浮式天然氣控制及安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅莉萍

惠生（南通）重工有限公司 江蘇南通 226000

浮式液化天然氣裝置（FLNG）是將天然氣進(jìn)行液化工藝處理后運(yùn)輸?shù)绞澜绺鞯氐脑O(shè)施，已經(jīng)成為世界海洋油氣領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，正處于穩(wěn)步增長的發(fā)展趨勢。

1 FLNG概述

FLNG 上部組塊完成對(duì)原料氣的液化處理和再氣化處理，由以下4 個(gè)部分組成：

（1）液化部分工藝上部模塊，包括原料氣胺洗（脫酸性氣）單元、干燥/ 脫汞單元、重?zé)N分離單元、液化單元、制冷劑單元、閃蒸氣壓縮單元。

（2）公用工程部分，包括余熱回收系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)、空壓站、除鹽水站。

（3）輔助生產(chǎn)設(shè)施，包括發(fā)電設(shè)施、變電所。

（4）船體部分空間負(fù)責(zé)存儲(chǔ)及卸載液化天然氣，包括液貨存儲(chǔ)及卸載系統(tǒng)、HVAC 系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)。

2 FLNG的控制及安全系統(tǒng)介紹

為了便于集中控制和管理，結(jié)合先進(jìn)的FLNG 船的控制系統(tǒng)技術(shù)，惠生海工在FLNG 中設(shè)計(jì)了一套集成式的控制及安全儀表保護(hù)系統(tǒng)（本文章簡稱“ICSS”）來實(shí)現(xiàn)整個(gè)FLNG 的自動(dòng)化及智能化控制。

中心控制室位于生活樓區(qū)域，占地規(guī)格6m×20m，設(shè)置操作員站、工程師站、輔操臺(tái)、CCTV 監(jiān)控中心、火災(zāi)報(bào)警、航行指示系統(tǒng)、海事對(duì)講、其他設(shè)備包的工程師站、貿(mào)易計(jì)量操作及工程師站。FLNG 分別在上部模塊的E- House 二層和船體主甲板下設(shè)置主機(jī)柜室（CCIOR），放置船體部分及工藝模塊中的控制機(jī)柜、IO 柜、電源分配柜及設(shè)備包的控制機(jī)柜等設(shè)施。

ICSS 主要由過程控制系統(tǒng)（PCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）（包括應(yīng)急切斷系統(tǒng)ESD）和火氣系統(tǒng)（FGS）、其他輔助系統(tǒng)、操作員站、工程師站和服務(wù)器等構(gòu)成。FLNG 的控制系統(tǒng)主要以中控系統(tǒng)ICSS 為核心，對(duì)整個(gè)FLNG 設(shè)施上的所有上部工藝模塊、船體部分、公用工程部分、各設(shè)備包的控制系統(tǒng)等實(shí)施報(bào)警、監(jiān)測和控制。FLNG 存在火災(zāi)、爆炸、其他泄漏以及設(shè)備故障等多個(gè)方面的危險(xiǎn)隱患，因此在FLNG 的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須以安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)。

惠生海工2017 年ICSS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 惠生海工2017 年設(shè)計(jì)的ICSS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在ICSS 設(shè)計(jì)中，有關(guān)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及安全的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾點(diǎn)：

SIS 和FGS 的網(wǎng)絡(luò)是安全控制網(wǎng)，與PCS 的控制網(wǎng)絡(luò)分隔開;各系統(tǒng)和控制網(wǎng)絡(luò)冗余;用戶和計(jì)算機(jī)嚴(yán)格控制和設(shè)定并網(wǎng)權(quán)限;網(wǎng)絡(luò)間設(shè)置完整防火墻;設(shè)置入侵防御系統(tǒng);控制無線通信權(quán)限;確保第三方通信安全;完整的網(wǎng)絡(luò)安全方案包括硬件、操作吸引、病毒防護(hù)和數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)。

2.1 PCS

PCS 包括過程控制層、操作監(jiān)控層和數(shù)據(jù)服務(wù)層構(gòu)成，包括控制站、操作站、工程師站和應(yīng)用服務(wù)器等。

FLNG 的主要操作和生產(chǎn)管理均位于中心控制室，PCS 可以對(duì)FLNG 的各工藝模塊及船體部分進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、操作和監(jiān)視，完成數(shù)據(jù)采集、信息處理、過程控制、過程報(bào)警等功能。裝置生產(chǎn)操作、原料及產(chǎn)品計(jì)量、產(chǎn)品質(zhì)量的所有信息全部在中心控制室內(nèi)的PCS上顯示，主要機(jī)泵設(shè)備及BOG、MR 壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也可以在PCS 畫面上顯示。

出現(xiàn)方向盤震抖和前輪搖頭現(xiàn)象，主要是前輪定位不當(dāng)，主銷后傾角過小所致。在沒有儀器檢測的情況下，應(yīng)試著在鋼板彈簧與前軸支座平面后端加塞楔形鐵片，使前軸后轉(zhuǎn)，再加大主銷后傾角，試運(yùn)行后即可恢復(fù)正常。

中心控制室設(shè)置工程師站用于組態(tài)維護(hù)、故障診斷等工作。設(shè)置公共的硬件平臺(tái)及以太網(wǎng)接口，用于連接信息管理系統(tǒng)。其他各類控制（如壓縮機(jī)控制系統(tǒng)、電力管理系統(tǒng)等）均通過通訊方式與PCS 聯(lián)系，將監(jiān)控信號(hào)送至PCS 中。其他各類控制系統(tǒng)時(shí)鐘以PCS 系統(tǒng)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，PCS 可以設(shè)置FLNG 網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的時(shí)鐘同步，用于各系統(tǒng)之間的時(shí)鐘同步。

2.2 SIS

FLNG 涉及的液化氣體和可燃?xì)怏w存在爆炸、火災(zāi)及設(shè)備故障等安全隱患，會(huì)危及整個(gè)FLNG 及工作人員的安全，需要配備獨(dú)立的SIS 及應(yīng)急切斷措施。

RD102- 標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目要求SIS 應(yīng)取得IEC 61508 SIL3 或TüV 認(rèn)證，所有設(shè)備和部件應(yīng)相應(yīng)具備雙重、三重或四重化冗余、容錯(cuò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)LOPA 分析及SIL等級(jí)計(jì)算，SIS 分為4 層級(jí)保護(hù)，可以阻斷隔離非正常因素干擾正常的生產(chǎn)和安全，通過輔助操作臺(tái)上的報(bào)警器、開關(guān)、按鈕裝置完成報(bào)警顯示和應(yīng)急操作。FLNG項(xiàng)目一般選用同一品牌的SIS 和分散控制系統(tǒng)（DCS），采用ICSS 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)共享。

2.3 FGS

在可能泄露或聚集可燃?xì)怏w的地方，設(shè)置可燃?xì)怏w檢測變送器，將信號(hào)送至FGS。FGS 的主要設(shè)計(jì)原則為檢測有無可燃?xì)怏w的存在; 檢測有無實(shí)際的已燃燒的火焰或煙氣;檢測LNG 的泄漏;提供自動(dòng)或手動(dòng)的便利方法以觸發(fā)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作; 根據(jù)需要觸發(fā)聲光報(bào)警以提示火災(zāi)或氣體泄漏的發(fā)生; 執(zhí)行相應(yīng)的控制和聯(lián)鎖邏輯; 將相關(guān)的報(bào)警信息傳遞給PCS 指示、報(bào)警、記錄;通過順序事件記錄功能（SOE）捕捉相關(guān)事件信息;與現(xiàn)場廣播系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

FGS 在中心控制室集中指示報(bào)警。FGS 與SIS 不同，F(xiàn)GS 在正常工作狀態(tài)不帶電或處于常開的操作模式，其IO 回路應(yīng)具備斷線檢測功能。

2.4 完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)

在FLNG 上部模塊的進(jìn)氣裝置中設(shè)置完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)（HIPPS），可以及時(shí)阻斷引起天然氣輸入到上部模塊進(jìn)行液化處理時(shí)的超壓，保護(hù)下游工藝設(shè)備及裝置，減少對(duì)FLNG 及操作人員的危害。HIPPS 主要由以下幾部分組成：

（1）壓力變送器。采用2oo3 的配置，每臺(tái)變送器均有SIL3 認(rèn)證。

（2）HIPPS 控制器。采用固態(tài)邏輯控制器，通過SIL4 認(rèn)證；CPU 四重化結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)通過SIL4 認(rèn)證；單個(gè)控制器通過SIL3 認(rèn)證。

（3）緊急切斷閥。采用串聯(lián)的兩臺(tái)緊急切斷閥，每臺(tái)閥門通過SIL3 認(rèn)證；閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)自帶動(dòng)力源，配置冗余的控制電磁閥。

信號(hào)輸入單元采用3 臺(tái)壓力變送器2oo3（3 選2）表決，中間信號(hào)邏輯處理單元采用智能診斷及容錯(cuò)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，終端信號(hào)邏輯執(zhí)行設(shè)備單元采用2 臺(tái)關(guān)斷閥，在管線上和控制器串聯(lián)，2 臺(tái)電磁閥在儀表氣源管路上串聯(lián)。該結(jié)構(gòu)經(jīng)過高可靠性選型配置和第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)專業(yè)計(jì)算及相關(guān)測試和整體系統(tǒng)TUV 認(rèn)證，保證整套HIPPS 撬塊取得SIL3 認(rèn)證，可以提供智能診斷，具備高可靠性及容錯(cuò)性。

2.5 其他輔助系統(tǒng)

2.5.1 儀表設(shè)備管理系統(tǒng)

FLNG 項(xiàng)目對(duì)儀表及設(shè)備的安全可靠性要求很高，需要能夠及時(shí)有效地預(yù)防設(shè)備及儀表故障產(chǎn)生危害。因此，儀表設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS）采用4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)疊加HART 7 協(xié)議的儀表變送器及調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行維護(hù)、校驗(yàn)和故障診斷，使維修團(tuán)隊(duì)輕松監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的健康狀態(tài)?，F(xiàn)場安裝時(shí)，AMS 設(shè)備管理器和DCS 控制系統(tǒng)協(xié)作，在集成操作環(huán)境中提供無縫用戶界面?？梢允褂脝蝹€(gè)、一體化應(yīng)用程序管理現(xiàn)場的所有設(shè)備，通過預(yù)測診斷信息，獲得全面的資產(chǎn)管理能力。

2.5.2 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)

FLNG 的液化上部工藝模塊包括BOG 和MR 壓縮機(jī)，因此需要設(shè)置壓縮機(jī)控制系統(tǒng)（CCS），完成透平/壓縮機(jī)組的調(diào)速控制、防喘振控制、負(fù)荷控制及安全聯(lián)鎖保護(hù)等功能，并與裝置的DCS 進(jìn)行通訊，使操作人員能夠通過DCS 對(duì)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)視和控制。CCS 采用雙重化或三重化冗余、容錯(cuò)系統(tǒng)，其控制站和操作站設(shè)置在中心控制室。

2.5.3 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

整個(gè)浮式天然氣船舶及上部液化工藝模塊裝置中會(huì)有一些動(dòng)設(shè)備，如汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、機(jī)泵等旋轉(zhuǎn)設(shè)備，設(shè)備故障會(huì)影響生產(chǎn)，危及整個(gè)FLNG 裝置的安全。為了減少這些危害，必須通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（MMS）對(duì)主要?jiǎng)釉O(shè)備參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)視，同時(shí)對(duì)動(dòng)設(shè)備的性能進(jìn)行分析和診斷，為動(dòng)設(shè)備的故障預(yù)測維護(hù)進(jìn)行有力的支持。重要?jiǎng)釉O(shè)備的主要運(yùn)行參數(shù)，包括軸振動(dòng)、軸位移等將直接送至MMS。操作人員可以在MMS 系統(tǒng)中直接讀取動(dòng)設(shè)備參數(shù)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行性能進(jìn)行在線診斷分析。

3 FLNG自動(dòng)控制水平的未來發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計(jì)算計(jì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)LNG 將結(jié)合自身特點(diǎn)，不斷突破技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)智能化FLNG 工廠的構(gòu)建。

智能化FLNG 工廠增設(shè)先進(jìn)的自動(dòng)控制及實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)，運(yùn)用智能設(shè)備管理、智能生產(chǎn)調(diào)度管理、報(bào)警系統(tǒng)管理等手段提高運(yùn)營生產(chǎn)效率和安全穩(wěn)定性，降低OPEX（Operating Expense）；智能化FLNG 工廠可以建立遠(yuǎn)程運(yùn)營中心，挖掘數(shù)據(jù)潛能，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)與遠(yuǎn)程運(yùn)維支持，減少非計(jì)劃停車。

4 結(jié)語

海工項(xiàng)目特別是FLNG 對(duì)安全性、可靠性和生產(chǎn)管理高效性需求很高，海上臺(tái)風(fēng)和其他自然環(huán)境比較惡劣，存在不可預(yù)知性。依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)限制、安全和應(yīng)急響應(yīng)處置原則要求、冗余控制要求等因素的影響，在設(shè)計(jì)需要綜合平衡考慮效率、安全和智能化程度的權(quán)重，必須滿足國際海事規(guī)范規(guī)則。