火氣保護系統在海洋石油陸岸終端的應用

高彥平，陳國亮

（中海石油（中國）有限公司崖城作業公司，廣東深圳 518067）

0 前言

海洋石油油氣田生產平臺和路岸終端處理廠以其特殊環境場所決定了火災和氣體報警系統（F/G）功能設計必須可靠完整，在火災和可燃性氣體泄漏以及有毒氣泄漏的情況下，能準確及時探測火災和氣體泄漏的程度和事故地點，觸發相關的廣播和聲光報警設備[1]，并且根據事故發生的嚴重性等級確定報警和關斷輸出等級，從而控制和避免災難的發生，以防止對生產設備和人員的傷害及對環境的影響等，因而控制系統本身設計必須遵循故障安全（Fail to Safe）的原則，整個系統硬件和軟件的可靠性要求都很高?；饸庀到y有一個可靠性評價指標SIL（安全完整性等級）[2]，海洋石油油氣田生產平臺和路岸終端處理廠火氣保護系統設計均需要進行可靠性、完整性評價。

1 某海洋石油陸岸終端火氣系統的構成及特點

1.1 火氣保護系統可靠性、完整性評價等級結構

海洋石油油氣田開發生產活動中，油類、烴類可燃物和有毒有害介質泄漏為主要危險因素，均存放在壓力容器中。正常情況下，壓力容器均在DCS的實時自動化控制之中，當出現壓力波動時，DCS會自動調節控制。一旦DCS失效，壓力容器會超壓，此時FPS（設備保護系統）會采取單元關斷、生產關斷和緊急關斷三級關斷，確保生產設備超壓進一步惡化。當FPS系統失效后，壓力容器內的壓力進一步升高，壓力安全閥會起跳，將超壓介質排放至火炬，避免壓容損壞。更極端情況為壓力安全閥失效或不能泄放超壓介質，已經造成壓力容器損壞，油類、烴類可燃物和有毒有害介質泄漏，此時火氣保護系統探測到這類危險因素，觸發各類邏輯動作，輸出聲光報警，消防噴淋等。圖1為分層保護安全機制圖[3]。

1.2 火氣保護系統網絡結構

火氣保護系統結構同普通控制系統并無區別，為了便于事故定位和維護，火氣系統核心控制器為擅長邏輯運算的PLC，現場控制盤上設有各級觸發動作按鈕和上位顯示屏，用于對整個設施的火災和氣體泄漏的監控。同時系統還將火氣系統的信息送往中控室的 DCS[4]，由操作員負責系統的實時監視。不同廠家的系統控制器產品之間構建通信，增強了系統的可靠性，但不同網絡通信協議之間需要類似網關類產品KE模塊進行轉換（圖2）。

圖1 分層保護安全機制

圖2 某海上油氣田火控盤網絡結構

2 各分系統及功能

2.1 火控盤輸入輸出探測器

海洋石油油氣田火氣保護系統輸入設備有火焰探測器、可燃氣探測器、硫化氫探測器、熱探測器、煙霧探測器和應急按鈕站[5]，輸出設備有聲音廣播、報警燈、噴淋閥和各級關斷信號?；鹂乇P輸入輸出設備見圖3。

2.2 智能輸入探測器

海洋石油油氣田陸岸終端分生產區和非生產區，生產區采用價格昂貴的智能探測器作為火氣保護系統的輸入設備，主要是火焰探測器和氣體探測器[6]，氣探測器又分為可燃氣探測器和有毒氣探測器。智能探測器傳輸4～20 mA模擬信號進入PLC模擬卡件，如表1所示，PLC通過模擬量電流值來判斷探測器的狀態，進而進行程序邏輯運算，得到相應的輸出指令。當探測器處于故障狀態時，中央控制室會第一時間收到相應故障報警，通知維修班組做好維修計劃，大大提高了火控系統的有效性。這類探測器有UV/IR火焰探頭，可燃氣探頭，硫化氫探頭等。

圖3 火控盤輸入輸出設備

表1 探測器狀態（以電流值表示）

2.3 非智能輸入探測器

非生產區，倉庫，生活區輸入探測器一般采用價格便宜的非智能輸入探測器，這類探測器傳輸離散信號到PLC的離散輸入卡件，離散信號或為0 V DC或為24 V DC。這類探測器有熱探測器、煙霧探測器和應急按鈕站等。此類非智能輸入探測器的缺點是，當正常信號為0 V DC時，回路出現斷路故障，探測器將失效，而且不被系統發現，當正常信號為24 V DC時，回路出現短路故障，探測器將失效，而且也不被系統發現。為了解決這一問題需要設計監督電路，徹底解決非智能探測器的失效不被系統發現問題。

3 火控盤非智能輸入設備監督電路系統

3.1 非智能探測器原電路設計

非智能探測器傳輸離散信號到PLC的離散輸入卡件，離散信號或為0 VDC或為24 VDC。這類探測器有熱探測器、煙霧探測器和應急按鈕站等。一般設計電路圖如圖4所示，當熱探測器檢測到報警溫度時，熱探測器內部電路閉合，控制PLC輸入卡件對應點位I：2/14得電，PLC程序對應點位為“1”，進而邏輯運算后輸出相應聲光報警或關斷信號。

圖4 非智能探測器原電路

圖5 非智能探測器監督電路

3.2 非智能探測器監督電路設計

某海洋石油油氣田終端處理廠火氣保護系統對非智能探測器設計了故障失效檢測系統，即監督電路，此系統是西門子廠家的Pyrotronics System 3系列檢測系統。該系統主要由監督電路（主控制模塊），故障警報模塊和繼電器模塊構成（圖5）。監督電路和PLC控制電路分離，由繼電器模塊轉換信號，現場探頭電路接入監督電路。正常情況下，監督電路發出的交流電流信號經由探測器上所安裝的終端電阻或電容構成閉合電路，當此閉合電路出現斷路短路時，監督電路會檢測到故障信號，繼而發出故障信號至火氣保護系統，中央控制室會第一時間收到相應故障報警，通知維修班組做好維修計劃，大大提高了火控系統的有效性。當熱探測器檢測到報警溫度時，熱探測器內部電路閉合，安裝在熱探測器上的終端電阻或電容將被旁通，繼電器模塊將收到信號，觸發PLC控制電路，控制PLC輸入卡件對應點位I：2/14得電，PLC程序對應點位為“1”，進而邏輯運算后輸出相應聲光報警或關斷信號。探測器有單個連接和多個并聯連接兩種方式，只要滿足終端電阻或電容安裝在電纜最遠端探測器上，均能起到監督電路。

4 小結

海洋石油油氣田陸岸終端火氣保護系統在其完整的結構下，具備實時監控火災和可燃氣體、有毒氣泄漏事故的能力，具備報警和消防滅火功能。探測器設備的布置，科學合理，覆蓋了海上油氣田陸岸終端生產區和生活區，同時精準可靠的性能，降低了火氣保護系統的故障率。火氣保護系統控制器采用PLC，使用方便，編程簡單，功能強大，可靠性高，抗干擾能力強。消防設備布局合理，結構完整，功能齊全。作為設備保護系統的重要組成部分，海洋石油油氣田陸岸終端火氣保護系統將為海上生產設備和人員安全保駕護航，能勝任海洋石油平臺的安全生產的需要。

［1］張峰，馮傳令.火氣系統在海洋石油工業中的應用研究［J］.石油化工自動化，2009,20（3）：20-22.

［2］劉健，崔正清，任天冀，等.海洋石油平臺可燃氣探頭選型淺析［J］.儀表儀器用戶，2012（3）：86-87.

［3］劉景輝, 李俊麗.火氣系統論述［J］.石油化工自動化.2008（5）：22-24.

［4］李季.火氣系統在海上油氣田的應用研究［J］.儀表儀器用戶，2014（4）：47-49.

［5］黃菲菲.浮式生產儲油船（FPSO）火災和可燃氣探測系統的設計及優化改進［J］.船舶電氣，2005，8：30-35.

［6］徐偉華.火/氣探測器系統與安全儀表技術［J］.自動化博覽，2011（1）：24-26.