浮式天然氣控制及安全系統設計

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）是將天然氣進行液化工藝處理后運輸到世界各地的設施，已經成為世界海洋油氣領域研究的熱點，正處于穩步增長的發展趨勢。

1 FLNG概述

FLNG 上部組塊完成對原料氣的液化處理和再氣化處理，由以下4 個部分組成：

（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、重烴分離單元、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、火炬系統、空壓站、除鹽水站。

（3）輔助生產設施，包括發電設施、變電所。

（4）船體部分空間負責存儲及卸載液化天然氣，包括液貨存儲及卸載系統、HVAC 系統和系泊系統。

2 FLNG的控制及安全系統介紹

為了便于集中控制和管理，結合先進的FLNG 船的控制系統技術，惠生海工在FLNG 中設計了一套集成式的控制及安全儀表保護系統（本文章簡稱“ICSS”）來實現整個FLNG 的自動化及智能化控制。

中心控制室位于生活樓區域，占地規格6m×20m，設置操作員站、工程師站、輔操臺、CCTV 監控中心、火災報警、航行指示系統、海事對講、其他設備包的工程師站、貿易計量操作及工程師站。FLNG 分別在上部模塊的E- House 二層和船體主甲板下設置主機柜室（CCIOR），放置船體部分及工藝模塊中的控制機柜、IO 柜、電源分配柜及設備包的控制機柜等設施。

ICSS 主要由過程控制系統（PCS）、安全儀表系統（SIS）（包括應急切斷系統ESD）和火氣系統（FGS）、其他輔助系統、操作員站、工程師站和服務器等構成。FLNG 的控制系統主要以中控系統ICSS 為核心，對整個FLNG 設施上的所有上部工藝模塊、船體部分、公用工程部分、各設備包的控制系統等實施報警、監測和控制。FLNG 存在火災、爆炸、其他泄漏以及設備故障等多個方面的危險隱患，因此在FLNG 的控制系統設計時，必須以安全控制系統的設計為重點。

惠生海工2017 年ICSS 系統網絡拓撲圖見圖1。

圖1 惠生海工2017 年設計的ICSS 系統網絡拓撲圖

在ICSS 設計中，有關網絡架構及安全的設計需要考慮以下幾點：

SIS 和FGS 的網絡是安全控制網，與PCS 的控制網絡分隔開;各系統和控制網絡冗余;用戶和計算機嚴格控制和設定并網權限;網絡間設置完整防火墻;設置入侵防御系統;控制無線通信權限;確保第三方通信安全;完整的網絡安全方案包括硬件、操作吸引、病毒防護和數據備份與恢復。

2.1 PCS

PCS 包括過程控制層、操作監控層和數據服務層構成，包括控制站、操作站、工程師站和應用服務器等。

FLNG 的主要操作和生產管理均位于中心控制室，PCS 可以對FLNG 的各工藝模塊及船體部分進行實時控制、操作和監視，完成數據采集、信息處理、過程控制、過程報警等功能。裝置生產操作、原料及產品計量、產品質量的所有信息全部在中心控制室內的PCS上顯示，主要機泵設備及BOG、MR 壓縮機的運行狀態也可以在PCS 畫面上顯示。

出現方向盤震抖和前輪搖頭現象，主要是前輪定位不當，主銷后傾角過小所致。在沒有儀器檢測的情況下，應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，再加大主銷后傾角，試運行后即可恢復正常。

中心控制室設置工程師站用于組態維護、故障診斷等工作。設置公共的硬件平臺及以太網接口，用于連接信息管理系統。其他各類控制（如壓縮機控制系統、電力管理系統等）均通過通訊方式與PCS 聯系，將監控信號送至PCS 中。其他各類控制系統時鐘以PCS 系統時鐘為基準，PCS 可以設置FLNG 網絡和設備的時鐘同步，用于各系統之間的時鐘同步。

2.2 SIS

FLNG 涉及的液化氣體和可燃氣體存在爆炸、火災及設備故障等安全隱患，會危及整個FLNG 及工作人員的安全，需要配備獨立的SIS 及應急切斷措施。

RD102- 標準化項目要求SIS 應取得IEC 61508 SIL3 或TüV 認證，所有設備和部件應相應具備雙重、三重或四重化冗余、容錯結構。根據LOPA 分析及SIL等級計算，SIS 分為4 層級保護，可以阻斷隔離非正常因素干擾正常的生產和安全，通過輔助操作臺上的報警器、開關、按鈕裝置完成報警顯示和應急操作。FLNG項目一般選用同一品牌的SIS 和分散控制系統（DCS），采用ICSS 實現平臺共享。

2.3 FGS

在可能泄露或聚集可燃氣體的地方，設置可燃氣體檢測變送器，將信號送至FGS。FGS 的主要設計原則為檢測有無可燃氣體的存在; 檢測有無實際的已燃燒的火焰或煙氣;檢測LNG 的泄漏;提供自動或手動的便利方法以觸發火災報警系統動作; 根據需要觸發聲光報警以提示火災或氣體泄漏的發生; 執行相應的控制和聯鎖邏輯; 將相關的報警信息傳遞給PCS 指示、報警、記錄;通過順序事件記錄功能（SOE）捕捉相關事件信息;與現場廣播系統和視頻監視系統聯動。

FGS 在中心控制室集中指示報警。FGS 與SIS 不同，FGS 在正常工作狀態不帶電或處于常開的操作模式，其IO 回路應具備斷線檢測功能。

2.4 完整性壓力保護系統

在FLNG 上部模塊的進氣裝置中設置完整性壓力保護系統（HIPPS），可以及時阻斷引起天然氣輸入到上部模塊進行液化處理時的超壓，保護下游工藝設備及裝置，減少對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，每臺變送器均有SIL3 認證。

（2）HIPPS 控制器。采用固態邏輯控制器，通過SIL4 認證；CPU 四重化結構的控制系統通過SIL4 認證；單個控制器通過SIL3 認證。

（3）緊急切斷閥。采用串聯的兩臺緊急切斷閥，每臺閥門通過SIL3 認證；閥門執行機構自帶動力源，配置冗余的控制電磁閥。

信號輸入單元采用3 臺壓力變送器2oo3（3 選2）表決，中間信號邏輯處理單元采用智能診斷及容錯冗余結構設計，終端信號邏輯執行設備單元采用2 臺關斷閥，在管線上和控制器串聯，2 臺電磁閥在儀表氣源管路上串聯。該結構經過高可靠性選型配置和第三方權威機構專業計算及相關測試和整體系統TUV 認證，保證整套HIPPS 撬塊取得SIL3 認證，可以提供智能診斷，具備高可靠性及容錯性。

2.5 其他輔助系統

2.5.1 儀表設備管理系統

FLNG 項目對儀表及設備的安全可靠性要求很高，需要能夠及時有效地預防設備及儀表故障產生危害。因此，儀表設備管理系統（AMS）采用4～20mA 標準信號疊加HART 7 協議的儀表變送器及調節閥執行機構，進行維護、校驗和故障診斷，使維修團隊輕松監控現場設備的健康狀態。現場安裝時，AMS 設備管理器和DCS 控制系統協作，在集成操作環境中提供無縫用戶界面。可以使用單個、一體化應用程序管理現場的所有設備，通過預測診斷信息，獲得全面的資產管理能力。

2.5.2 壓縮機控制系統

FLNG 的液化上部工藝模塊包括BOG 和MR 壓縮機，因此需要設置壓縮機控制系統（CCS），完成透平/壓縮機組的調速控制、防喘振控制、負荷控制及安全聯鎖保護等功能，并與裝置的DCS 進行通訊，使操作人員能夠通過DCS 對機組進行監視和控制。CCS 采用雙重化或三重化冗余、容錯系統，其控制站和操作站設置在中心控制室。

2.5.3 設備狀態監測系統

整個浮式天然氣船舶及上部液化工藝模塊裝置中會有一些動設備，如汽輪機、壓縮機、機泵等旋轉設備，設備故障會影響生產，危及整個FLNG 裝置的安全。為了減少這些危害，必須通過設備狀態監測系統（MMS）對主要動設備參數進行在線監視，同時對動設備的性能進行分析和診斷，為動設備的故障預測維護進行有力的支持。重要動設備的主要運行參數，包括軸振動、軸位移等將直接送至MMS。操作人員可以在MMS 系統中直接讀取動設備參數，對設備的運行性能進行在線診斷分析。

3 FLNG自動控制水平的未來發展趨勢

隨著現代通信與信息技術、計算計網絡技術、智能控制技術的發展，FLNG 將結合自身特點，不斷突破技術瓶頸，實現智能化FLNG 工廠的構建。

智能化FLNG 工廠增設先進的自動控制及實時優化技術，運用智能設備管理、智能生產調度管理、報警系統管理等手段提高運營生產效率和安全穩定性，降低OPEX（Operating Expense）；智能化FLNG 工廠可以建立遠程運營中心，挖掘數據潛能，實現預測性維護與遠程運維支持，減少非計劃停車。

4 結語

海工項目特別是FLNG 對安全性、可靠性和生產管理高效性需求很高，海上臺風和其他自然環境比較惡劣，存在不可預知性。依據現有技術限制、安全和應急響應處置原則要求、冗余控制要求等因素的影響，在設計需要綜合平衡考慮效率、安全和智能化程度的權重，必須滿足國際海事規范規則。