半潛式修井平臺(tái)火氣探測(cè)系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(大連船舶重工集團(tuán)有限公司，大連 116005)

鉆/修井平臺(tái)作為開(kāi)采海洋石油和天然氣的主要海工裝備，如何保障、提高其安全性一直是各界的研究重點(diǎn)。火氣探測(cè)系統(tǒng)是鉆/修井平臺(tái)的關(guān)鍵安全系統(tǒng)，它可以探知火災(zāi)的發(fā)生和可燃?xì)怏w、有毒氣體的泄漏及擴(kuò)散，然后發(fā)出報(bào)警?；饸庀到y(tǒng)報(bào)警可觸發(fā)消防系統(tǒng)動(dòng)作，并將報(bào)警信號(hào)發(fā)給應(yīng)急切斷系統(tǒng)，以切斷某些關(guān)聯(lián)設(shè)備，避免助燃火災(zāi)、引爆可燃?xì)怏w或危險(xiǎn)氣體彌散，從而提高平臺(tái)的安全性[1]?；饸馓綔y(cè)系統(tǒng)基本都是根據(jù)國(guó)際海事組織、船級(jí)社和相關(guān)國(guó)際組織的規(guī)范規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，已經(jīng)具備成熟的技術(shù)方案和很多的應(yīng)用實(shí)例。在火氣探測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域，雖然目前對(duì)探測(cè)原理、設(shè)備布置、信號(hào)接口等技術(shù)點(diǎn)已經(jīng)有較多論述，但是對(duì)于如何根據(jù)平臺(tái)的防火分隔、消防系統(tǒng)配備等實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)安全可靠的火氣探測(cè)系統(tǒng)控制邏輯卻鮮有介紹。本文以一型半潛式修井平臺(tái)為例，分析了火氣探測(cè)系統(tǒng)控制邏輯的設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵點(diǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該平臺(tái)采用兩浮體、四立柱、雙層甲板箱形式，將在巴西、墨西哥灣等溫和海域作業(yè)，最大作業(yè)水深2 400 m，最大鉆井深度8 500 m，入ABS船級(jí)社，取得DPS-3船級(jí)符號(hào)，是一型以修井為主、鉆井為輔的新型半潛平臺(tái)。該平臺(tái)的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)采用Autronica SIL2 AutroSafe系統(tǒng)，配備了2個(gè)控制板和1個(gè)延伸板，可尋址探測(cè)器回路接入相應(yīng)控制板/延伸板，2個(gè)控制板通過(guò)冗余AutroNET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。氣體探測(cè)系統(tǒng)采用西門子SIL2 PCS7系統(tǒng)，配備了1個(gè)控制機(jī)柜和1個(gè)遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜，通過(guò)冗余Profibus DP總線連接，氣體探測(cè)器使用24VDC 4～20 mA信號(hào)反饋探測(cè)結(jié)果。在平臺(tái)的中控室和集控室分別設(shè)有3臺(tái)安全工作站，通過(guò)冗余以太網(wǎng)與氣體探測(cè)系統(tǒng)和火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)連接。這3臺(tái)工作站不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)火氣報(bào)警、火氣系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、火氣因果邏輯執(zhí)行，還可以對(duì)報(bào)警確認(rèn)消音和執(zhí)行某些手動(dòng)干涉操作。火氣探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 火氣探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2 控制邏輯

火氣探測(cè)系統(tǒng)控制邏輯是根據(jù)每個(gè)平臺(tái)的功能、布局分隔、安全級(jí)別、設(shè)備配置等具體情況而設(shè)計(jì)的預(yù)設(shè)邏輯?；饸馓綔y(cè)系統(tǒng)收到現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器的反饋信號(hào)后，會(huì)根據(jù)該預(yù)設(shè)邏輯進(jìn)行分析判斷，然后執(zhí)行一系列動(dòng)作指令，如發(fā)出報(bào)警、觸發(fā)消防系統(tǒng)、將報(bào)警信號(hào)發(fā)給應(yīng)急切斷系統(tǒng)以切斷某些關(guān)聯(lián)設(shè)備等。該控制邏輯通常以“火氣探測(cè)系統(tǒng)因果矩陣”的形式體現(xiàn)在設(shè)計(jì)文件中。

2.1 火氣報(bào)警區(qū)劃分

平臺(tái)發(fā)生火災(zāi)或危險(xiǎn)氣體泄漏后，為了避免助燃火災(zāi)、引爆可燃?xì)怏w或危險(xiǎn)氣體彌散，火氣探測(cè)系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)邏輯，將發(fā)生火氣報(bào)警的區(qū)域和可能遭受影響區(qū)域的報(bào)警信號(hào)發(fā)給應(yīng)急切斷系統(tǒng)，然后應(yīng)急切斷系統(tǒng)會(huì)切斷與這些區(qū)域相關(guān)的通風(fēng)設(shè)備、電氣設(shè)備以及油泵等其他設(shè)備。為此，合理劃分火氣報(bào)警區(qū)對(duì)火氣探測(cè)系統(tǒng)非常重要，在設(shè)備采購(gòu)成本可承受的前提下，應(yīng)該盡量細(xì)化報(bào)警分區(qū)，減少某一個(gè)艙室的火氣報(bào)警對(duì)其他正常艙室的影響，降低對(duì)平臺(tái)正常生產(chǎn)和船員生活的干擾[2]。

2.1.1 火災(zāi)報(bào)警區(qū)劃分

火災(zāi)報(bào)警區(qū)劃分需要集合艙室失火風(fēng)險(xiǎn)、危險(xiǎn)區(qū)劃分、防火分隔、消防系統(tǒng)保護(hù)區(qū)、通風(fēng)系統(tǒng)布局等多種因素綜合考慮。下文將以該型修井平臺(tái)為例，逐一舉例說(shuō)明上述要素對(duì)火災(zāi)報(bào)警區(qū)劃分的影響。

1)根據(jù)國(guó)際海上人命安全公約(SOLAS)，廚房為第12類失火危險(xiǎn)處所，具有較大失火風(fēng)險(xiǎn)[3]。為此，廚房應(yīng)單獨(dú)定義為一個(gè)火災(zāi)報(bào)警區(qū)，而不應(yīng)將廚房與餐廳等周圍低失火風(fēng)險(xiǎn)處所劃分到一個(gè)報(bào)警區(qū)。

2)振動(dòng)篩室作為1類危險(xiǎn)區(qū)，存在較大爆炸、失火風(fēng)險(xiǎn)，而且危險(xiǎn)區(qū)處所通常都有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，可以單獨(dú)切斷，應(yīng)單獨(dú)定義為一個(gè)火災(zāi)報(bào)警區(qū)。

3)除了根據(jù)毗鄰處所不同失火風(fēng)險(xiǎn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的艙壁/甲板絕緣等級(jí)外，本平臺(tái)為了滿足DP3分隔要求，對(duì)于不同DP組或主、備用DP控制站之間也設(shè)置A60分割。如圖2所示，備用DP控制室與健身房和走廊之間采用A60分割，該房間為最高安全等級(jí)，應(yīng)該單獨(dú)定義為一個(gè)火災(zāi)報(bào)警區(qū)。

圖2 備用DP控制室防火分隔布置示意

4)為了保護(hù)某些重要的控制處所和設(shè)備艙室，通常會(huì)為這些處所配備壓力水霧、高壓二氧化碳、低倍泡沫等不同類型的固定式消防系統(tǒng)[4]。該型修井平臺(tái)高壓配電盤室設(shè)計(jì)有水噴淋消防系統(tǒng)，在水噴淋釋放前，應(yīng)提前切斷并隔離該艙室內(nèi)防護(hù)等級(jí)低于IP44的電氣設(shè)備和相關(guān)通風(fēng)設(shè)備。為了便于切斷邏輯設(shè)計(jì)，需要將高壓配電盤室定義為一個(gè)單獨(dú)火災(zāi)報(bào)警區(qū)，與消防系統(tǒng)保護(hù)區(qū)對(duì)應(yīng)。

5)新鮮空氣的輸入是助燃火災(zāi)的主要因素，切斷火災(zāi)處所的通風(fēng)設(shè)備是抑制火災(zāi)的有效措施。如圖3所示，中心倉(cāng)庫(kù)和橡膠倉(cāng)庫(kù)之間采用套管而不是風(fēng)閘，以致這2個(gè)房間的風(fēng)管是聯(lián)通的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效隔離。同時(shí)結(jié)合2個(gè)倉(cāng)庫(kù)的面積和探頭數(shù)量，最終將中心倉(cāng)庫(kù)和橡膠倉(cāng)庫(kù)共同定義為一個(gè)火災(zāi)報(bào)警區(qū)。如果發(fā)生火災(zāi)，將切斷中心倉(cāng)庫(kù)與走廊之間的風(fēng)閘，同時(shí)切斷兩個(gè)倉(cāng)庫(kù)的供風(fēng)和回風(fēng)。

圖3 中心倉(cāng)庫(kù)和橡膠倉(cāng)庫(kù)風(fēng)管布置示意

2.1.2 氣體報(bào)警區(qū)劃分

氣體探測(cè)器主要布置在某些可能泄露可燃?xì)怏w或有毒氣體的處所，以及艙室的進(jìn)風(fēng)口處。氣體報(bào)警區(qū)與火災(zāi)報(bào)警區(qū)的劃分原則基本相似，但是對(duì)于安裝在艙室進(jìn)風(fēng)口處的氣體探測(cè)器，在劃分其對(duì)應(yīng)的氣體報(bào)警區(qū)時(shí)，需要額外考慮氣體擴(kuò)散規(guī)律[5]和臨近進(jìn)風(fēng)口的距離。如果幾個(gè)艙室進(jìn)風(fēng)口在相同氣體擴(kuò)散范圍內(nèi)，而且距離較近，可以將這幾個(gè)艙室區(qū)域合并到一個(gè)氣體報(bào)警區(qū)內(nèi)。

2.2 火氣報(bào)警表決

為了提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性，避免誤報(bào)警，火氣探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)探測(cè)器類型合理設(shè)計(jì)報(bào)警表決邏輯。所謂表決，即在一個(gè)火氣報(bào)警區(qū)內(nèi)，當(dāng)N個(gè)同種探測(cè)器中有M個(gè)同時(shí)發(fā)出報(bào)警(M≤N)，則認(rèn)定該報(bào)警區(qū)確實(shí)發(fā)生了火災(zāi)或氣體泄漏[6]。表決設(shè)定通常以語(yǔ)句MooN表示(Mout ofN)。如果同時(shí)報(bào)警的探測(cè)器數(shù)量小于設(shè)定值M，則該報(bào)警被認(rèn)定為未確認(rèn)的火氣報(bào)警，僅會(huì)在火災(zāi)探測(cè)控制板和安全工作站上顯示警示信息，不會(huì)觸發(fā)任何實(shí)際的報(bào)警和切斷。

2.2.1 火災(zāi)報(bào)警表決

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和火氣系統(tǒng)廠家推薦，該型修井平臺(tái)的普通火災(zāi)探測(cè)器的表決設(shè)定為M=2；感溫探測(cè)器的可靠性高，手動(dòng)呼叫按鈕是人為觸發(fā)，為此它們的表決設(shè)定為M=1，火災(zāi)報(bào)警表決邏輯見(jiàn)表1。如果某個(gè)報(bào)警區(qū)內(nèi)的火災(zāi)探測(cè)器故障，或者處于維修旁路狀態(tài)，導(dǎo)致總數(shù)量N=1，則表決邏輯自動(dòng)轉(zhuǎn)換為1oo1；如果報(bào)警區(qū)內(nèi)的火災(zāi)探測(cè)器全部無(wú)法工作，則火災(zāi)探測(cè)控制板和安全工作站上會(huì)顯示報(bào)警。

表1 火災(zāi)報(bào)警表決邏輯

2.2.2 氣體報(bào)警表決

本平臺(tái)氣體探測(cè)器包括碳?xì)涮綔y(cè)器、氫氣探測(cè)器和硫化氫探測(cè)器。前兩種探測(cè)的是可燃?xì)怏w，后一種探測(cè)的是有毒氣體。由于氣體特性不同，各種探測(cè)器報(bào)警的濃度設(shè)定值也不同。對(duì)于表決，當(dāng)一個(gè)氣體報(bào)警區(qū)內(nèi)2個(gè)或2個(gè)以上同種探測(cè)器同時(shí)達(dá)到濃度高報(bào)警，則認(rèn)定確實(shí)發(fā)生了氣體泄漏，詳見(jiàn)表2。根據(jù)船東要求和平臺(tái)作業(yè)地區(qū)法規(guī)，不同項(xiàng)目的報(bào)警的濃度設(shè)定值可能略有不同。若由于故障或維修導(dǎo)致正常工作的氣體探測(cè)器數(shù)量減少，則表決邏輯的變化與上文火災(zāi)報(bào)警邏輯變化情況相同。

表2 氣體報(bào)警表決邏輯

2.3 消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)

消防系統(tǒng)是平臺(tái)抑制火災(zāi)的重要手段，火氣探測(cè)系統(tǒng)與消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)可以使消防系統(tǒng)根據(jù)火氣報(bào)警自動(dòng)、快速地起動(dòng)/釋放，減少響應(yīng)時(shí)間，提高消防救援效率[7- 8]。該型修井平臺(tái)的消防系統(tǒng)有消防泵、水霧滅火系統(tǒng)、水噴淋滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)和雨淋系統(tǒng)，除了消防保壓泵由綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(IAS)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)自動(dòng)控制調(diào)速外，其他設(shè)備和子系統(tǒng)都可以根據(jù)火氣報(bào)警信號(hào)自動(dòng)起動(dòng)/釋放。該型修井平臺(tái)典型消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制邏輯見(jiàn)表3。

表3 消防系統(tǒng)因果邏輯矩陣

注：“X”表示某個(gè)原因?qū)е碌慕Y(jié)果立即執(zhí)行?！癉”表示延時(shí)，如果主泵啟動(dòng)失敗，30 s后自動(dòng)啟動(dòng)備用泵。

2.4 火氣報(bào)警信號(hào)輸出

火氣探測(cè)系統(tǒng)除了按照火氣報(bào)警區(qū)劃分和控制邏輯將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給應(yīng)急切斷系統(tǒng)外，還會(huì)將火氣報(bào)警信號(hào)直接發(fā)送到廣播/通用報(bào)警系統(tǒng)、直升機(jī)甲板狀態(tài)燈和安全控制板等設(shè)備，用聲音和燈光警示船員平臺(tái)出現(xiàn)了火災(zāi)或氣體泄漏的緊急情況[9]。當(dāng)然，此時(shí)發(fā)出的報(bào)警信號(hào)都是經(jīng)過(guò)表決確認(rèn)或人工確認(rèn)的火氣報(bào)警。如果火氣探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生了一個(gè)未確認(rèn)的報(bào)警信號(hào)，船員在2 min內(nèi)沒(méi)有確認(rèn)此報(bào)警信號(hào)，則未確認(rèn)的火氣報(bào)警將自動(dòng)轉(zhuǎn)換成確認(rèn)的火氣報(bào)警[10]，并按此輸出報(bào)警信號(hào)和切斷信號(hào)。

3 結(jié)論

“安全”是工業(yè)生產(chǎn)永恒的主題，每次安全標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)的背后都有一個(gè)慘痛的安全事故教訓(xùn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的豐富，船東和石油公司對(duì)鉆/修井平臺(tái)火氣探測(cè)系統(tǒng)的安全性、可靠性和智能化提出了越來(lái)越高的要求。本文根據(jù)實(shí)際海工平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)火氣報(bào)警區(qū)域劃分、火氣報(bào)警表決、消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)和火氣報(bào)警信號(hào)輸出4項(xiàng)火氣探測(cè)系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析、總結(jié)，并歸納出通用設(shè)計(jì)方法。這些要點(diǎn)可以廣泛應(yīng)用到鉆井平臺(tái)、采油平臺(tái)、FPSO等海工裝備的火氣探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度和安全性具有積極意義。對(duì)于某些項(xiàng)目的個(gè)性化特殊要求，也可以在本文基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)、增強(qiáng)。目前，“智能船舶”不僅是商船的研究重點(diǎn)，也已經(jīng)成為海工裝備的未來(lái)發(fā)展方向，如何提高火氣探測(cè)系統(tǒng)的智能化水平，仍需進(jìn)一步深入研究。此外，在火氣探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須時(shí)刻秉承“安全第一”的理念，除了遵從規(guī)范規(guī)則的要求外，更需要從實(shí)際生產(chǎn)的角度思考問(wèn)題。

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