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1 前 言
随着全球经济的高速发展,能源的需求量逐渐增大,石油的价格也一直处在一个较高的水平上,这种经济现状强有力地推动了海上石油工业的发展。许多新的大型海上油田不断被发现,FPSO由于其集生产、储油、卸油为一体的优势,成为了快速、经济、有效地开发海上油田不可替代的开发装置。
FPSO (Floating Production Storage and Of-floading)统称为浮式生产储卸油装置,一般在国内简称为浮式生产储油船。FPSO的特点:投资省、建造周期短、迁移方便、可重复使用。FPSO技术是世界海上石油开发的创新技术,近年来已成为世界海洋石油开发的主流方式。
FPSO作为一种原油处理装置,在整个生产、储油和卸油的过程中会伴有大量的碳氢气体产生,如果没有一套可靠的火灾和可燃气体探测系统作为安全保障,一旦由于火灾或可燃气体泄漏而引起爆炸事故的发生,后果将不堪设想。所以可靠安全的火气探测系统的设计在浮式生产储油船上的应用就显得尤为重要。火气系统的设计作为平台安全系统设计的一个重要组成部分,对保障FPSO的人员安全和最大限度的减少事故所引起的经济损失,起到决定性的作用。本文以番禺FPSO为例介绍浮式生产储油船火灾和可燃气体探测系统的设计,并提出开路式可燃气体探测系统的设计在FPSO上运用的设想,最终希望探讨出一种较优的FPSO火气探测系统设计方案,来更好地保证系统的可靠性和安全性。
2 FPSO火灾和可燃气体探测系统综述
平台安全系统分为两个部分:FPSO火气探测系统和FPSO应急关断系统。火气探测作为产生应急关断的主要一类原因,它的可靠性决定了平台安全系统的可靠性,所以它是平台安全系统的一个重要组成部分。FPSO火气系统是对平台可能存在的危险气体泄漏进行自动检测,并能对意外的危险火源进行报警的系统。对于某些重要区域,当火情发生或危险气体泄
漏达到一定比例,通过预期设定的表决逻辑将立即起动应急关断系统,来关断该区域内风机、油泵、防火风闸、防火门等与该区域有关的装置和设备,确保在最短的时间内把火灾或危险气体泄漏所造成的影响限制到最小,防止火灾或可燃气体蔓延。与此同时,通过手动和自动两种方式启动平台的消防灭火系统,保障了平台操作人员的人身安全及生产设备的正常运行。
番禺FPSO项目的火气探测系统主体是由一个可寻址的火灾探测控制单元(FDS)和二个可寻址的火气探测控制单元(FGDS-1&FGDS-2)组成。其中FGDS-1用于船用部分火气探测,而FGDS-2用于上部模块部分的火气探测。此外,还有火气探测报警复示板一块,设置在防火控制站,用于监视探测设备,当任意一个探测设备动作都会在操作站上显示出该区域所探测到的火情并进行报警。
番禺FPSO项目的火气探测系统运用可寻址的火灾、火气探测技术,即每个探测器和手动按钮都设置一个地址码来唯一标识其身份,那么控制单元就能精确地显示并寻找到每个动作的探测器和手动按钮的位置。同时在中央控制室的SSS控制器上也能作相关显示。
番禺FPSO项目的火气探测系统具有表决作用,通过设定的逻辑进行相应的关断。为了提高应急关断的可靠性,每个控制单元提供必要的无源触点通过硬线与应急关断系统相连。
番禺FPSO项目的火气探测系统的供电:船上UPS供一路220 V AC,系统自带一个备用电源。当UPS不能正常供电时,这个24 V蓄电池将能提供10分钟的报警所需供电或者是3小时的正常操作所需供电。
3 FPSO火灾和可燃气体探测系统设计准则
番禺FPSO入法国BV船级社船级,所以该系统的设计要满足BV RULE NOTE FOR ELECTRI-CAL SYSTEM ON BOARD OFFSHORE UNITSAND INSTALLATIONS-1998要求,同时,还需遵循1974 SOLAS公约2000修正案、API美国石油协会标准、NFPA美国消防协会标准、“海上石油111号”FPSO仪电通讯部分设计报告(KVAERNER)及番禺FPSO的建造规格书。另外,从控制系统安全可靠性考虑,还应遵循IEC61508或DIN19250或AN-
SI/ISA S84的有关要求,以体现故障安全的概念。
4 FPSO火灾和可燃气体探测系统设计
4.1 系统总体设计
番禺FPSO火气探测系统要求按照IC法原则设计,为了更好地提高安全性,减少事故发生,在IC法所要求的基础上还对所有舱室,控制处所布置了探测器。该系统所包含的所有探测器均为可寻址式,并且所有探测器都要满足能被安装在Class 1,Zone 2,Gas Group IIA,Temperature Class T3区域的要求。该系统布置的所有探测器和手动按钮被分为17
个区,基本上每个分区不超过一层甲板,当然更不能超过一个主竖区,而对于A类机器处所则与控制站,服务处所和起居处所设在不同的分区中,同时厨房也设计为一个独立的分区。具体分区设计方案参见表1。
该系统在分区设计的基础上又设计了12个火灾探测回路,以及一个火气探测回路。由于系统采用的是可寻址的探测器,所以探测回路对探测器的数量没有特殊要求。服务于A类机器处所的探测器设计为一个独立回路。通过系统分区、分回路后,能标识每个探测器唯一身份的地址码就产生了,即:分区号+回路号+回路中的位置号。
该系统对于每个舱室的探测器的具体布置要求参见表2。除处所的高度受到限制和特别适宜使用的情况之外(例如厨房),不允许仅使用感温探测器的探火系统。对于有活动地板的控制站和机器处所考虑在活动地板下也安装了探测器,增加了探测可靠性。
该系统通过UPS供电为主,并有后备电源作为补充的供电方式,更加增加了系统供电的可靠性。
当FPSO发生火警时,系统能在控制板上发出声光报警,如果2分钟内信号未引起注意,则将通过全船的广播系统向所有起居处所、服务处所、控制站和A类机器处所发出声响报警。
4.2 探测器选型设计
探测器的选型设计也是整个火气系统设计的一个重要部分,在不同处所选择最合适的探测器进行火气探测,能够在最短时间内探测到火情。
4.2.1 感烟探头
用于探测燃烧气体,一般置于起居处所内的梯道、走廊、逃身通道、控制室、服务处所。对于危险区域要使用本安型的感烟探头。
番禺FPSO火气探测系统除以上处所外,还在电缆通道中设置感烟探头。那是因为该处所为电缆聚集的处所,也是容易发生火情的地方,FPSO对探火系统设计要求很高,所以考虑这一点。[page]
感烟探头分为离子式、光电式两种,其主要特点见表3:
4.2.2 感温探头
当探头周围环境温度达到设定值或温升速率超过一定值时,探头探测器内电阻值发生明显变化,导致探测回路电流值发生变化,控制系统发出报警信号。
一般,感温探头用于火灾发展迅速、热量大和有较大灰尘的处所,如厨房、烘衣间、配电板室等。这些处所使用感烟探头通常容易产生误报警。对于长期温度特高的处所如厨房、烘衣间须使用温度设定值高的感温探头,否则容易产生误报警。对于容易引发爆炸的危险区域如蓄电池室、油漆间须使用防爆型热探头。
4.2.3 火焰探头
火焰探头分为:红外火焰探头(简称IR探头),紫外火焰探头(简称UV探头)和红外/紫外火焰探头(简称UV/IR探头),主要布置在原油处理模块、主进出风口。
(1)红外火焰探头:只有波长在其所指定的区域内的光粒子才能使IR探头报警。
(2)紫外火焰探头:可探测由火焰产生的波长为1 800~2 500的紫外线,该探头可将由火焰产生的紫外线与诸如太阳光、X光机械设备、电焊设备及照明设备产生的紫外线相区别,同时具有在烟浓度高的区域或具有高腐蚀气体区域探测到紫外线的能力,且其探测能力不受高污染源等因素的影响。
(3)红外/紫外火焰探头:可探测红外,紫外两种波长范围内的火焰,能减少误报警,提高探测可靠性,反应时间为0.3~5 s。
4.2.4 可燃气体探头
可燃气体探头分为催化燃烧式和红外点式二种,主要布置在原油处理模块及模块下部、STP区域,以及主进出风口等。其低限爆炸下限值定为20%,低限爆炸上限值定为50%。
(1)催化燃烧式可燃气体探头:当可燃气体进入探测器时,探测电路内的电桥电阻元件与气体分子发生催化反应,电阻值随分子浓度而变化,该电阻臂的电流也相应变化,检测电流的变化,也就检测到了探头所在位置的可然气体泄漏的情况。
(2)红外点式可燃气体探头:当红外线通过气体时会被吸收一定的辐射能量,而该探头由双光束组成,通过测定两光束的强度,并对两值进行比较,可得被测气体的浓度。
两种可燃气体探头比较见表4:
4.2.5 手动呼叫按钮
一般设置在楼梯口处,主逃生通道,居住处所的走廊,控制处所的出门处等。SOLAS公约要求在每一层甲板的走廊内,手动报警按钮的位置应便于到达,且走廊的任何位置距手动报警按钮的距离都不超过20 m。
4.3 系统逻辑设计
FPSO火气探测系统除具有火灾探测及气体泄漏报警功能外,还具有逻辑表决功能。它是FPSO火气探测系统设计的一大特点。所谓逻辑表决即:在某个需要报警并需要产生相应关断的区域里,当M个同种探测器中有N个同时报警并达到系统设定的关断要求时(N<M),将触发应急关断系统,进行相应级别的应急关断,即关闭该区域的助燃设备如风机、油泵等,以阻止该险情区域火灾和可燃气体泄漏进一步蔓延。这就是通常所说的M选N逻辑。M选N逻
辑有很多种不同的形式,下面分析一下这些不同逻辑形式的特点,见表5。
通过上述对比我们不难发现,M选2的逻辑形式是较为可靠和安全的。番禺FPSO的火气系统逻辑设计就采用了该逻辑形式进行表决的。
系统对不同的探测器需要报警及触发相应应急关断的要求各不相同:
每一个可燃气体探头在20%和50%浓度时均会在操作站上单独进行低报警和高报警。当某一个区域内有两个可燃气体探头同时达到50%浓度报警时,将产生可燃气体泄漏关断报警,并触发相应级别的应急关断。例如:番禺FPSO应急发电机室进风口装置了3个防爆可燃气体探头,当每一个可燃气体探头在20%和50%浓度时均会在操作站上单独报警;当3个可燃气体探头中有2个可燃气体探头同时达到50%浓度报警时,系统将发出GSD2-1信号即应急发电机室/应急配电板室气体泄漏信号给应急关断系统,应急关断系统将触发ESD2BG-1级关断即应急发电机室/应急配电板室可燃气体浓度高关断。
每一个火焰探头会在操作站上单独报警并显示,当某一个区域内有两个火焰探头同时报警时,并触发相应级别的应急关断。例如:番禺FPSO STP区域装置了3个火焰探头,每一个火焰探头会在操作站上单独报警并显示。当3个火焰探头中有2个火焰探头同时报警时,系统将发出FSD2-8B信号即STP区的火灾关断信号给应急关断系统,应急关断系统将触发ESD2B-8级关断即STP内火灾关断。
每一个感烟探头的工作原理同火焰探头一样,这里就不再叙述。
M选2的逻辑形式很好地保证了表决的可靠性,但它对需要表决区域内的同种探测器数量要求至少在2个以上,所以一般我们对特别容易发生火灾和可燃气体泄漏的区域才进行表决,如:应急发电机室、应急配电板室、进风口、厨房、泵舱、艉输油区、应急消防泵室、STP区、模块下部等。[page]
5 FPSO火灾和可燃气体探测系统设计特点
FPSO火灾和可燃气体探测系统设计特点见表6:
6 开路式可燃气体探测系统的设计在FPSO上运用的设想
6.1 开路式可燃气体探测技术介绍
开路式红外气体探测技术是基于碳氢气体能吸收3~4 Micron红外辐射能量的特性原理而设计产生的一种新型的可燃气体探测技术。
下面我们分析一下气体泄漏的特点,这有助于我们更好地理解开路式红外气体探测技术的设计精髓。
气体泄漏可能形成较稳定云状或迅速扩散,这主要取决于风速、泄漏量和其与空气的相对比重等诸多因素。当泄漏气体形成云状,虽然没有一定的模式,但通常会有如下特点:
(1)浓度最高点总是在泄漏源位置,并向边缘逐渐降低;
(2)气云总是呈拉长不规则形状,受风速影响,即便3~4 m/h的风速,也会对云状产生较大影响。
这预示着,在室外环境下,可燃气体泄漏可能会出现十分低的浓度,新型的开路式可燃气体探测器采用高敏感性,更高效,精确的探测可燃气体泄漏,所以它与常规的可燃气体探测器仅根据测量浓度来探测可燃气泄漏相比,在测量准确度上前者将高于后者。
所谓开路,即没有一定的探测路径长度。它测量的参数值为:红外光所穿过的气云平均浓度与气云平均长度的乘积。事实上,系统是测量红外线通过的范围内所吸收的可燃气体分子数量。所以我们不难发现,对一个泄漏浓度很小的大气云与一个浓度很高的小气云都能测到同样的读数。
新型开路式可燃气体探测技术通过测量红外线通过的范围内所吸收的可燃气体分子数量,来达到测量可燃气体泄漏的目的。这种技术避免了由于可燃气体泄漏的扩散而引起的不能正常报警的状况发生。
6.2 开路式可燃气体探测器介绍
新型开路式可燃气体探测器由一个红外光束发射器和一个探测接收器组成,只适用于对红外光活跃的气体,同时输出ppm.m(高敏感度范围)和LEL.m(危险范围)两种读数。这两种读数之间的换算:以甲烷为例,1 m长的100%LEL气体=50.000 ppm.m=1 LEL.m。可以类推出以下读数,见表7。
新型开路式可燃气体探测器设计特点:
(1)采用单光束、单光源和单探测器设计,提高了探测精度、降低了零点漂移,从而避免了误报警。
(2)双范围同时显示也是其主要特点之一,其意义在于可同时探测到可燃气达到低泄漏告警限和灾难性危险界线参数。
(3)具有数字显示功能,提供气体浓度和故障代码的连续显示,同时还具有自动量程修正设计。在浓度低于5 000 ppm.m时,显示读数为0 ~5 000 ppm.m,而超过此界限后,显示自动转换为0~5 LEL.m。
(4)具有自动跟踪定位同轴度的功能,大大简化了初始安装。
(5)具有多个报警输出:
0~5 000 ppm.m:1个4~20 mA输出,1个SPDT报警继电器输出。
0~5 LEL.m:1个4~20 mA输出,3个SPDT报警,告警和故障继电器输出。
(6)具有自动调零功能,仪表调零后无需再调整。
(7)采用“故障安全(FAIL TO SAFE)”设计,具有故障诊断能力,其中故障诊断包括连续光路检测和故障报警。故障分为两种:光镜不清洁;光路被隔断或仪表故障。为了避免无意故障,如人的走动挡住光源而引起误报警,系统专门设计了30 s延时,允许暂时光路阻断。
6.3 开路式可燃气体探测器在FPSO上运用的设想这种开路式可燃气体探测器在石化行业的很多项目中,已经开始使用,而且作为普通点式探测技术的一种补充,能取得非常好的探测效果。[page]
该探测器的通路长度为5~60 m。它比较适合用在单探测器能同时覆盖一列潜在可燃气泄漏源的情况下,例如:一排阀门或泵的旁边。
该探测器还可作周边范围探测,能保证比点式探测器有更大的覆盖范围。例如:炼油厂的球罐区、围墙线探测、工艺装置区。
同时,它还可以用于点式探测器无法适应的环境,例如:有毒气体存在,水喷淋和极恶劣的温度条件下。
FPSO的可燃气体探测最主要集中在FPSO的工艺模块部分以及工艺模块下面和船体之间的部分,而且这些区域可燃气体泄漏比较密集。FPSO的工艺模块部分相当于一个小型炼油厂,所以FPSO的工艺模块部分可燃气体探测设计可以从石化行业的项目中得以借鉴。下面就针对FPSO工艺模块部分的可燃气体探测设计进行一下探讨,参见图1。
如图1所示,FPSO的模块部分在FPSO的中间位置,图中的虚线表示新型的开路式可燃气体探测器所布置的位置。以上的只是示意性质,具体模块数量根据FPSO的实际情况所定。由于模块部分都是危险区,也是较容易产生可燃气体泄漏的区域,所以模块部分与船艏,船艉相邻的区域,设置开路式可燃气体探测器,将是最好的选择,该探测器就像天然屏障一样,把危险区和非危险区,进行了分割,起到很好的保护作用(如图中1、3探测器的位置)。
当然最有效和最安全的布置方式,可在每个模块的四周围一圈布置四个该探测器,这样就能完全保证每个模块的可燃气体不会泄漏到相邻区域。但是,由于开路式探测器的价格是一般点式探测器价格的8~9倍,所以从经济方面考虑,模块部分可以设计不使用那么多开路式探测器,但又能做到安全和有效地防止可燃气体泄漏。只要布置的距离在探测器探测的范围之内,就可以很好地做到这点。如图中2、4探测器的布置,就能很好地将四个模块相互隔离,避免某个模块可燃气体泄漏影响相邻模块的生产。这样布置也有个前提,两个模块的长度不超出探测范围,如果长度超出,可以相应增加探测器。根据风向不同,也可以如图中5、6探测器的布置,同样也能达到以上要求。
但是,FPSO上开路式可燃气体探测器并不能完全代替点式可燃气体探测器,比如进风口、出风口等。总之,开路式可燃气体探测技术如果作为点式探测技术的补充,那么这将构成一套完善可燃气体探测系统。
7 结束语
由于浮式生产储油船(FPSO)的特殊性,使其火灾和可燃气体探测系统的设计也与普通船舶存在一定的差异。本文以番禺FPSO项目为例,阐述和归纳了浮式生产储油船火灾和可燃气体探测系统的设计方法和特点,在此基础上,本文又提出了开路式可燃气体探测系统的设计在FPSO上运用的设想,通过几种方法的探讨,总结出以点式探测技术为基础,开路式可燃气体探测技术作为补充,将是FPSO可燃气体探测系统设计的一种新趋势。
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