半潜式修井平台火气探测系统控制逻辑设计要点

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(大连船舶重工集团有限公司，大连 116005)

钻/修井平台作为开采海洋石油和天然气的主要海工装备，如何保障、提高其安全性一直是各界的研究重点。火气探测系统是钻/修井平台的关键安全系统，它可以探知火灾的发生和可燃气体、有毒气体的泄漏及扩散，然后发出报警。火气系统报警可触发消防系统动作，并将报警信号发给应急切断系统，以切断某些关联设备，避免助燃火灾、引爆可燃气体或危险气体弥散，从而提高平台的安全性[1]。火气探测系统基本都是根据国际海事组织、船级社和相关国际组织的规范规则进行设计，已经具备成熟的技术方案和很多的应用实例。在火气探测系统的技术和应用领域，虽然目前对探测原理、设备布置、信号接口等技术点已经有较多论述，但是对于如何根据平台的防火分隔、消防系统配备等实际情况来设计安全可靠的火气探测系统控制逻辑却鲜有介绍。本文以一型半潜式修井平台为例，分析了火气探测系统控制逻辑的设计方法和关键点。

1 系统构成

该平台采用两浮体、四立柱、双层甲板箱形式，将在巴西、墨西哥湾等温和海域作业，最大作业水深2 400 m，最大钻井深度8 500 m，入ABS船级社，取得DPS-3船级符号，是一型以修井为主、钻井为辅的新型半潜平台。该平台的火灾探测系统采用Autronica SIL2 AutroSafe系统，配备了2个控制板和1个延伸板，可寻址探测器回路接入相应控制板/延伸板，2个控制板通过冗余AutroNET网络进行数据同步。气体探测系统采用西门子SIL2 PCS7系统，配备了1个控制机柜和1个远程I/O机柜，通过冗余Profibus DP总线连接，气体探测器使用24VDC 4～20 mA信号反馈探测结果。在平台的中控室和集控室分别设有3台安全工作站，通过冗余以太网与气体探测系统和火灾探测系统连接。这3台工作站不仅可以实时监控平台火气报警、火气系统运行状态、火气因果逻辑执行，还可以对报警确认消音和执行某些手动干涉操作。火气探测系统架构见图1。

图1 火气探测系统架构

2 控制逻辑

火气探测系统控制逻辑是根据每个平台的功能、布局分隔、安全级别、设备配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，如发出报警、触发消防系统、将报警信号发给应急切断系统以切断某些关联设备等。该控制逻辑通常以“火气探测系统因果矩阵”的形式体现在设计文件中。

2.1 火气报警区划分

平台发生火灾或危险气体泄漏后，为了避免助燃火灾、引爆可燃气体或危险气体弥散，火气探测系统按照预设逻辑，将发生火气报警的区域和可能遭受影响区域的报警信号发给应急切断系统，然后应急切断系统会切断与这些区域相关的通风设备、电气设备以及油泵等其他设备。为此，合理划分火气报警区对火气探测系统非常重要，在设备采购成本可承受的前提下，应该尽量细化报警分区，减少某一个舱室的火气报警对其他正常舱室的影响，降低对平台正常生产和船员生活的干扰[2]。

2.1.1 火灾报警区划分

火灾报警区划分需要集合舱室失火风险、危险区划分、防火分隔、消防系统保护区、通风系统布局等多种因素综合考虑。下文将以该型修井平台为例，逐一举例说明上述要素对火灾报警区划分的影响。

1)根据国际海上人命安全公约(SOLAS)，厨房为第12类失火危险处所，具有较大失火风险[3]。为此，厨房应单独定义为一个火灾报警区，而不应将厨房与餐厅等周围低失火风险处所划分到一个报警区。

2)振动筛室作为1类危险区，存在较大爆炸、失火风险，而且危险区处所通常都有独立的通风系统，可以单独切断，应单独定义为一个火灾报警区。

3)除了根据毗邻处所不同失火风险而设计相应的舱壁/甲板绝缘等级外，本平台为了满足DP3分隔要求，对于不同DP组或主、备用DP控制站之间也设置A60分割。如图2所示，备用DP控制室与健身房和走廊之间采用A60分割，该房间为最高安全等级，应该单独定义为一个火灾报警区。

图2 备用DP控制室防火分隔布置示意

4)为了保护某些重要的控制处所和设备舱室，通常会为这些处所配备压力水雾、高压二氧化碳、低倍泡沫等不同类型的固定式消防系统[4]。该型修井平台高压配电盘室设计有水喷淋消防系统，在水喷淋释放前，应提前切断并隔离该舱室内防护等级低于IP44的电气设备和相关通风设备。为了便于切断逻辑设计，需要将高压配电盘室定义为一个单独火灾报警区，与消防系统保护区对应。

5)新鲜空气的输入是助燃火灾的主要因素，切断火灾处所的通风设备是抑制火灾的有效措施。如图3所示，中心仓库和橡胶仓库之间采用套管而不是风闸，以致这2个房间的风管是联通的，无法实现有效隔离。同时结合2个仓库的面积和探头数量，最终将中心仓库和橡胶仓库共同定义为一个火灾报警区。如果发生火灾，将切断中心仓库与走廊之间的风闸，同时切断两个仓库的供风和回风。

图3 中心仓库和橡胶仓库风管布置示意

2.1.2 气体报警区划分

气体探测器主要布置在某些可能泄露可燃气体或有毒气体的处所，以及舱室的进风口处。气体报警区与火灾报警区的划分原则基本相似，但是对于安装在舱室进风口处的气体探测器，在划分其对应的气体报警区时，需要额外考虑气体扩散规律[5]和临近进风口的距离。如果几个舱室进风口在相同气体扩散范围内，而且距离较近，可以将这几个舱室区域合并到一个气体报警区内。

2.2 火气报警表决

为了提高系统准确性，避免误报警，火气探测系统应根据探测器类型合理设计报警表决逻辑。所谓表决，即在一个火气报警区内，当N个同种探测器中有M个同时发出报警(M≤N)，则认定该报警区确实发生了火灾或气体泄漏[6]。表决设定通常以语句MooN表示(Mout ofN)。如果同时报警的探测器数量小于设定值M，则该报警被认定为未确认的火气报警，仅会在火灾探测控制板和安全工作站上显示警示信息，不会触发任何实际的报警和切断。

2.2.1 火灾报警表决

根据设计经验和火气系统厂家推荐，该型修井平台的普通火灾探测器的表决设定为M=2；感温探测器的可靠性高，手动呼叫按钮是人为触发，为此它们的表决设定为M=1，火灾报警表决逻辑见表1。如果某个报警区内的火灾探测器故障，或者处于维修旁路状态，导致总数量N=1，则表决逻辑自动转换为1oo1；如果报警区内的火灾探测器全部无法工作，则火灾探测控制板和安全工作站上会显示报警。

表1 火灾报警表决逻辑

2.2.2 气体报警表决

本平台气体探测器包括碳氢探测器、氢气探测器和硫化氢探测器。前两种探测的是可燃气体，后一种探测的是有毒气体。由于气体特性不同，各种探测器报警的浓度设定值也不同。对于表决，当一个气体报警区内2个或2个以上同种探测器同时达到浓度高报警，则认定确实发生了气体泄漏，详见表2。根据船东要求和平台作业地区法规，不同项目的报警的浓度设定值可能略有不同。若由于故障或维修导致正常工作的气体探测器数量减少，则表决逻辑的变化与上文火灾报警逻辑变化情况相同。

表2 气体报警表决逻辑

2.3 消防系统联动

消防系统是平台抑制火灾的重要手段，火气探测系统与消防系统联动可以使消防系统根据火气报警自动、快速地起动/释放，减少响应时间，提高消防救援效率[7- 8]。该型修井平台的消防系统有消防泵、水雾灭火系统、水喷淋灭火系统、泡沫灭火系统和雨淋系统，除了消防保压泵由综合自动化系统(IAS)根据现场传感器信号自动控制调速外，其他设备和子系统都可以根据火气报警信号自动起动/释放。该型修井平台典型消防系统联动控制逻辑见表3。

表3 消防系统因果逻辑矩阵

注：“X”表示某个原因导致的结果立即执行。“D”表示延时，如果主泵启动失败，30 s后自动启动备用泵。

2.4 火气报警信号输出

火气探测系统除了按照火气报警区划分和控制逻辑将报警信号发送给应急切断系统外，还会将火气报警信号直接发送到广播/通用报警系统、直升机甲板状态灯和安全控制板等设备，用声音和灯光警示船员平台出现了火灾或气体泄漏的紧急情况[9]。当然，此时发出的报警信号都是经过表决确认或人工确认的火气报警。如果火气探测系统产生了一个未确认的报警信号，船员在2 min内没有确认此报警信号，则未确认的火气报警将自动转换成确认的火气报警[10]，并按此输出报警信号和切断信号。

3 结论

“安全”是工业生产永恒的主题，每次安全标准升级的背后都有一个惨痛的安全事故教训。随着科学技术的发展和生产经验的丰富，船东和石油公司对钻/修井平台火气探测系统的安全性、可靠性和智能化提出了越来越高的要求。本文根据实际海工平台设计经验，对火气报警区域划分、火气报警表决、消防系统联动和火气报警信号输出4项火气探测系统控制逻辑设计要点进行了分析、总结，并归纳出通用设计方法。这些要点可以广泛应用到钻井平台、采油平台、FPSO等海工装备的火气探测系统设计中，对提高系统自动化程度和安全性具有积极意义。对于某些项目的个性化特殊要求，也可以在本文基础上进行升级、增强。目前，“智能船舶”不仅是商船的研究重点，也已经成为海工装备的未来发展方向，如何提高火气探测系统的智能化水平，仍需进一步深入研究。此外，在火气探测系统设计过程中，必须时刻秉承“安全第一”的理念，除了遵从规范规则的要求外，更需要从实际生产的角度思考问题。

[1] 张峰，冯传令.火气系统在海洋石油工业中的应用研究[J].石油化工自动化，2009(3):20- 22.

[2] 董海杰，李彤.浮式生产储油船(FPSO)消防系统设计[J].船海工程，2012，41(4):33- 37.

[3] IMO. International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS)[S].IMO，2014.

[4] 船舶消防指南[S].北京：中国船级社，1999.

[5] 邓海发，陈国明，朱渊，等.海洋钻井平台硫化氢井喷扩散规律[J].安全与环境学报，2010(10)：177- 180.

[6] 黄菲菲.浮式生产储油船(FPSO)火灾和可燃气体探测系统的设计及优化改进[J].船舶，2005(8)：30- 35.

[7] 邓忠彬,罗小昌,李浩,等.海洋平台修井机火气系统基本设计[J].船海工程，2015(5):5- 8.

[8] 彭彬，向晶晶，张冲.主机房火灾隐患管理和持续改进[J].船海工程，2014(5):83- 86.

[9] 杨雄.自升式钻井平台火气系统设计[J].船舶工程，2013(增刊2)：194- 202.

[10] IMO. International Code for Fire Safety Systems [S].IMO，2010.