FPSO火气与应急切断系统工艺研究

陈 梦

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

火气和应急切断系统（简称火气应急系统）是海上石油开采、生产和加工装置上用于监控火灾和可燃气体泄露事故并具有一定自动处理功能的安全控制系统，是最重要的系统之一。它能准确探测火灾、可燃气体、有害气体等事故源的危险程度和事故地点，是提高海上设施及其辅助系统安全性的关键举措。当火气和应急切断系统的传感器终点探测到火情、有毒及可燃气体时，位于海上设施核心的集中控制系统将根据预设的逻辑规则，进行分区、分级的应用处理，同时与声光报警、远程通讯、人员定位等系统联动，完成警示、切断、消防和控制。因此，火气与应急切断系统需要遵循严格的可靠性、安全性设计。

众多海上设施平台中，浮式生产储油卸油装置（Floating production storage and offloading，FPSO）可对原油进行初步加工并储存，被称为“海上石油工厂”。作为海洋油气开发系统的组成部分，FPSO一般与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整的生产系统，是目前海洋工程船舶中的附加值较高的技术产品。FPSO系统主要由系泊系统、载体系统、生产工艺系统及外输系统组成，涵盖了数十个子系统。作为集油气生产、储存及外输功能于一身的FPSO具有高风险、高技术、高附加值、高投入、高回报的综合性海洋工程特点。

FPSO的火气与应急切断系统不同于传统的船用灭火报警以及有害气体探测系统，它的探测防护体系涉及深海油井、单点（旋转塔）、脱水脱气模块及储运模块多个环节。其分区、分级的火气与应急控制策略既需满足高可靠、高实时性的要求，又需要各个子系统本身具备一定的智能组网、协同控制能力。本文结合我国自主研发的“海洋石油118”FPSO及后续改进类型，分析了FPSO平台火气与应急切断系统的任务需求及实施难点，根据现有的火气系统表决原则，提出了全新的针对FPSO特殊区域的应急切断规则和设计方法，从而为今后类似船舶和系统的设计提供参考。

1 系统构成及设计原则

1.1 设计规则

海洋平台是海上油气处理系统的承载体，具有平台设备尺寸小、效率高、布局紧凑、自动化程度强的特点，其风险因素过于集中，使火气与应急切断系统的设计有别于陆上油气平台和大型船舶［1］。油气处理系统涉及的原料、中间品和产品具有易燃易爆、有毒有害、腐蚀性等特点，受平台空间的限制，油气处理设施、电气设备和人员住房高度密集，这对平台的安全生产提出了极为严格的要求。同时，海上石油生产作业环节存在的各种污染物可能对水体、大气和声环境造成不利影响，在分析火灾、井喷、油气泄漏和爆炸等事故后果时需要考虑其对海洋环境造成的危害。因此，火气与应急切断系统的设计需要高度重视各类风险的关联性。

根据IEC61508及IEC61511标准的相关定义，火气与应急切断系统是系统安全功能的核心执行组件。安全完整性等级（SIL）既体现了整个系统的安全完整性，又涵盖了安全系统本身的可靠性。在设计之时需要对各种危险和过程风险进行系统安全分析。危险性分析报告中包括了关于过程风险的各种信息，以及已有的保护层和为提高安全性需要增加的安全功能，再根据事件发生频率后果程度最终确定应急切断系统所需要达到的SIL等级［2］。我国自主设计研发FPSO火气与应急切断系统时，遵循SIL3以上的安全等级标准，即系统平均失效概率小于10-3。

1.2 系统结构

图1 火气与应急切断系统结构图

火气与应急切断系统结构图如图1所示，火气与应急切断报警系统的配置情况因平台而异。FPSO平台设有消防系统、可燃气体探测系统、火灾探测系统和硫化氢探测系统等，其目的是对含有爆炸、火灾、灼热、烟雾和有毒气体（含浓烟）的各种潜在危险源进行探测，减少或避免在生产作业、检修过程中，可能出现的人员伤亡，环境污染，设施破坏和财产损失。火气与应急切断报警系统的安全等级高于FPSO的中央集控系统，即使核心控制系统失去作用，火气系统仍然能够对气体泄漏和火灾进行检测，并且根据事故发生的等级启动相应的消防设施。该系统通过现场级传感器、区域信息管理系统与中央集控室进行信息采集、处理、交互，从而实现对FPSO平台各危险区域的灾情评估及消防报警控制。在主动划分的危险区域，采用具有防爆技术的传感设备，同时利用易熔塞的回路设计和冗余结构，减少电气转换环节，使安全执行机构能够在紧急情况下直接动作。火气与应急切断系统所有输入输出模块都必须具有对短路和断路的回路自动检测功能，并与其他系统分离设置，减少各个系统之间的相互依赖，避免某个系统出现问题而影响其他系统的正常运行。

根据《海上固定平台安全规则》的要求［3］，ESD 切断系统应至少包括以下部分：

（1） 应急切断逻辑；

（2）手动应急切断启动开关或阀门；

（3）安装在重要工艺设备上，在异常情况下能发出切断信号的自动检测开关；

（4） 火灾与可燃气体探测；

（5）信号转换及各种执行机构、电磁阀、切断阀等。

应急切断系统分为如下四级： ESD1级切断为弃平台切断，是所有平台最高等级的切断。只有发生火灾和严重天然气泄漏，以及发生不可抗拒的自然灾害等情况下，由油矿总监或油矿总监专门指定人员手动启动，平台上设备除应急支持系统延时切断外全部关停。ESD1 级启动按钮安装在控制间、井口区附近、生活楼的逃生口、救生艇登船处和直升机甲板等处，配以醒目的标志和防止失误操作的外壳。

ESD2级切断为火灾切断。火情发生后，由易熔塞回路监测到火情直接导致平台的火灾切断，或由火灾或可燃气体探测器探测到的异常情况自动地或经人工确认后手动启动。此级切断导致 ESD3、4 级切断。

ESD3级切断为生产/公用系统切断。当主电源、仪表等公用系统故障或油气处理系统重要环节故障时，可手动和自动启动该级切断。除执行本级切断的特殊功能外，ESD3级切断还将引起 ESD4级切断。

ESD4级切断为单元切断，当单个油气处理设备故障时引起此级切断。它只切断故障设备本身，而不影响整个工艺流程的正常运行。ESD4 级切断可手动/自动启动。

2 FPSO火气与应急切断系统设计方案

为说明火气和应急切断的设计理念，首先定义FPSO的主要危险区域如下：

（1）尾部原油外输区域；

（2）上部模块下方区域；

（3）单点内部和单点外部通风风道；

（4）蓄电池间；

（5）油漆间。

火气探测和应急切断系统设置的目的是把火灾或气体泄露所造成的危害限制到最小，因此需要对所有区域按照一定的原则进行火气划分，同时对一个火区内的感烟探头、感温探头、气体探头按照既定安全原则进行表决。本方案中火区区域类型如下：

（1）单独通风的处所，如应急发电机间、柴油消防泵间、厨房等；

（2）每一层居住区域；

（3）对其通风风管配备单独防火风闸的区域，如区域配电板室；

（4）同一功能区域，如空调机间与公共进风管，机舱与机舱进风风管；

（5）同一危险区域，如尾输油区域，上部模块下方区域。

感烟、感温、手动报警按钮均采用可寻址式，火焰和气体探头采用非可寻址式，气体探头的报警设定值如表1所示［4］。

为保证本船安全、可靠的运行，火区划分以后就需要对该火区内的火灾和气体探测器进行表决，表决原则如表2所示。为避免由于单个探测器故障或误报警引起切断操作，对生产和生活造成较大影响，表决原则设置了双重保障：一是单个探测器动作仅仅延时报警，不触发切断，当一个火区内的所有火灾或气体探测器中有两个同时动作时才确认火灾或气体并触发切断动作；二是一个火区内故障的探测器不直接参与表决，仅剩一个正常时，那个正常的探测器单个表决。当正常探测器数量≥2时，采用第一种方式表决。

表1 气体探头低位、高位报警设定值

表2 火灾和可燃气体探头表决原则

续表2

3 项目应用

2014年8月交付的“海洋石油118”为中国船舶及海洋工程设计研究院全程参与方案论证、概念设计、基本设计与详细设计，该FPSO设计载重量为15万t，原油日处理能力最高达到5.6万桶（约8 900 m3），服务寿命30年，满足500年一遇的生存环境条件要求，创国内FPSO设计之最。［5］

该船船体部分设置包括ESD1总切断在内的各级切断26个，其中总切断1个、火气切断21个、上部模块和单点区域引起的船体切断各1个、货油系统切断和热介质油补给泵应急切断各1个。另外，船体部分共划分各类火区29个，其中包括居住区域9个、主甲板区域5个、机器区域12个和首部（含单点）区域3个，通过火区的有效划分提高了火气探测的精细化程度、有效避免了误报警和误切断的发生。

需要特别说明的是：相对于钻井平台、采油平台，FPSO包含了石油生产、储存、处理和外输等功能，泄漏区域更多、危险区域更广、与单点模块和上部模块相互关联等特点，应急切断系统也具有特殊性。为更好说明FPSO的火气与应急切断系统的特点，下文将着重介绍三个区域方面，分别是应急发电机室的应急切断、单点区域的应急切断和船体部分的总切断。

在接收到火灾、气体的确认信号，二氧化碳（CO2）释放信号，七氟丙烷（FM200）释放信号或应急切断按钮指令后，应急切断系统将按照预先设定的逻辑对风机、油泵、风闸或设备发出切断指令。根据设备的重要性不同，火区的特点等情况，应急切断的逻辑也不同，下面将根据实际情况举例说明每种不同切断逻辑的原则和所考虑的重点。

3.1 应急发电机室的应急切断

对于FPSO来说，应急发电机和柴油消防泵是非常重要的设备，牵扯到人身生命安全和船舶安全，在接到火灾或气体报警后不能直接对其本身以及辅助设备直接切断，而应根据船舶所处的实际情况进行判断后再决定，应急发电机室切断逻辑框图如图2所示。

图2 应急发电机室应急切断逻辑框图

由图2可以看出，对于应急发电机室的切断主要基于三方面考虑：

（1）接收到火气确认信号或该区域的应急切断指令后不立即执行切断动作，而是判断应急发电机是否运行，如果已经运行说明本船处在紧急环境中，此时不能为了应急发电机的安全而贸然执行切断动作，需要进一步判断；

（2）判断切断指令等级，如果切断指令是总切断ESD1，那么经过0～30 min延时后执行切断动作；

（3）该区域人工释放CO2，说明是人工综合判断了该船所处的环境及该区域的火势情况而确认切断指令，直接对该区域风机、风闸以及设备执行切断动作。

经过三重考虑后，该船所处环境以及该区域火势情况等均得到了综合考虑，不仅能够避免紧急情况下贸然切断应急发电机，也能在经过人工综合判断后迅速切断。

3.2 单点区域的应急切断

单点是FPSO最重要的设备之一，单点内部的通风由自带的风机完成。单点外围设置通风风道，船体上设置排风机用于通风风道的排放。单点内部的火灾和气体探测器接至上部模块的火气系统，而通风风道的火灾和气体探测器接至船体部分的火气系统，所以该区域的应急切断需要判断是单点内部还是外部的火灾或气体浓度高，逻辑框图如图3和下页图4所示。

图3 单点区域火灾引起应急切断逻辑框图

由图3可以看出，单点外部发生火灾时会触发单点区域火灾切断信号ESD-STP FIRE，切断单点外围及单点内部的风机、风闸等；当单点内部发生火灾时，在触发单点区域火灾切断信号ESD-STP FIRE同时，还发出启动消防泵的指令。因为单点内部火灾需要大量的消防水，此时跳过消防泵自动启动程序直接发出起动指令，将为单点内部的消防争取时间。

由图4可以看出，单点区域的气体报警引起切断的判断顺序恰恰相反，如果单点区域内部气体浓度高，需要触发上部模块的生产工艺切断；当单点区域外部气体浓度高时，触发单点区域气体切断信号ESD-STP GAS，同时切断单点内部的通风机，防止外部可燃气体进入单点内部。

图4 单点区域气体引起应急切断逻辑框图

3.3 船体部分的总切断

一般船舶或平台，总切断ESD1发出后，经过一定的延时后将切断除标志灯以外的所有电气设备。而对于FPSO来说，包括船体和上部模块两部分，两部分功能不同，火气和应急切断部分也单独成系统。因为上部模块上面有大量的油气处理设备，船体部分在没有和上部模块达成一致的情况下就发出总切断ESD1指令，可能对整个FPSO甚至海洋环境都造成恶劣影响，所以上部模块应具有更高的等级来总切断指令。本船的总切断ESD1也应经过特殊考虑，逻辑框图如下页图5所示。

由图5可以看出，船体工作人员根据情况判断发出的总切断指令并没有立即切断设备和发出弃船报警，而是发到了上部模块的切断系统，由上部模块再进行判断。如果上部模块经过判断后发出了总切断指令，那么本船将立即发出弃船报警，同时进入总切断程序。

图5 总切断ESD1逻辑框图

4 结 语

本文首先分析了“海洋石油118”FPSO的火区划分方法，结合配备的火灾和气体探测器类型介绍了火气表决原则，然后根据FPSO船舶的特点着重介绍了应急发电机室和单点区域发生火灾和气体泄漏后引起的应急切断逻辑，最后对总切断ESD1原则进行了分析。目前，本文提出的优化应急切断逻辑方案，已在“海洋石油118”后续的改进型号中逐步应用。系统自投产以来，未产生全局的连锁切断，最大限度地兼顾了安全性、可靠性和生产效益，实现了降本增效。本文给出的方案同样适用于其他类型的海洋平台，对大型复杂系统的火气与应急切断系统设计具有一定的参考意义。