大型FPSO應急關斷系統(tǒng)設計研究

劉國貞

（上海中遠船務工程有限公司 上海 200231）

0 引 言

近年來，新能源在船舶及海工領域的應用已有一定突破，新材料新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，但在以石油為主的不可再生能源被新能源徹底取代前，浮式生產(chǎn)儲油和卸油裝置（floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO）作為海上油氣生產(chǎn)的主要設施，仍占有較大的市場。

FPSO系海上油氣加工廠，生產(chǎn)及裝卸過程中伴生大量碳氫氣體，如其未配置一套可靠的應急關斷系統(tǒng)及制定有效的應急處置預案，可燃氣體一旦泄漏， 將會發(fā)生災難性的事故。因此，在設計應急關斷系統(tǒng)時，必須對各系統(tǒng)和部件進行充分的風險評估，同時考慮其可靠性、安全性和功能完善性，以保證在發(fā)生意外事故時能有效和安全地關斷相關設備，以限制不期望的后果發(fā)生，從而保護生命、環(huán)境、資產(chǎn)和公司聲譽，最大限度地減少經(jīng)濟損失。

本文以巴西石油公司30萬噸級FPSO為依托，重點研究應急關斷系統(tǒng)的配置、關斷邏輯、功能特性和安全可靠性。該FPSO最大載重352 710 t、儲油能力160萬桶、日產(chǎn)原油12萬桶、日產(chǎn)天然氣超過500萬m，是世界上最先進的FPSO之一。隨著FPSO不斷大型化，其應急關斷系統(tǒng)的設計日趨復雜、關斷要求也越來越高。

1 設計基礎和適用規(guī)范

1.1 系統(tǒng)安全完整性等級

本船的應急關斷系統(tǒng)是按照IEC 61508標準中3級安全完整性（SIL3）等級設計；火氣關斷系統(tǒng)（fire and gas system，F(xiàn)GS）是按照IEC 61508標準中2級安全完整性（SIL2）等級設計；單個元件、儀表或控制器采用多臺同時運行通過表決方式達到所要求的安全完整性等級。

1.2 適用的規(guī)范規(guī)則

2 系統(tǒng)架構和配置

FPSO上設有中央控制和安全系統(tǒng) （control &safety system，CSS），作為生產(chǎn)工藝流程系統(tǒng)、船舶系統(tǒng)和公用系統(tǒng)的指揮、控制和安全保障中心。該系統(tǒng)包括過程控制系統(tǒng)（process control system，PCS）、應急關斷（emergency shutdown，ESD）系統(tǒng)和火氣關斷系統(tǒng)，各系統(tǒng)既可獨立運行、亦可根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)交換，形成一個有機的整體。

本FPSO船體部分和上部工藝處理流程部分各自搭建自己的控制和安全系統(tǒng)，船體部分控制和安全系統(tǒng)（hull control & safety system，HCSS）包括船體流程控制系統(tǒng)（hull control system，HCS）、船體安全關斷系統(tǒng)（hull shutdown system，HSD）和船體火氣關斷系統(tǒng)（hull fire and gas system，HFGS）；上部工藝處理流程部分控制和安全系統(tǒng)包括工藝流程控制系統(tǒng)（PCS）、工藝流程關斷（process shutdown，PSD）系統(tǒng)和火氣關斷系統(tǒng)（FGS）。船體部分和上部工藝處理流程部分的工作站、打印機等終端與外圍設備各自配置、各有分工且可以互換使用；兩部分之間通過網(wǎng)關交換數(shù)據(jù)。主控制網(wǎng)絡采用雙冗余光纖搭建的數(shù)據(jù)高速公路，控制器內(nèi)中央處理器（central processing unit，CPU）、電源模塊、I/O模塊及通訊模塊均熱備冗余，通訊協(xié)議為TCP/IP。船體部分中央控制系統(tǒng)總架構如下頁圖1所示，上部工藝處理流程部分中央控制系統(tǒng)總架構如下頁圖2所示。本文著重對HSD和HFGS進行重點闡述。

圖1 FPSO中央控制系統(tǒng)總架構-船體部分

圖2 FPSO中央控制系統(tǒng)總架構-上部工藝處理流程部分

3 應急關斷系統(tǒng)設計

FPSO應急關斷系統(tǒng)分為工藝流程關斷系統(tǒng)（PSD）和船體安全關斷系統(tǒng)（HSD）。PSD主要用于保證原油和天然氣流程處理模塊等上部模塊的安全；HSD主要負責船體部分、立管連接區(qū)域等的安全。設計應圍繞保證人員安全、設施安全和保證生產(chǎn)連續(xù)性的原則來確定應急關斷級別和關斷邏輯。

3.1 設計原則

根據(jù)《巴西國家石油公司海上生產(chǎn)裝置安全設計規(guī)則》，應急關斷系統(tǒng)設計成獨立于其他的控制系統(tǒng)，有其專門的一套關斷邏輯，其安全級別高于過程控制系統(tǒng)（PCS）。當FPSO上發(fā)生任何與安全相關的緊急情況時，直接作用于ESD邏輯，發(fā)出報警和關斷指令，關停相應設備，從而避免因意外事故造成嚴重損失。PSD系統(tǒng)設計結合上部工藝處理流程的特點及操作中所發(fā)生的安全案例等經(jīng)驗教訓為設計依據(jù)。HSD系統(tǒng)設計是在保證裝置安全的前提下，盡可能地保護人的生命安全、保護環(huán)境及減小對上部工藝處理流程的影響，保證連續(xù)生產(chǎn)。

3.2 安全關斷層級

FPSO的應急關斷系統(tǒng)包含4個等級，代表對不斷增加的危險等級的階段性響應，其中1級最低，4級最高、最嚴重。具體級別劃分如下：

● 應急關斷4級-ESD-4：準備棄平臺關斷。

● 應急關斷3級-ESD-3：火氣關斷，又分如下2個子級別：

（1）ESD-3T：關斷主電源和電力分配系統(tǒng)；

（2）ESD-3P：保持主電源接通，僅關斷火災或可燃氣體泄漏區(qū)域相關設備。

● 應急關斷2級-ESD-2：生產(chǎn)工藝流程關斷。

● 應急關斷1級-ESD-1：裝置或設備關斷。

ESD-1、2、3或4的手動啟動由設在中控制室和無線電室的按鈕觸發(fā)。如圖3的應急關斷系統(tǒng)層級圖所示: ESD-4的級別最高、ESD-1的級別最低，ESD-4動作可觸發(fā)其下所有級別的關斷。

圖3 應急關斷系統(tǒng)層級圖

3.3 應急關斷系統(tǒng)因果邏輯

各等級ESD的觸發(fā)及引起的結果如下：

此級關斷為準備棄平臺關斷，也叫總關斷。該級關斷級別最高，分別由設在中控室和無線電室的應急操作板上的ESD-4按鈕手動觸發(fā)。

啟動后，觸發(fā)中控室報警；自動觸發(fā)ESD-3T、ESD-3P、ESD-2和ESD-1級關斷；FPSO上除應急情況下需工作的系統(tǒng)延時關斷外，所有的生產(chǎn)和公共流程均關停。此時工藝流程設備自動減壓，至井口平臺的安全閥關斷。此級關斷能觸發(fā)FPSO各級關斷、發(fā)布棄船警報、關斷主電源并在半小時后切斷消防設備及應急電源，隨后在12 h后切斷UPS。ESD-4的聲音報警為獨立的按鈕，由安裝在ESD-4旁的獨立按鈕觸發(fā)，觸發(fā)后報警聲音為連續(xù)音，由廣播系統(tǒng)自動發(fā)布全船報警。

此級關斷為火氣關斷。該級關斷由FPSO火災或可燃氣體泄漏引起，可手動觸發(fā)，也可由火氣系統(tǒng)根據(jù)邏輯自動觸發(fā)。該級關斷除執(zhí)行ESD-3級關斷內(nèi)容外，還將觸發(fā)ESD-2和ESD-1級關斷。此級關斷又分為ESD-3T和ESD-3P 2個子級別。

（1）ESD-3T級關斷

由設在中控室和無線電室的應急操作板上的ESD-3T按鈕手動觸發(fā)；由上部主發(fā)電機模塊和電力分配區(qū)域發(fā)生著火或可燃氣體泄漏觸發(fā)，即：上部模塊的主配電板室、主變壓器室、自動化設備室、電池室及2個動力模塊同時著火或可燃氣體泄漏。

啟動后，觸發(fā)中控室報警、廣播系統(tǒng)全船報警，報警音為間斷音；自動觸發(fā)ESD-3P、ESD-2和ESD-1級關斷； ESD-3T信號傳送至上部模塊流程關斷系統(tǒng)（PSD）自動觸發(fā)流程部分相關設備的關斷，包括：關停動力模塊的主電站；主配電板停電；關斷通風空調(diào)和冷媒水系統(tǒng)；關斷柴油分配泵、柴油溢流駁運泵、氮氣發(fā)生器和海水提升泵；關斷ESD閥；啟動應急發(fā)電機、應急海水提升泵、應急冷卻水泵和非危險區(qū)域冷卻水循環(huán)泵；手動啟動消防系統(tǒng)。

（2）ESD-3P級關斷

由設在中控室和無線電室的應急操作板上的ESD-3P按鈕手動觸發(fā)；來自于可尋址火災探測系統(tǒng)，由重要處所即船體重要配電板室、船體正常配電板室、船體變壓器室、公用配電板室、應急發(fā)電機室和壓縮機室安裝3個及以上的可尋址探測器，并由火災邏輯表決出的確認的著火信號觸發(fā)；由確認的敞開區(qū)域和進風口的可燃氣體（只探測器中2只探測器60% LEL）、有毒氣體（HS≥2×10）或CO（CO≥4×10）氣體泄漏信號自動觸發(fā)；由主甲板油艙上面區(qū)域、原油處理模塊、可燃氣體壓縮處理模塊、CO氣體壓縮處理模塊、化學品儲存區(qū)域、立管連接區(qū)域、外輸油區(qū)域、計量撬及管廊等危險區(qū)域著火自動觸發(fā)。

啟動后，觸發(fā)中控室報警、廣播系統(tǒng)全船報警，報警音為間斷音；自動觸發(fā)ESD-2和ESD-1級關斷；自動觸發(fā)非重要流程和公用設備關斷；關斷風機、油泵；關斷非重要儀表空氣和日用空氣速關閥；關斷應急發(fā)電機和壓縮機儀表空氣供氣閥；關斷惰氣發(fā)生器燃氣供給閥；關斷外輸總管應急解脫速關閥；通風空調(diào)系統(tǒng)及防火風閘根據(jù)影響到的區(qū)域成組關斷。同時，ESD-3P信號傳送至上部模塊自動觸發(fā)流程部分相關設備的關斷， ESD-3P級關斷自動啟動消防泵。僅1臺燃氣透平主發(fā)電機組保持工作，其他主發(fā)電機組關停。對于燃氣透平發(fā)電機組進氣或排氣口可燃氣體泄漏，僅觸發(fā)中控室報警，受影響的透平機組關停；生活樓內(nèi)起居服務處所著火不自動觸發(fā)ESD-3P關斷，僅在中控室報警及視具體情況采取滅火措施。

由設在中控室、無線電室、登乘處和直升機甲板處的ESD-2按鈕手動觸發(fā)；由污油水艙甚高壓觸發(fā)；由儲油艙和污油水艙高高液位觸發(fā)；由惰氣系統(tǒng)壓力異常觸發(fā)；由探測到重要儀表空氣總管壓力甚低壓觸發(fā)；由流程部分探測到的甚高壓、甚低壓、甚高液位和甚低流量自動觸發(fā)。

啟動后，觸發(fā)中控室報警；自動觸發(fā)ESD-1級關斷；信號送至上部模塊觸發(fā)流程部分相關設備的關斷：泄壓閥動作系統(tǒng)自動減壓、關停化學噴射泵和生產(chǎn)水泵、關停CO處理模塊、生產(chǎn)水系統(tǒng)、進口日用泵、海底生產(chǎn)總管關斷閥等與流程相關的設備和閥組；單個的貨油艙和污油水艙高高液位，僅關斷相應艙供油管線上的閥門，當所有艙高高液位時，將引起ESD-2級關斷。

該級關斷為獨立運行的裝置或序列的關斷。由ESD-2及以上層級觸發(fā)；由設備本身故障、流程變量異常、過度機械磨損觸發(fā)；由安裝在就地的手動緊急停止按鈕觸發(fā)。啟動后，關斷受影響的單個設備、啟動備用設備、流程和公用系統(tǒng)部分關斷。

3.4 火氣關斷系統(tǒng)表決邏輯

FPSO上以A級及以上鋼圍壁和鋼甲板為界限面，共劃分成約500個火區(qū)。

FPSO上關閉風閘以由1個獨立的加熱通風空調(diào)（HVAC）進出風循環(huán)系統(tǒng)構成的封閉處所為原則劃分成42個區(qū)。其中生活樓12個區(qū)、機械處所30個區(qū)。由于風機與風閘聯(lián)鎖，每個區(qū)域若關閉風閘后將自動關閉風機，此類關斷屬于ESD-3P關斷級別中的一類。

生活樓110人, 配置了中央控制室、無線電室、廚房、餐廳、會議室及應急避難所等重要處所，是FPSO的大腦和中樞神經(jīng)，因此安全系統(tǒng)設計的核心，是最大限度地保護生活樓內(nèi)人員和重要設施。

對于大型FPSO，其發(fā)生火災、可燃氣體和硫化氫氣體泄漏的潛在可能性增大，且一旦發(fā)生火氣蔓延很難控制。相對于中小型FPSO將生活樓劃分為1～2個區(qū)域，本系列FPSO結合通風系統(tǒng)的設計原則，將生活樓劃分為12個關閉風閘分區(qū)。其劃分原則為：① 控制站、危險區(qū)域、較大危險失火處所、應急情況下需要運行的系統(tǒng)和需要使用的設備存放處所為獨立分區(qū)；② 由獨立的加熱通風空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)構成的封閉處所為獨立分區(qū)。其關斷原則：區(qū)域內(nèi)探測到火災或進風口探測到可燃氣體濃度高，即關斷相應區(qū)域內(nèi)的通風、空調(diào)、火氣風閘和燃油速關閥等，其他區(qū)域不受影響。關斷風閘的操作按鈕和繼電器箱位于保護區(qū)域之外。生活樓用于關斷的風閘共58只。生活樓關閉風閘分區(qū)詳見表1。

表1 生活樓關閉風閘分區(qū)表

主船體機械處所的分區(qū)方法與生活樓類似，即當可燃氣體泄漏時，以關閉相應區(qū)域的風機風閘為原則，盡量縮小關斷影響區(qū)域，以保障生產(chǎn)的連續(xù)性。機械區(qū)域共84只風閘，分成30個組，各組分別被劃入3個關斷區(qū)域，每個關斷區(qū)域的風閘關斷分別由各自的繼電器箱驅動。主船體機械處所關閉風閘分區(qū)詳見表2。

表2 主船體關閉風閘分區(qū)表

根據(jù)巴西國家石油公司海上生產(chǎn)裝置安全設計規(guī)則，各火區(qū)內(nèi)火災探測器的位置及設定值和表決邏輯如表3所示。

表3 火災探測器的布置位置和表決邏輯

另外，洗手間等不易著火處所，無需探測；中控室和緊急集合站的進風口的探測器動作需要關閉風閘。

根據(jù)巴西國家石油公司海上生產(chǎn)裝置安全設計規(guī)則，成組安裝的的可燃氣體探測器的位置及設定值和表決邏輯如表4所示。

表4 可燃氣體探測器的布置位置和表決邏輯

3.5 ESD應急操作板

ESD應急操作板位于中控室和無線電室，采用硬線與HSD/HFGS系統(tǒng)相連，控制邏輯相對獨立。

3.6 與消防系統(tǒng)的聯(lián)動

FPSO上配備水消防系統(tǒng)、泡沫消防系統(tǒng)、機艙局部水霧滅火系統(tǒng)和CO消防系統(tǒng)。一般的FPSO火氣關斷邏輯會與消防系統(tǒng)聯(lián)動，自動啟動消防泵、釋放水噴淋、釋放CO等。此巴西石油FPSO的主消防水泵會在ESD-3P時自動啟動，CO消防系統(tǒng)系手動啟動，按表5所示分區(qū)執(zhí)行。

表5 CO2釋放分區(qū)表

3.7 系統(tǒng)硬件設備

巴西石油FPSO應急關斷系統(tǒng)的硬件配置如下：

應急關斷系統(tǒng)和火氣關斷系統(tǒng)各自配置冗余熱備控制器、HSD I/O 624點、遠程I/O柜7臺；HFGS I/O 752點、遠程I/O柜7臺；所有I/O點在I/O柜內(nèi)預留至少30%備用，用于將來擴容， HSD和HFGS的I/O柜之間采用雙冗余的PROFIBUS現(xiàn)場總線相連接； 在中控室配置操作員工作站（HMI）11臺、工程師站5臺、打印機2臺，船體部分和工藝流程部分可以互換使用。

3.8 與電氣系統(tǒng)的接口

當關斷電力系統(tǒng)中的泵和風機等供電設備時，除通過硬線傳輸外，還通過配電板/馬達控制中心內(nèi)每個馬達功能單元內(nèi)智能電子通訊模塊（IED）將信號通過冗余的光纖網(wǎng)傳送至電氣系統(tǒng)獨立的網(wǎng)關，再傳送至火氣關斷（FGS）系統(tǒng)執(zhí)行相應的關斷，即：與配電系統(tǒng)相關的關斷已達到了三重冗余配置。 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和性能標準根據(jù)《IEC 61850- 變電站通訊網(wǎng)絡和系統(tǒng)標準》，定義4種標準的電氣系統(tǒng)智能化網(wǎng)絡通訊模塊，即：EA01、EA02、EA03和EA04。

● EA01：功能單元由過程控制器或火氣控制器控制，并配有能夠通過網(wǎng)絡與CSS通信的設備。

● EA02：功能單元不受過程控制器和火氣控制器控制，僅通過硬線信號與這些控制器進行通信。

● EA03：功能單元不受過程控制器和火氣控制器控制，僅在停機時與CSS通信。

● EA04：成套設備功能單元。這些裝置通過硬接線信號與機組控制器通信。這些功能單元與CSS的通信，僅用于關斷目的。

4 系統(tǒng)主要功能和設計特點

與以往FPSO應急關斷系統(tǒng)相比，巴西石油大型FPSO的應急關斷系統(tǒng)，有以下特點：

（1）火區(qū)和氣區(qū)（即：關閉風閘分區(qū)）有各自獨立的分區(qū)原則和對應的關斷邏輯，火區(qū)劃分精細至每個A級防火分割的界限面，表決邏輯更加嚴密苛刻，不重要處所的探測器動作僅在中控室報警并需到現(xiàn)場確認，謹防誤判誤報；氣區(qū)（即：關閉風閘分區(qū)）與加熱通風空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)的設計原則相吻合，其進出風循環(huán)系統(tǒng)構成的封閉處所視為1個分區(qū)，這樣由于通風系統(tǒng)失靈關斷面最小、造成的損失最低。

（2）火氣關斷時根據(jù)嚴重程度決定是否關停主電站和停止生產(chǎn)；

（3）火氣關斷除了重要區(qū)域和危險區(qū)域，盡量不采用自動表決，在報警后人為判斷關斷類型；

（4）CO施放均系手動。

（5）電力系統(tǒng)中斷路器脫扣采用智能電子通訊模塊取代大量的中間繼電器及硬接線，可實現(xiàn)快速準確地切斷供電電路。

（6）用于生活樓關閉風閘分區(qū)方法具創(chuàng)新性。常規(guī)FPSO只將廚房劃分為獨立的1個區(qū)、應急發(fā)電機室和應急配電板室劃分為獨立的1個區(qū)，其他控制、起居和服務處所都統(tǒng)一歸為生活樓區(qū)域。這樣的分區(qū)原則將導致初期、局部的火災或可燃氣體泄漏關斷影響面較大，特別是關斷中央控制系統(tǒng)，影響FPSO上部工藝處理流程的正常運行。

5 結 語

該應急關斷系統(tǒng)的一整套設計方法，是為巴西國家石油公司系列FPSO量身定做，符合巴西海域海上設施的安全要求和慣例，應急預案響應快速，并通過了第三方公司的預先危險性分析、危險與可操作性分析、危險源辨識、爆炸分析、氣體擴散分析及火災和煙霧擴散分析，能正確協(xié)調(diào)和處理好安全與經(jīng)濟效益之間的關系，滿足海上浮式生產(chǎn)存儲裝置大型化的要求，對未來開發(fā)天然氣、可再生的新能源船舶及海上設施，設計和建造超大型FPSO、FSRU及FLNG有一定的借鑒意義。