浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董海杰

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

0 引言

隨著人們對(duì)海上石油的依賴程度越來越高，在海洋采油由淺海逐步走向深海作業(yè)的過程中，逐漸開發(fā)了一些適用于深海開發(fā)的海上石油生產(chǎn)處理裝置。浮式生產(chǎn)儲(chǔ)存卸貨裝置(floating production storage＆offloading unit，F(xiàn)PSO)就是其中的一種。作為一種浮式生產(chǎn)系統(tǒng)，F(xiàn)PSO集原油處理、存儲(chǔ)及外輸工作于一體，因此被廣泛應(yīng)用于淺海、深海及邊際油田的開發(fā)。

由于FPSO是油氣處理裝置，在生產(chǎn)過程中涉及大量的原油輸入和輸出，并伴生大量的碳?xì)錃怏w，一旦發(fā)生安全事故，后果將不堪設(shè)想。因此，必須設(shè)計(jì)一套性能可靠、功能完善的應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)(emergency shutdown system，ESD)，以用于處理各種意外事故。應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)要求能夠針對(duì)不同的情況自動(dòng)采取相應(yīng)的關(guān)斷措施，以保證人員和設(shè)備的安全，從而最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)環(huán)境的影響。

本文對(duì)FPSO應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的安全完整性進(jìn)行了探討，并對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)方法和特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

1 ESD與PCS的區(qū)別

在FPSO中有一套集中的控制系統(tǒng)，即中央控制系統(tǒng)(central control system，CCS)，它是整個(gè)工藝系統(tǒng)、公用系統(tǒng)的控制中心和安全保障中心。該系統(tǒng)包括過程控制系統(tǒng)(process control system，PCS)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)和火氣探測系統(tǒng)(fire＆ gas system，F(xiàn)＆G)，這三個(gè)系統(tǒng)原則上彼此獨(dú)立運(yùn)行，根據(jù)需要會(huì)有一定的數(shù)據(jù)交換［1］。

雖然ESD系統(tǒng)和PCS系統(tǒng)都是對(duì)現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測、控制，但它們是兩種目的功能不同的系統(tǒng)，在功能上相對(duì)獨(dú)立又互為補(bǔ)充，主要差異如下。

①設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不同

ESD系統(tǒng)屬于安全儀表系統(tǒng)的范疇，其產(chǎn)品選用、系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是按照規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行的(如IEC 61508和IEC 61511等標(biāo)準(zhǔn))，有著統(tǒng)一的國際(國內(nèi))標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并為制造商、用戶各方所接受。PCS系統(tǒng)只需要達(dá)到使用國家及地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求、滿足使用者提出的要求即可。使用者在選擇和綜合評(píng)估不同制造商的PCS系統(tǒng)時(shí)，較多考慮的是先前的使用經(jīng)驗(yàn)和供應(yīng)商提供的資料數(shù)據(jù)。

國際上一些主要的安全標(biāo)準(zhǔn)及安全證書等級(jí)如表 1所示［2］。

表1 安全標(biāo)準(zhǔn)及安全證書等級(jí)Tab.1 Levels of safety standards and security certificates

②產(chǎn)品定位不同

ESD系統(tǒng)用于生產(chǎn)過程中的安全防護(hù)，安全功能是其核心定位，要求具有較高的可靠性和可用性。PCS系統(tǒng)則用于生產(chǎn)中的過程控制，控制功能是其核心定位，要求滿足并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中所需要的各種控制功能。

③工作特性不同

PCS系統(tǒng)是一個(gè)“動(dòng)態(tài)”的過程控制系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場大量的各種工藝參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定的控制策略進(jìn)行運(yùn)算，然后由現(xiàn)場執(zhí)行元件(調(diào)節(jié)閥等)執(zhí)行。這個(gè)過程經(jīng)常伴有操作人員的人工干預(yù)，響應(yīng)處理速度一般在幾百毫秒到1 s之間。ESD系統(tǒng)可以看作是一個(gè)“靜態(tài)”的系統(tǒng)，正常工況下，它是“靜止”的，不會(huì)發(fā)出控制輸出指令;而一旦達(dá)到或超過臨界點(diǎn)，即快速響應(yīng)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，處理后控制執(zhí)行元件 (電磁閥、兩位式快動(dòng)閥等)的動(dòng)作，使裝置處于所需的安全狀態(tài)。這個(gè)過程一般沒有人工操作干預(yù)，響應(yīng)處理速度一般在幾十到幾百毫秒，優(yōu)于 PCS系統(tǒng)［3－4］。

由上文可知，在ESD系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意ESD與PCS的差異，不能按PCS的選型思路來選擇ESD系統(tǒng)，且需重點(diǎn)關(guān)注ESD系統(tǒng)的安全性、可用性與可靠性。

2 ESD系統(tǒng)安全完整性的確定

安全完整性等級(jí)(safety integrity level，SIL)是指在一定時(shí)間、一定條件下，安全系統(tǒng)執(zhí)行其所規(guī)定的安全功能的可能性［3］。當(dāng)選擇ESD系統(tǒng)時(shí)，需要確定系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)。安全完整性等級(jí)是對(duì)安全儀表系統(tǒng)安全性能的要求級(jí)別。一個(gè)裝置的危險(xiǎn)性越高，對(duì)安全儀表系統(tǒng)要求的安全等級(jí)就越高，其所獲得的對(duì)應(yīng)級(jí)別安全性能所付出的安全成本也就越高。

通常，大型石化和電力行業(yè)所需的安全等級(jí)為SIL3級(jí)。FPSO作為離岸較遠(yuǎn)的生產(chǎn)設(shè)施，其油氣開采、加工、儲(chǔ)運(yùn)的工作方式也是周圍海域重大危險(xiǎn)源之一，對(duì)人身、設(shè)備和環(huán)保有重大的影響。所以一般要求ESD系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)能達(dá)到SIL3。

需要特別指出的是，安全完整性等級(jí)是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言的，包括輸入輸出環(huán)節(jié)上的所有串聯(lián)設(shè)備都應(yīng)該納入考慮的范疇。然而，現(xiàn)階段輸入輸出設(shè)備能夠達(dá)到SIL3的并不多，輸入輸出設(shè)備中的變送器 (傳感器)、安全柵、繼電器、電磁閥和閥門等多為SIL1或SIL2。因此，在進(jìn)行ESD系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體使用情況和安全性要求進(jìn)行評(píng)估后選擇，并盡可能地選用接近所要求安全完整性的產(chǎn)品，在關(guān)鍵回路中盡量選用 SIL高的產(chǎn)品，或通過其他方法來提高SIL等級(jí)。在ESD系統(tǒng)中使用的變送器，單臺(tái)使用的情況下SIL可能只能達(dá)到SIL1或SIL2。如果需要達(dá)到SIL3，就需要使用多臺(tái)變送器，且需要通過表決取值(三選二、變化率選擇或其他方式)來實(shí)現(xiàn)［5］。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

FPSO從功能上可以分成上部模塊和船體兩大部分。為方便管理，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)一般也分成工藝處理子系統(tǒng)(production shutdown，PSD)和船舶子系統(tǒng)(vessel shutdown，VSD)兩部分。PSD主要用于保證原油工藝處理模塊的安全，VSD主要負(fù)責(zé)船體以及除工藝處理模塊以外全船其他部分的安全。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1 ESD系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Compositions of ESD system

3.1 設(shè)計(jì)原則

ESD緊急關(guān)斷系統(tǒng)按照安全獨(dú)立原則要求，獨(dú)立于PCS系統(tǒng)，安全級(jí)別也高于PCS。當(dāng)FPSO的任何生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時(shí)，無需經(jīng)過PCS系統(tǒng)，由ESD直接發(fā)出保護(hù)聯(lián)鎖信號(hào)，對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行關(guān)停，從而避免故障擴(kuò)大造成不必要的損失。PSD子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以原油處理流程的特點(diǎn)和現(xiàn)場操作人員的使用習(xí)慣為設(shè)計(jì)依據(jù)。VSD子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是在保證安全的前提下，盡可能地減小對(duì)生產(chǎn)的影響。

3.2 ESD關(guān)斷等級(jí)的設(shè)計(jì)

關(guān)斷等級(jí)是把關(guān)斷的結(jié)果進(jìn)行分級(jí)處理，以方便管理與維護(hù)。一般根據(jù)FPSO的生產(chǎn)特點(diǎn)、設(shè)備的重要性、可能發(fā)生事故的嚴(yán)重性等綜合考慮，將應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)分為四個(gè)級(jí)別，即1級(jí)～4級(jí)。

3.2.1 等級(jí)關(guān)系的確定

某一級(jí)的關(guān)斷不能引起較高級(jí)別的關(guān)斷，只能驅(qū)動(dòng)所有較低級(jí)別的關(guān)斷。ESD系統(tǒng)等級(jí)關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 ESD系統(tǒng)等級(jí)關(guān)系圖Fig.2 Relationship of the levels of ESD systems

3.2.2 等級(jí)說明

ESD系統(tǒng)的各等級(jí)說明如下。

①ESD1級(jí)關(guān)斷為棄船關(guān)斷。該級(jí)關(guān)斷級(jí)別最高，只能由FPSO總監(jiān)或指定專人手動(dòng)啟動(dòng)。啟動(dòng)后，F(xiàn)PSO上部設(shè)備除應(yīng)急支持系統(tǒng)延時(shí)關(guān)斷外，全部關(guān)停。ESD1級(jí)手動(dòng)按鈕分別設(shè)在 FPSO的控制室、救生艇登船處和直升機(jī)坪等處，設(shè)有明顯的標(biāo)志或警告牌。

②ESD2級(jí)關(guān)斷為火氣關(guān)斷。該級(jí)關(guān)斷由 FPSO火災(zāi)或可燃?xì)怏w嚴(yán)重泄漏引起，可在觀察到火情后手動(dòng)啟動(dòng)，也可由火氣控制邏輯自動(dòng)啟動(dòng)。該級(jí)關(guān)斷除執(zhí)行本級(jí)關(guān)斷的特殊功能外，還將引起ESD3級(jí)和ESD4級(jí)關(guān)斷。

③ESD3級(jí)關(guān)斷為公用系統(tǒng)或生產(chǎn)關(guān)斷關(guān)斷。該級(jí)關(guān)斷由主電源、儀表風(fēng)及熱介質(zhì)等公用系統(tǒng)故障以及生產(chǎn)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)故障引起，可手動(dòng)或自動(dòng)啟動(dòng)。除執(zhí)行本級(jí)關(guān)斷的功能外，該級(jí)關(guān)斷還將引起 ESD4級(jí)關(guān)斷。

④ESD4級(jí)關(guān)斷為單元關(guān)斷。該級(jí)關(guān)斷可由單個(gè)設(shè)備故障引起，且只關(guān)斷故障設(shè)備，不影響其他設(shè)備的正常操作。ESD4級(jí)關(guān)斷可手動(dòng)和自動(dòng)啟動(dòng)。但由于關(guān)掉單臺(tái)設(shè)備后會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，因此在進(jìn)行邏輯分析時(shí)必須全面考慮。

3.2.3 實(shí)際情況的應(yīng)用

下面以116號(hào)FPSO的應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的等級(jí)細(xì)分進(jìn)行舉例說明。

①ESD1級(jí)關(guān)斷(總關(guān)斷)

ESD1級(jí)關(guān)斷級(jí)別最高，在遇到無法抗拒的情況下(如海嘯、地震，無法控制的火災(zāi)、油氣泄漏等嚴(yán)重事故)，系統(tǒng)強(qiáng)迫關(guān)斷。

ESD1級(jí)關(guān)斷由下列觸發(fā)(必須是人為觸發(fā)):中控臺(tái)上的ESD1手動(dòng)按鈕、直升機(jī)甲板逃生通道上的ESD1手動(dòng)按鈕和救生艇集合處的ESD1手動(dòng)按鈕。

ESD1級(jí)關(guān)斷將產(chǎn)生下列動(dòng)作:觸發(fā)各級(jí)關(guān)斷;關(guān)斷主電源系統(tǒng);觸發(fā)廣播A/B系統(tǒng)棄船報(bào)警;觸發(fā)機(jī)艙報(bào)警燈柱棄船報(bào)警;除了已經(jīng)啟動(dòng)的柴油應(yīng)急消防泵和應(yīng)急機(jī)外，其他設(shè)備全部關(guān)停。

②ESD2級(jí)關(guān)斷

ESD2級(jí)又分為2A、2B兩組，其中，2A為主電站區(qū)域的火災(zāi)。設(shè)計(jì)時(shí)從安全和確保給FPSO供電兩方面考慮，基本上將上部模塊主電站、高低壓配電間、變壓器房作為一個(gè)整體來考慮。當(dāng)高低壓配電房和變壓器房發(fā)生火災(zāi)，所有發(fā)電機(jī)全部停止;發(fā)電機(jī)房分左右舷單獨(dú)作用，基本上互不影響。當(dāng)其中一側(cè)出現(xiàn)火災(zāi)，另外一側(cè)備用的發(fā)電機(jī)將自動(dòng)加載，因此不會(huì)造成整個(gè)FPSO失電。

對(duì)于上部模塊部分則分為ESD-2A和ESD-2B。ESD-2A關(guān)斷將關(guān)停除了由應(yīng)急機(jī)和UPS供電以外所有的用電設(shè)備。對(duì)于上部模塊而言，ESD-2B將關(guān)停熱介質(zhì)鍋爐、氮?dú)獍l(fā)生器、惰性氣體發(fā)生器以及其他系統(tǒng)泵類相應(yīng)的電機(jī)。

船體部分主要為ESD-2B級(jí)，按照區(qū)域分成若干組，切斷所在區(qū)域的風(fēng)機(jī)、油泵，關(guān)閉風(fēng)閘、防火門等。船體關(guān)斷等級(jí)的詳細(xì)信息如表2所示。

表2 船體關(guān)斷等級(jí)Tab.2 Vessel shutdown levels

③ESD3級(jí)關(guān)斷

ESD3級(jí)關(guān)斷針對(duì)船體部分主要為貨油系統(tǒng)應(yīng)急關(guān)斷，稱為PSD-CO。PSD-CO級(jí)關(guān)斷將產(chǎn)生下列動(dòng)作:關(guān)計(jì)量撬至尾輸油管線的閥門，關(guān)斷計(jì)量撬，關(guān)斷貨油系統(tǒng)接口單元、貨油泵、洗艙泵、掃艙泵、貨油泵真空泵、壓載泵等，關(guān)閉尾輸油應(yīng)急關(guān)斷閥。

ESD3級(jí)關(guān)斷針對(duì)的上部模塊部分主要是原油處理系統(tǒng)。ESD3是生產(chǎn)系統(tǒng)的總關(guān)斷，針對(duì)不同的原油處理系列，又分為ESD-3A和ESD-3B，分別只對(duì)各自的系列進(jìn)行關(guān)停。

④ESD4級(jí)關(guān)斷

ESD4級(jí)關(guān)斷為原油工藝處理裝置及設(shè)備的關(guān)停，只針對(duì)系統(tǒng)中的單臺(tái)設(shè)備(如泵、加熱器等)，而不直接對(duì)其他設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作。

3.3 ESD監(jiān)測和執(zhí)行部分

ESD監(jiān)測部分包括現(xiàn)場的壓力、溫度、液位、流量開關(guān)/變送器、手動(dòng)按扭等，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)接收來自這些設(shè)備的信號(hào)。應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)通常采用“故障安全型”原則。在正常工況下，各開關(guān)觸點(diǎn)是閉合的，整個(gè)回路帶電，具有實(shí)時(shí)回路監(jiān)測功能;當(dāng)處于異常狀態(tài)時(shí)，觸點(diǎn)斷開，回路失電，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

ESD執(zhí)行部分包括電磁閥、馬達(dá)控制器、關(guān)斷閥以及現(xiàn)場控制盤等設(shè)備，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)輸出信號(hào)控制這些設(shè)備，從而使生產(chǎn)流程、設(shè)備在故障時(shí)迅速達(dá)到安全狀態(tài)。

3.4 ESD關(guān)斷控制的設(shè)計(jì)

ESD監(jiān)測部分和ESD執(zhí)行部分各司其職，承擔(dān)異常信號(hào)探測和關(guān)斷執(zhí)行工作。只有這兩者有效結(jié)合，才能阻止故障現(xiàn)象的擴(kuò)大。它們之間不只是簡單的信號(hào)傳遞，還要對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行判斷、報(bào)警、顯示。因此，需要一套能及時(shí)進(jìn)行正確的邏輯判斷，并及時(shí)發(fā)出關(guān)斷命令的PLC邏輯。

應(yīng)急關(guān)斷PLC邏輯用因果圖表示整個(gè)關(guān)斷系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)之間的關(guān)系。根據(jù)這些因果關(guān)系圖，可以編制PLC控制程序。PLC嚴(yán)格按照因果圖的邏輯關(guān)系進(jìn)行控制，完成其邏輯控制、輸入輸出、報(bào)警、與上位機(jī)通信等功能。

一般在邏輯中還要加入對(duì)輸入信號(hào)的旁通邏輯，以及動(dòng)作信號(hào)的自鎖邏輯。旁通邏輯可以根據(jù)需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行旁通，方便監(jiān)測設(shè)備的校驗(yàn)和維修。它只是臨時(shí)屏蔽了個(gè)別采樣點(diǎn)，既滿足了維護(hù)需要，又保證裝置運(yùn)行仍處于ESD控制［6］。自鎖邏輯可以對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行鎖定，且只能通過手動(dòng)復(fù)位才能消除，方便問題的查找和關(guān)斷原因的確定。

3.5 控制結(jié)構(gòu)的搭建

ESD系統(tǒng)是獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，它運(yùn)行著全FPSO的關(guān)斷控制邏輯，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測現(xiàn)場的所有探測設(shè)備的狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)定好的控制邏輯進(jìn)行判斷，自動(dòng)作出相應(yīng)的關(guān)斷動(dòng)作。海上FPSO應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Control structure

為了更直觀地對(duì)應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)進(jìn)行管理和操作，一般還需要設(shè)計(jì)安裝集中控制板。同時(shí)，應(yīng)急關(guān)斷控制系統(tǒng)與中控室的PCS、F＆G系統(tǒng)進(jìn)行通信，并可在PCS的操作站上進(jìn)行相應(yīng)旁通、復(fù)位等的操作。

4 結(jié)束語

由于FPSO是一種高投資、高附加值、高風(fēng)險(xiǎn)的海上生產(chǎn)設(shè)施，其安全涉及到原油的安全生產(chǎn)、儲(chǔ)存、生產(chǎn)設(shè)備和操作人員的安全［7－9］。因此，必須重視FPSO應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的研究，以保證在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地關(guān)斷各設(shè)備，從而盡可能地減少對(duì)生產(chǎn)的影響。這就要求對(duì)其安全系統(tǒng)的動(dòng)作做詳細(xì)、周密的分析，確定應(yīng)急關(guān)斷的因果邏輯，明確主次關(guān)系，從而建立正確的、行之有效的 ESD系統(tǒng)［7］。

本文對(duì)近幾年新建FPSO應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，從而為今后其他海上生產(chǎn)設(shè)施安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了應(yīng)用參考。

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