海上油气平台火焰探测器覆盖率分析与优化布置研究

平洋

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海上油气平台生产中涉及大量的原油输入输出，并伴生大量的烃类气体，因此必须使用火焰探测设备监测潜在的危险区域的火灾，并通过启动相应的报警、关断和消防系统来保证人身、财产和生产设施的安全[1]。目前，火焰探测器的布置主要依据工程设计人员的经验采取定性布置，尚无明确的定量分析和布置方法。

本文以海上油气平台油气生产区域典型工况的火焰探测器布置为例，分析不同探测器数量和定位条件下的典型油气生产设备单元区域的火焰探测器布置覆盖率，并在该基础上优化火焰探测器的布置方法，编制适用于不同面积区域的火焰探测器布置方式推荐表，包括推荐数量和推荐布置位置，为火焰探测器量化布置方法的进一步研究提供参考和依据，更加科学、合理和高效地监测早期火灾的产生，有效节约成本，保证平台的生产安全。

1 火焰探测器表决机制

火焰探测系统的主要目的是以最快的速度检测到火灾的发生，根据探测器设定的辐射能量大小的报警值，使报警信号传至控制器进行逻辑表决，进而引起相应的消防和关断动作。

在海上油气田平台正常生产过程中，既需要对火灾进行快速响应，防止火灾扩大发生的安全事故，也需要防止误动作，造成生产误关停，导致经济损失。为了提高火焰探测的可靠性及鲁棒性，需要保证探测器的冗余，并在火焰探测器的触发动作中引入表决机制。

表决机制是指在一个探测区域内，多个火焰探测器同时达到报警条件，才能触发中心控制室中控制器相关动作；单个火焰探测器仅引起控制器报警，不触发其他相关动作。

目前，海洋平台火焰探测器常用的表决机制如下：

1)单个火焰探测器报警，只报警并不触发动作。

2)当2个火焰探测器同时报警时，触发中心控制室中控制器相关动作。

3)相同探测区域内的火焰探测器进行表决，不同探测区域内的探测器不能在一起进行表决。

4)不同工况下表决机制。当1个探测区域内有2个探测器，进行“2oo2”表决，如果其中1个探测器发生故障或者维修旁通时，应进行“1oo1”表决。当1个探测区域内有N个探测器(N≥3)，进行“2ooN”表决，如果其中1个探测器发生或者维修旁通时，应进行“2oo(N-1)”表决；如果N-1个探测器发生或者维修旁通时，则应进行“1oo1”表决。

2 火焰探测器覆盖率分析

2.1 研究区域选取

海上油气田平台是由众多工艺装置组成的，按照区域的危险程度，危险物质的分类，工艺的分类或者物理位置的不同，可以将平台分割成多个单元区域。海上油气田平台一般有井口区、工艺生产区和公用设备区等，本次研究主要以危险性较高的烃类处理区域为研究对象。根据GP 30-85Guidanceonpracticeforfireandgasdetection[2]，主要分为以下两种区域：

1)B类区域。烃类处理设备区域周围火灾可能造成严重后果的区域，该区域内火灾的引发和扩大可能是以下一个或几个因素的组合：燃料，例如：来自压缩机的高压气体或泄漏遏制区域内的大量易燃液体；确认的火灾风险，例如：小口径的管道系统或单密封的泵或压缩机；潜在的可能会升级到更严重的后果。

2)C类区域。存在潜在危险设备的周围区域，这些区域与上述区域相比是更不敏感的烃类处理区域，但这些区域也需要进行保护。

2.2 火焰探测器的有效距离

火灾探测敏感度等级是以热辐射(RHO)的形式定义，单位为kW。RHO能够评估可能发生火灾的严重后果。高风险火灾区域就需要较高的火灾探测灵敏度等级，需要探测到的火焰就应该更小。目前，全球大多数的火焰探测器都根据美国国家标准学会发布的标准FM-3260Radiantenergy-sensingfiredetectorsforautomaticfirealarmsignaling[3]进行测试和认证，根据测试要求，需要使用不同的燃料来测试火焰探测器的探测距离和响应时间，其中0.1 m2正庚烷火焰测试得到的火焰探测器探测范围是最常用的。

在火焰探测器覆盖率分析的工程实践中，需要将B类和C类区域中能够产生报警和控制动作所需要的火灾最小RHO值，等效为火焰探测器的探测距离并进行定量的分析。根据GP 30-85中的规定，B类和C类区域中接受的最大探测距离见表1所列。

表1中，D是火焰探测器的有效探测距离，计算如式(1)所示：

D=X×F1×F2×F3

(1)

式中：X——根据FM 3260测试标准理想状态下对0.1 m2正庚烷火焰的探测距离；F1——为了减少误报警而降低灵敏度等级的系数；F2——由于光学污染而造成灵敏度降低的系数；F3——由于偏离探测视野的中心线造成灵敏度降低的系数。

在某型号产品手册中可以查到，红外火焰探测器在理想状态下对0.1 m2正庚烷火焰的探测距离为30 m，火焰探测器设定为中等灵敏度。取F1=0.8，F2=0.75，则F3的值默认为0.9，所以，某型号火焰探测器的D=30×0.8×0.75×0.9=16.2(m)。

根据国外石油公司的工程实践，采用保守考虑，同时参考目前主流的火焰探测器产品性能，本文中的火焰探测器覆盖率分析按照B类和C类区域工程应用中最大探测距离进行分析，见表2所列。

表2 B类和C类区域工程应用中最大探测距离 m

2.3 火焰探测器覆盖率分析方法

按照行业惯例，对于B类和C类区域来说，其火焰探测器覆盖率的目标需分别达到80%和70%(2ooN)；达到报警目标的覆盖率要超过90%(1ooN)。以B类区域为例，火焰探测器探测效果等级如图1所示。

图1 火焰探测器探测效果等级示意

图1中，区域1(S1)和区域2(S2)为能够同时满足报警和控制动作的区域；区域3(S3)为能够满足报警，不能满足控制动作的区域；区域4(S4)为不能满足报警，但能够满足大火条件下控制动作的区域；区域5(S5)为对于报警和控制动作都不能满足的区域。图1中显示了2个火焰探测器的覆盖范围。对于B类区域的探测效果，要求能够对热辐射较小的火焰(10 kW)产生报警，对热辐射较大的火焰(50 kW)产生确认(2ooN)表决的控制动作，通过覆盖区域分析得出B类区域火焰探测器的探测效果见表3所列。

设S为探测区域总面积，则不同区域的火焰探测器覆盖率计算可参照式(2)～式(4)的计算公式。

控制动作区域的覆盖率V1如式(2)所示：

V1=(S1+S3)/S

(2)

报警动作区域的覆盖率V2如式(3)所示：

V2=(S1+S2)/S

(3)

探测盲区的覆盖率V3如式(4)所示：

V3=S4/S

(4)

表3 B类区域火焰探测器的探测效果

2.4 典型区域火焰探测器覆盖率分析

选取某海洋平台典型危险区域原油一级分离器为例，对其进行火焰探测器布置的合理性分析。该危险区域长为40 m，宽为14 m，为典型的B类设备区域，如图2所示。

1)方案一。在该区域内布置2个火焰探测器，在不改变探测器的布置数量、探测器表决机制的原则下，对探测的位置进行了重新布置调整，以期获得更佳的覆盖性能。通过优化布置，探测器在该区域的布置以及覆盖率如图2所示。

图2 2个探测器布置方案

根据式(2)～式(4)计算出设计方案一中不同情况下的火焰探测器的覆盖率，见表4所列。

表4 方案一中不同情况下的火焰探测器覆盖率

在不改变探测器的布置数量、探测器表决机制的原则下，2个探测器对角布置(位置1)与2个探测器长边布置(位置2)实现的控制动作区域、报警动作区域和探测盲区的覆盖率分别为38%，59%和7%左右，而2个探测器短边布置(位置3)实现的控制动作区域、报警动作区域和探测盲区的覆盖率分别为68.4%，34%和31.6%左右，虽然提高了控制动作区域的覆盖率，但是报警动作区域和探测盲区的覆盖率的性能指标下降较多。2个火焰探测器的3种不同布置位置均未能达到火焰探测器覆盖率的目标。

2)方案二。在该区域内布置3个火焰探测器，在不改变探测器的布置数量、探测器表决机制的原则下，重新布置了探测的位置，以期获得更佳的覆盖性能。通过优化布置，探测器在该区域的布置以及覆盖率如图3所示。

图3 3个探测器布置方案示意

根据式(2)～式(4)计算出设计方案二中不同情况下的火焰探测器的覆盖率，见表5所列。

表5 设计方案二的火焰探测器覆盖率

调整3个探测器的布置位置和探测角度实现的控制动作区域、报警动作区域和探测盲区的覆盖率比布置2个火焰探测器时性能有所提升，但仍未能达到火焰探测器覆盖率的目标。

3)方案三。在该区域内布置4个火焰探测器，在不改变探测器的布置数量、探测器表决机制的原则下，重新布置了探测的位置，以期获得更佳的覆盖性能。通过优化布置，探测器在该区域的布置以及覆盖率如图4所示。

根据式(2)～式(4)计算出设计方案三中不同情况下的火焰探测器的覆盖率，见表6所列。

表6 设计方案三的火焰探测器覆盖率

4个探测器四角布置实现的控制动作区域、报警动作区域和探测盲区的覆盖率分别为100%，68%和0左右，控制动作区域的覆盖率实现了目标，但报警动作区域的覆盖率未能实现目标。4个探测器两两对角布置实现的控制动作区域、报警动作区域和探测盲区的覆盖率分别为100%，98.13%和0左右，控制动作区域和报警动作区域的覆盖率均达到了80%和90%的目标。

综上所述，该区域按位置2方案布置4个火焰探测器为最优布置方案。

图4 4个探测器布置方案示意

3 火焰探测器优化布置方法

海洋油气平台存在多种形状和面积的区域，某些情况下甚至是非规则形状的区域，因此，要进一步实现火焰探测器布置设计的量化，需要一种简单明了、操作实用性较强的计算公式或是标准化工具来规范和指导不同面积下的火焰探测器的布置位置和数量。

结合火焰探测器覆盖率分析方法，分别选取海洋平台常见尺寸的烃类处理区域进行网格化处理，在不改变探测器表决机制的原则下，分析在不同类型的典型区域内，探测器布置数量、位置变化对火焰探测器覆盖率的影响，并形成海上油气平台不同面积火焰探测器布置推荐网格如图5所示。

图5 海上油气平台不同面积火焰探测器布置推荐网格示意

图5所示网格给出了不同面积区域的火焰探测器最优布置方法。其中，横、纵坐标分别表示区域的长(0～40 m)和宽(0～30 m)，对应各表格中数字表示满足探测要求需要的探测器数量，例如：长22 m，宽28 m的区域需布置4个火焰探测器，布置方式如图6所示。

图6 火焰探测器推荐布置方式示意

4 结束语

本文主要介绍了海上油气平台火焰探测器的表决机制，介绍了火焰探测器覆盖率的分析方法，并以典型烃类处理区域为例分析了火焰探测器的最优布置方案，提出了适用于海上油气平台不同面积区域的火焰探测器布置推荐网格，为火气探测设备布置的标准化设计提供了进一步的参考。