海上石油平臺火氣系統研究改進

陳慶文 王黨橋 方占生

摘 要：火災與可燃性氣體的爆炸以及有毒氣體的泄露是當前海上石油平臺各個生產單位都面臨的主要安全威脅，尤其對于地域狹小的海洋平臺，一旦發生火災或者氣體泄露，后果不堪設想。本文主要介紹了火氣系統的結構與定義，火氣系統的功能特點和火氣系統在設計是應遵循的一些原則以及對火氣系統的一些改進。

關鍵詞：火氣系統;設計原則;改進

為了保證平臺人員和設備的安全，需要一個準確，可靠，及時的火氣系統對整個平臺進行實時的監測，對可能發生的事故進行及早的預報并消除，對已經發生的事故進行及時的反應，爭取將事故損失降到最低。

1 火氣系統定義

火氣系統（FGS）是監控火災和可燃有毒氣體泄露事故，并且具備報警和一定滅火功能的安全控制管理系統。火氣系統能夠準確探測火災和氣體泄露的程度和地點，觸發相關的廣播和聲光報警設備，并且根據事故發生的嚴重性等級而確定報警和消防設備控制器輸出的等級，從而避免和控制災難發生，減輕災難對人員和設備造成的傷害以及對環境的影響。

2 海洋平臺火氣系統結構

海洋平臺的火氣系統根據平臺自身特性一般分為兩個部分：生活區和生產區，因為生活區為安全區域，所以對現場的產品沒有特殊的要求，設備種類一般為煙感，溫感，手動報警按鈕和天然氣探頭等，而生產區為防爆區域，對現場設備有很高的要求，通常都要求防爆防雨等，涉及的現場設備有可燃氣探頭，火焰探頭，毒氣探頭和手動火災報警按鈕等。

對于小型海洋平臺來說，一般把生活區的所有探頭和手動報警按鈕以及室外的手動報警按鈕等都直接接入控制器的IO模塊，形成一個點到點的火災和氣體報警系統。對于大型海洋平臺，因為人員較多，生活區較大，如果仍然還采用點到點的方式設計則勢必會造成巨大的布線工作量和大量的增加成本，所以大型海洋平臺的火氣系統一般分為兩個部分：一部分為可尋址盤，所有的室內煙溫感和手動報警按鈕等都接入尋址盤并且通過冗余的通信方式上傳到控制系統;火氣系統的另一部分為PLC控制器，所有的室外手動報警按鈕，可燃氣探頭，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，現場所有的設備信號都統一集中到PLC中進行處理。

3 火氣系統設計原則

3.1 安全完整性等級原則

SIL（系統安全等級）是對火氣系統可靠性評價的一個指標，通常都要求在SIL2以上，目前我國建造的新平臺都要求在SIL3，對可尋址盤的要求是SIL2.對于火氣系統的具體的安全性等級則需要根據火氣系統所保護的工藝過程所需要的安全性等級來確定火氣系統的安全性等級。此外，還要綜合考慮其他的安全措施，比如一些常規的安全保護，安全閥等的可靠性。

3.2 中間環節最少原則

火氣系統作為一個高效的控制系統，其控制回路中的中間環節必定是最少的，因為如果在控制回路中的中間環節越多，系統的可靠性就越差。所以在設計系統時要盡可能的使用最直接最簡單的測量方式，盡量避免復雜和不必要的設計。比如在平臺的危險區域在對火氣探測設備的選擇上，盡量選用帶有隔爆技術的設備，以避免本質安全型設備中的安全柵對整個系統的影響。在現代平臺的設計中，盡量都采用易熔塞回路的設計，這樣不僅可以節約成本，還避免了過多的電氣轉換中間環節，使在氣動信號能夠緊急狀況下直接動作。

3.3 故障安全型原則

火氣系統總是處于一個動態的連續監控狀態，這一點與傳統意義上的故障安全型的緊急關斷系統有很大的不同。對于火氣控制系統中的所有IO來說，都必須具有對短路和斷路的回路自動檢測功能。火氣系統改進控制系統中的邏輯運算器的軟件和硬件一般都采用冗錯或冗余的安全功能結構。

3.4 獨立設置原則

根據對安全管理的分層描述原理，通常火氣系統與其他系統，例如PCS，ESD等系統是分離設置的，這樣做的目的是減少各個系統之間的相互依賴，避免某個系統出現問題而影響其他系統的正常運行。火氣系統是高于DCS和ESD系統的，即使DCS和ESD系統失去作用，火氣系統仍然能夠對氣體泄漏和火災進行檢測，并且根據事故發生的等級啟動相應的消防設施。通常情況下，火氣系統都是采用獨立的現場接線箱和現場儀表，獨立的控制柜和防火電纜，并且還設計有獨立的電源冗余系統。火氣系統的獨立性表現在他完全是一個獨立的系統，無論其他系統出現什么樣的故障，都不會影響到火氣系統，火氣系統仍然能夠正常運行。

3.5 安全理念原則

在設計火氣系統時，我們首先要明確一個科學，規范的設計理念，同時還要結合整個工藝過程，設計出科學合理，統一高效的系統功能，爭取將所有的安全風險降低到可控的范圍之內。由于經濟，技術等各種原因的限制，絕對的安全只是一種理想的狀態，是不存在的，這就需要我們樹立一個科學的安全理念，并將這種理念貫穿于系統設計的整個過程。

4 火氣系統的升級改造

4.1 存在的問題

圖1 海上B平臺

如圖1，某海上平臺（簡稱B平臺）于上世紀90年代中期建成投產，平臺火氣系統采用美國GE公司的VersaMax系列PLC。由于當時在建時技術限制和設計理念等原因，控制系統沒有采用冗余設計，所以造成了B平臺在CPU出現問題時的火氣系統有時停止工作的危險狀況，針對此種狀況，將原GE PLC更換為西門子s7-300PLC，并且使用西門子軟冗余系統，從而從根本上降低了火氣系統出現意外停機所帶來的危險。冗余系統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誤導致的CPU 故障;冗余連接的總線電纜發生斷線，或者冗余DP從站接口模塊的總線電纜發生斷線;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DP接口，一個連接到站A的DP主站系統，而另外一個連接到站B 的DP 主站系統。這樣，在兩個自動化系統上所實施的軟冗余將許持續進行容錯控制任務。其中CPU1與CPU2之間應用MPI通信協議進行通信，冗余系統1與冗余系統2都連接在同一個以太網交換機上，并且與上位機通信，CPU主站與從站之間應用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字量模塊，使其能夠監視火氣系統。

圖3軟冗余系統工作原理

圖3是軟冗余系統的工作原理，主機站和待機站上都裝載軟件的容錯組件。當主機CPU正在處理程序組件時，待機CPU 則跳過這些程序。 待機CPU 跳過程序組件可以防止在兩個程序組件中出現不一致，例如因報警、不同周期時間等而導致的不一致。這意味著待機站上的程序一直準備接管程序處理。

5 結語

經過調試和標準測試后，升級后的控制系統完全滿足要求，穩定性，可靠性大幅度提升。

本次項目改造應用了可靠性和性價比極高S7-300控制系統，上位機及火災報警RTU模塊依然使用原有設備，既滿足海上石油平臺的各項控制要求，也節約了大量的新設備資金，做到了效果與成本的雙贏。

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