高彦平，陈国亮

（中海石油（中国）有限公司崖城作业公司，广东深圳 518067）

0 前言

海洋石油油气田生产平台和路岸终端处理厂以其特殊环境场所决定了火灾和气体报警系统（F/G）功能设计必须可靠完整，在火灾和可燃性气体泄漏以及有毒气泄漏的情况下，能准确及时探测火灾和气体泄漏的程度和事故地点，触发相关的广播和声光报警设备[1]，并且根据事故发生的严重性等级确定报警和关断输出等级，从而控制和避免灾难的发生，以防止对生产设备和人员的伤害及对环境的影响等，因而控制系统本身设计必须遵循故障安全（Fail to Safe）的原则，整个系统硬件和软件的可靠性要求都很高。火气系统有一个可靠性评价指标SIL（安全完整性等级）[2]，海洋石油油气田生产平台和路岸终端处理厂火气保护系统设计均需要进行可靠性、完整性评价。

1 某海洋石油陆岸终端火气系统的构成及特点

1.1 火气保护系统可靠性、完整性评价等级结构

海洋石油油气田开发生产活动中，油类、烃类可燃物和有毒有害介质泄漏为主要危险因素，均存放在压力容器中。正常情况下，压力容器均在DCS的实时自动化控制之中，当出现压力波动时，DCS会自动调节控制。一旦DCS失效，压力容器会超压，此时FPS（设备保护系统）会采取单元关断、生产关断和紧急关断三级关断，确保生产设备超压进一步恶化。当FPS系统失效后，压力容器内的压力进一步升高，压力安全阀会起跳，将超压介质排放至火炬，避免压容损坏。更极端情况为压力安全阀失效或不能泄放超压介质，已经造成压力容器损坏，油类、烃类可燃物和有毒有害介质泄漏，此时火气保护系统探测到这类危险因素，触发各类逻辑动作，输出声光报警，消防喷淋等。图1为分层保护安全机制图[3]。

1.2 火气保护系统网络结构

火气保护系统结构同普通控制系统并无区别，为了便于事故定位和维护，火气系统核心控制器为擅长逻辑运算的PLC，现场控制盘上设有各级触发动作按钮和上位显示屏，用于对整个设施的火灾和气体泄漏的监控。同时系统还将火气系统的信息送往中控室的 DCS[4]，由操作员负责系统的实时监视。不同厂家的系统控制器产品之间构建通信，增强了系统的可靠性，但不同网络通信协议之间需要类似网关类产品KE模块进行转换（图2）。

图1 分层保护安全机制

图2 某海上油气田火控盘网络结构

2 各分系统及功能

2.1 火控盘输入输出探测器

海洋石油油气田火气保护系统输入设备有火焰探测器、可燃气探测器、硫化氢探测器、热探测器、烟雾探测器和应急按钮站[5]，输出设备有声音广播、报警灯、喷淋阀和各级关断信号。火控盘输入输出设备见图3。

2.2 智能输入探测器

海洋石油油气田陆岸终端分生产区和非生产区，生产区采用价格昂贵的智能探测器作为火气保护系统的输入设备，主要是火焰探测器和气体探测器[6]，气探测器又分为可燃气探测器和有毒气探测器。智能探测器传输4～20 mA模拟信号进入PLC模拟卡件，如表1所示，PLC通过模拟量电流值来判断探测器的状态，进而进行程序逻辑运算，得到相应的输出指令。当探测器处于故障状态时，中央控制室会第一时间收到相应故障报警，通知维修班组做好维修计划，大大提高了火控系统的有效性。这类探测器有UV/IR火焰探头，可燃气探头，硫化氢探头等。

图3 火控盘输入输出设备

表1 探测器状态（以电流值表示）

2.3 非智能输入探测器

非生产区，仓库，生活区输入探测器一般采用价格便宜的非智能输入探测器，这类探测器传输离散信号到PLC的离散输入卡件，离散信号或为0 V DC或为24 V DC。这类探测器有热探测器、烟雾探测器和应急按钮站等。此类非智能输入探测器的缺点是，当正常信号为0 V DC时，回路出现断路故障，探测器将失效，而且不被系统发现，当正常信号为24 V DC时，回路出现短路故障，探测器将失效，而且也不被系统发现。为了解决这一问题需要设计监督电路，彻底解决非智能探测器的失效不被系统发现问题。

3 火控盘非智能输入设备监督电路系统

3.1 非智能探测器原电路设计

非智能探测器传输离散信号到PLC的离散输入卡件，离散信号或为0 VDC或为24 VDC。这类探测器有热探测器、烟雾探测器和应急按钮站等。一般设计电路图如图4所示，当热探测器检测到报警温度时，热探测器内部电路闭合，控制PLC输入卡件对应点位I：2/14得电，PLC程序对应点位为“1”，进而逻辑运算后输出相应声光报警或关断信号。

图4 非智能探测器原电路

图5 非智能探测器监督电路

3.2 非智能探测器监督电路设计

某海洋石油油气田终端处理厂火气保护系统对非智能探测器设计了故障失效检测系统，即监督电路，此系统是西门子厂家的Pyrotronics System 3系列检测系统。该系统主要由监督电路（主控制模块），故障警报模块和继电器模块构成（图5）。监督电路和PLC控制电路分离，由继电器模块转换信号，现场探头电路接入监督电路。正常情况下，监督电路发出的交流电流信号经由探测器上所安装的终端电阻或电容构成闭合电路，当此闭合电路出现断路短路时，监督电路会检测到故障信号，继而发出故障信号至火气保护系统，中央控制室会第一时间收到相应故障报警，通知维修班组做好维修计划，大大提高了火控系统的有效性。当热探测器检测到报警温度时，热探测器内部电路闭合，安装在热探测器上的终端电阻或电容将被旁通，继电器模块将收到信号，触发PLC控制电路，控制PLC输入卡件对应点位I：2/14得电，PLC程序对应点位为“1”，进而逻辑运算后输出相应声光报警或关断信号。探测器有单个连接和多个并联连接两种方式，只要满足终端电阻或电容安装在电缆最远端探测器上，均能起到监督电路。

4 小结

海洋石油油气田陆岸终端火气保护系统在其完整的结构下，具备实时监控火灾和可燃气体、有毒气泄漏事故的能力，具备报警和消防灭火功能。探测器设备的布置，科学合理，覆盖了海上油气田陆岸终端生产区和生活区，同时精准可靠的性能，降低了火气保护系统的故障率。火气保护系统控制器采用PLC，使用方便，编程简单，功能强大，可靠性高，抗干扰能力强。消防设备布局合理，结构完整，功能齐全。作为设备保护系统的重要组成部分，海洋石油油气田陆岸终端火气保护系统将为海上生产设备和人员安全保驾护航，能胜任海洋石油平台的安全生产的需要。

［1］张峰，冯传令.火气系统在海洋石油工业中的应用研究［J］.石油化工自动化，2009,20（3）：20-22.

［2］刘健，崔正清，任天冀，等.海洋石油平台可燃气探头选型浅析［J］.仪表仪器用户，2012（3）：86-87.

［3］刘景辉, 李俊丽.火气系统论述［J］.石油化工自动化.2008（5）：22-24.

［4］李季.火气系统在海上油气田的应用研究［J］.仪表仪器用户，2014（4）：47-49.

［5］黄菲菲.浮式生产储油船（FPSO）火灾和可燃气探测系统的设计及优化改进［J］.船舶电气，2005，8：30-35.

［6］徐伟华.火/气探测器系统与安全仪表技术［J］.自动化博览，2011（1）：24-26.