海上油氣平臺(tái)火焰探測器覆蓋率分析與優(yōu)化布置研究

平洋

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海上油氣平臺(tái)生產(chǎn)中涉及大量的原油輸入輸出，并伴生大量的烴類氣體，因此必須使用火焰探測設(shè)備監(jiān)測潛在的危險(xiǎn)區(qū)域的火災(zāi)，并通過啟動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警、關(guān)斷和消防系統(tǒng)來保證人身、財(cái)產(chǎn)和生產(chǎn)設(shè)施的安全[1]。目前，火焰探測器的布置主要依據(jù)工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)采取定性布置，尚無明確的定量分析和布置方法。

本文以海上油氣平臺(tái)油氣生產(chǎn)區(qū)域典型工況的火焰探測器布置為例，分析不同探測器數(shù)量和定位條件下的典型油氣生產(chǎn)設(shè)備單元區(qū)域的火焰探測器布置覆蓋率，并在該基礎(chǔ)上優(yōu)化火焰探測器的布置方法，編制適用于不同面積區(qū)域的火焰探測器布置方式推薦表，包括推薦數(shù)量和推薦布置位置，為火焰探測器量化布置方法的進(jìn)一步研究提供參考和依據(jù)，更加科學(xué)、合理和高效地監(jiān)測早期火災(zāi)的產(chǎn)生，有效節(jié)約成本，保證平臺(tái)的生產(chǎn)安全。

1 火焰探測器表決機(jī)制

火焰探測系統(tǒng)的主要目的是以最快的速度檢測到火災(zāi)的發(fā)生，根據(jù)探測器設(shè)定的輻射能量大小的報(bào)警值，使報(bào)警信號(hào)傳至控制器進(jìn)行邏輯表決，進(jìn)而引起相應(yīng)的消防和關(guān)斷動(dòng)作。

在海上油氣田平臺(tái)正常生產(chǎn)過程中，既需要對(duì)火災(zāi)進(jìn)行快速響應(yīng)，防止火災(zāi)擴(kuò)大發(fā)生的安全事故，也需要防止誤動(dòng)作，造成生產(chǎn)誤關(guān)停，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。為了提高火焰探測的可靠性及魯棒性，需要保證探測器的冗余，并在火焰探測器的觸發(fā)動(dòng)作中引入表決機(jī)制。

表決機(jī)制是指在一個(gè)探測區(qū)域內(nèi)，多個(gè)火焰探測器同時(shí)達(dá)到報(bào)警條件，才能觸發(fā)中心控制室中控制器相關(guān)動(dòng)作；單個(gè)火焰探測器僅引起控制器報(bào)警，不觸發(fā)其他相關(guān)動(dòng)作。

目前，海洋平臺(tái)火焰探測器常用的表決機(jī)制如下：

1)單個(gè)火焰探測器報(bào)警，只報(bào)警并不觸發(fā)動(dòng)作。

2)當(dāng)2個(gè)火焰探測器同時(shí)報(bào)警時(shí)，觸發(fā)中心控制室中控制器相關(guān)動(dòng)作。

3)相同探測區(qū)域內(nèi)的火焰探測器進(jìn)行表決，不同探測區(qū)域內(nèi)的探測器不能在一起進(jìn)行表決。

4)不同工況下表決機(jī)制。當(dāng)1個(gè)探測區(qū)域內(nèi)有2個(gè)探測器，進(jìn)行“2oo2”表決，如果其中1個(gè)探測器發(fā)生故障或者維修旁通時(shí)，應(yīng)進(jìn)行“1oo1”表決。當(dāng)1個(gè)探測區(qū)域內(nèi)有N個(gè)探測器(N≥3)，進(jìn)行“2ooN”表決，如果其中1個(gè)探測器發(fā)生或者維修旁通時(shí)，應(yīng)進(jìn)行“2oo(N-1)”表決；如果N-1個(gè)探測器發(fā)生或者維修旁通時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行“1oo1”表決。

2 火焰探測器覆蓋率分析

2.1 研究區(qū)域選取

海上油氣田平臺(tái)是由眾多工藝裝置組成的，按照區(qū)域的危險(xiǎn)程度，危險(xiǎn)物質(zhì)的分類，工藝的分類或者物理位置的不同，可以將平臺(tái)分割成多個(gè)單元區(qū)域。海上油氣田平臺(tái)一般有井口區(qū)、工藝生產(chǎn)區(qū)和公用設(shè)備區(qū)等，本次研究主要以危險(xiǎn)性較高的烴類處理區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象。根據(jù)GP 30-85Guidanceonpracticeforfireandgasdetection[2]，主要分為以下兩種區(qū)域：

1)B類區(qū)域。烴類處理設(shè)備區(qū)域周圍火災(zāi)可能造成嚴(yán)重后果的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)火災(zāi)的引發(fā)和擴(kuò)大可能是以下一個(gè)或幾個(gè)因素的組合：燃料，例如：來自壓縮機(jī)的高壓氣體或泄漏遏制區(qū)域內(nèi)的大量易燃液體；確認(rèn)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，例如：小口徑的管道系統(tǒng)或單密封的泵或壓縮機(jī)；潛在的可能會(huì)升級(jí)到更嚴(yán)重的后果。

2)C類區(qū)域。存在潛在危險(xiǎn)設(shè)備的周圍區(qū)域，這些區(qū)域與上述區(qū)域相比是更不敏感的烴類處理區(qū)域，但這些區(qū)域也需要進(jìn)行保護(hù)。

2.2 火焰探測器的有效距離

火災(zāi)探測敏感度等級(jí)是以熱輻射(RHO)的形式定義，單位為kW。RHO能夠評(píng)估可能發(fā)生火災(zāi)的嚴(yán)重后果。高風(fēng)險(xiǎn)火災(zāi)區(qū)域就需要較高的火災(zāi)探測靈敏度等級(jí)，需要探測到的火焰就應(yīng)該更小。目前，全球大多數(shù)的火焰探測器都根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)FM-3260Radiantenergy-sensingfiredetectorsforautomaticfirealarmsignaling[3]進(jìn)行測試和認(rèn)證，根據(jù)測試要求，需要使用不同的燃料來測試火焰探測器的探測距離和響應(yīng)時(shí)間，其中0.1 m2正庚烷火焰測試得到的火焰探測器探測范圍是最常用的。

在火焰探測器覆蓋率分析的工程實(shí)踐中，需要將B類和C類區(qū)域中能夠產(chǎn)生報(bào)警和控制動(dòng)作所需要的火災(zāi)最小RHO值，等效為火焰探測器的探測距離并進(jìn)行定量的分析。根據(jù)GP 30-85中的規(guī)定，B類和C類區(qū)域中接受的最大探測距離見表1所列。

表1中，D是火焰探測器的有效探測距離，計(jì)算如式(1)所示：

D=X×F1×F2×F3

(1)

式中：X——根據(jù)FM 3260測試標(biāo)準(zhǔn)理想狀態(tài)下對(duì)0.1 m2正庚烷火焰的探測距離；F1——為了減少誤報(bào)警而降低靈敏度等級(jí)的系數(shù)；F2——由于光學(xué)污染而造成靈敏度降低的系數(shù)；F3——由于偏離探測視野的中心線造成靈敏度降低的系數(shù)。

在某型號(hào)產(chǎn)品手冊中可以查到，紅外火焰探測器在理想狀態(tài)下對(duì)0.1 m2正庚烷火焰的探測距離為30 m，火焰探測器設(shè)定為中等靈敏度。取F1=0.8，F(xiàn)2=0.75，則F3的值默認(rèn)為0.9，所以，某型號(hào)火焰探測器的D=30×0.8×0.75×0.9=16.2(m)。

根據(jù)國外石油公司的工程實(shí)踐，采用保守考慮，同時(shí)參考目前主流的火焰探測器產(chǎn)品性能，本文中的火焰探測器覆蓋率分析按照B類和C類區(qū)域工程應(yīng)用中最大探測距離進(jìn)行分析，見表2所列。

表2 B類和C類區(qū)域工程應(yīng)用中最大探測距離 m

2.3 火焰探測器覆蓋率分析方法

按照行業(yè)慣例，對(duì)于B類和C類區(qū)域來說，其火焰探測器覆蓋率的目標(biāo)需分別達(dá)到80%和70%(2ooN)；達(dá)到報(bào)警目標(biāo)的覆蓋率要超過90%(1ooN)。以B類區(qū)域?yàn)槔鹧嫣綔y器探測效果等級(jí)如圖1所示。

圖1 火焰探測器探測效果等級(jí)示意

圖1中，區(qū)域1(S1)和區(qū)域2(S2)為能夠同時(shí)滿足報(bào)警和控制動(dòng)作的區(qū)域；區(qū)域3(S3)為能夠滿足報(bào)警，不能滿足控制動(dòng)作的區(qū)域；區(qū)域4(S4)為不能滿足報(bào)警，但能夠滿足大火條件下控制動(dòng)作的區(qū)域；區(qū)域5(S5)為對(duì)于報(bào)警和控制動(dòng)作都不能滿足的區(qū)域。圖1中顯示了2個(gè)火焰探測器的覆蓋范圍。對(duì)于B類區(qū)域的探測效果，要求能夠?qū)彷椛漭^小的火焰(10 kW)產(chǎn)生報(bào)警，對(duì)熱輻射較大的火焰(50 kW)產(chǎn)生確認(rèn)(2ooN)表決的控制動(dòng)作，通過覆蓋區(qū)域分析得出B類區(qū)域火焰探測器的探測效果見表3所列。

設(shè)S為探測區(qū)域總面積，則不同區(qū)域的火焰探測器覆蓋率計(jì)算可參照式(2)～式(4)的計(jì)算公式。

控制動(dòng)作區(qū)域的覆蓋率V1如式(2)所示：

V1=(S1+S3)/S

(2)

報(bào)警動(dòng)作區(qū)域的覆蓋率V2如式(3)所示：

V2=(S1+S2)/S

(3)

探測盲區(qū)的覆蓋率V3如式(4)所示：

V3=S4/S

(4)

表3 B類區(qū)域火焰探測器的探測效果

2.4 典型區(qū)域火焰探測器覆蓋率分析

選取某海洋平臺(tái)典型危險(xiǎn)區(qū)域原油一級(jí)分離器為例，對(duì)其進(jìn)行火焰探測器布置的合理性分析。該危險(xiǎn)區(qū)域長為40 m，寬為14 m，為典型的B類設(shè)備區(qū)域，如圖2所示。

1)方案一。在該區(qū)域內(nèi)布置2個(gè)火焰探測器，在不改變探測器的布置數(shù)量、探測器表決機(jī)制的原則下，對(duì)探測的位置進(jìn)行了重新布置調(diào)整，以期獲得更佳的覆蓋性能。通過優(yōu)化布置，探測器在該區(qū)域的布置以及覆蓋率如圖2所示。

圖2 2個(gè)探測器布置方案

根據(jù)式(2)～式(4)計(jì)算出設(shè)計(jì)方案一中不同情況下的火焰探測器的覆蓋率，見表4所列。

表4 方案一中不同情況下的火焰探測器覆蓋率

在不改變探測器的布置數(shù)量、探測器表決機(jī)制的原則下，2個(gè)探測器對(duì)角布置(位置1)與2個(gè)探測器長邊布置(位置2)實(shí)現(xiàn)的控制動(dòng)作區(qū)域、報(bào)警動(dòng)作區(qū)域和探測盲區(qū)的覆蓋率分別為38%，59%和7%左右，而2個(gè)探測器短邊布置(位置3)實(shí)現(xiàn)的控制動(dòng)作區(qū)域、報(bào)警動(dòng)作區(qū)域和探測盲區(qū)的覆蓋率分別為68.4%，34%和31.6%左右，雖然提高了控制動(dòng)作區(qū)域的覆蓋率，但是報(bào)警動(dòng)作區(qū)域和探測盲區(qū)的覆蓋率的性能指標(biāo)下降較多。2個(gè)火焰探測器的3種不同布置位置均未能達(dá)到火焰探測器覆蓋率的目標(biāo)。

2)方案二。在該區(qū)域內(nèi)布置3個(gè)火焰探測器，在不改變探測器的布置數(shù)量、探測器表決機(jī)制的原則下，重新布置了探測的位置，以期獲得更佳的覆蓋性能。通過優(yōu)化布置，探測器在該區(qū)域的布置以及覆蓋率如圖3所示。

圖3 3個(gè)探測器布置方案示意

根據(jù)式(2)～式(4)計(jì)算出設(shè)計(jì)方案二中不同情況下的火焰探測器的覆蓋率，見表5所列。

表5 設(shè)計(jì)方案二的火焰探測器覆蓋率

調(diào)整3個(gè)探測器的布置位置和探測角度實(shí)現(xiàn)的控制動(dòng)作區(qū)域、報(bào)警動(dòng)作區(qū)域和探測盲區(qū)的覆蓋率比布置2個(gè)火焰探測器時(shí)性能有所提升，但仍未能達(dá)到火焰探測器覆蓋率的目標(biāo)。

3)方案三。在該區(qū)域內(nèi)布置4個(gè)火焰探測器，在不改變探測器的布置數(shù)量、探測器表決機(jī)制的原則下，重新布置了探測的位置，以期獲得更佳的覆蓋性能。通過優(yōu)化布置，探測器在該區(qū)域的布置以及覆蓋率如圖4所示。

根據(jù)式(2)～式(4)計(jì)算出設(shè)計(jì)方案三中不同情況下的火焰探測器的覆蓋率，見表6所列。

表6 設(shè)計(jì)方案三的火焰探測器覆蓋率

4個(gè)探測器四角布置實(shí)現(xiàn)的控制動(dòng)作區(qū)域、報(bào)警動(dòng)作區(qū)域和探測盲區(qū)的覆蓋率分別為100%，68%和0左右，控制動(dòng)作區(qū)域的覆蓋率實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)，但報(bào)警動(dòng)作區(qū)域的覆蓋率未能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。4個(gè)探測器兩兩對(duì)角布置實(shí)現(xiàn)的控制動(dòng)作區(qū)域、報(bào)警動(dòng)作區(qū)域和探測盲區(qū)的覆蓋率分別為100%，98.13%和0左右，控制動(dòng)作區(qū)域和報(bào)警動(dòng)作區(qū)域的覆蓋率均達(dá)到了80%和90%的目標(biāo)。

綜上所述，該區(qū)域按位置2方案布置4個(gè)火焰探測器為最優(yōu)布置方案。

圖4 4個(gè)探測器布置方案示意

3 火焰探測器優(yōu)化布置方法

海洋油氣平臺(tái)存在多種形狀和面積的區(qū)域，某些情況下甚至是非規(guī)則形狀的區(qū)域，因此，要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)火焰探測器布置設(shè)計(jì)的量化，需要一種簡單明了、操作實(shí)用性較強(qiáng)的計(jì)算公式或是標(biāo)準(zhǔn)化工具來規(guī)范和指導(dǎo)不同面積下的火焰探測器的布置位置和數(shù)量。

結(jié)合火焰探測器覆蓋率分析方法，分別選取海洋平臺(tái)常見尺寸的烴類處理區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，在不改變探測器表決機(jī)制的原則下，分析在不同類型的典型區(qū)域內(nèi)，探測器布置數(shù)量、位置變化對(duì)火焰探測器覆蓋率的影響，并形成海上油氣平臺(tái)不同面積火焰探測器布置推薦網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 海上油氣平臺(tái)不同面積火焰探測器布置推薦網(wǎng)格示意

圖5所示網(wǎng)格給出了不同面積區(qū)域的火焰探測器最優(yōu)布置方法。其中，橫、縱坐標(biāo)分別表示區(qū)域的長(0～40 m)和寬(0～30 m)，對(duì)應(yīng)各表格中數(shù)字表示滿足探測要求需要的探測器數(shù)量，例如：長22 m，寬28 m的區(qū)域需布置4個(gè)火焰探測器，布置方式如圖6所示。

圖6 火焰探測器推薦布置方式示意

4 結(jié)束語

本文主要介紹了海上油氣平臺(tái)火焰探測器的表決機(jī)制，介紹了火焰探測器覆蓋率的分析方法，并以典型烴類處理區(qū)域?yàn)槔治隽嘶鹧嫣綔y器的最優(yōu)布置方案，提出了適用于海上油氣平臺(tái)不同面積區(qū)域的火焰探測器布置推薦網(wǎng)格，為火氣探測設(shè)備布置的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了進(jìn)一步的參考。