李榮稷

摘 要：FPSO是深海最主要的采油方式，大量油氣的存在使FPSO的危險(xiǎn)性非常高，緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠?qū)ζ脚_(tái)的安全提供可靠保障?？偨Y(jié)了DANA圓筒型FPSO設(shè)計(jì)建造過(guò)程中應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：FPSO；ESD；PSD；緊急關(guān)斷；故障安全

中圖分類號(hào)：U674.38 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）03-0096-02

Abstract： FPSO is the most important way of oil recovery in the deep sea， the existence of a large number of oil and gas add the risk of FPSO， the design of emergency shutdown system can provide a reliable guarantee for the safety of the platform. The design principle and design method of emergency turn-off system in the design and construction of DANA cylindrical FPSO are summarized， and the related design standards are introduced.

Keywords： FPSO； ESD； PSD； emergency shutdown； fail safety

引言

在深海采油活動(dòng)中，F(xiàn)PSO浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置是主流的采油方式，在世界石油生產(chǎn)中有重要作用。由于FPSO是處理原油的海上加工廠，在生產(chǎn)中有大量原油輸入和輸出，在處理的過(guò)程中還有大量碳?xì)錃怏w，一旦發(fā)生泄漏，后果非常嚴(yán)重。

功能完善的應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)用于處理各種意外事故，針對(duì)不同的情況自動(dòng)采取相應(yīng)的關(guān)斷措施，以保證人員和財(cái)產(chǎn)安全，減小損失。其安全有效運(yùn)行涉及到原油和可燃?xì)怏w的安全生產(chǎn)、平臺(tái)設(shè)備和操作人員的安全。為此必須重視應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的研究，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)斷設(shè)備。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，確定緊急關(guān)斷的因果邏輯，明確主次關(guān)系。從而建立正確的、行之有效的緊急關(guān)斷系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

FPSO緊急關(guān)斷系統(tǒng)是自動(dòng)化系統(tǒng)，采用可編程邏輯控制器PLC實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。一般情況下應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)是靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)；只有當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，系統(tǒng)才發(fā)出保護(hù)信號(hào)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的因果邏輯進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)斷動(dòng)作。對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行分層級(jí)的緊急關(guān)斷，避免發(fā)生火災(zāi)蔓延，爆炸或有毒氣體泄露等危險(xiǎn)情況。當(dāng)然系統(tǒng)也配有手動(dòng)按鈕，用于人工緊急切斷。緊急關(guān)斷系統(tǒng)具備很高的可靠性，采用SIL2以上等級(jí)的軟件、硬件，同時(shí)設(shè)置雙重或三重冗余，以及采用表決系統(tǒng)。并采用故障安全型設(shè)計(jì)，即正常狀態(tài)時(shí)信號(hào)觸點(diǎn)為常閉，回路帶電；當(dāng)出現(xiàn)故障，信號(hào)觸點(diǎn)斷開(kāi)，回路失電，產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)通過(guò)輸入設(shè)備啟動(dòng)，輸入設(shè)備為壓力傳感器、溫度傳感器等各類安全儀表，或者關(guān)鍵部位的手動(dòng)按鈕。關(guān)斷級(jí)別取決于輸入條件和工藝設(shè)備設(shè)計(jì)。一組輸入條件也許只會(huì)使一個(gè)局部工藝設(shè)備關(guān)閉，而其他設(shè)備仍在運(yùn)行；或許關(guān)閉所有工藝設(shè)備而讓公用系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；或者在火災(zāi)和可燃?xì)鈭?bào)警時(shí)采取更高級(jí)別的關(guān)閉；或者是除生命保障設(shè)備外的全平臺(tái)關(guān)閉；或者是所有設(shè)備關(guān)停放棄平臺(tái)的關(guān)閉。

各類關(guān)斷發(fā)生時(shí)，緊急關(guān)斷系統(tǒng)均會(huì)發(fā)出報(bào)警。級(jí)別較低時(shí)，報(bào)警只在主控室，級(jí)別在ESD以上時(shí)將是全平臺(tái)報(bào)警。在主控室，對(duì)關(guān)斷起因有可視顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，結(jié)合設(shè)備的功能、位置等信息，設(shè)置好每個(gè)關(guān)斷等級(jí)需要哪些輸入信號(hào)，關(guān)斷哪些設(shè)備，確定緊急關(guān)斷的邏輯。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)包括確立關(guān)閉策略和編制因果圖的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，因果圖為矩陣形式，水平的為因，垂直的為果。用“X”將因果聯(lián)系起來(lái)。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)還包括確定聲光報(bào)警反應(yīng)和編制系統(tǒng)功能說(shuō)明，如對(duì)不同的關(guān)鍵輸入規(guī)定所需的表決。系統(tǒng)測(cè)試也應(yīng)非常廣泛，在調(diào)試的時(shí)候，對(duì)所有的程序組合條件都充分進(jìn)行測(cè)試。

2 緊急關(guān)斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)：（1）不同于正常的控制系統(tǒng)；（2）中間環(huán)節(jié)；（3）故障安全型；（4）冗余容錯(cuò)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DANA圓筒型FPSO項(xiàng)目緊急關(guān)斷系統(tǒng)包含（PSD）工藝關(guān)斷和（ESD）平臺(tái)關(guān)斷兩大子系統(tǒng)，兩個(gè)子系統(tǒng)之間也是相互獨(dú)立的，但可以通過(guò)冗余網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器進(jìn)行滿足SIL3等級(jí)的信息通信，可以共享操作站，打印機(jī)等設(shè)備。

（1）ESD（Emergency Shut Down）用于平臺(tái)的緊急關(guān)斷。

（2）PSD（Process Shut Down）用于工藝系統(tǒng)的緊急關(guān)斷。

ESD系統(tǒng)高于PSD系統(tǒng)，ESD關(guān)斷發(fā)生時(shí)可以引起PSD關(guān)斷。依次向下，上級(jí)關(guān)斷動(dòng)作可觸發(fā)下級(jí)關(guān)斷。

生產(chǎn)切斷，安全和效益通常是一對(duì)矛盾，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們也經(jīng)常會(huì)因?yàn)檫@樣的觀點(diǎn)不同而和船東爭(zhēng)執(zhí)。

從安全的角度，出現(xiàn)危險(xiǎn)情況關(guān)停的東西越多越安全，但是反過(guò)來(lái)關(guān)停的東西越多造成的損失越大，恢復(fù)生產(chǎn)的成本越高。因此我們就需要在確保安全的前提下盡量關(guān)停少的東西，因此，我們又根據(jù)功能不同將PSD細(xì)分成了四組：

（1）PSD1.1油艙系統(tǒng)關(guān)斷；

（2）PSD1.2油生產(chǎn)關(guān)斷；

（3）PSD1.3氣生產(chǎn)關(guān)斷；

（4）PSD1.4注水/輔助生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)關(guān)斷。

PSD1生產(chǎn)切斷平臺(tái)上油氣水的生產(chǎn)過(guò)程切斷，停止生產(chǎn)。

PSD1.1處理好的石油存儲(chǔ)到油艙里，當(dāng)存儲(chǔ)發(fā)生問(wèn)題時(shí)需要啟動(dòng)這一級(jí)切斷，啟動(dòng)這一級(jí)切斷會(huì)同時(shí)觸發(fā)。

PSD1.2油生產(chǎn)的切斷，生產(chǎn)出來(lái)的石油無(wú)法存儲(chǔ)。

PSD1.2油生產(chǎn)的切斷。在油分離，除氣，脫水等過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題需要啟動(dòng)這一級(jí)切斷。

PSD1.3氣生產(chǎn)的切斷。當(dāng)氣體壓縮，脫水等生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題無(wú)法繼續(xù)時(shí)啟動(dòng)這一級(jí)切斷，其他生產(chǎn)可以繼續(xù)，分離過(guò)程中產(chǎn)生的氣體全部放空到火炬系統(tǒng)燒掉。

PSD1.4注水系統(tǒng)等石油生產(chǎn)輔助等系統(tǒng)切斷。這一級(jí)切斷后，石油生產(chǎn)一般可以短期繼續(xù)進(jìn)行。

在異常操作條件下，某些設(shè)備自動(dòng)對(duì)工藝流程加以保護(hù)，使工藝條件保持在安全生產(chǎn)允許范圍內(nèi)，如將工作容器和管線關(guān)閉。自動(dòng)設(shè)備可能包括泄放閥、壓縮機(jī)循環(huán)系統(tǒng)等，還包括工作容器、工藝裝置的自動(dòng)關(guān)閉，甚至整個(gè)平臺(tái)的關(guān)閉。

ESD1一級(jí)應(yīng)急切斷，安全區(qū)確認(rèn)可燃?xì)怏w存在時(shí)啟動(dòng)這一等級(jí)的切斷。此時(shí)除了危險(xiǎn)區(qū)域不再使用的設(shè)備切斷，安全區(qū)在不能確認(rèn)危險(xiǎn)氣體不會(huì)達(dá)到預(yù)定濃度的地方，室內(nèi)的設(shè)備也要切斷。

ESD2二級(jí)應(yīng)急切斷，危險(xiǎn)區(qū)確認(rèn)可燃?xì)怏w存在或確認(rèn)失火時(shí)啟動(dòng)這一等級(jí)切斷。此時(shí)生產(chǎn)關(guān)斷，所有在危險(xiǎn)區(qū)域的需要再使用的設(shè)備切斷。

APS棄船關(guān)斷，在極端情況下已無(wú)法控制平臺(tái)需要放棄時(shí)啟動(dòng)，平臺(tái)只有逃生時(shí)所用的緊急通信系統(tǒng)，應(yīng)急控制系統(tǒng)，不間斷照明，平臺(tái)應(yīng)急指示燈等系統(tǒng)，其余系統(tǒng)全部切斷。

4 緊急切斷系統(tǒng)的軟硬件配置

4.1 硬件配置

緊急關(guān)斷系統(tǒng)的配置需要滿足SIL3的要求?？刂破鞯腃PU雙重冗余配置，I/O冗余配置，控制網(wǎng)絡(luò)冗余配置。所有冗余均為熱備用關(guān)系，一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題能及時(shí)切換到備用而無(wú)任何中斷。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)設(shè)備均為雙路UPS供電。包括控制器，網(wǎng)絡(luò)柜，I/O箱，一路UPS故障可以不間斷切換到另一路UPS。出于對(duì)信號(hào)可靠性和延遲的考慮，所有緊急關(guān)斷系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)均為硬線而不采用通訊傳輸。

4.2 軟件配置

ESD系統(tǒng)的軟件為TUV認(rèn)證的SIL3等級(jí)的組態(tài)控制軟件。系統(tǒng)具有強(qiáng)大的冗余容錯(cuò)功能。提供了強(qiáng)大的控制可靠性。組態(tài)控制軟件把工業(yè)控制所需的各種功能以功能塊的形式提供給用戶，其中包括：輸入/輸出模塊、控制算法模塊、運(yùn)算模塊、計(jì)數(shù)/計(jì)時(shí)模塊、邏輯運(yùn)算模塊、打印模塊、LED顯示模塊等等，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇所需的模塊，再加上輔助基本功能模塊，例如與、或、非、取反等基本邏輯模塊生成系統(tǒng)控制軟件。為便于系統(tǒng)組態(tài)，控制系統(tǒng)提供商提供了組態(tài)軟件語(yǔ)言。

為了便于系統(tǒng)維護(hù)，升級(jí)，處置故障等，每一級(jí)切斷都可以進(jìn)行屏蔽（suppress），抑制（inhibit）強(qiáng)制（force）阻止（block）重置（reset）等多種操作。

5 系統(tǒng)輸入輸出接口

整理緊急關(guān)斷系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)是一個(gè)大工程。首先對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部，眾多的設(shè)備硬線接口，第三方設(shè)備名稱，編碼，信號(hào)類型，信號(hào)描述，對(duì)應(yīng)機(jī)柜號(hào)，相關(guān)電纜等信息都需要明確記錄。

例如對(duì)輸入信號(hào)，要明確輸入的信號(hào)是有源信號(hào)還是觸點(diǎn)信號(hào)。如果是有源信號(hào)，還需要注意是否有電磁閥等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接使用應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)，如果直接驅(qū)動(dòng)，那就要注意電磁閥功率及電纜長(zhǎng)度，避免出現(xiàn)電磁閥功率超過(guò)卡件驅(qū)動(dòng)能力或者由于電纜壓降過(guò)大而導(dǎo)致電磁閥無(wú)法響應(yīng)關(guān)斷動(dòng)作信號(hào)等故障。因?yàn)樾盘?hào)涉及到眾多非電氣專業(yè)設(shè)備，還要和輪機(jī)，空調(diào)等相關(guān)專業(yè)不斷協(xié)調(diào)澄清。

為了能在不同系統(tǒng)間通信及操作，緊急關(guān)斷系統(tǒng)配置了SIL3等級(jí)的雙冗余網(wǎng)絡(luò)通信。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器使其能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和火氣等其他控制系統(tǒng)通信。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)FPSO緊急關(guān)斷系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)原理、原則、思路等進(jìn)行了詳細(xì)闡述，希望能為國(guó)內(nèi)類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有益的參考和思路。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了介紹，讓相關(guān)人員對(duì)相關(guān)配置有直觀地了解，希望借此能夠推動(dòng)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)水平的提高。為國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

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