浮式天然气控制及安全系统设计

傅莉萍

惠生（南通）重工有限公司 江苏南通 226000

浮式液化天然气装置（FLNG）是将天然气进行液化工艺处理后运输到世界各地的设施，已经成为世界海洋油气领域研究的热点，正处于稳步增长的发展趋势。

1 FLNG概述

FLNG 上部组块完成对原料气的液化处理和再气化处理，由以下4 个部分组成：

（1）液化部分工艺上部模块，包括原料气胺洗（脱酸性气）单元、干燥/ 脱汞单元、重烃分离单元、液化单元、制冷剂单元、闪蒸气压缩单元。

（2）公用工程部分，包括余热回收系统、火炬系统、空压站、除盐水站。

（3）辅助生产设施，包括发电设施、变电所。

（4）船体部分空间负责存储及卸载液化天然气，包括液货存储及卸载系统、HVAC 系统和系泊系统。

2 FLNG的控制及安全系统介绍

为了便于集中控制和管理，结合先进的FLNG 船的控制系统技术，惠生海工在FLNG 中设计了一套集成式的控制及安全仪表保护系统（本文章简称“ICSS”）来实现整个FLNG 的自动化及智能化控制。

中心控制室位于生活楼区域，占地规格6m×20m，设置操作员站、工程师站、辅操台、CCTV 监控中心、火灾报警、航行指示系统、海事对讲、其他设备包的工程师站、贸易计量操作及工程师站。FLNG 分别在上部模块的E- House 二层和船体主甲板下设置主机柜室（CCIOR），放置船体部分及工艺模块中的控制机柜、IO 柜、电源分配柜及设备包的控制机柜等设施。

ICSS 主要由过程控制系统（PCS）、安全仪表系统（SIS）（包括应急切断系统ESD）和火气系统（FGS）、其他辅助系统、操作员站、工程师站和服务器等构成。FLNG 的控制系统主要以中控系统ICSS 为核心，对整个FLNG 设施上的所有上部工艺模块、船体部分、公用工程部分、各设备包的控制系统等实施报警、监测和控制。FLNG 存在火灾、爆炸、其他泄漏以及设备故障等多个方面的危险隐患，因此在FLNG 的控制系统设计时，必须以安全控制系统的设计为重点。

惠生海工2017 年ICSS 系统网络拓扑图见图1。

图1 惠生海工2017 年设计的ICSS 系统网络拓扑图

在ICSS 设计中，有关网络架构及安全的设计需要考虑以下几点：

SIS 和FGS 的网络是安全控制网，与PCS 的控制网络分隔开;各系统和控制网络冗余;用户和计算机严格控制和设定并网权限;网络间设置完整防火墙;设置入侵防御系统;控制无线通信权限;确保第三方通信安全;完整的网络安全方案包括硬件、操作吸引、病毒防护和数据备份与恢复。

2.1 PCS

PCS 包括过程控制层、操作监控层和数据服务层构成，包括控制站、操作站、工程师站和应用服务器等。

FLNG 的主要操作和生产管理均位于中心控制室，PCS 可以对FLNG 的各工艺模块及船体部分进行实时控制、操作和监视，完成数据采集、信息处理、过程控制、过程报警等功能。装置生产操作、原料及产品计量、产品质量的所有信息全部在中心控制室内的PCS上显示，主要机泵设备及BOG、MR 压缩机的运行状态也可以在PCS 画面上显示。

出现方向盘震抖和前轮摇头现象，主要是前轮定位不当，主销后倾角过小所致。在没有仪器检测的情况下，应试着在钢板弹簧与前轴支座平面后端加塞楔形铁片，使前轴后转，再加大主销后倾角，试运行后即可恢复正常。

中心控制室设置工程师站用于组态维护、故障诊断等工作。设置公共的硬件平台及以太网接口，用于连接信息管理系统。其他各类控制（如压缩机控制系统、电力管理系统等）均通过通讯方式与PCS 联系，将监控信号送至PCS 中。其他各类控制系统时钟以PCS 系统时钟为基准，PCS 可以设置FLNG 网络和设备的时钟同步，用于各系统之间的时钟同步。

2.2 SIS

FLNG 涉及的液化气体和可燃气体存在爆炸、火灾及设备故障等安全隐患，会危及整个FLNG 及工作人员的安全，需要配备独立的SIS 及应急切断措施。

RD102- 标准化项目要求SIS 应取得IEC 61508 SIL3 或TüV 认证，所有设备和部件应相应具备双重、三重或四重化冗余、容错结构。根据LOPA 分析及SIL等级计算，SIS 分为4 层级保护，可以阻断隔离非正常因素干扰正常的生产和安全，通过辅助操作台上的报警器、开关、按钮装置完成报警显示和应急操作。FLNG项目一般选用同一品牌的SIS 和分散控制系统（DCS），采用ICSS 实现平台共享。

2.3 FGS

在可能泄露或聚集可燃气体的地方，设置可燃气体检测变送器，将信号送至FGS。FGS 的主要设计原则为检测有无可燃气体的存在; 检测有无实际的已燃烧的火焰或烟气;检测LNG 的泄漏;提供自动或手动的便利方法以触发火灾报警系统动作; 根据需要触发声光报警以提示火灾或气体泄漏的发生; 执行相应的控制和联锁逻辑; 将相关的报警信息传递给PCS 指示、报警、记录;通过顺序事件记录功能（SOE）捕捉相关事件信息;与现场广播系统和视频监视系统联动。

FGS 在中心控制室集中指示报警。FGS 与SIS 不同，FGS 在正常工作状态不带电或处于常开的操作模式，其IO 回路应具备断线检测功能。

2.4 完整性压力保护系统

在FLNG 上部模块的进气装置中设置完整性压力保护系统（HIPPS），可以及时阻断引起天然气输入到上部模块进行液化处理时的超压，保护下游工艺设备及装置，减少对FLNG 及操作人员的危害。HIPPS 主要由以下几部分组成：

（1）压力变送器。采用2oo3 的配置，每台变送器均有SIL3 认证。

（2）HIPPS 控制器。采用固态逻辑控制器，通过SIL4 认证；CPU 四重化结构的控制系统通过SIL4 认证；单个控制器通过SIL3 认证。

（3）紧急切断阀。采用串联的两台紧急切断阀，每台阀门通过SIL3 认证；阀门执行机构自带动力源，配置冗余的控制电磁阀。

信号输入单元采用3 台压力变送器2oo3（3 选2）表决，中间信号逻辑处理单元采用智能诊断及容错冗余结构设计，终端信号逻辑执行设备单元采用2 台关断阀，在管线上和控制器串联，2 台电磁阀在仪表气源管路上串联。该结构经过高可靠性选型配置和第三方权威机构专业计算及相关测试和整体系统TUV 认证，保证整套HIPPS 撬块取得SIL3 认证，可以提供智能诊断，具备高可靠性及容错性。

2.5 其他辅助系统

2.5.1 仪表设备管理系统

FLNG 项目对仪表及设备的安全可靠性要求很高，需要能够及时有效地预防设备及仪表故障产生危害。因此，仪表设备管理系统（AMS）采用4～20mA 标准信号叠加HART 7 协议的仪表变送器及调节阀执行机构，进行维护、校验和故障诊断，使维修团队轻松监控现场设备的健康状态。现场安装时，AMS 设备管理器和DCS 控制系统协作，在集成操作环境中提供无缝用户界面。可以使用单个、一体化应用程序管理现场的所有设备，通过预测诊断信息，获得全面的资产管理能力。

2.5.2 压缩机控制系统

FLNG 的液化上部工艺模块包括BOG 和MR 压缩机，因此需要设置压缩机控制系统（CCS），完成透平/压缩机组的调速控制、防喘振控制、负荷控制及安全联锁保护等功能，并与装置的DCS 进行通讯，使操作人员能够通过DCS 对机组进行监视和控制。CCS 采用双重化或三重化冗余、容错系统，其控制站和操作站设置在中心控制室。

2.5.3 设备状态监测系统

整个浮式天然气船舶及上部液化工艺模块装置中会有一些动设备，如汽轮机、压缩机、机泵等旋转设备，设备故障会影响生产，危及整个FLNG 装置的安全。为了减少这些危害，必须通过设备状态监测系统（MMS）对主要动设备参数进行在线监视，同时对动设备的性能进行分析和诊断，为动设备的故障预测维护进行有力的支持。重要动设备的主要运行参数，包括轴振动、轴位移等将直接送至MMS。操作人员可以在MMS 系统中直接读取动设备参数，对设备的运行性能进行在线诊断分析。

3 FLNG自动控制水平的未来发展趋势

随着现代通信与信息技术、计算计网络技术、智能控制技术的发展，FLNG 将结合自身特点，不断突破技术瓶颈，实现智能化FLNG 工厂的构建。

智能化FLNG 工厂增设先进的自动控制及实时优化技术，运用智能设备管理、智能生产调度管理、报警系统管理等手段提高运营生产效率和安全稳定性，降低OPEX（Operating Expense）；智能化FLNG 工厂可以建立远程运营中心，挖掘数据潜能，实现预测性维护与远程运维支持，减少非计划停车。

4 结语

海工项目特别是FLNG 对安全性、可靠性和生产管理高效性需求很高，海上台风和其他自然环境比较恶劣，存在不可预知性。依据现有技术限制、安全和应急响应处置原则要求、冗余控制要求等因素的影响，在设计需要综合平衡考虑效率、安全和智能化程度的权重，必须满足国际海事规范规则。