海上平台火气系统设计原则探析

　　摘 要：海上平台分为生产区域、公用区域、组块房间区域、生活楼区域等多个部分， 结合海上平台各个区域的特点及多年设计经验， 本文对火气系统的探测器选型、表决逻辑、消防逻辑、报警逻辑设计等多个要点分别进行归纳分析， 总结出适合海上平台的通用火气系统设计原则， 提高了火气系统的科学性及合理性。
　　
　　关键词：海上平台； 探测器选型； 控制逻辑；
　　
　　Abstract:Offshore platform consist of production area, utility area, platform block room area, living quarter area. According to the characteristic of platform regional and design experience, This paper conclude and analyze the detectors selection, voting logic, fire control logic, alarm logic, etc. The general design philosophy of F&G system was concluded.
　　
　　Keyword:offshore platform; detector selection; control logic;
　　
　　引言
　　
　　火气系统 （Fire and Gas System, F&G） 是属于IEC61511定义的在缓解层之内的安全仪表系统 （SIS） , 用于监控火灾与可燃气、毒气泄漏事故并且具有自动报警功能和灭火功能的安全控制系统。火气系统是由用于执行对火灾和有害气体的检测控制功能的安全仪表的传感器、逻辑运算器和终端执行元件组合而成的[1].
　　
　　海洋油气平台是具有高风险的行业， 电气设备较多， 存在大量易燃、易爆物质， 特别是开采高压天然气的生产设施， 其现场的容器、管线、阀门等有大量的静密封点， 极有可能因设备出现故障问题发生可燃气泄漏。为此， 海洋油气平台需要设置火气探测和报警系统， 对海上生产设施及房间进行有效的监控。一旦海洋油气平台发生火灾或可燃气泄漏等安全事故， 火气系统须迅速触发报警、ESD关断以及消防联锁动作等控制逻辑， 才能降低安全事故危害， 保证平台设备和人身安全。
　　
　　目前， 较少有文章介绍海上平台火气系统控制逻辑。本文结合多年海上油气平台的实际设计经验， 依据国家有关法规和运行标准， 对海上平台火气系统的探测器选型、控制逻辑等方面分别进行总结、分析， 提出了海上油气平台不同区域火气探测器选型原则， 并归纳分析了火气系统的表决逻辑、消防逻辑、报警逻辑等， 总结出一份通用的海上平台火气系统设计原则， 以保证火气系统设计的合理性以及科学性。
　　
　　1、 海上平台区域划分
　　
　　海上油气平台按照功能划分， 一般分为生产区域、公用区域、组块房间区域、生活楼区域等。每个功能分区细分如下：
　　
　　1） 生产区域主要是油气处理区域， 主要包括：采油树/采气树、生产分离器、测试分离器、化学药剂橇、生产水处理设施、干湿气压缩机、外输泵、发电机、开排设施、闭排设施等。
　　
　　2） 公用区域主要是生产辅助设施区域， 主要包括：空气压缩机、氮气压缩机、海水提升泵、雨淋阀橇、次氯酸钠装置、柴油分油机、污水处理装置、淡水设施等。
　　
　　表1 火灾类型及特点Table 1 Types and characteristics of fire     下载原表
　　
　　表1 火灾类型及特点Table 1 Types and characteristics of fire
　　
　　3） 组块房间区域包括关键设备房间和普通房间。关键设备房间主要包括：控制室、主开关间、主变压器间、应急开关间、电潜泵控制间、高压开关间、发电机间等；普通房间主要包括：试验室、仪器间、工作间、储藏间、油气间、电池间、消防泵间、应急机间等。
　　
　　4） 生活楼区域主要包括：电池间、通讯设备间、报房、洗衣间、休息室、更衣间、餐厅、娱乐室、办公室、电缆井、梯道等。
　　
　　2、 火气探测设备选型
　　
　　根据UNI/EN54/9, 火灾类型及特点如表1所示[2].
　　
　　结合海上平台区域特点以及火灾类型分析， 对于火气探测器的选型如下：
　　
　　1） 生产区域以及公用区域属于油气处理区域， 主要是烃类火灾， 燃烧快、热量高， 应布置火焰探测器、可燃气探测器、硫化氢探测器、易熔塞、手动火灾报警站。
　　2） 主机间、柴油消防泵间、应急机间等房间火灾分为两类， 有可能是低热量、大量烟雾的TF3火灾， 也有可能是燃烧快、高热量的烷烃火灾， 应布置火焰探测器、烟探测器。
　　3） 电气设备房间， 如开关间、应急开关间、变压器间、压缩机间等火灾类型为低热高烟的电气火灾， 应布置烟探测器， 对于重要的电气房间可以选用早期烟探测， 提高火灾探测灵敏度。
　　4） 油漆间火灾主要为烷烃类火灾， 燃烧快、高热， 应布置火焰探测器、热探测器。
　　5） 中控室由于存放资料较多， 火灾类型有可能为低热、大量烟雾的TF3, 也可能是高热、大量烟雾的TF4, 应布置烟探测器、热探测器。
　　6） 房间进风口区域应布置可燃气探测器、硫化氢探测器。
　　7） 电池间应布置氢气探测器、热探测器。
　　8） 生活楼房间应布置烟探测器或热探测器。
　
　　3、 火气系统控制逻辑设计
　　
　　火气探测系统控制逻辑是根据平台火区划分、安全级别、设备布置等具体情况而设计的预设逻辑。火气探测系统收到现场探测器的反馈信号后， 会根据该预设逻辑进行分析判断， 然后执行一系列动作指令， 动作主要包括：中控室报警， PAGA报警， 平台状态灯报警， FM200释放灯铃报警， 触发ESD紧急关断， 隔离火灾区域电源， 关闭对应房间HVAC, 启动消防泵， 打开雨淋阀。该控制逻辑通常以“火气系统因果矩阵图”形式体现在设计文件中[3].本文主要分析火气系统控制逻辑的4个方面 （表决逻辑、消防逻辑、报警逻辑、电源隔离逻辑） .
　　
　　3.1、 表决逻辑
　　
　　根据设计规范以及探测器产品实际应用经验， 火灾、可燃气及有毒气体表决逻辑分别如表2和表3所示。
　　
　　表3 可燃气及有毒气体表决逻辑Table 3 Logic for combustible and poisonous gas votes     下载原表
　　
　　表3 可燃气及有毒气体表决逻辑Table 3 Logic for combustible and poisonous gas votes
　　
　　表2 火灾探测器表决逻辑Table 2 Fire detector voting logic     下载原表
　　
　　表2 火灾探测器表决逻辑Table 2 Fire detector voting logic
　　
　　不同火灾探测器的表决逻辑如表2所示[4].
　　
　　可燃气及有毒气体探测器的表决逻辑如表3所示。
　　
　　可燃气探测器、氢气探测器、硫化氢探测器等的单个探测器低报警和高报警， 仅触发平台中控室报警 （操作站画面报警以及应急操作盘报警） .
　　
　　当探测器执行2oo N表决时， 如果一个探测器处于故障或旁通状态， 则剩余探测器执行2oo （N-1） 表决， 触发火气逻辑动作。如果N-1个探测器处于故障状态， 则最后一个探测器报警 （包含故障报警） 后， 触发火气逻辑动作。
　　
　　3.2、 消防逻辑
　　
　　消防系统是火灾抑制的重要手段， 海上油气平台消防设施主要包括消防水系统 （消防水泵、雨淋阀、消防管网等） 和FM200系统 （N2驱动气瓶、FM200气瓶、FM200管汇） .其中， 消防水系统负责生产区域， FM200系统负责房间区域， 而且消防水泵、N2驱动气瓶、FM200气瓶均为1:1冗余配置。
　　
　　3.2.1、 消防水系统逻辑
　　
　　生产区火焰探测器2oo N表决后或者易熔塞管线回路压力低低， 火气系统触发启动消防水系统信号， 信号包括：启动消防水泵， 启动对应火灾区域雨淋阀。
　　
　　触发消防水系统联锁信号后， 如果消防水管网压力低于设定值， 立刻启动主消防水泵；如果主消防水泵启动后30s内， 管网压力达不到设定值， 立刻启用备用消防水泵。当消防水泵主备切换开关设置在备泵模式时， 消防水管网压力低于设定值， 立刻启动备用消防水泵。
　　
　　如果消防水系统存在同时启动两台电动消防水泵工况 （备用消防水泵为柴油消防水泵） , 则为防止同时启动导致电网负荷过大， 应分时启动。
　　
　　3.2.2、 FM200系统
　　
　　海上油气平台FM200控制模式通常包括手动控制模式和自动控制模式两种， 平台正常生产过程时， FM200控制模式选为手动模式。当平台处于避台、弃平台、军演模式等人员撤离情况下， FM200控制模式选为自动模式。
　　
　　当FM200系统处于手动模式时， 操作员收到被保护区域火灾报警信号后， 可以手动启动应急操作盘上的FM200释放按钮或者被保护房间区域外FM200释放按钮， 按下按钮后， 经过30s的时间延时， 被保护房间区域的FM200释放。
　　
　　当FM200处于自动模式时， FM200可以通过火气系统表决逻辑自动释放FM200, 同时， 也可以通过手动释放按钮手动释放。
　　
　　当被保护房间区域外的抑制按钮按下后， 无论FM200系统处于手动释放模式或者自动释放模式， 被保护区域的FM200释放都将被抑制。当被保护区域的FM200释放按钮按下后， 在30s的延时期间内， 按下抑制按钮不能抑制FM200释放。
　　
　　FM200系统主备切换逻辑设计原则：对于每套FM200系统， 应在应急操作盘上设置N2和FM200主备切换开关。
　　
　　（1） N2主备切换原则：当应急操作盘N2瓶主备切换开关旋转到主开关模式， 优先启动主N2瓶；否则， 优先启动备用N2瓶。主N2瓶瓶头阀打开后， 如果5s之内， N2瓶出口处压力不能达到设定高报警值， 备用N2瓶瓶头阀立刻得电打开。
　　
　　（2） FM200主备切换原则：当应急操作盘FM200瓶主备切换开关旋转到主开关模式， 优先启动主FM200瓶；否则， 优先启动备用FM200瓶。N2瓶瓶头阀打开后20s之内， 如果FM200主管网不能达到设定高报警值， 备用FM200瓶电磁阀立刻打开。
　　
　　3.3、 报警逻辑
　　
　　海上油气平台生产区、公用区域、房间区域确认火灾或可燃气泄漏时， 火气系统触发报警逻辑， 火气系统报警主要包括：PAGA报警、平台状态灯报警、FM200释放报警。
　　
　　海上油气平台常规的PAGA报警包括3种， 分别为：弃平台报警、平台确认火灾报警、平台确认可燃气泄漏报警， 3种报警声音声调不同。
　　
　　海上油气平台常规的平台状态灯报警包括3种， 分别为：蓝灯 （弃平台） 、黄灯 （可燃气泄漏） 、红灯 （火灾） .平台正常工作时， 平台状态灯绿灯亮。
　　
　　房间确认火灾后， 火气系统触发FM200消防逻辑， 同时触发FM200释放报警灯铃报警， 且FM200释放报警灯 （STB） 信号分为预报警和释放报警信号：
　　
　　预报警：当被保护区域确认火气时， STB报警灯闪烁， STB报警铃响起， 提醒人员从被保护区域撤离， 通风系统关闭， FM200管汇上的电磁阀和被保护区域的FM200电磁阀得电开启。
　　
　　释放报警：经过30s预报警后， STB报警灯从闪烁变为常亮， STB报警铃以另一种声调 （与预报警不同） 报警， N2瓶瓶头阀打开， FM200释放。
　　
　　4、 结论
　　
　　本文根据多年海上油气平台设计经验， 结合海上平台区域划分， 对火气系统的探测器选型、火气表决逻辑、消防逻辑、报警逻辑等进行归纳分析， 并提出了适合海上油气平台的火气探测器选型以及控制逻辑通用的设计原则， 提高了火气系统设计的科学性和可靠性。
　　
　　参考文献：
　　
　　[1]冯其瑞。火气系统在海洋石油工业中的应用研究[J].科学和技术， 2014 （3） .
　　[2]杜刚。FPSO火灾探测器选型研究[J].仪器仪表用户， 2017, 24 （4） :38-40.
　　[3]邹成业， 马学娜， 候玉乙， 等。半潜式修井平台火气探测系统控制逻辑设计要点[J].船海工程， 2018, 47 （1） :116-119.
　　[4]Norsok Standard S-001 Technical Safety Edition 4[Z].2008, 10.