海洋平臺修井機火氣系統基本設計

海洋平臺修井機火氣系統基本設計

鄧忠彬,羅小昌,李浩,彭程,吳群英

(中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452)

摘要：為實現修井機發生火災或氣體泄漏時,系統能發出報警信號,及時關閉相關電源和暖通設備,啟動消防設備進行相關處置,同時與平臺中控火氣盤進行通訊、顯示并進行相應處理,開發火氣系統，基本設計包含對火氣系統的組成、功能和接口進行相應的規定，對修井機火氣系統在海洋石油鉆井平臺上推廣使用提出相應的建議。

關鍵詞：火氣系統；FM200自動滅火系統；火災；探測器；

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.002

中圖分類號：U672.7;P752

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0005-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一鄧忠彬(1968-)，男，學士，高級工程師

Abstract:When fire accident or gas leakage happens, the alarm system will discrete sampling, turn of the related power source, heating and ventilation device. It will also contact with the fire control panel of the platform and start the fire control apparatus to deal with the accident. The basic design of fire and gas system includes basic provisions of composing, function and connector of the system. The working principle and basic design of the fire and gas system is introduced, and some suggestions about promoting the use of the fire and gas system of the workover rig on the offshore oil drilling platform are put forward.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋鉆修機設備設計和維保

E-mail:deng_zhongbin@aliyun.com

隨著海洋石油事業的蓬勃發展，對海上石油平臺的安全生產提出了更高的要求，特別是鉆修井設備在作業期間的安全顯得尤為重要。為了保障從業人員生命和財產安全，防止和減少海洋石油生產安全事故，對海洋修井機火氣系統的基本設計進行規范勢在必行。

在海洋平臺修井機的建造中，根據海洋石油平臺消防規范，需配置一套修井機火氣系統以應對該修井機的安全保護問題。保護區域包括：主配電間、應急配電間、變壓器間、司鉆房、值班房、材料房、井口區域、返漿槽區域、泥漿池區域等區域。

1系統組成及工作原理

修井機火氣系統由5部分組成：火氣控制系統(包括控制臺及各種按鈕和燈、UPS電源、PLC及其附屬部件、下位機軟件)、人機界面(含上位機軟件)、探測器部分、報警部分(手動報警站、火氣狀態燈、報警燈鈴)和司鉆火氣盤部分。其中火氣控制系統集中在一個控制臺內,安裝在值班房內。司鉆火氣盤安放在司鉆房內。

修井機火氣系統能實時監控修井機范圍內的硫化氫氣體、可燃氣、煙、熱及火焰等信號的報警，并將信號傳輸回PLC控制系統主機和觸摸屏進行顯示，實現對現場氣體等狀況的實時監測，并將信息同時傳送到中控火氣系統進行顯示和報警。要求能遠程訪問火氣控制系統——觸摸控制顯示一體機。輸入IP地址能夠查看火氣系統軟件畫面。

在遇到火警時，修井機火氣系統進行自動處理，首先對各房間的電源進行自動脫扣，風機、風閘及空調自動脫扣，如果是主配電間、應急配電間或變壓器間發生火災，通知FM200進行滅火準備，30 s后進行有針對性的噴灑。能夠實現對FM200系統的手動釋放、停止及報警確認。如果是其他地方發生火災，給予報警，并通知中控和現場作業人員采取相應的消防措施，啟動消防泵、消防軟管站等消防設備進行滅火[1-2]。

2基本設計

2.1功能設計

修井機需要保護的區域為房間內區域和室外火區。在正常情況下由火氣系統來進行探測房間內和修井機區域的火災和氣體的泄漏情況，由火氣系統自動判斷并采取相應的措施來進行相應的滅火。

在緊急情況下采用手動報警站進行報警，由人工和火氣系統同時采取措施進行相應的措施。

火氣系統應完成如下功能。

1)可燃氣體濃度低報警、高報警和故障。

2)硫化器氣體濃度低報警、高報警和故障。

3)感煙、感溫報警和故障。

4)火焰探測器報警。

5)聲光報警和故障報警。

6)修井機到平臺的硬線信號和RS485信號與平臺通信。

7)平臺到修井機的硬線信號通信。

8)對主配電間、應急間、變壓器間進行FM200自動滅火。

9)對值班房、材料房、司鉆房等房間采用報警、斷電及人工滅火。

10)對井口區域采用啟動消防泵、消防軟管站等消防設備滅火。

火氣系統的控制信號來源為①火氣系統探測器；②手動報警站；③FM200的噴淋信號；④平臺的確認火，確認氣，棄平臺信號。

2.2基本技術指標

1)輸入電壓。AC220 V UPS；電源頻率：50～60 Hz。

2)基本參數。實時顯示現場探測狀態及報警信息。

3)信號類型。開關信號、4～20 mA標準信號。

4)室外探測器防爆等級。≥ExdⅡBT4。

5)室外探測器防護等級。≥IP56。

6)使用溫度。-25～60 ℃。

7)使用濕度。≤90%RH，不凝露。

8)自我診斷功能。故障、正常。

9)安裝方式。操作臺式。

2.3室內探測設備

本修井機屬于電控修井機，共有房間6間：主配電間、應急間、變壓器間、值班房、材料房及司鉆房。室內要求安裝有感煙探測器和感溫探測器進行雙表決，不同的房間采取的動作不一樣，其中主配電間、應急配電間及變壓器間3個用電設備較為集中的區域被列為FM200自動滅火系統的保護對象，該滅火系統設計為全淹沒七氟丙烷自動滅火系統，設計用量按最大保護區域用量計算。其余房間采用脫扣斷電人工滅火方式。

FM200自動滅火系統需設計有一個延時裝置，一般設定30 s。延時階段，即系統啟動到實際釋放時間。在這個時間內，聲光報警發出報警信號，人員應立即疏散，在延時時間內也可通過手動抑制按鈕停止系統釋放。七氟丙烷滅火系統的噴放時間不應大于10 s。 在預設的延時時間之后，七氟丙烷將自動釋放，并將信號傳回到火災盤[3]。室內感煙、感濕同時報警處理方式見表1。

表1　室內火警處理方式

2.4室外探測設備

火氣系統的室外探測設備包括室外探測器和報警裝置。其中室外探測器包含：可燃氣探測器、硫化氫探測器及火焰探測器。報警裝置包含：手動報警站、平臺狀態燈及聲光報警器[4]。

該系統的室外探測設備必須適用于海洋石油平臺特有的現場使用環境，即晝夜環境溫差大、空氣濕度大、鹽霧天氣多發的環境。必須符合海洋石油平臺的區域安全等級劃分和相對應的防爆要求，故要求其滿足海洋環境的使用要求，能夠防水、防塵、防腐及防爆。

2.4.1可燃氣探測器

可燃氣體探測器應安裝在泄漏源附近和可燃氣容易聚積的地方, 以保證能探測到輕于空氣和重于空氣的可燃氣體。安裝位置至少應包含以下區域：轉盤上方、喇叭口、泥漿返回槽、泥漿池及主配電間進風口等位置。當探測到的可燃性氣體其質量濃度達到爆炸下限的20%時,火氣盤應進行連續的聲、光報警; 質量濃度達到爆炸下限的50%時進行聲、光報警和相應電源的關斷, 并在火氣盤上顯示出事故發生的位置[5]。

2.4.2硫化氫探測器

硫化氫探測器應安裝在泄漏源附近和硫化氫容易聚積的地方。安裝位置至少應包含以下區域：轉盤上方、喇叭口、泥漿返回槽、泥漿池及值班房的進風口等位置；當探測到的硫化氫的質量濃度超過15 mg/m3(10 ppm)時，火氣系統應產生聲光報警；當質量濃度達到20 mg/ m3時，火氣系統同時發出聲光報警和硫化氫泄漏報警[6]。

2.4.3火焰探測器

火焰探測器主要安裝在鉆臺兩側，正對井口，一旦井口有火，應立即報警并通知平臺方啟動消防泵、啟動消防軟管站及消防水龍帶進行滅火。火焰探測器應能探測明火產生的多光譜紅外光，輸出火警信號，使火氣系統產生報警。

2.5火氣盤狀態

火氣盤的狀態應包含火氣系統一切可能的狀態，讓值班人員在短時間內對火氣盤的狀態進行識別并作出判斷。設計應至少包含以下狀態：系統正常(綠色)、火警(紅色)、可燃氣泄漏(紅色)、硫化氫泄漏(紅色)、故障報警(黃色)、修井機主電關斷(藍色)、信號旁通、公共報警器、消音及復位等。

2.6司鉆火氣盤

司鉆火氣盤設計主要考慮到司鉆應了解和掌握修井機的火氣狀態。以便及時采取相應的措施進行應急處置。能夠監視修井機區域內的所有探測器的運行、報警狀態。如發生設備故障、硫化氫泄漏、可燃氣泄漏及火災報警，該火氣盤能及時顯示并報警。該系統的信號來自于值班房內火氣控制系統。在某些特殊情況或突發險情的情況下具備修井機系統主電關斷的能力。

司鉆火氣盤應包含下列指示燈和按鈕：正常(綠色)、火警(紅色)、可燃氣報警燈(紅色)、硫化氫報警燈(紅色)、故障報警(黃色)、修井機主電關斷按鈕(綠色)。

2.7對外信號接口

火氣系統對外接口也是最為關鍵的一環，因此火氣探測系統的接口設計非常關鍵，包括修井機到平臺硬線信號接口、修井機到平臺485接口、平臺到修井機信號接口、脫扣信號、與FM200的接口及網絡LAN接口。一方面產生報警給平臺，以便平臺采取一定的措施。另一方面采取滅火措施。為了便于維修，要求分開設計火氣探測系統和FM200系統。火氣探測系統專門進行火災探測和報警并將火災信號傳輸給FM200滅火系統，FM200滅火系統專門負責進行滅火。

2.7.1修井機到平臺信號接口

修井機到平臺火氣系統的信號接口分為硬線信號和RS485信號。其中硬線信號包括：火警確認、可燃氣泄露確認、硫化氫泄露確認、請求啟動消防泵、關斷修井機主電源和公共報警信號；485信號包含兩組互為備份的RS485通信信號。

2.7.2平臺到修井機信號接口

平臺到修井機的信號接口包括平臺火警確認、平臺確認可燃氣泄露、棄平臺確認3個信號。

2.7.3與FM200的接口

FM200與火氣探測系統的接口共有9個信號本方案接口共有9組信號需要進行實時傳輸。包括：火氣探測系統到FM200的信號(6組信號)：主配電間、變壓器間及應急間等3個區域的火警信號；主配電間、變壓器間及應急間等3個區域的30 s延遲火警信號(釋放信號)；FM200到火氣探測系統的反饋信號(3組)：主配電間、變壓器間及應急間等3個區域的噴淋信號。

2.7.4脫扣信號的接口

脫扣信號的設計原則主要是根據火災所在的位置的不同產生相應的脫扣操作。脫扣信號分類如下：690息V電源脫扣、正常400量V電源脫扣、正常230 V電源脫扣、應急400 V電源脫扣、應急230 V電源脫扣、ups230 V電源脫扣和(風機、風閘、空調)電源脫扣。

2.7.5網絡LAN接口

網絡LAN接口與火氣盤內的網絡交換機相連，通過遠程訪問火氣系統的實時工作狀態[6]。

2.8軟件設計

火氣控制系統軟件包括PLC下位機軟件、修井機火氣控制系統軟件(上位機)、修井機遠程火氣控制系統軟件(第3方通訊軟件)。修井機火氣控制系統需向第3方提供通訊協議(RS485)。

2.8.1PLC下位機軟件

PLC下位機軟件要求最少能提供46個采集點的數據，包含火警、氣體等參數。負責探測修井機相關區域的任一探測器(硫化氫、可燃氣、煙、熱及火焰等)信號并進行相應的處理，同時將信號傳輸到火氣系統主機實現對現場氣體等狀況的實時監測。

2.8.2火氣控制系統 (上位機HMI) 軟件

為確保項目的統一性和可靠性，要求上位機和下位機軟件廠商保持一致。軟件應包含以下內容。

1)人機界面。火氣監控(頂甲板布置圖、鉆臺布置圖及中層甲板布置圖)、報警查詢(記錄歷史報警)、參數設置及信號旁通等多種狀態監控畫面。

2)火氣系統布局圖。包括火氣盤柜、探測器、平臺中控及FM200等單線布局圖。

3)所有參數實時聲光報警，可任意設置報警門限。

4)可實時監控各種參數曲線可實時顯示、存儲。存儲記錄時間可選。

5)與中控火氣系統軟件進行通信，給出通信協議。

6)與FM200滅火系統進行通信。

7)鉆臺布置圖畫面。包括鉆臺火氣系統所有的探測器的布局、顯示、報警。

8)中層甲板布置畫面。包括中層甲板附近火氣系統所有的探測器的布局、顯示及報警。

9)頂甲板布置圖畫面。包括配電間、變壓器間、材料房及值班室附近火氣系統所有的探測器的布局、顯示、報警。配電間、變壓器間的噴淋狀態。

10)參數設置。包括各個參數的標定數據，報警設置、通信參數設置及信號旁通等。

11)能進行故障、火警及氣體泄漏報警，并根據因果圖進行相應的處理。

12)信號旁通。包括硬旁通和軟旁通。所有探測設備均能進行信號旁通。

13)系統必須具備自我診斷功能，能自動識別探測器故障、正常兩種狀態。

2.8.3修井機遠程火氣控制系統軟件

修井機遠程火氣控制系統軟件安裝在中控室監控電腦上。通過RS485與修井機火氣系統監控系統軟件相連并進行實時通訊。

修井機遠程火氣控制系統軟件要求具備火氣控制系統軟件的所有功能。還應具備遠程傳輸數據的所有功能。在中控室內運行該軟件能實施查看修井機火氣系統的各種火氣的參數。包括報警、故障等。可實時監控，聲光報警，遠程顯示、查詢及打印歷史報警記錄。

3結論

海洋修井機火氣系統性能的優劣在很大程度上取決于系統的基本設計。本方案中系統基本設計充分考慮了現場的實際情況，采用了自動控制和手動控制的雙重控制模式，使得火氣系統的優勢充分發揮。根據本設計制作出的產品在實際應用過程中效果非常好，能實時對修井機區域的火災和氣體泄漏進行監控，實現了對修井機系統的安全進行了全面地保護。綜上所述，修井機火氣系統是一款適用于海洋平臺鉆修機使用的安全監測系統，值得在海洋石油平臺上推廣使用。

參考文獻

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The Basic Design of the Fire and Gas System for Workover Rig

DENG Zhong-bin. LUO Xiao-chang, LI Hao, PENG Cheng, WU Qun-ying

(CNOOC Energy Development Equipment Technology Co. Ltd, Tianjin 300452, China)

Key words: fire and gas system; FM200 automatic fire extinguishing system; fire; detector