System)作為石油天然氣和化工等行業(yè)的重要安全保障設(shè)施之一，對可靠性要求非常高，一旦失效會導(dǎo)致事故進(jìn)一步蔓延，后果等級嚴(yán)重升級。目前過程工業(yè)中火氣系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，大多還是基于傳統(tǒng)的經(jīng)驗型方法[1-3]，根據(jù)工程實踐來設(shè)計和實施。隨著安全儀表系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，火氣系統(tǒng)也被歸為SIS系統(tǒng)中的一類(減緩型SIS)，ANSI/ISA84.00.01-2004和IEC 61511中的理念已開始應(yīng)用到火氣系統(tǒng)，并采用安全完整性等級SIL的概念進(jìn)行設(shè)計。然而由于不恰當(dāng)?shù)奶綔y器覆蓋率和減緩有效性，在操作環(huán)境中，即使正確設(shè)計和管理的火氣系統(tǒng)，也可能會有一個欠佳的風(fēng)險降低水平。近年來出現(xiàn)的以ISA 84.00.07為代表的火氣系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，指出火氣系統(tǒng)的整體有效性，不僅取決于系統(tǒng)本身的安全可用性，還取決于探測系統(tǒng)設(shè)置的合理性(即覆蓋率)，以及減緩響應(yīng)系統(tǒng)(通風(fēng)、噴淋、消防滅火等)的有效性[4]。如何在性能化的框架下對火氣系統(tǒng)進(jìn)行描述與量化研究，對真正實現(xiàn)整個火氣系統(tǒng)的可靠性研究具有重要理論和工程意義。

1 海上平臺火氣系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

海上平臺火氣系統(tǒng)是針對海洋火災(zāi)和氣體探測的安全控制系統(tǒng)，通過各種探測設(shè)備對現(xiàn)場進(jìn)行連續(xù)地在線監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和可燃、有毒氣體泄漏，準(zhǔn)確探測火災(zāi)和氣體泄漏的程度和事故地點，觸發(fā)相關(guān)的廣播和聲光報警設(shè)備，并且根據(jù)事故發(fā)生的嚴(yán)重性等級而確定報警和消防設(shè)備控制器輸出等級，從而控制火災(zāi)和氣體泄漏的發(fā)生和進(jìn)一步蔓延，防止對人員和生產(chǎn)設(shè)施的傷害及對環(huán)境的影響。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

火氣系統(tǒng)由火氣控制設(shè)備、現(xiàn)場探測/報警設(shè)備組成，并通過冗余的安全網(wǎng)絡(luò)，與緊急關(guān)斷系統(tǒng)進(jìn)行通訊，火氣系統(tǒng)配備冗余的以太網(wǎng)網(wǎng)口，連接到控制系統(tǒng)的交換機(jī)與冗余的控制網(wǎng)絡(luò)上的過程控制系統(tǒng)相互通訊。

海上平臺火氣系統(tǒng)根據(jù)平臺的特性一般分為2個部分：生活區(qū)和生產(chǎn)區(qū)。生活區(qū)內(nèi)部為安全區(qū)域，對現(xiàn)場的產(chǎn)品一般沒有特殊要求，發(fā)生火災(zāi)會產(chǎn)生大量的煙和熱，在室內(nèi)，煙和熱會很快聚集，因此設(shè)備種類一般涉及煙感、溫感、手動火災(zāi)報警按鈕、可燃?xì)馓筋^和毒氣探頭等。生產(chǎn)區(qū)一般為防爆區(qū)域，通常井口、管匯、生產(chǎn)設(shè)備中的油氣，都是易燃易爆的危險品，對現(xiàn)場設(shè)備有很高的要求，一般都需要防爆防雨，涉及的現(xiàn)場設(shè)備有火焰探頭、可燃?xì)馓筋^、毒氣探頭、手動火災(zāi)報警按鈕和易熔塞等。

火氣系統(tǒng)的控制核心分為：點到點式 (PLC)和點到點(PLC)+尋址盤(ADD)式2種結(jié)構(gòu)。對于小型平臺來說，生活區(qū)的煙溫感和手動報警按鈕可以與可燃?xì)馓筋^、火焰探頭、室外手動火災(zāi)報警按鈕等一起接入到控制器(一般為PLC)的IO模塊，形成一個點到點的火災(zāi)和氣體報警控制系統(tǒng)。 對于大型平臺，生活區(qū)比較大，房間多，如果還采取點到點的方式設(shè)計會造成布線的工程量和電纜成本的升高。因此對于大型平臺火氣系統(tǒng)一般分為2個部分：一部分為尋址盤，所有室內(nèi)的煙溫感、手動火災(zāi)報警按扭和防火門磁開關(guān)等都接入尋址盤并通過冗余的通信方式上傳到系統(tǒng)的控制核心(PLC)；系統(tǒng)的另一部分為PLC控制器，所有的可燃?xì)馓筋^、火焰探頭、室外手動報警按鈕、易熔塞和 DELUGE信號全部接入PLC控制器。尋址盤和PLC之間通過兩條并行的通訊總線(一般為MODBUS)進(jìn)行通訊，所有的現(xiàn)場設(shè)備信號都集中到PLC中進(jìn)行處理。

圖1 火氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 火氣系統(tǒng)可靠性分析

在ISA 84.00.07的基本框架中，采用了事件樹模型來計算火氣系統(tǒng)的有效性。首先建立從初始事件到可能引發(fā)結(jié)果的邏輯描述圖，F(xiàn)GS風(fēng)險模型如圖2所示，3個保護(hù)措施分別為樹的3個樹枝，每個樹枝有包含兩個選項，分別代表保護(hù)措施的成功與否[5]，因此出現(xiàn)了4個可能結(jié)果，每種結(jié)果的概率與其相應(yīng)的后果程度依次產(chǎn)生了一個后果貢獻(xiàn)因子，所有貢獻(xiàn)因子的總和將得出平均權(quán)重后果因子(CWA)。

火氣系統(tǒng)作用后的剩余風(fēng)險為平均權(quán)重后果因子與事故頻率的乘積。圖2所示為探測器覆蓋率100%，火氣系統(tǒng)硬件完全可靠，風(fēng)險事故完全被消除的完美情況。

2.1 探測器覆蓋率的評估

通常由于探測器位置不合理、沒有足夠的探測點或惡劣的環(huán)境條件，會導(dǎo)致即使FGS安全功能完全符合要求，風(fēng)險減輕效果也會受到顯著降低。General monitors 研究報告中[6]量化分析了探測器覆蓋率對火氣系統(tǒng)有效性的影響。表1、表2表示探頭有效探測區(qū)域及 SIL與危險減輕的效果。

當(dāng)探測器覆蓋率為100%時，風(fēng)險降低的程度與FGS的安全完整性等級成線性關(guān)系。

當(dāng)探測器覆蓋率降低到95%時，使得SIL3 及 SIL2 的 FGS降至SIL1的水平。可以明顯看出，探測器覆蓋率對氣體探測相關(guān)的SIF最終SIL等級有顯著的影響。

圖2 FGS風(fēng)險模型

風(fēng)險降低效果FGS類型SIL3SIL2SIL1NoSIL殘余風(fēng)險9.90E-049.90E-039.90E-021.00E+00事故發(fā)生風(fēng)險1.00E+001.00E+001.00E+001.00E+00風(fēng)險降低因子1010101101

表2 95%探測器覆蓋率獲得風(fēng)險降低的統(tǒng)計

近年來，隨著海上油氣田對安全生產(chǎn)的需求不斷提高，對火災(zāi)和氣體泄漏的極早探測和覆蓋率提出了更高的要求。基于氣體擴(kuò)散分析，火災(zāi)爆炸分析等定量分析方法的發(fā)展，越來越多海洋平臺在設(shè)計階段進(jìn)行火氣探測覆蓋率研究(F&G Mapping Study)，將海洋平臺的3D模型導(dǎo)入到CFD軟件中，對火焰輻射能量的傳播和氣體擴(kuò)散進(jìn)行流體力學(xué)模擬分析，根據(jù)分析的結(jié)果對火焰和氣體探測器的覆蓋范圍進(jìn)行評估，并且根據(jù)評估結(jié)果對探測器的布置進(jìn)行優(yōu)化，更科學(xué)地指導(dǎo)火氣探測設(shè)備的選型和布置。

2.2 火氣系統(tǒng)的可用性分析

從安全等級而言，F(xiàn)GS處于最上層，整個系統(tǒng)的硬件和軟件的可靠性要求都很高。目前大多數(shù)項目要求FGS遵循IEC61508和IEC61511 標(biāo)準(zhǔn)，并要求邏輯處理器安全完整性等級達(dá)到 SIL3，尋址盤和火氣探頭達(dá)到 SIL2。國際項目的設(shè)計經(jīng)驗，在包括EXXION、SHELL、BP及BASF等國際大型石油和化工公司的項目中，F(xiàn)GS設(shè)計和采用的安全等級都是SIL3級。目前國內(nèi)幾個大的中外合資石油化工項目、例如，南海石化項目、揚(yáng)子巴斯夫一體化石化項目、上海賽科乙烯項目等，均采用了SIL3級的FGS[7]。

火氣系統(tǒng)安全可用性，表示檢測到泄漏后，火氣系統(tǒng)功能被成功激活的概率。驗證火氣系統(tǒng)的安全可用性，需要傳感器+邏輯控制器+最終執(zhí)行元件要求時的平均失效概率的總和，火氣系統(tǒng)的可用性等于1減去火氣系統(tǒng)功能要求時的失效概率。ANSI/ISA84.00.01-2004 和IEC 61511均為評估風(fēng)險和為識別出的安全功能進(jìn)行風(fēng)險降低分配提供了指導(dǎo)，ISA-TR84.00.02也包含了要求時平均失效概率的計算方法。但在分析過程中，必須注意到火氣系統(tǒng)功能和安全儀表功能存在的顯著差異。

首先，火氣系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確定義，是對火氣系統(tǒng)安全可用性準(zhǔn)確評估的關(guān)鍵。指定了探測器陣列可以檢測的氣云或火焰大小(例如，探測器陣列的設(shè)計應(yīng)檢測到最大直徑為5 m的可燃?xì)怏w的積聚)，建立了探測器設(shè)計基礎(chǔ)后，才能確定火氣系統(tǒng)功能探測器的數(shù)量以及選擇的通道方式。例如關(guān)注區(qū)域內(nèi)包含3個探測器，探測器在要求時間內(nèi)檢測到事件的能力，決定了選用1oo1，1oo2，1oo3或2oo3中的哪種通道方式。因此，如果假定的直徑5 m的氣云在整個關(guān)注區(qū)域內(nèi)移動，在任一時刻，只有一個探測器可以敏感到堆積物，那個通道方式為1oo1。另外，火氣系統(tǒng)的設(shè)計通常涉及到有些執(zhí)行器的激活是由其他系統(tǒng)控制的情況，例如通過安全儀表系統(tǒng)的邏輯解算器控制的隔離閥。計算要求時的平均失效概率時，火氣系統(tǒng)操作所需的任何設(shè)備都應(yīng)考慮在內(nèi)。

2.3 減緩有效性的評估

火氣系統(tǒng)從屬于安全儀表系統(tǒng)，處于“抑制減輕”保護(hù)層，其設(shè)計意圖通常不是預(yù)防風(fēng)險，而是減緩由于火災(zāi)或氣體擴(kuò)散所造成的災(zāi)害程度，避免其升級擴(kuò)大。有時探測器能成功檢測出火災(zāi)或氣體泄漏，而且火氣系統(tǒng)功能也能被成功激活，但火氣系統(tǒng)并不能夠完全有效地減緩危害。減緩有效性和被減緩危害的等級以及減緩策略本身的局限有關(guān)。如果能足夠及時地檢測出泄漏，可以在危險升級之前采取所需的安全行動，減緩有效性就會較高。由于探測性覆蓋范圍不足，一個或多個火氣系統(tǒng)組件失效等原因，火氣系統(tǒng)激活得較遲，則會導(dǎo)致危險等級超出火氣系統(tǒng)的設(shè)計。

火氣系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)各式各樣，如疏散報警系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等，在實現(xiàn)功能時對事故緩解的效果不同。而且所使用的分析方法不同，減緩有效性也可以不同方式來評估。由于火氣系統(tǒng)行為結(jié)果的不確定性或不可預(yù)知性，很多用戶不把火氣系統(tǒng)視為一個保護(hù)層。當(dāng)火氣系統(tǒng)被視作一個保護(hù)層時，通常通過評估火氣系統(tǒng)成功動作后的殘余或二次后果來考慮減緩有效性。

3 結(jié)論

火氣系統(tǒng)從屬于安全儀表系統(tǒng)，處于“抑制減輕”保護(hù)層，用于監(jiān)控火災(zāi)和可燃、有毒氣體泄漏事故，廣泛應(yīng)用在石油天然氣開采、油氣管線、石油罐區(qū)等領(lǐng)域。火氣系統(tǒng)由若干不同類型的探測器、控制器及消防設(shè)備組成，其對可靠性有非常高的要求?；饸庀到y(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮探測器覆蓋率、安全可用性和減緩有效性3個方面的因素。火氣系統(tǒng)的有效性可采用事件樹的方法，通過以上3個方面進(jìn)行評估。經(jīng)過規(guī)范設(shè)計與配備的火氣系統(tǒng)，可有效解決海洋石油中火災(zāi)和氣體泄漏的實時探測及控制問題。

[1] NFPA 72-2007 National Fire Alarm Code, National Fire Protection Association[S].

[2] GB 50493-2009 石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB 50116-2007 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] ISA TR84.00.07-2010 Guidance on the Evaluation of Fire, Combustible Gas and Toxic Gas System Effectiveness[S].

[5] 張照千. 基于FGS風(fēng)險模型定量分析探測效果[J].石油化工自動化，2011，47(5)：5-8.

[6] SIL 104：Impact of Gas Detection Coverage on SIF SIL Rating By Edwin Choo[R]. CFSP General Mornitor System Asia,Singapore.

[7] 劉景輝，李俊麗. 火氣系統(tǒng)論述[J].石油化工自動化，2008(5):21-24.

TheApplicationandReliabilityAnalysisofF&GSystemintheOffshorePlatform

Liu Xuan，Yan Long，Li Yuming

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong Qingdao 266071)

In this paper, the function and structure of the F&G system is briefly introduced and the reliability is analyzed from the following three aspects: the detector coverage, the safety availability and the mitigation effectiveness.

F&G system；reliability；detector coverage

2016-01-17

劉璇，注冊安全工程師，2014年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，現(xiàn)在中國石化安全工程研究院從事雷電安全方面的工作。