FPSO火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)工藝研究

陳 夢

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

火氣和應(yīng)急切斷系統(tǒng)（簡稱火氣應(yīng)急系統(tǒng)）是海上石油開采、生產(chǎn)和加工裝置上用于監(jiān)控火災(zāi)和可燃?xì)怏w泄露事故并具有一定自動處理功能的安全控制系統(tǒng)，是最重要的系統(tǒng)之一。它能準(zhǔn)確探測火災(zāi)、可燃?xì)怏w、有害氣體等事故源的危險(xiǎn)程度和事故地點(diǎn)，是提高海上設(shè)施及其輔助系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵舉措。當(dāng)火氣和應(yīng)急切斷系統(tǒng)的傳感器終點(diǎn)探測到火情、有毒及可燃?xì)怏w時，位于海上設(shè)施核心的集中控制系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯規(guī)則，進(jìn)行分區(qū)、分級的應(yīng)用處理，同時與聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程通訊、人員定位等系統(tǒng)聯(lián)動，完成警示、切斷、消防和控制。因此，火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)需要遵循嚴(yán)格的可靠性、安全性設(shè)計(jì)。

眾多海上設(shè)施平臺中，浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO）可對原油進(jìn)行初步加工并儲存，被稱為“海上石油工廠”。作為海洋油氣開發(fā)系統(tǒng)的組成部分，F(xiàn)PSO一般與水下采油裝置和穿梭油船組成一套完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，是目前海洋工程船舶中的附加值較高的技術(shù)產(chǎn)品。FPSO系統(tǒng)主要由系泊系統(tǒng)、載體系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝系統(tǒng)及外輸系統(tǒng)組成，涵蓋了數(shù)十個子系統(tǒng)。作為集油氣生產(chǎn)、儲存及外輸功能于一身的FPSO具有高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)、高附加值、高投入、高回報(bào)的綜合性海洋工程特點(diǎn)。

FPSO的火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的船用滅火報(bào)警以及有害氣體探測系統(tǒng)，它的探測防護(hù)體系涉及深海油井、單點(diǎn)（旋轉(zhuǎn)塔）、脫水脫氣模塊及儲運(yùn)模塊多個環(huán)節(jié)。其分區(qū)、分級的火氣與應(yīng)急控制策略既需滿足高可靠、高實(shí)時性的要求，又需要各個子系統(tǒng)本身具備一定的智能組網(wǎng)、協(xié)同控制能力。本文結(jié)合我國自主研發(fā)的“海洋石油118”FPSO及后續(xù)改進(jìn)類型，分析了FPSO平臺火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)的任務(wù)需求及實(shí)施難點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有的火氣系統(tǒng)表決原則，提出了全新的針對FPSO特殊區(qū)域的應(yīng)急切斷規(guī)則和設(shè)計(jì)方法，從而為今后類似船舶和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計(jì)原則

1.1 設(shè)計(jì)規(guī)則

海洋平臺是海上油氣處理系統(tǒng)的承載體，具有平臺設(shè)備尺寸小、效率高、布局緊湊、自動化程度強(qiáng)的特點(diǎn)，其風(fēng)險(xiǎn)因素過于集中，使火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有別于陸上油氣平臺和大型船舶［1］。油氣處理系統(tǒng)涉及的原料、中間品和產(chǎn)品具有易燃易爆、有毒有害、腐蝕性等特點(diǎn)，受平臺空間的限制，油氣處理設(shè)施、電氣設(shè)備和人員住房高度密集，這對平臺的安全生產(chǎn)提出了極為嚴(yán)格的要求。同時，海上石油生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)存在的各種污染物可能對水體、大氣和聲環(huán)境造成不利影響，在分析火災(zāi)、井噴、油氣泄漏和爆炸等事故后果時需要考慮其對海洋環(huán)境造成的危害。因此，火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要高度重視各類風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)聯(lián)性。

根據(jù)IEC61508及IEC61511標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)定義，火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)是系統(tǒng)安全功能的核心執(zhí)行組件。安全完整性等級（SIL）既體現(xiàn)了整個系統(tǒng)的安全完整性，又涵蓋了安全系統(tǒng)本身的可靠性。在設(shè)計(jì)之時需要對各種危險(xiǎn)和過程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)安全分析。危險(xiǎn)性分析報(bào)告中包括了關(guān)于過程風(fēng)險(xiǎn)的各種信息，以及已有的保護(hù)層和為提高安全性需要增加的安全功能，再根據(jù)事件發(fā)生頻率后果程度最終確定應(yīng)急切斷系統(tǒng)所需要達(dá)到的SIL等級［2］。我國自主設(shè)計(jì)研發(fā)FPSO火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)時，遵循SIL3以上的安全等級標(biāo)準(zhǔn)，即系統(tǒng)平均失效概率小于10-3。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，火氣與應(yīng)急切斷報(bào)警系統(tǒng)的配置情況因平臺而異。FPSO平臺設(shè)有消防系統(tǒng)、可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)、火災(zāi)探測系統(tǒng)和硫化氫探測系統(tǒng)等，其目的是對含有爆炸、火災(zāi)、灼熱、煙霧和有毒氣體（含濃煙）的各種潛在危險(xiǎn)源進(jìn)行探測，減少或避免在生產(chǎn)作業(yè)、檢修過程中，可能出現(xiàn)的人員傷亡，環(huán)境污染，設(shè)施破壞和財(cái)產(chǎn)損失。火氣與應(yīng)急切斷報(bào)警系統(tǒng)的安全等級高于FPSO的中央集控系統(tǒng)，即使核心控制系統(tǒng)失去作用，火氣系統(tǒng)仍然能夠?qū)怏w泄漏和火災(zāi)進(jìn)行檢測，并且根據(jù)事故發(fā)生的等級啟動相應(yīng)的消防設(shè)施。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場級傳感器、區(qū)域信息管理系統(tǒng)與中央集控室進(jìn)行信息采集、處理、交互，從而實(shí)現(xiàn)對FPSO平臺各危險(xiǎn)區(qū)域的災(zāi)情評估及消防報(bào)警控制。在主動劃分的危險(xiǎn)區(qū)域，采用具有防爆技術(shù)的傳感設(shè)備，同時利用易熔塞的回路設(shè)計(jì)和冗余結(jié)構(gòu)，減少電氣轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠在緊急情況下直接動作?；饸馀c應(yīng)急切斷系統(tǒng)所有輸入輸出模塊都必須具有對短路和斷路的回路自動檢測功能，并與其他系統(tǒng)分離設(shè)置，減少各個系統(tǒng)之間的相互依賴，避免某個系統(tǒng)出現(xiàn)問題而影響其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

根據(jù)《海上固定平臺安全規(guī)則》的要求［3］，ESD 切斷系統(tǒng)應(yīng)至少包括以下部分：

（1） 應(yīng)急切斷邏輯；

（2）手動應(yīng)急切斷啟動開關(guān)或閥門；

（3）安裝在重要工藝設(shè)備上，在異常情況下能發(fā)出切斷信號的自動檢測開關(guān)；

（4） 火災(zāi)與可燃?xì)怏w探測；

（5）信號轉(zhuǎn)換及各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電磁閥、切斷閥等。

應(yīng)急切斷系統(tǒng)分為如下四級： ESD1級切斷為棄平臺切斷，是所有平臺最高等級的切斷。只有發(fā)生火災(zāi)和嚴(yán)重天然氣泄漏，以及發(fā)生不可抗拒的自然災(zāi)害等情況下，由油礦總監(jiān)或油礦總監(jiān)專門指定人員手動啟動，平臺上設(shè)備除應(yīng)急支持系統(tǒng)延時切斷外全部關(guān)停。ESD1 級啟動按鈕安裝在控制間、井口區(qū)附近、生活樓的逃生口、救生艇登船處和直升機(jī)甲板等處，配以醒目的標(biāo)志和防止失誤操作的外殼。

ESD2級切斷為火災(zāi)切斷。火情發(fā)生后，由易熔塞回路監(jiān)測到火情直接導(dǎo)致平臺的火災(zāi)切斷，或由火災(zāi)或可燃?xì)怏w探測器探測到的異常情況自動地或經(jīng)人工確認(rèn)后手動啟動。此級切斷導(dǎo)致 ESD3、4 級切斷。

ESD3級切斷為生產(chǎn)/公用系統(tǒng)切斷。當(dāng)主電源、儀表等公用系統(tǒng)故障或油氣處理系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)故障時，可手動和自動啟動該級切斷。除執(zhí)行本級切斷的特殊功能外，ESD3級切斷還將引起 ESD4級切斷。

ESD4級切斷為單元切斷，當(dāng)單個油氣處理設(shè)備故障時引起此級切斷。它只切斷故障設(shè)備本身，而不影響整個工藝流程的正常運(yùn)行。ESD4 級切斷可手動/自動啟動。

2 FPSO火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為說明火氣和應(yīng)急切斷的設(shè)計(jì)理念，首先定義FPSO的主要危險(xiǎn)區(qū)域如下：

（1）尾部原油外輸區(qū)域；

（2）上部模塊下方區(qū)域；

（3）單點(diǎn)內(nèi)部和單點(diǎn)外部通風(fēng)風(fēng)道；

（4）蓄電池間；

（5）油漆間。

火氣探測和應(yīng)急切斷系統(tǒng)設(shè)置的目的是把火災(zāi)或氣體泄露所造成的危害限制到最小，因此需要對所有區(qū)域按照一定的原則進(jìn)行火氣劃分，同時對一個火區(qū)內(nèi)的感煙探頭、感溫探頭、氣體探頭按照既定安全原則進(jìn)行表決。本方案中火區(qū)區(qū)域類型如下：

（1）單獨(dú)通風(fēng)的處所，如應(yīng)急發(fā)電機(jī)間、柴油消防泵間、廚房等；

（2）每一層居住區(qū)域；

（3）對其通風(fēng)風(fēng)管配備單獨(dú)防火風(fēng)閘的區(qū)域，如區(qū)域配電板室；

（4）同一功能區(qū)域，如空調(diào)機(jī)間與公共進(jìn)風(fēng)管，機(jī)艙與機(jī)艙進(jìn)風(fēng)風(fēng)管；

（5）同一危險(xiǎn)區(qū)域，如尾輸油區(qū)域，上部模塊下方區(qū)域。

感煙、感溫、手動報(bào)警按鈕均采用可尋址式，火焰和氣體探頭采用非可尋址式，氣體探頭的報(bào)警設(shè)定值如表1所示［4］。

為保證本船安全、可靠的運(yùn)行，火區(qū)劃分以后就需要對該火區(qū)內(nèi)的火災(zāi)和氣體探測器進(jìn)行表決，表決原則如表2所示。為避免由于單個探測器故障或誤報(bào)警引起切斷操作，對生產(chǎn)和生活造成較大影響，表決原則設(shè)置了雙重保障：一是單個探測器動作僅僅延時報(bào)警，不觸發(fā)切斷，當(dāng)一個火區(qū)內(nèi)的所有火災(zāi)或氣體探測器中有兩個同時動作時才確認(rèn)火災(zāi)或氣體并觸發(fā)切斷動作；二是一個火區(qū)內(nèi)故障的探測器不直接參與表決，僅剩一個正常時，那個正常的探測器單個表決。當(dāng)正常探測器數(shù)量≥2時，采用第一種方式表決。

表1 氣體探頭低位、高位報(bào)警設(shè)定值

表2 火災(zāi)和可燃?xì)怏w探頭表決原則

續(xù)表2

3 項(xiàng)目應(yīng)用

2014年8月交付的“海洋石油118”為中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院全程參與方案論證、概念設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)，該FPSO設(shè)計(jì)載重量為15萬t，原油日處理能力最高達(dá)到5.6萬桶（約8 900 m3），服務(wù)壽命30年，滿足500年一遇的生存環(huán)境條件要求，創(chuàng)國內(nèi)FPSO設(shè)計(jì)之最。［5］

該船船體部分設(shè)置包括ESD1總切斷在內(nèi)的各級切斷26個，其中總切斷1個、火氣切斷21個、上部模塊和單點(diǎn)區(qū)域引起的船體切斷各1個、貨油系統(tǒng)切斷和熱介質(zhì)油補(bǔ)給泵應(yīng)急切斷各1個。另外，船體部分共劃分各類火區(qū)29個，其中包括居住區(qū)域9個、主甲板區(qū)域5個、機(jī)器區(qū)域12個和首部（含單點(diǎn)）區(qū)域3個，通過火區(qū)的有效劃分提高了火氣探測的精細(xì)化程度、有效避免了誤報(bào)警和誤切斷的發(fā)生。

需要特別說明的是：相對于鉆井平臺、采油平臺，F(xiàn)PSO包含了石油生產(chǎn)、儲存、處理和外輸?shù)裙δ?，泄漏區(qū)域更多、危險(xiǎn)區(qū)域更廣、與單點(diǎn)模塊和上部模塊相互關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)，應(yīng)急切斷系統(tǒng)也具有特殊性。為更好說明FPSO的火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)的特點(diǎn)，下文將著重介紹三個區(qū)域方面，分別是應(yīng)急發(fā)電機(jī)室的應(yīng)急切斷、單點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)急切斷和船體部分的總切斷。

在接收到火災(zāi)、氣體的確認(rèn)信號，二氧化碳（CO2）釋放信號，七氟丙烷（FM200）釋放信號或應(yīng)急切斷按鈕指令后，應(yīng)急切斷系統(tǒng)將按照預(yù)先設(shè)定的邏輯對風(fēng)機(jī)、油泵、風(fēng)閘或設(shè)備發(fā)出切斷指令。根據(jù)設(shè)備的重要性不同，火區(qū)的特點(diǎn)等情況，應(yīng)急切斷的邏輯也不同，下面將根據(jù)實(shí)際情況舉例說明每種不同切斷邏輯的原則和所考慮的重點(diǎn)。

3.1 應(yīng)急發(fā)電機(jī)室的應(yīng)急切斷

對于FPSO來說，應(yīng)急發(fā)電機(jī)和柴油消防泵是非常重要的設(shè)備，牽扯到人身生命安全和船舶安全，在接到火災(zāi)或氣體報(bào)警后不能直接對其本身以及輔助設(shè)備直接切斷，而應(yīng)根據(jù)船舶所處的實(shí)際情況進(jìn)行判斷后再決定，應(yīng)急發(fā)電機(jī)室切斷邏輯框圖如圖2所示。

圖2 應(yīng)急發(fā)電機(jī)室應(yīng)急切斷邏輯框圖

由圖2可以看出，對于應(yīng)急發(fā)電機(jī)室的切斷主要基于三方面考慮：

（1）接收到火氣確認(rèn)信號或該區(qū)域的應(yīng)急切斷指令后不立即執(zhí)行切斷動作，而是判斷應(yīng)急發(fā)電機(jī)是否運(yùn)行，如果已經(jīng)運(yùn)行說明本船處在緊急環(huán)境中，此時不能為了應(yīng)急發(fā)電機(jī)的安全而貿(mào)然執(zhí)行切斷動作，需要進(jìn)一步判斷；

（2）判斷切斷指令等級，如果切斷指令是總切斷ESD1，那么經(jīng)過0～30 min延時后執(zhí)行切斷動作；

（3）該區(qū)域人工釋放CO2，說明是人工綜合判斷了該船所處的環(huán)境及該區(qū)域的火勢情況而確認(rèn)切斷指令，直接對該區(qū)域風(fēng)機(jī)、風(fēng)閘以及設(shè)備執(zhí)行切斷動作。

經(jīng)過三重考慮后，該船所處環(huán)境以及該區(qū)域火勢情況等均得到了綜合考慮，不僅能夠避免緊急情況下貿(mào)然切斷應(yīng)急發(fā)電機(jī)，也能在經(jīng)過人工綜合判斷后迅速切斷。

3.2 單點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)急切斷

單點(diǎn)是FPSO最重要的設(shè)備之一，單點(diǎn)內(nèi)部的通風(fēng)由自帶的風(fēng)機(jī)完成。單點(diǎn)外圍設(shè)置通風(fēng)風(fēng)道，船體上設(shè)置排風(fēng)機(jī)用于通風(fēng)風(fēng)道的排放。單點(diǎn)內(nèi)部的火災(zāi)和氣體探測器接至上部模塊的火氣系統(tǒng)，而通風(fēng)風(fēng)道的火災(zāi)和氣體探測器接至船體部分的火氣系統(tǒng)，所以該區(qū)域的應(yīng)急切斷需要判斷是單點(diǎn)內(nèi)部還是外部的火災(zāi)或氣體濃度高，邏輯框圖如圖3和下頁圖4所示。

圖3 單點(diǎn)區(qū)域火災(zāi)引起應(yīng)急切斷邏輯框圖

由圖3可以看出，單點(diǎn)外部發(fā)生火災(zāi)時會觸發(fā)單點(diǎn)區(qū)域火災(zāi)切斷信號ESD-STP FIRE，切斷單點(diǎn)外圍及單點(diǎn)內(nèi)部的風(fēng)機(jī)、風(fēng)閘等；當(dāng)單點(diǎn)內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時，在觸發(fā)單點(diǎn)區(qū)域火災(zāi)切斷信號ESD-STP FIRE同時，還發(fā)出啟動消防泵的指令。因?yàn)閱吸c(diǎn)內(nèi)部火災(zāi)需要大量的消防水，此時跳過消防泵自動啟動程序直接發(fā)出起動指令，將為單點(diǎn)內(nèi)部的消防爭取時間。

由圖4可以看出，單點(diǎn)區(qū)域的氣體報(bào)警引起切斷的判斷順序恰恰相反，如果單點(diǎn)區(qū)域內(nèi)部氣體濃度高，需要觸發(fā)上部模塊的生產(chǎn)工藝切斷；當(dāng)單點(diǎn)區(qū)域外部氣體濃度高時，觸發(fā)單點(diǎn)區(qū)域氣體切斷信號ESD-STP GAS，同時切斷單點(diǎn)內(nèi)部的通風(fēng)機(jī)，防止外部可燃?xì)怏w進(jìn)入單點(diǎn)內(nèi)部。

圖4 單點(diǎn)區(qū)域氣體引起應(yīng)急切斷邏輯框圖

3.3 船體部分的總切斷

一般船舶或平臺，總切斷ESD1發(fā)出后，經(jīng)過一定的延時后將切斷除標(biāo)志燈以外的所有電氣設(shè)備。而對于FPSO來說，包括船體和上部模塊兩部分，兩部分功能不同，火氣和應(yīng)急切斷部分也單獨(dú)成系統(tǒng)。因?yàn)樯喜磕K上面有大量的油氣處理設(shè)備，船體部分在沒有和上部模塊達(dá)成一致的情況下就發(fā)出總切斷ESD1指令，可能對整個FPSO甚至海洋環(huán)境都造成惡劣影響，所以上部模塊應(yīng)具有更高的等級來總切斷指令。本船的總切斷ESD1也應(yīng)經(jīng)過特殊考慮，邏輯框圖如下頁圖5所示。

由圖5可以看出，船體工作人員根據(jù)情況判斷發(fā)出的總切斷指令并沒有立即切斷設(shè)備和發(fā)出棄船報(bào)警，而是發(fā)到了上部模塊的切斷系統(tǒng)，由上部模塊再進(jìn)行判斷。如果上部模塊經(jīng)過判斷后發(fā)出了總切斷指令，那么本船將立即發(fā)出棄船報(bào)警，同時進(jìn)入總切斷程序。

圖5 總切斷ESD1邏輯框圖

4 結(jié) 語

本文首先分析了“海洋石油118”FPSO的火區(qū)劃分方法，結(jié)合配備的火災(zāi)和氣體探測器類型介紹了火氣表決原則，然后根據(jù)FPSO船舶的特點(diǎn)著重介紹了應(yīng)急發(fā)電機(jī)室和單點(diǎn)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)和氣體泄漏后引起的應(yīng)急切斷邏輯，最后對總切斷ESD1原則進(jìn)行了分析。目前，本文提出的優(yōu)化應(yīng)急切斷邏輯方案，已在“海洋石油118”后續(xù)的改進(jìn)型號中逐步應(yīng)用。系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，未產(chǎn)生全局的連鎖切斷，最大限度地兼顧了安全性、可靠性和生產(chǎn)效益，實(shí)現(xiàn)了降本增效。本文給出的方案同樣適用于其他類型的海洋平臺，對大型復(fù)雜系統(tǒng)的火氣與應(yīng)急切斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。