海上平台火气系统的应用及可靠性分析

刘 璇，严 龙，李玉明

(中国石化安全工程研究院，山东青岛 266071)

海上平台火气系统的应用及可靠性分析

刘 璇，严 龙，李玉明

(中国石化安全工程研究院，山东青岛266071)

介绍了海上平台火气系统的功能、结构和组成，从探测器覆盖率、安全可用性、减缓有效性3个方面对火气系统的可靠性分析进行了探讨。

火气系统 可靠性 探测器覆盖率

火气系统FGS(F&G System)作为石油天然气和化工等行业的重要安全保障设施之一，对可靠性要求非常高，一旦失效会导致事故进一步蔓延，后果等级严重升级。目前过程工业中火气系统的相关规范和技术标准，大多还是基于传统的经验型方法[1-3]，根据工程实践来设计和实施。随着安全仪表系统技术的发展，火气系统也被归为SIS系统中的一类(减缓型SIS)，ANSI/ISA84.00.01-2004和IEC 61511中的理念已开始应用到火气系统，并采用安全完整性等级SIL的概念进行设计。然而由于不恰当的探测器覆盖率和减缓有效性，在操作环境中，即使正确设计和管理的火气系统，也可能会有一个欠佳的风险降低水平。近年来出现的以ISA 84.00.07为代表的火气系统设计标准，指出火气系统的整体有效性，不仅取决于系统本身的安全可用性，还取决于探测系统设置的合理性(即覆盖率)，以及减缓响应系统(通风、喷淋、消防灭火等)的有效性[4]。如何在性能化的框架下对火气系统进行描述与量化研究，对真正实现整个火气系统的可靠性研究具有重要理论和工程意义。

1 海上平台火气系统设计

1.1 系统功能

海上平台火气系统是针对海洋火灾和气体探测的安全控制系统，通过各种探测设备对现场进行连续地在线监控，及时发现火灾和可燃、有毒气体泄漏，准确探测火灾和气体泄漏的程度和事故地点，触发相关的广播和声光报警设备，并且根据事故发生的严重性等级而确定报警和消防设备控制器输出等级，从而控制火灾和气体泄漏的发生和进一步蔓延，防止对人员和生产设施的伤害及对环境的影响。

1.2 系统构成

火气系统由火气控制设备、现场探测/报警设备组成，并通过冗余的安全网络，与紧急关断系统进行通讯，火气系统配备冗余的以太网网口，连接到控制系统的交换机与冗余的控制网络上的过程控制系统相互通讯。

海上平台火气系统根据平台的特性一般分为2个部分：生活区和生产区。生活区内部为安全区域，对现场的产品一般没有特殊要求，发生火灾会产生大量的烟和热，在室内，烟和热会很快聚集，因此设备种类一般涉及烟感、温感、手动火灾报警按钮、可燃气探头和毒气探头等。生产区一般为防爆区域，通常井口、管汇、生产设备中的油气，都是易燃易爆的危险品，对现场设备有很高的要求，一般都需要防爆防雨，涉及的现场设备有火焰探头、可燃气探头、毒气探头、手动火灾报警按钮和易熔塞等。

火气系统的控制核心分为：点到点式 (PLC)和点到点(PLC)+寻址盘(ADD)式2种结构。对于小型平台来说，生活区的烟温感和手动报警按钮可以与可燃气探头、火焰探头、室外手动火灾报警按钮等一起接入到控制器(一般为PLC)的IO模块，形成一个点到点的火灾和气体报警控制系统。 对于大型平台，生活区比较大，房间多，如果还采取点到点的方式设计会造成布线的工程量和电缆成本的升高。因此对于大型平台火气系统一般分为2个部分：一部分为寻址盘，所有室内的烟温感、手动火灾报警按扭和防火门磁开关等都接入寻址盘并通过冗余的通信方式上传到系统的控制核心(PLC)；系统的另一部分为PLC控制器，所有的可燃气探头、火焰探头、室外手动报警按钮、易熔塞和 DELUGE信号全部接入PLC控制器。寻址盘和PLC之间通过两条并行的通讯总线(一般为MODBUS)进行通讯，所有的现场设备信号都集中到PLC中进行处理。

图1 火气系统结构

2 火气系统可靠性分析

在ISA 84.00.07的基本框架中，采用了事件树模型来计算火气系统的有效性。首先建立从初始事件到可能引发结果的逻辑描述图，FGS风险模型如图2所示，3个保护措施分别为树的3个树枝，每个树枝有包含两个选项，分别代表保护措施的成功与否[5]，因此出现了4个可能结果，每种结果的概率与其相应的后果程度依次产生了一个后果贡献因子，所有贡献因子的总和将得出平均权重后果因子(CWA)。

火气系统作用后的剩余风险为平均权重后果因子与事故频率的乘积。图2所示为探测器覆盖率100%，火气系统硬件完全可靠，风险事故完全被消除的完美情况。

2.1 探测器覆盖率的评估

通常由于探测器位置不合理、没有足够的探测点或恶劣的环境条件，会导致即使FGS安全功能完全符合要求，风险减轻效果也会受到显著降低。General monitors 研究报告中[6]量化分析了探测器覆盖率对火气系统有效性的影响。表1、表2表示探头有效探测区域及 SIL与危险减轻的效果。

当探测器覆盖率为100%时，风险降低的程度与FGS的安全完整性等级成线性关系。

当探测器覆盖率降低到95%时，使得SIL3 及 SIL2 的 FGS降至SIL1的水平。可以明显看出，探测器覆盖率对气体探测相关的SIF最终SIL等级有显著的影响。

图2 FGS风险模型

风险降低效果FGS类型SIL3SIL2SIL1NoSIL残余风险9.90E-049.90E-039.90E-021.00E+00事故发生风险1.00E+001.00E+001.00E+001.00E+00风险降低因子1010101101

表2 95%探测器覆盖率获得风险降低的统计

近年来，随着海上油气田对安全生产的需求不断提高，对火灾和气体泄漏的极早探测和覆盖率提出了更高的要求。基于气体扩散分析，火灾爆炸分析等定量分析方法的发展，越来越多海洋平台在设计阶段进行火气探测覆盖率研究(F&G Mapping Study)，将海洋平台的3D模型导入到CFD软件中，对火焰辐射能量的传播和气体扩散进行流体力学模拟分析，根据分析的结果对火焰和气体探测器的覆盖范围进行评估，并且根据评估结果对探测器的布置进行优化，更科学地指导火气探测设备的选型和布置。

2.2 火气系统的可用性分析

从安全等级而言，FGS处于最上层，整个系统的硬件和软件的可靠性要求都很高。目前大多数项目要求FGS遵循IEC61508和IEC61511 标准，并要求逻辑处理器安全完整性等级达到 SIL3，寻址盘和火气探头达到 SIL2。国际项目的设计经验，在包括EXXION、SHELL、BP及BASF等国际大型石油和化工公司的项目中，FGS设计和采用的安全等级都是SIL3级。目前国内几个大的中外合资石油化工项目、例如，南海石化项目、扬子巴斯夫一体化石化项目、上海赛科乙烯项目等，均采用了SIL3级的FGS[7]。

火气系统安全可用性，表示检测到泄漏后，火气系统功能被成功激活的概率。验证火气系统的安全可用性，需要传感器+逻辑控制器+最终执行元件要求时的平均失效概率的总和，火气系统的可用性等于1减去火气系统功能要求时的失效概率。ANSI/ISA84.00.01-2004 和IEC 61511均为评估风险和为识别出的安全功能进行风险降低分配提供了指导，ISA-TR84.00.02也包含了要求时平均失效概率的计算方法。但在分析过程中，必须注意到火气系统功能和安全仪表功能存在的显著差异。

首先，火气系统功能的准确定义，是对火气系统安全可用性准确评估的关键。指定了探测器阵列可以检测的气云或火焰大小(例如，探测器阵列的设计应检测到最大直径为5 m的可燃气体的积聚)，建立了探测器设计基础后，才能确定火气系统功能探测器的数量以及选择的通道方式。例如关注区域内包含3个探测器，探测器在要求时间内检测到事件的能力，决定了选用1oo1，1oo2，1oo3或2oo3中的哪种通道方式。因此，如果假定的直径5 m的气云在整个关注区域内移动，在任一时刻，只有一个探测器可以敏感到堆积物，那个通道方式为1oo1。另外，火气系统的设计通常涉及到有些执行器的激活是由其他系统控制的情况，例如通过安全仪表系统的逻辑解算器控制的隔离阀。计算要求时的平均失效概率时，火气系统操作所需的任何设备都应考虑在内。

2.3 减缓有效性的评估

火气系统从属于安全仪表系统，处于“抑制减轻”保护层，其设计意图通常不是预防风险，而是减缓由于火灾或气体扩散所造成的灾害程度，避免其升级扩大。有时探测器能成功检测出火灾或气体泄漏，而且火气系统功能也能被成功激活，但火气系统并不能够完全有效地减缓危害。减缓有效性和被减缓危害的等级以及减缓策略本身的局限有关。如果能足够及时地检测出泄漏，可以在危险升级之前采取所需的安全行动，减缓有效性就会较高。由于探测性覆盖范围不足，一个或多个火气系统组件失效等原因，火气系统激活得较迟，则会导致危险等级超出火气系统的设计。

火气系统的执行机构各式各样，如疏散报警系统、消防水系统、通风系统等，在实现功能时对事故缓解的效果不同。而且所使用的分析方法不同，减缓有效性也可以不同方式来评估。由于火气系统行为结果的不确定性或不可预知性，很多用户不把火气系统视为一个保护层。当火气系统被视作一个保护层时，通常通过评估火气系统成功动作后的残余或二次后果来考虑减缓有效性。

3 结论

火气系统从属于安全仪表系统，处于“抑制减轻”保护层，用于监控火灾和可燃、有毒气体泄漏事故，广泛应用在石油天然气开采、油气管线、石油罐区等领域。火气系统由若干不同类型的探测器、控制器及消防设备组成，其对可靠性有非常高的要求。火气系统的设计应考虑探测器覆盖率、安全可用性和减缓有效性3个方面的因素。火气系统的有效性可采用事件树的方法，通过以上3个方面进行评估。经过规范设计与配备的火气系统，可有效解决海洋石油中火灾和气体泄漏的实时探测及控制问题。

[1] NFPA 72-2007 National Fire Alarm Code, National Fire Protection Association[S].

[2] GB 50493-2009 石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].

[3] GB 50116-2007 火灾自动报警系统设计规范[S].

[4] ISA TR84.00.07-2010 Guidance on the Evaluation of Fire, Combustible Gas and Toxic Gas System Effectiveness[S].

[5] 张照千. 基于FGS风险模型定量分析探测效果[J].石油化工自动化，2011，47(5)：5-8.

[6] SIL 104：Impact of Gas Detection Coverage on SIF SIL Rating By Edwin Choo[R]. CFSP General Mornitor System Asia,Singapore.

[7] 刘景辉，李俊丽. 火气系统论述[J].石油化工自动化，2008(5):21-24.

TheApplicationandReliabilityAnalysisofF&GSystemintheOffshorePlatform

Liu Xuan，Yan Long，Li Yuming

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong Qingdao 266071)

In this paper, the function and structure of the F&G system is briefly introduced and the reliability is analyzed from the following three aspects: the detector coverage, the safety availability and the mitigation effectiveness.

F&G system；reliability；detector coverage

2016-01-17

刘璇，注册安全工程师，2014年毕业于北京工业大学控制科学与工程专业，现在中国石化安全工程研究院从事雷电安全方面的工作。