海上石油平臺(tái)火氣系統(tǒng)研究改進(jìn)

陳慶文 王黨橋 方占生

摘 要：火災(zāi)與可燃性氣體的爆炸以及有毒氣體的泄露是當(dāng)前海上石油平臺(tái)各個(gè)生產(chǎn)單位都面臨的主要安全威脅，尤其對(duì)于地域狹小的海洋平臺(tái)，一旦發(fā)生火災(zāi)或者氣體泄露，后果不堪設(shè)想。本文主要介紹了火氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與定義，火氣系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和火氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)是應(yīng)遵循的一些原則以及對(duì)火氣系統(tǒng)的一些改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：火氣系統(tǒng);設(shè)計(jì)原則;改進(jìn)

為了保證平臺(tái)人員和設(shè)備的安全，需要一個(gè)準(zhǔn)確，可靠，及時(shí)的火氣系統(tǒng)對(duì)整個(gè)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，對(duì)可能發(fā)生的事故進(jìn)行及早的預(yù)報(bào)并消除，對(duì)已經(jīng)發(fā)生的事故進(jìn)行及時(shí)的反應(yīng)，爭(zhēng)取將事故損失降到最低。

1 火氣系統(tǒng)定義

火氣系統(tǒng)（FGS）是監(jiān)控火災(zāi)和可燃有毒氣體泄露事故，并且具備報(bào)警和一定滅火功能的安全控制管理系統(tǒng)?；饸庀到y(tǒng)能夠準(zhǔn)確探測(cè)火災(zāi)和氣體泄露的程度和地點(diǎn)，觸發(fā)相關(guān)的廣播和聲光報(bào)警設(shè)備，并且根據(jù)事故發(fā)生的嚴(yán)重性等級(jí)而確定報(bào)警和消防設(shè)備控制器輸出的等級(jí)，從而避免和控制災(zāi)難發(fā)生，減輕災(zāi)難對(duì)人員和設(shè)備造成的傷害以及對(duì)環(huán)境的影響。

2 海洋平臺(tái)火氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海洋平臺(tái)的火氣系統(tǒng)根據(jù)平臺(tái)自身特性一般分為兩個(gè)部分：生活區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，因?yàn)樯顓^(qū)為安全區(qū)域，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)品沒(méi)有特殊的要求，設(shè)備種類一般為煙感，溫感，手動(dòng)報(bào)警按鈕和天然氣探頭等，而生產(chǎn)區(qū)為防爆區(qū)域，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有很高的要求，通常都要求防爆防雨等，涉及的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有可燃?xì)馓筋^，火焰探頭，毒氣探頭和手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕等。

對(duì)于小型海洋平臺(tái)來(lái)說(shuō)，一般把生活區(qū)的所有探頭和手動(dòng)報(bào)警按鈕以及室外的手動(dòng)報(bào)警按鈕等都直接接入控制器的IO模塊，形成一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的火災(zāi)和氣體報(bào)警系統(tǒng)。對(duì)于大型海洋平臺(tái)，因?yàn)槿藛T較多，生活區(qū)較大，如果仍然還采用點(diǎn)到點(diǎn)的方式設(shè)計(jì)則勢(shì)必會(huì)造成巨大的布線工作量和大量的增加成本，所以大型海洋平臺(tái)的火氣系統(tǒng)一般分為兩個(gè)部分：一部分為可尋址盤，所有的室內(nèi)煙溫感和手動(dòng)報(bào)警按鈕等都接入尋址盤并且通過(guò)冗余的通信方式上傳到控制系統(tǒng);火氣系統(tǒng)的另一部分為PLC控制器，所有的室外手動(dòng)報(bào)警按鈕，可燃?xì)馓筋^，火焰探頭等全部接入PLC控制器。尋址盤與PLC之間的通信使用兩條并行的通信總線，現(xiàn)場(chǎng)所有的設(shè)備信號(hào)都統(tǒng)一集中到PLC中進(jìn)行處理。

3 火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

3.1 安全完整性等級(jí)原則

SIL（系統(tǒng)安全等級(jí)）是對(duì)火氣系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的一個(gè)指標(biāo)，通常都要求在SIL2以上，目前我國(guó)建造的新平臺(tái)都要求在SIL3，對(duì)可尋址盤的要求是SIL2.對(duì)于火氣系統(tǒng)的具體的安全性等級(jí)則需要根據(jù)火氣系統(tǒng)所保護(hù)的工藝過(guò)程所需要的安全性等級(jí)來(lái)確定火氣系統(tǒng)的安全性等級(jí)。此外，還要綜合考慮其他的安全措施，比如一些常規(guī)的安全保護(hù)，安全閥等的可靠性。

3.2 中間環(huán)節(jié)最少原則

火氣系統(tǒng)作為一個(gè)高效的控制系統(tǒng)，其控制回路中的中間環(huán)節(jié)必定是最少的，因?yàn)槿绻诳刂苹芈分械闹虚g環(huán)節(jié)越多，系統(tǒng)的可靠性就越差。所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要盡可能的使用最直接最簡(jiǎn)單的測(cè)量方式，盡量避免復(fù)雜和不必要的設(shè)計(jì)。比如在平臺(tái)的危險(xiǎn)區(qū)域在對(duì)火氣探測(cè)設(shè)備的選擇上，盡量選用帶有隔爆技術(shù)的設(shè)備，以避免本質(zhì)安全型設(shè)備中的安全柵對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。在現(xiàn)代平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，盡量都采用易熔塞回路的設(shè)計(jì)，這樣不僅可以節(jié)約成本，還避免了過(guò)多的電氣轉(zhuǎn)換中間環(huán)節(jié)，使在氣動(dòng)信號(hào)能夠緊急狀況下直接動(dòng)作。

3.3 故障安全型原則

火氣系統(tǒng)總是處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的連續(xù)監(jiān)控狀態(tài)，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)意義上的故障安全型的緊急關(guān)斷系統(tǒng)有很大的不同。對(duì)于火氣控制系統(tǒng)中的所有IO來(lái)說(shuō)，都必須具有對(duì)短路和斷路的回路自動(dòng)檢測(cè)功能?；饸庀到y(tǒng)改進(jìn)控制系統(tǒng)中的邏輯運(yùn)算器的軟件和硬件一般都采用冗錯(cuò)或冗余的安全功能結(jié)構(gòu)。

3.4 獨(dú)立設(shè)置原則

根據(jù)對(duì)安全管理的分層描述原理，通常火氣系統(tǒng)與其他系統(tǒng)，例如PCS，ESD等系統(tǒng)是分離設(shè)置的，這樣做的目的是減少各個(gè)系統(tǒng)之間的相互依賴，避免某個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題而影響其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行?；饸庀到y(tǒng)是高于DCS和ESD系統(tǒng)的，即使DCS和ESD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(cè)，并且根據(jù)事故發(fā)生的等級(jí)啟動(dòng)相應(yīng)的消防設(shè)施。通常情況下，火氣系統(tǒng)都是采用獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)接線箱和現(xiàn)場(chǎng)儀表，獨(dú)立的控制柜和防火電纜，并且還設(shè)計(jì)有獨(dú)立的電源冗余系統(tǒng)?；饸庀到y(tǒng)的獨(dú)立性表現(xiàn)在他完全是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，無(wú)論其他系統(tǒng)出現(xiàn)什么樣的故障，都不會(huì)影響到火氣系統(tǒng)，火氣系統(tǒng)仍然能夠正常運(yùn)行。

3.5 安全理念原則

在設(shè)計(jì)火氣系統(tǒng)時(shí)，我們首先要明確一個(gè)科學(xué)，規(guī)范的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)還要結(jié)合整個(gè)工藝過(guò)程，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理，統(tǒng)一高效的系統(tǒng)功能，爭(zhēng)取將所有的安全風(fēng)險(xiǎn)降低到可控的范圍之內(nèi)。由于經(jīng)濟(jì)，技術(shù)等各種原因的限制，絕對(duì)的安全只是一種理想的狀態(tài)，是不存在的，這就需要我們樹(shù)立一個(gè)科學(xué)的安全理念，并將這種理念貫穿于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。

4 火氣系統(tǒng)的升級(jí)改造

4.1 存在的問(wèn)題

圖1 海上B平臺(tái)

如圖1，某海上平臺(tái)（簡(jiǎn)稱B平臺(tái)）于上世紀(jì)90年代中期建成投產(chǎn)，平臺(tái)火氣系統(tǒng)采用美國(guó)GE公司的VersaMax系列PLC。由于當(dāng)時(shí)在建時(shí)技術(shù)限制和設(shè)計(jì)理念等原因，控制系統(tǒng)沒(méi)有采用冗余設(shè)計(jì)，所以造成了B平臺(tái)在CPU出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的火氣系統(tǒng)有時(shí)停止工作的危險(xiǎn)狀況，針對(duì)此種狀況，將原GE PLC更換為西門子s7-300PLC，并且使用西門子軟冗余系統(tǒng)，從而從根本上降低了火氣系統(tǒng)出現(xiàn)意外停機(jī)所帶來(lái)的危險(xiǎn)。冗余系統(tǒng)可以管理以下類型的故障：CPU組件故障;因硬件故障或軟件錯(cuò)誤導(dǎo)致的CPU 故障;冗余連接的總線電纜發(fā)生斷線，或者冗余DP從站接口模塊的總線電纜發(fā)生斷線;冗余DP從站接口模塊IM 153-2上的PROFIBUS模塊故障。

4.2 火氣系統(tǒng)改造方案

圖2單通道分布

由圖2所示，將單通道分布式I/O 安裝在具有冗余IM 153-2 DP 從站接口的ET 200M中，可以增加可用性。DP從站接口模塊具有兩個(gè)DP接口，一個(gè)連接到站A的DP主站系統(tǒng)，而另外一個(gè)連接到站B 的DP 主站系統(tǒng)。這樣，在兩個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)上所實(shí)施的軟冗余將許持續(xù)進(jìn)行容錯(cuò)控制任務(wù)。其中CPU1與CPU2之間應(yīng)用MPI通信協(xié)議進(jìn)行通信，冗余系統(tǒng)1與冗余系統(tǒng)2都連接在同一個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)上，并且與上位機(jī)通信，CPU主站與從站之間應(yīng)用Profibus通訊，模塊與模塊之間用背板總線通訊，并且在從站中加入了若干模擬量模塊和數(shù)字量模塊，使其能夠監(jiān)視火氣系統(tǒng)。

圖3軟冗余系統(tǒng)工作原理

圖3是軟冗余系統(tǒng)的工作原理，主機(jī)站和待機(jī)站上都裝載軟件的容錯(cuò)組件。當(dāng)主機(jī)CPU正在處理程序組件時(shí)，待機(jī)CPU 則跳過(guò)這些程序。 待機(jī)CPU 跳過(guò)程序組件可以防止在兩個(gè)程序組件中出現(xiàn)不一致，例如因報(bào)警、不同周期時(shí)間等而導(dǎo)致的不一致。這意味著待機(jī)站上的程序一直準(zhǔn)備接管程序處理。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)調(diào)試和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試后，升級(jí)后的控制系統(tǒng)完全滿足要求，穩(wěn)定性，可靠性大幅度提升。

本次項(xiàng)目改造應(yīng)用了可靠性和性價(jià)比極高S7-300控制系統(tǒng)，上位機(jī)及火災(zāi)報(bào)警RTU模塊依然使用原有設(shè)備，既滿足海上石油平臺(tái)的各項(xiàng)控制要求，也節(jié)約了大量的新設(shè)備資金，做到了效果與成本的雙贏。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐偉華.火/氣探測(cè)系統(tǒng)與安全儀表技術(shù)[J].自動(dòng)化博覽.2011（S1）：

16-18.

[2] 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(dòng)化.2009（03）：20-22.

[3] 李萍.易燃易爆場(chǎng)所火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的選型及應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化.2005（04）：12-13.

[4] 李季.火氣系統(tǒng)在海上油氣田的應(yīng)用研究[J].儀器儀表用戶.2014

（04）：43-45.

[5] 張亦林.火氣系統(tǒng)在石化裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化.2012

（02）：11-15.

[6] 徐永漢.火氣系統(tǒng)在石化企業(yè)的應(yīng)用策略[J].石油化工自動(dòng)化.2011

（06）：22-24.

[7] 靳俊芳.石油化工企業(yè)中火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析[J].自動(dòng)化與儀器儀表.

2010（05）：105-107.

[8] 靳俊芳.石油化工企業(yè)中火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技傳播.2010（18）：

85-86.

[9] 祝巖青.火氣系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警在西氣東輸二線中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè).2010（S1）：74-75.

[10] 宋志遠(yuǎn).SIL報(bào)告在自控設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化.2009（03）：6-12.

[11] 劉景輝，李俊麗.火氣系統(tǒng)論述[J].石油化工自動(dòng)化.2008（05）：21-24.