油田中心處理站FGS功能及設計研究論文
FGS功能及設計原則
FGS一般由傳感器、邏輯控制器和最終執行單元3部分組成，屬于安全儀表系統(SafetyIn-strumentSystem，SIS)的范疇。傳感器部分包括火災探測器、氣體探測器和手動(dòng)報警操作按鈕�；馂奶綔y器主要有火焰探測器、感溫探測器和感煙探測器;氣體探測器主要有可燃氣體探測器和有毒氣體探測器。邏輯控制器是分析和運算從傳感器檢測到的信號，同時(shí)對信號回路的線(xiàn)路狀態(tài)的好壞進(jìn)行判斷，將運算結果發(fā)送到相關(guān)的現場(chǎng)執行元件或設備�，F場(chǎng)執行元件和設備就是指執行由邏輯控制器發(fā)出指令的設備和元件，主要包括報警和消防設備，報警設備有中央控制室的模擬盤(pán)(全部防火分區的裝置地圖，嵌有表示不同類(lèi)型報警的LED燈，并帶有不同頻率聲音的蜂鳴器)、廣播系統以及裝置現場(chǎng)的報警喇叭和閃燈等;消防設備主要有噴淋冷卻系統、二氧化碳釋放系統及高壓消防水噴射系統等。
1FGS的功能
FGS其實(shí)就是通過(guò)專(zhuān)用的傳感器將伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站生產(chǎn)裝置相關(guān)區域中的環(huán)境檢測信號，如空氣中可燃性氣體(爆炸性氣體)的濃度、有毒性氣體的濃度、煙霧、火焰或手動(dòng)報警信號，傳遞到邏輯控制器，邏輯控制器提前預測即將要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的火災、爆炸、中毒事故，由廣播、喇叭及燈光等執行設備發(fā)出報警，提醒有關(guān)操作人員進(jìn)行相關(guān)操作，組織疏散和逃生;通過(guò)主控制室的人機界面HMI(可以是大型顯示幕墻或大型馬賽克幕墻)實(shí)現遠程報警，得到及時(shí)增援，從而使得可能發(fā)生的事故能在萌芽狀態(tài)被發(fā)現并消除;通過(guò)預先編制的聯(lián)鎖邏輯自動(dòng)地啟動(dòng)相應的消防設備、緊急關(guān)斷系統(EnmergencyShutdownSystem，ESD)輸出等級，使已經(jīng)發(fā)生的事故能得到及時(shí)有效的控制，使得相關(guān)人員、設備和周?chē)h(huán)境得到有效的保護;通過(guò)和采暖通風(fēng)與空調系統HVAC(Heating，VentilatingandAirConditioning)通信來(lái)關(guān)�？照{的換氣風(fēng)機，并關(guān)閉風(fēng)道上的擋板，以阻止有害氣體進(jìn)入操作人員所滯留的環(huán)境中;在主控制室的模擬盤(pán)上反映各個(gè)防火分區火氣探測情況的狀態(tài)，使工作人員能隨時(shí)掌握整個(gè)站的火氣探測動(dòng)態(tài)。
2FGS的設計原則
在FGS的設計過(guò)程中，為了更好地完成賦予FGS的功能，IEC61508和IEC61511提供了國際通用的技術(shù)規范和參考資料。國際電工委員會(huì )IEC于2000年發(fā)布了IEC61508標準:電氣、電子、可編程電子安全系統(E/E/PES)的功能安全，該標準是綜合性基礎標準，主要為裝置的制造商和供應商使用。2003年，IEC頒布了安全系統功能安全標準IEC61511，主要針對具體的儀器儀表設計者和用戶(hù)使用。在FGS的設計中，通常將IEC61508和IEC61511結合使用。在FGS的設計過(guò)程中，一般遵循下列幾點(diǎn)原則:a．安全可靠性原則。FGS屬于IEC定義的安全儀表系統的范疇，肩負著(zhù)中心處理站在危險事故狀態(tài)下的緊急響應重任，應根據伊朗雅達項目的工藝過(guò)程所需要的安全完整性等級SIL來(lái)確定FGS的安全等級。SIL等級越高，FGS的安全功能要求越強，FGS的SIL等級一般為二級或者三級。根據業(yè)主基礎設計文件的要求，該項目的FGS的SIL等級為三級。石油化工項目一般不使用SIL4等級，以避免投資過(guò)高［4］。b．故障安全型原則。FGS作為安全儀表系統，它的傳感器、邏輯控制器和最終執行單元都應該是故障安全型的［5］。FGS的信號系統是正常不勵磁，也就是說(shuō)，輸入信號正常時(shí)為“0”，現場(chǎng)的節點(diǎn)不接通;輸出狀態(tài)正常狀態(tài)時(shí)為“1”，即控制設備(如消防水噴淋冷卻系統的電磁閥)處于加電狀態(tài)。為了防止線(xiàn)路故障導致系統不能正常動(dòng)作，FGS必須設計對輸入輸出線(xiàn)路狀況好壞的判斷。邏輯運算器的硬件一般都采用冗余容錯功能安全的結構。c．獨立設置原則。根據多層安全模式的原理［5］，把FGS和其他諸如ESD、PCS等系統分離設置，以降低FGS、ESD及PCS等系統同時(shí)失效的概率，使FGS、ESD及PCS等系統互不依賴(lài)，能獨立發(fā)揮出各自的完整功能。FGS的獨立設置適用于系統的各個(gè)方面，比如電源、硬件、軟件、通信及維護等各方面都應該具有獨立性，都不應受到來(lái)自系統之外故障的影響。d．中間環(huán)節最少原則。FGS應該被設計成一個(gè)高效的系統，其中間環(huán)節應是最少的，盡可能使用最直接的測量和最可靠的執行方式，盡量避免繁瑣復雜和不必要的設計，來(lái)提高系統的可靠性。比如，在隔爆技術(shù)可以滿(mǎn)足現場(chǎng)防爆要求的情況下，盡量選用隔爆技術(shù)，以避免本安技術(shù)中多出來(lái)的安全柵環(huán)節對整個(gè)系統的影響。又如，在易熔塞回路直接覆蓋的地方盡量選擇氣動(dòng)信號直接動(dòng)作，避免過(guò)多的氣－電和電－氣轉換環(huán)節［6］。
FGS的設計
設計火氣系統時(shí)必須要考慮火氣系統具有正確的功能和執行正確功能的可靠程度。因此，火氣系統各部分的選型、冗余結構設計非常重要。
1探測器的選型
為了使FGS能夠準確地探測到險情，應當在不同場(chǎng)所選擇最合適的探測器進(jìn)行火氣探測。通過(guò)對可燃性氣體或液體火焰的檢測發(fā)現明火并發(fā)出火災報警信號。一般采用UV/IR火焰探測器。通過(guò)對溫度的檢測判斷是否發(fā)生火災。一般采用定溫型(易融塞回路)和溫升型感溫探測器。通過(guò)對煙霧的檢測從而判斷火災是否發(fā)生。一般采用光電式感煙探測器和吸氣式感煙探測器。通過(guò)檢測空氣中H2S的濃度來(lái)確定工作區域的安全程度，根據濃度的.高低和事故的嚴重性決定是否關(guān)斷和撤離，一般H2S濃度用0．001‰來(lái)指示;0．005‰視為警告;0．010‰視為泄漏報警，需立即采取措施。一般采用電化學(xué)式。通過(guò)物理或化學(xué)的方式檢測空氣中可燃氣體的濃度，一般按可燃氣體的爆炸下限為最大量程，即100LEL，量程范圍一般為0～100LEL。一般到10LEL視為警告，20LEL視為氣體泄漏報警。一般采用紅外吸收式探測器(分點(diǎn)式和對射式)和催化燃燒型探測器。通過(guò)手動(dòng)觸發(fā)判斷險情的發(fā)生。一般采用按壓式和破玻璃式手報。所有探測器均為可尋址式，避免傳統的點(diǎn)對點(diǎn)式設計造成布線(xiàn)的工程量和電纜成本的高昂，并且所有探測器都要滿(mǎn)足能被安裝在爆炸危險場(chǎng)所一級二區、爆炸性氣體IIA組、引燃溫度T3級(Class1，Zone2，GasGroupIIA，TemperatureClassT3)區域的要求，環(huán)境防護等級達到IP65。
2探測器的布置
FGS的設計、探測器的布置是非常重要的內容，應該把各種原理的探測器布置在中心處理站的相關(guān)工藝生產(chǎn)裝置附近，使FGS能夠在最短時(shí)間探測到險情。感溫探測器布置在由于溫度升高可能引發(fā)火災或爆炸的場(chǎng)合，如控制室，電氣設備，電池間及高溫下易發(fā)生爆炸的儲罐區、分離器、脫水器及加熱爐等場(chǎng)合�；鹧嫣綔y器主要布置在原油處理模塊，如分離器、脫鹽區、空冷器、清管器區、壓縮機、計量區及真空泵等地方，而在控制室和變電站則不布置火焰探測器。一只火焰探測器的照射范圍一般是垂直90°，水平90°，因此要根據現場(chǎng)的實(shí)際情況，合理地設置探測器的位置與數量，使每個(gè)可能發(fā)生火災的地方都能被探測到。感煙探測器一般用于梯道、走廊、控制室、逃身通道及服務(wù)處所等處。在控制室電纜聚集的地方，也要設置感煙探測器，因為這是容易發(fā)生火情的地方。另外，在變電站、中心控制室及輔助控制室等高敏感區域需要布置吸氣式感煙探測器�？扇細怏w探測器主要布置在容易引起泄漏和聚集的高壓設備、壓縮機、真空泵、反應器、儲罐的密封和密封壓蓋處以及暖通管道進(jìn)風(fēng)口處等。它分為點(diǎn)式和對射式，點(diǎn)式探測器一經(jīng)安裝就位，它所處的位置就固定下來(lái)，只能監視視野所及的范圍;而對射式一般用于開(kāi)闊的室外環(huán)境中，能保證比點(diǎn)式探測器有更大的覆蓋范圍。另外，在可能發(fā)生H2泄漏的電池間內，還需要布置催化燃燒式的可燃氣體(H2)探測器。有毒氣體探測器主要探測硫化氫氣體，它的布置場(chǎng)合與可燃氣體探測器相同。手動(dòng)報警操作按鈕主要用于人工指示報警源，包括工藝故障、燃氣泄漏、煙霧、火情以及任何可能導致工藝故障或引起人員傷害的危險情況。一般設置在樓梯口處、主逃生通道、居住處所的走廊及控制室的出門(mén)處等。
3探測器的表決邏輯
FGS要保護設備、人身的安全，還要涉及到全廠(chǎng)關(guān)斷或部分關(guān)斷，為了提高FGS的可靠度，減少誤動(dòng)作，每種探測器都有自己的表決原則(都是以某一防火分區為前提的):a．感煙探測器。如果單個(gè)探測到危險存在時(shí)系統只報警，如果兩個(gè)或兩個(gè)以上探測器探測到危險存在時(shí)，啟動(dòng)消防動(dòng)作、報警并觸發(fā)ESD-1緊急關(guān)斷。b．感溫探測器。一個(gè)或一個(gè)以上的探測器探測到危險存在，立即啟動(dòng)消防動(dòng)作、報警并觸發(fā)ESD-1緊急關(guān)斷。c．可燃氣體探測器。對于點(diǎn)式可燃氣體探測器，如果單個(gè)探測達到20%LEL或50%LEL系統報警，如果兩個(gè)或兩個(gè)以上探測器探測達到50%LEL時(shí)，立即啟動(dòng)消防動(dòng)作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關(guān)斷;對于對射式可燃氣體探測器，如果單對探測器探測達到1LEL．m或3LEL．m系統報警，如果兩對或兩對以上探測器探測達到3LEL．m時(shí)，立即啟動(dòng)消防動(dòng)作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關(guān)斷;對于H2探測器，如果單個(gè)探測器探測達到10%LEL或20%LEL系統報警，如果兩個(gè)或兩個(gè)以上探測器探測達到20%LEL時(shí)，立即啟動(dòng)消防動(dòng)作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關(guān)斷。d．有毒氣體(H2S)探測器。如果單個(gè)探測器探測達到0．005‰或0．010‰時(shí)系統報警;如果兩個(gè)或兩個(gè)以上探測器探測達到0．010‰時(shí)，立即啟動(dòng)消防動(dòng)作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關(guān)斷。e．火焰探測器。如果單個(gè)探測器探測到危險存在時(shí)系統只報警，如果兩個(gè)或兩個(gè)以上探測器探測到危險存在時(shí)，啟動(dòng)消防動(dòng)作、報警并觸發(fā)ESD-1緊急關(guān)斷。
4控制器的選型
伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站項目，工藝流程復雜，自動(dòng)化水平要求較高，業(yè)主對工程的系統安全非常重視，FGS設計及施工完全遵循國際標準。因此，本著(zhù)安全可靠、經(jīng)濟合理、故障安全和獨立設置的原則，在滿(mǎn)足整體安全水平要求的前提下，應選用具有冗余容錯技術(shù)的可編程邏輯控制器，而且該控制器應具有TUV-AK6(SIL3)認證。目前，在石油化工行業(yè)中應用比較廣泛的控制器主要有:美國Triconex公司采用TMR(三重化)冗余容錯技術(shù)的Tricon系統、美國Honeywell公司的FSC系統(雙重冗余)、美國ICS公司的ICSTriplex系統(三重化冗余容錯)和德國HIMA公司的H41q/H51q，它的CPU是四重化結構(QMR)。由于Tricon系統在中國境內石化企業(yè)中應用成功，占領(lǐng)市場(chǎng)比重較大，該項目最終選用美國Triconex公司生產(chǎn)的Tricon控制器。容錯是Triconex控制器的一項最重要的功能，它在監測到瞬態(tài)或穩態(tài)的系統錯誤時(shí)能采取適當動(dòng)作來(lái)進(jìn)行在線(xiàn)糾正。容錯技術(shù)的應用使得火氣系統的可用性和安全性得到很大的提高。Triconex控制器通過(guò)三重化的結構實(shí)現容錯功能，因為3個(gè)平行的通道之間是相互隔離的，所以當在某一個(gè)通道上出現錯誤時(shí)，它不會(huì )跑到另外的兩個(gè)通道上去。故障的通道被兩個(gè)健康的通道拋棄，所以可以在工藝過(guò)程不中斷，Triconex系統在線(xiàn)的情況下更換故障的模件，更換完成后系統又恢復到完整的三重化操作。Tricon控制器三重化結構如圖1所示，從輸入模件經(jīng)主處理器到輸出模件都是三重化的。每個(gè)輸入輸出模件內部都有3個(gè)相互獨立的分電路(除了電源部分，電源是兩重冗余的)。輸入模件的每個(gè)分電路讀入監測數據并將信息送到各自的主處理器，3個(gè)主處理器利用其專(zhuān)用的高速數據總線(xiàn)(TRIBUS)進(jìn)行相互間的通信。每掃描一次，3個(gè)主處理器通過(guò)TRIBUS與相鄰的兩個(gè)主處理器之間進(jìn)行通信，達到同步，相互復制輸入數據并進(jìn)行比較，對數字量進(jìn)行三取二表決，對模擬量進(jìn)行中選運算。運算或表決的結果復制到各個(gè)主處理器，主處理器會(huì )同步地進(jìn)行同一運算，運算的結果分別輸送到輸出模件的3個(gè)分電路上，輸出模件中的微處理器又會(huì )對來(lái)自3個(gè)主處理器的信號進(jìn)行運算或表決，然后輸出到相應的現場(chǎng)執行元件上去。同時(shí)發(fā)現連續若干個(gè)周期某一個(gè)分電路來(lái)的數據與其他兩個(gè)相差超出正常范圍時(shí)，系統會(huì )發(fā)出報警信號，并可以在工作站上查到相關(guān)的診斷信息。
5控制邏輯設計
在伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站項目中，Tri-con控制器的軟件設計主要有氣體檢測、回路檢測和線(xiàn)路檢測3個(gè)模塊�，F場(chǎng)探測器輸出信號包括模擬量信號和數字量信號，其中:火焰探測器、易熔塞、可燃氣體探測器、有毒氣體探測器輸出信號均為模擬量4～20mA;感煙探測器、感溫探測器、手動(dòng)操作按鈕輸出信號均為數字量信號。當控制器接收到的是模擬量4～20mA信號，FGS可以通過(guò)輸入信號模擬量值的大小來(lái)完成回路監視，實(shí)現回路的超限報警、斷路和短路報警以及校驗狀態(tài)指示。感煙探測器、感溫探測器及手動(dòng)操作按鈕等回路的輸出為開(kāi)關(guān)量信號，即兩種狀態(tài):斷開(kāi)與閉合，正常時(shí)均處于斷開(kāi)位置，報警時(shí)才會(huì )閉合。這樣FGS就無(wú)法將探測器開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)、閉合兩種狀態(tài)與回路的開(kāi)路、短路故障區分開(kāi)。為了克服此弊端，對所有的輸出為數字量信號的探測器增加了線(xiàn)路檢測功能。通過(guò)對每個(gè)檢測回路增加在線(xiàn)電阻和終端電阻串，并聯(lián)后引入模擬量輸入卡，把這種輸入方式叫做SDI［7］(SupervisedDigitalIn-put)，如圖2所示。這樣在現場(chǎng)線(xiàn)路開(kāi)路、短路、斷路和正常狀態(tài)下線(xiàn)路的電阻值會(huì )有所不同，從而使得輸出的數字量信號轉換為模擬量信號的值在不同的范圍內，從而達到線(xiàn)路監視的功能。FGS中執行元件的輸出包括電磁閥、繼電器(與公共廣播、ESD及HVAC等的硬接線(xiàn)接口)均為開(kāi)關(guān)量信號，它們是正常勵磁的，也就是說(shuō)正常時(shí)上述設備均處于得電狀態(tài)，為了保證其在需要時(shí)能夠正常動(dòng)作，系統采用SDO(SupervisedDigit-alOutput)卡件來(lái)驅動(dòng)此類(lèi)設備，SDO會(huì )定時(shí)地向現場(chǎng)線(xiàn)路發(fā)出極短的檢測脈沖，檢測輸出線(xiàn)路的通斷，以判斷回路是否處于健康狀態(tài)，輸出回路負載的失效將會(huì )觸發(fā)相應的系統報警，并給出對應的故障通道。整個(gè)火氣系統需要實(shí)現火災和氣體檢測保護，它們的邏輯為:a．防火分區內某探測器第一點(diǎn)輸入檢測信號時(shí)，Tricon控制器通過(guò)狀態(tài)、聲光報警信號通知操作人員。b．防火分區內某探測器第二點(diǎn)輸入檢測信號時(shí)，若是火災信號，系統設置為自動(dòng)狀態(tài)，則自動(dòng)釋放消防系統(噴淋冷卻系統、高壓消防水噴射系統、CO2釋放系統)滅火;系統設置為手動(dòng)狀態(tài)，則通過(guò)中控室矩陣盤(pán)上的手動(dòng)開(kāi)關(guān)釋放消防系統。c．對于火災和氣體輸入信號，均關(guān)閉HVAC。d．對于火災輸入信號，觸發(fā)ESD-1緊急關(guān)斷，裝置泄壓排料;對于氣體輸入信號，觸發(fā)ESD-2緊急關(guān)斷，并將產(chǎn)生危險氣體泄漏源的閥門(mén)關(guān)閉，裝置不泄壓不排料。由于Tricon控制器三重化系統是當作一個(gè)系統進(jìn)行操作的，所以編程時(shí)只需要編一套應用程序，輸入輸出的現場(chǎng)傳感器和執行元件的接線(xiàn)也都只有一套，跟普通控制器沒(méi)有什么不同，所以維護起來(lái)比較簡(jiǎn)單。
結束語(yǔ)
在伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站中，FGS扮演著(zhù)保護人員、環(huán)境、設備和設備安全的角色，隨著(zhù)國家的發(fā)展，以人為本的科學(xué)理念不斷深化，企業(yè)普遍采用健康、安全與環(huán)保的管理體系(簡(jiǎn)稱(chēng)HSE管理體系)，中心處理站現場(chǎng)的安全越來(lái)越得到人們的重視，對FGS的要求越來(lái)越嚴格，FGS的可靠性決定了油田中心處理站生產(chǎn)的安全性。一個(gè)可靠性好、安全性高、可用率高、誤動(dòng)作少，以及滿(mǎn)足SIL3安全等級的FGS能夠對中心處理站火災和氣體泄漏及時(shí)監測并處理，將險情做到防患于未然，發(fā)揮出真正的安全保護作用，保障中心處理站安全、穩定、長(cháng)周期的運行。
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