海上石油平台火气系统研究改进

陈庆文 王党桥 方占生

摘 要：火灾与可燃性气体的爆炸以及有毒气体的泄露是当前海上石油平台各个生产单位都面临的主要安全威胁，尤其对于地域狭小的海洋平台，一旦发生火灾或者气体泄露，后果不堪设想。本文主要介绍了火气系统的结构与定义，火气系统的功能特点和火气系统在设计是应遵循的一些原则以及对火气系统的一些改进。

关键词：火气系统;设计原则;改进

为了保证平台人员和设备的安全，需要一个准确，可靠，及时的火气系统对整个平台进行实时的监测，对可能发生的事故进行及早的预报并消除，对已经发生的事故进行及时的反应，争取将事故损失降到最低。

1 火气系统定义

火气系统（FGS）是监控火灾和可燃有毒气体泄露事故，并且具备报警和一定灭火功能的安全控制管理系统。火气系统能够准确探测火灾和气体泄露的程度和地点，触发相关的广播和声光报警设备，并且根据事故发生的严重性等级而确定报警和消防设备控制器输出的等级，从而避免和控制灾难发生，减轻灾难对人员和设备造成的伤害以及对环境的影响。

2 海洋平台火气系统结构

海洋平台的火气系统根据平台自身特性一般分为两个部分：生活区和生产区，因为生活区为安全区域，所以对现场的产品没有特殊的要求，设备种类一般为烟感，温感，手动报警按钮和天然气探头等，而生产区为防爆区域，对现场设备有很高的要求，通常都要求防爆防雨等，涉及的现场设备有可燃气探头，火焰探头，毒气探头和手动火灾报警按钮等。

对于小型海洋平台来说，一般把生活区的所有探头和手动报警按钮以及室外的手动报警按钮等都直接接入控制器的IO模块，形成一个点到点的火灾和气体报警系统。对于大型海洋平台，因为人员较多，生活区较大，如果仍然还采用点到点的方式设计则势必会造成巨大的布线工作量和大量的增加成本，所以大型海洋平台的火气系统一般分为两个部分：一部分为可寻址盘，所有的室内烟温感和手动报警按钮等都接入寻址盘并且通过冗余的通信方式上传到控制系统;火气系统的另一部分为PLC控制器，所有的室外手动报警按钮，可燃气探头，火焰探头等全部接入PLC控制器。寻址盘与PLC之间的通信使用两条并行的通信总线，现场所有的设备信号都统一集中到PLC中进行处理。

3 火气系统设计原则

3.1 安全完整性等级原则

SIL（系统安全等级）是对火气系统可靠性评价的一个指标，通常都要求在SIL2以上，目前我国建造的新平台都要求在SIL3，对可寻址盘的要求是SIL2.对于火气系统的具体的安全性等级则需要根据火气系统所保护的工艺过程所需要的安全性等级来确定火气系统的安全性等级。此外，还要综合考虑其他的安全措施，比如一些常规的安全保护，安全阀等的可靠性。

3.2 中间环节最少原则

火气系统作为一个高效的控制系统，其控制回路中的中间环节必定是最少的，因为如果在控制回路中的中间环节越多，系统的可靠性就越差。所以在设计系统时要尽可能的使用最直接最简单的测量方式，尽量避免复杂和不必要的设计。比如在平台的危险区域在对火气探测设备的选择上，尽量选用带有隔爆技术的设备，以避免本质安全型设备中的安全栅对整个系统的影响。在现代平台的设计中，尽量都采用易熔塞回路的设计，这样不仅可以节约成本，还避免了过多的电气转换中间环节，使在气动信号能够紧急状况下直接动作。

3.3 故障安全型原则

火气系统总是处于一个动态的连续监控状态，这一点与传统意义上的故障安全型的紧急关断系统有很大的不同。对于火气控制系统中的所有IO来说，都必须具有对短路和断路的回路自动检测功能。火气系统改进控制系统中的逻辑运算器的软件和硬件一般都采用冗错或冗余的安全功能结构。

3.4 独立设置原则

根据对安全管理的分层描述原理，通常火气系统与其他系统，例如PCS，ESD等系统是分离设置的，这样做的目的是减少各个系统之间的相互依赖，避免某个系统出现问题而影响其他系统的正常运行。火气系统是高于DCS和ESD系统的，即使DCS和ESD系统失去作用，火气系统仍然能够对气体泄漏和火灾进行检测，并且根据事故发生的等级启动相应的消防设施。通常情况下，火气系统都是采用独立的现场接线箱和现场仪表，独立的控制柜和防火电缆，并且还设计有独立的电源冗余系统。火气系统的独立性表现在他完全是一个独立的系统，无论其他系统出现什么样的故障，都不会影响到火气系统，火气系统仍然能够正常运行。

3.5 安全理念原则

在设计火气系统时，我们首先要明确一个科学，规范的设计理念，同时还要结合整个工艺过程，设计出科学合理，统一高效的系统功能，争取将所有的安全风险降低到可控的范围之内。由于经济，技术等各种原因的限制，绝对的安全只是一种理想的状态，是不存在的，这就需要我们树立一个科学的安全理念，并将这种理念贯穿于系统设计的整个过程。

4 火气系统的升级改造

4.1 存在的问题

图1 海上B平台

如图1，某海上平台（简称B平台）于上世纪90年代中期建成投产，平台火气系统采用美国GE公司的VersaMax系列PLC。由于当时在建时技术限制和设计理念等原因，控制系统没有采用冗余设计，所以造成了B平台在CPU出现问题时的火气系统有时停止工作的危险状况，针对此种状况，将原GE PLC更换为西门子s7-300PLC，并且使用西门子软冗余系统，从而从根本上降低了火气系统出现意外停机所带来的危险。冗余系统可以管理以下类型的故障：CPU组件故障;因硬件故障或软件错误导致的CPU 故障;冗余连接的总线电缆发生断线，或者冗余DP从站接口模块的总线电缆发生断线;冗余DP从站接口模块IM 153-2上的PROFIBUS模块故障。

4.2 火气系统改造方案

图2单通道分布

由图2所示，将单通道分布式I/O 安装在具有冗余IM 153-2 DP 从站接口的ET 200M中，可以增加可用性。DP从站接口模块具有两个DP接口，一个连接到站A的DP主站系统，而另外一个连接到站B 的DP 主站系统。这样，在两个自动化系统上所实施的软冗余将许持续进行容错控制任务。其中CPU1与CPU2之间应用MPI通信协议进行通信，冗余系统1与冗余系统2都连接在同一个以太网交换机上，并且与上位机通信，CPU主站与从站之间应用Profibus通讯，模块与模块之间用背板总线通讯，并且在从站中加入了若干模拟量模块和数字量模块，使其能够监视火气系统。

图3软冗余系统工作原理

图3是软冗余系统的工作原理，主机站和待机站上都装载软件的容错组件。当主机CPU正在处理程序组件时，待机CPU 则跳过这些程序。 待机CPU 跳过程序组件可以防止在两个程序组件中出现不一致，例如因报警、不同周期时间等而导致的不一致。这意味着待机站上的程序一直准备接管程序处理。

5 结语

经过调试和标准测试后，升级后的控制系统完全满足要求，稳定性，可靠性大幅度提升。

本次项目改造应用了可靠性和性价比极高S7-300控制系统，上位机及火灾报警RTU模块依然使用原有设备，既满足海上石油平台的各项控制要求，也节约了大量的新设备资金，做到了效果与成本的双赢。

参考文献：

[1] 徐伟华.火/气探测系统与安全仪表技术[J].自动化博览.2011（S1）：

16-18.

[2] 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（03）：20-22.

[3] 李萍.易燃易爆场所火灾自动报警系统的选型及应用[J].石油化工自动化.2005（04）：12-13.

[4] 李季.火气系统在海上油气田的应用研究[J].仪器仪表用户.2014

（04）：43-45.

[5] 张亦林.火气系统在石化装置中的应用[J].石油化工自动化.2012

（02）：11-15.

[6] 徐永汉.火气系统在石化企业的应用策略[J].石油化工自动化.2011

（06）：22-24.

[7] 靳俊芳.石油化工企业中火气系统设计浅析[J].自动化与仪器仪表.

2010（05）：105-107.

[8] 靳俊芳.石油化工企业中火气系统设计[J].科技传播.2010（18）：

85-86.

[9] 祝岩青.火气系统和火灾报警在西气东输二线中的应用[J].石油工程建设.2010（S1）：74-75.

[10] 宋志远.SIL报告在自控设计中的指导应用[J].石油化工自动化.2009（03）：6-12.

[11] 刘景辉，李俊丽.火气系统论述[J].石油化工自动化.2008（05）：21-24.