火氣保護(hù)系統(tǒng)在海洋石油陸岸終端的應(yīng)用

高彥平，陳國亮

（中海石油（中國）有限公司崖城作業(yè)公司，廣東深圳 518067）

0 前言

海洋石油油氣田生產(chǎn)平臺和路岸終端處理廠以其特殊環(huán)境場所決定了火災(zāi)和氣體報警系統(tǒng)（F/G）功能設(shè)計必須可靠完整，在火災(zāi)和可燃性氣體泄漏以及有毒氣泄漏的情況下，能準(zhǔn)確及時探測火災(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[1]，并且根據(jù)事故發(fā)生的嚴(yán)重性等級確定報警和關(guān)斷輸出等級，從而控制和避免災(zāi)難的發(fā)生，以防止對生產(chǎn)設(shè)備和人員的傷害及對環(huán)境的影響等，因而控制系統(tǒng)本身設(shè)計必須遵循故障安全（Fail to Safe）的原則，整個系統(tǒng)硬件和軟件的可靠性要求都很高?；饸庀到y(tǒng)有一個可靠性評價指標(biāo)SIL（安全完整性等級）[2]，海洋石油油氣田生產(chǎn)平臺和路岸終端處理廠火氣保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計均需要進(jìn)行可靠性、完整性評價。

1 某海洋石油陸岸終端火氣系統(tǒng)的構(gòu)成及特點

1.1 火氣保護(hù)系統(tǒng)可靠性、完整性評價等級結(jié)構(gòu)

海洋石油油氣田開發(fā)生產(chǎn)活動中，油類、烴類可燃物和有毒有害介質(zhì)泄漏為主要危險因素，均存放在壓力容器中。正常情況下，壓力容器均在DCS的實時自動化控制之中，當(dāng)出現(xiàn)壓力波動時，DCS會自動調(diào)節(jié)控制。一旦DCS失效，壓力容器會超壓，此時FPS（設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)）會采取單元關(guān)斷、生產(chǎn)關(guān)斷和緊急關(guān)斷三級關(guān)斷，確保生產(chǎn)設(shè)備超壓進(jìn)一步惡化。當(dāng)FPS系統(tǒng)失效后，壓力容器內(nèi)的壓力進(jìn)一步升高，壓力安全閥會起跳，將超壓介質(zhì)排放至火炬，避免壓容損壞。更極端情況為壓力安全閥失效或不能泄放超壓介質(zhì)，已經(jīng)造成壓力容器損壞，油類、烴類可燃物和有毒有害介質(zhì)泄漏，此時火氣保護(hù)系統(tǒng)探測到這類危險因素，觸發(fā)各類邏輯動作，輸出聲光報警，消防噴淋等。圖1為分層保護(hù)安全機制圖[3]。

1.2 火氣保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

火氣保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同普通控制系統(tǒng)并無區(qū)別，為了便于事故定位和維護(hù)，火氣系統(tǒng)核心控制器為擅長邏輯運算的PLC，現(xiàn)場控制盤上設(shè)有各級觸發(fā)動作按鈕和上位顯示屏，用于對整個設(shè)施的火災(zāi)和氣體泄漏的監(jiān)控。同時系統(tǒng)還將火氣系統(tǒng)的信息送往中控室的 DCS[4]，由操作員負(fù)責(zé)系統(tǒng)的實時監(jiān)視。不同廠家的系統(tǒng)控制器產(chǎn)品之間構(gòu)建通信，增強了系統(tǒng)的可靠性，但不同網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之間需要類似網(wǎng)關(guān)類產(chǎn)品KE模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換（圖2）。

圖1 分層保護(hù)安全機制

圖2 某海上油氣田火控盤網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 各分系統(tǒng)及功能

2.1 火控盤輸入輸出探測器

海洋石油油氣田火氣保護(hù)系統(tǒng)輸入設(shè)備有火焰探測器、可燃?xì)馓綔y器、硫化氫探測器、熱探測器、煙霧探測器和應(yīng)急按鈕站[5]，輸出設(shè)備有聲音廣播、報警燈、噴淋閥和各級關(guān)斷信號?；鹂乇P輸入輸出設(shè)備見圖3。

2.2 智能輸入探測器

海洋石油油氣田陸岸終端分生產(chǎn)區(qū)和非生產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)區(qū)采用價格昂貴的智能探測器作為火氣保護(hù)系統(tǒng)的輸入設(shè)備，主要是火焰探測器和氣體探測器[6]，氣探測器又分為可燃?xì)馓綔y器和有毒氣探測器。智能探測器傳輸4～20 mA模擬信號進(jìn)入PLC模擬卡件，如表1所示，PLC通過模擬量電流值來判斷探測器的狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行程序邏輯運算，得到相應(yīng)的輸出指令。當(dāng)探測器處于故障狀態(tài)時，中央控制室會第一時間收到相應(yīng)故障報警，通知維修班組做好維修計劃，大大提高了火控系統(tǒng)的有效性。這類探測器有UV/IR火焰探頭，可燃?xì)馓筋^，硫化氫探頭等。

圖3 火控盤輸入輸出設(shè)備

表1 探測器狀態(tài)（以電流值表示）

2.3 非智能輸入探測器

非生產(chǎn)區(qū)，倉庫，生活區(qū)輸入探測器一般采用價格便宜的非智能輸入探測器，這類探測器傳輸離散信號到PLC的離散輸入卡件，離散信號或為0 V DC或為24 V DC。這類探測器有熱探測器、煙霧探測器和應(yīng)急按鈕站等。此類非智能輸入探測器的缺點是，當(dāng)正常信號為0 V DC時，回路出現(xiàn)斷路故障，探測器將失效，而且不被系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正常信號為24 V DC時，回路出現(xiàn)短路故障，探測器將失效，而且也不被系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。為了解決這一問題需要設(shè)計監(jiān)督電路，徹底解決非智能探測器的失效不被系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)問題。

3 火控盤非智能輸入設(shè)備監(jiān)督電路系統(tǒng)

3.1 非智能探測器原電路設(shè)計

非智能探測器傳輸離散信號到PLC的離散輸入卡件，離散信號或為0 VDC或為24 VDC。這類探測器有熱探測器、煙霧探測器和應(yīng)急按鈕站等。一般設(shè)計電路圖如圖4所示，當(dāng)熱探測器檢測到報警溫度時，熱探測器內(nèi)部電路閉合，控制PLC輸入卡件對應(yīng)點位I：2/14得電，PLC程序?qū)?yīng)點位為“1”，進(jìn)而邏輯運算后輸出相應(yīng)聲光報警或關(guān)斷信號。

圖4 非智能探測器原電路

圖5 非智能探測器監(jiān)督電路

3.2 非智能探測器監(jiān)督電路設(shè)計

某海洋石油油氣田終端處理廠火氣保護(hù)系統(tǒng)對非智能探測器設(shè)計了故障失效檢測系統(tǒng)，即監(jiān)督電路，此系統(tǒng)是西門子廠家的Pyrotronics System 3系列檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由監(jiān)督電路（主控制模塊），故障警報模塊和繼電器模塊構(gòu)成（圖5）。監(jiān)督電路和PLC控制電路分離，由繼電器模塊轉(zhuǎn)換信號，現(xiàn)場探頭電路接入監(jiān)督電路。正常情況下，監(jiān)督電路發(fā)出的交流電流信號經(jīng)由探測器上所安裝的終端電阻或電容構(gòu)成閉合電路，當(dāng)此閉合電路出現(xiàn)斷路短路時，監(jiān)督電路會檢測到故障信號，繼而發(fā)出故障信號至火氣保護(hù)系統(tǒng)，中央控制室會第一時間收到相應(yīng)故障報警，通知維修班組做好維修計劃，大大提高了火控系統(tǒng)的有效性。當(dāng)熱探測器檢測到報警溫度時，熱探測器內(nèi)部電路閉合，安裝在熱探測器上的終端電阻或電容將被旁通，繼電器模塊將收到信號，觸發(fā)PLC控制電路，控制PLC輸入卡件對應(yīng)點位I：2/14得電，PLC程序?qū)?yīng)點位為“1”，進(jìn)而邏輯運算后輸出相應(yīng)聲光報警或關(guān)斷信號。探測器有單個連接和多個并聯(lián)連接兩種方式，只要滿足終端電阻或電容安裝在電纜最遠(yuǎn)端探測器上，均能起到監(jiān)督電路。

4 小結(jié)

海洋石油油氣田陸岸終端火氣保護(hù)系統(tǒng)在其完整的結(jié)構(gòu)下，具備實時監(jiān)控火災(zāi)和可燃?xì)怏w、有毒氣泄漏事故的能力，具備報警和消防滅火功能。探測器設(shè)備的布置，科學(xué)合理，覆蓋了海上油氣田陸岸終端生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)，同時精準(zhǔn)可靠的性能，降低了火氣保護(hù)系統(tǒng)的故障率?；饸獗Ｗo(hù)系統(tǒng)控制器采用PLC，使用方便，編程簡單，功能強大，可靠性高，抗干擾能力強。消防設(shè)備布局合理，結(jié)構(gòu)完整，功能齊全。作為設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，海洋石油油氣田陸岸終端火氣保護(hù)系統(tǒng)將為海上生產(chǎn)設(shè)備和人員安全保駕護(hù)航，能勝任海洋石油平臺的安全生產(chǎn)的需要。

［1］張峰，馮傳令.火氣系統(tǒng)在海洋石油工業(yè)中的應(yīng)用研究［J］.石油化工自動化，2009,20（3）：20-22.

［2］劉健，崔正清，任天冀，等.海洋石油平臺可燃?xì)馓筋^選型淺析［J］.儀表儀器用戶，2012（3）：86-87.

［3］劉景輝, 李俊麗.火氣系統(tǒng)論述［J］.石油化工自動化.2008（5）：22-24.

［4］李季.火氣系統(tǒng)在海上油氣田的應(yīng)用研究［J］.儀表儀器用戶，2014（4）：47-49.

［5］黃菲菲.浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）火災(zāi)和可燃?xì)馓綔y系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化改進(jìn)［J］.船舶電氣，2005，8：30-35.

［6］徐偉華.火/氣探測器系統(tǒng)與安全儀表技術(shù)［J］.自動化博覽，2011（1）：24-26.