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一般由感測器、邏輯控制器和最終執行單元3部分組成，屬於安全儀表系統(SafetyIn-strumentSystem，SIS)的範疇。感測器部分包括火災探測器、氣體探測器和手動報警操作按鈕。火災探測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感測器檢測到的訊號，同時對訊號迴路的線路狀態的好壞進行判斷，將運算結果傳送到相關的現場執行元件或裝置。現場執行元件和裝置就是指執行由邏輯控制器發出指令的裝置和元件，主要包括報警和消防裝置，報警裝置有中央控制室的模擬盤(全部防火分割槽的裝置地圖，嵌有表示不同型別報警的LED燈，並帶有不同頻率聲音的蜂鳴器)、廣播系統以及裝置現場的報警喇叭和閃燈等;消防裝置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其實就是透過專用的感測器將伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站生產裝置相關區域中的環境檢測訊號，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、火焰或手動報警訊號，傳遞到邏輯控制器，邏輯控制器提前預測即將要發生或已經發生的火災、爆炸、中毒事故，由廣播、喇叭及燈光等執行裝置發出報警，提醒有關操作人員進行相關操作，組織疏散和逃生;透過主控制室的人機介面HMI(可以是大型顯示幕牆或大型馬賽克幕牆)實現遠端報警，得到及時增援，從而使得可能發生的事故能在萌芽狀態被發現並消除;透過預先編制的聯鎖邏輯自動地啟動相應的消防裝置、緊急關斷系統(EnmergencyShutdownSystem，ESD)輸出等級，使已經發生的事故能得到及時有效的控制，使得相關人員、裝置和周圍環境得到有效的保護;透過和採暖通風與空調系統HVAC(Heating，VentilatingandAirConditioning)通訊來關停空調的換氣風機，並關閉風道上的擋板，以阻止有害氣體進入操作人員所滯留的環境中;在主控制室的模擬盤上反映各個防火分割槽火氣探測情況的狀態，使工作人員能隨時掌握整個站的火氣探測動態。

　　2FGS的設計原則

　　在FGS的設計過程中，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規範和參考資料。國際電工委員會IEC於2000年釋出了IEC61508標準:電氣、電子、可程式設計電子安全系統(E/E/PES)的功能安全，該標準是綜合性基礎標準，主要為裝置的製造商和供應商使用。2003年，IEC頒佈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使用者使用。在FGS的設計中，通常將IEC61508和IEC61511結合使用。在FGS的設計過程中，一般遵循下列幾點原則:a．安全可靠性原則。FGS屬於IEC定義的安全儀表系統的範疇，肩負著中心處理站在危險事故狀態下的緊急響應重任，應根據伊朗雅達專案的工藝過程所需要的安全完整性等級SIL來確定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。根據業主基礎設計檔案的要求，該專案的FGS的SIL等級為三級。石油化工專案一般不使用SIL4等級，以避免投資過高［4］。b．故障安全型原則。FGS作為安全儀表系統，它的感測器、邏輯控制器和最終執行單元都應該是故障安全型的［5］。FGS的訊號系統是正常不勵磁，也就是說，輸入訊號正常時為“0”，現場的節點不接通;輸出狀態正常狀態時為“1”，即控制裝置(如消防水噴淋冷卻系統的電磁閥)處於加電狀態。為了防止線路故障導致系統不能正常動作，FGS必須設計對輸入輸出線路狀況好壞的判斷。邏輯運算器的硬體一般都採用冗餘容錯功能安全的結構。c．獨立設定原則。根據多層安全模式的原理［5］，把FGS和其他諸如ESD、PCS等系統分離設定，以降低FGS、ESD及PCS等系統同時失效的機率，使FGS、ESD及PCS等系統互不依賴，能獨立發揮出各自的完整功能。FGS的獨立設定適用於系統的各個方面，比如電源、硬體、軟體、通訊及維護等各方面都應該具有獨立性，都不應受到來自系統之外故障的影響。d．中間環節最少原則。FGS應該被設計成一個高效的系統，其中間環節應是最少的，儘可能使用最直接的測量和最可靠的執行方式，儘量避免繁瑣複雜和不必要的設計，來提高系統的可靠性。比如，在隔爆技術可以滿足現場防爆要求的情況下，儘量選用隔爆技術，以避免本安技術中多出來的安全柵環節對整個系統的影響。又如，在易熔塞回路直接覆蓋的地方儘量選擇氣動訊號直接動作，避免過多的氣－電和電－氣轉換環節［6］。

　　FGS的設計

　　設計火氣系統時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、冗餘結構設計非常重要。

　　1探測器的選型

　　為了使FGS能夠準確地探測到險情，應當在不同場所選擇最合適的探測器進行火氣探測。透過對可燃性氣體或液體火焰的檢測發現明火併發出火災報警訊號。一般採用UV/IR火焰探測器。透過對溫度的檢測判斷是否發生火災。一般採用定溫型(易融塞回路)和溫升型感溫探測器。透過對煙霧的檢測從而判斷火災是否發生。一般採用光電式感煙探測器和吸氣式感煙探測器。透過檢測空氣中H2S的濃度來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斷和撤離，一般H2S濃度用0．001‰來指示;0．005‰視為警告;0．010‰視為洩漏報警，需立即採取措施。一般採用電化學式。透過物理或化學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，量程範圍一般為0～100LEL。一般到10LEL視為警告，20LEL視為氣體洩漏報警。一般採用紅外吸收式探測器(分點式和對射式)和催化燃燒型探測器。透過手動觸發判斷險情的發生。一般採用按壓式和破玻璃式手報。所有探測器均為可定址式，避免傳統的點對點式設計造成佈線的工程量和電纜成本的高昂，並且所有探測器都要滿足能被安裝在爆炸危險場所一級二區、爆炸性氣體IIA組、引燃溫度T3級(Class1，Zone2，GasGroupIIA，TemperatureClassT3)區域的要求，環境防護等級達到IP65。

　　2探測器的佈置

　　FGS的設計、探測器的佈置是非常重要的內容，應該把各種原理的探測器佈置在中心處理站的相關工藝生產裝置附近，使FGS能夠在最短時間探測到險情。感溫探測器佈置在由於溫度升高可能引發火災或爆炸的場合，如控制室，電氣裝置，電池間及高溫下易發生爆炸的儲罐區、分離器、脫水器及加熱爐等場合。火焰探測器主要佈置在原油處理模組，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佈置火焰探測器。一隻火焰探測器的照射範圍一般是垂直90°，水平90°，因此要根據現場的實際情況，合理地設定探測器的位置與數量，使每個可能發生火災的地方都能被探測到。感煙探測器一般用於梯道、走廊、控制室、逃身通道及服務處所等處。在控制室電纜聚集的地方，也要設定感煙探測器，因為這是容易發生火情的地方。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佈置吸氣式感煙探測器。可燃氣體探測器主要佈置在容易引起洩漏和聚集的高壓裝置、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風口處等。它分為點式和對射式，點式探測器一經安裝就位，它所處的位置就固定下來，只能監視視野所及的範圍;而對射式一般用於開闊的室外環境中，能保證比點式探測器有更大的覆蓋範圍。另外，在可能發生H2洩漏的電池間內，還需要佈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，它的佈置場合與可燃氣體探測器相同。手動報警操作按鈕主要用於人工指示報警源，包括工藝故障、燃氣洩漏、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。一般設定在樓梯口處、主逃生通道、居住處所的走廊及控制室的出門處等。

　　3探測器的表決邏輯

　　FGS要保護裝置、人身的安全，還要涉及到全廠關斷或部分關斷，為了提高FGS的可靠度，減少誤動作，每種探測器都有自己的表決原則(都是以某一防火分割槽為前提的):a．感煙探測器。如果單個探測到危險存在時系統只報警，如果兩個或兩個以上探測器探測到危險存在時，啟動消防動作、報警並觸發ESD-1緊急關斷。b．感溫探測器。一個或一個以上的探測器探測到危險存在，立即啟動消防動作、報警並觸發ESD-1緊急關斷。c．可燃氣體探測器。對於點式可燃氣體探測器，如果單個探測達到20%LEL或50%LEL系統報警，如果兩個或兩個以上探測器探測達到50%LEL時，立即啟動消防動作、報警並觸發ESD-2緊急關斷;對於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，立即啟動消防動作、報警並觸發ESD-2緊急關斷;對於H2探測器，如果單個探測器探測達到10%LEL或20%LEL系統報警，如果兩個或兩個以上探測器探測達到20%LEL時，立即啟動消防動作、報警並觸發ESD-2緊急關斷。d．有毒氣體(H2S)探測器。如果單個探測器探測達到0．005‰或0．010‰時系統報警;如果兩個或兩個以上探測器探測達到0．010‰時，立即啟動消防動作、報警並觸發ESD-2緊急關斷。e．火焰探測器。如果單個探測器探測到危險存在時系統只報警，如果兩個或兩個以上探測器探測到危險存在時，啟動消防動作、報警並觸發ESD-1緊急關斷。

　　4控制器的選型

　　伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站專案，工藝流程複雜，自動化水平要求較高，業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，本著安全可靠、經濟合理、故障安全和獨立設定的原則，在滿足整體安全水平要求的前提下，應選用具有冗餘容錯技術的可程式設計邏輯控制器，而且該控制器應具有TUV-AK6(SIL3)認證。目前，在石油化工行業中應用比較廣泛的控制器主要有:美國Triconex公司採用TMR(三重化)冗餘容錯技術的Tricon系統、美國Honeywell公司的FSC系統(雙重冗餘)、美國ICS公司的ICSTriplex系統(三重化冗餘容錯)和德國HIMA公司的H41q/H51q，它的CPU是四重化結構(QMR)。由於Tricon系統在中國境內石化企業中應用成功，佔領市場比重較大，該專案最終選用美國Triconex公司生產的Tricon控制器。容錯是Triconex控制器的一項最重要的功能，它在監測到瞬態或穩態的系統錯誤時能採取適當動作來進行線上糾正。容錯技術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控制器透過三重化的結構實現容錯功能，因為3個平行的通道之間是相互隔離的，所以當在某一個通道上出現錯誤時，它不會跑到另外的兩個通道上去。故障的通道被兩個健康的通道拋棄，所以可以在工藝過程不中斷，Triconex系統線上的情況下更換故障的模件，更換完成後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，從輸入模件經主處理器到輸出模件都是三重化的。每個輸入輸出模件內部都有3個相互獨立的分電路(除了電源部分，電源是兩重冗餘的)。輸入模件的每個分電路讀入監測資料並將資訊送到各自的主處理器，3個主處理器利用其專用的高速資料匯流排(TRIBUS)進行相互間的通訊。每掃描一次，3個主處理器透過TRIBUS與相鄰的兩個主處理器之間進行通訊，達到同步，相互複製輸入資料並進行比較，對數字量進行三取二表決，對模擬量進行中選運算。運算或表決的結果複製到各個主處理器，主處理器會同步地進行同一運算，運算的結果分別輸送到輸出模件的3個分電路上，輸出模件中的微處理器又會對來自3個主處理器的訊號進行運算或表決，然後輸出到相應的現場執行元件上去。同時發現連續若干個週期某一個分電路來的資料與其他兩個相差超出正常範圍時，系統會發出報警訊號，並可以在工作站上查到相關的診斷資訊。

　　5控制邏輯設計

　　在伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站專案中，Tri-con控制器的軟體設計主要有氣體檢測、迴路檢測和線路檢測3個模組。現場探測器輸出訊號包括模擬量訊號和數字量訊號，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訊號均為模擬量4～20mA;感煙探測器、感溫探測器、手動操作按鈕輸出訊號均為數字量訊號。當控制器接收到的是模擬量4～20mA訊號，FGS可以透過輸入訊號模擬量值的大小來完成迴路監視，實現迴路的超限報警、斷路和短路報警以及校驗狀態指示。感煙探測器、感溫探測器及手動操作按鈕等迴路的輸出為開關量訊號，即兩種狀態:斷開與閉合，正常時均處於斷開位置，報警時才會閉合。這樣FGS就無法將探測器開關的斷開、閉合兩種狀態與迴路的開路、短路故障區分開。為了克服此弊端，對所有的輸出為數字量訊號的探測器增加了線路檢測功能。透過對每個檢測迴路增加線上電阻和終端電阻串，並聯後引入模擬量輸入卡，把這種輸入方式叫做SDI［7］(SupervisedDigitalIn-put)，如圖2所示。這樣在現場線路開路、短路、斷路和正常狀態下線路的電阻值會有所不同，從而使得輸出的數字量訊號轉換為模擬量訊號的值在不同的範圍內，從而達到線路監視的功能。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等的硬接線介面)均為開關量訊號，它們是正常勵磁的，也就是說正常時上述裝置均處於得電狀態，為了保證其在需要時能夠正常動作，系統採用SDO(SupervisedDigit-alOutput)卡件來驅動此類裝置，SDO會定時地向現場線路發出極短的檢測脈衝，檢測輸出線路的通斷，以判斷迴路是否處於健康狀態，輸出迴路負載的失效將會觸發相應的系統報警，並給出對應的故障通道。整個火氣系統需要實現火災和氣體檢測保護，它們的邏輯為:a．防火分割槽內某探測器第一點輸入檢測訊號時，Tricon控制器透過狀態、聲光報警訊號通知操作人員。b．防火分割槽內某探測器第二點輸入檢測訊號時，若是火災訊號，系統設定為自動狀態，則自動釋放消防系統(噴淋冷卻系統、高壓消防水噴射系統、CO2釋放系統)滅火;系統設定為手動狀態，則透過中控室矩陣盤上的手動開關釋放消防系統。c．對於火災和氣體輸入訊號，均關閉HVAC。d．對於火災輸入訊號，觸發ESD-1緊急關斷，裝置洩壓排料;對於氣體輸入訊號，觸發ESD-2緊急關斷，並將產生危險氣體洩漏源的閥門關閉，裝置不洩壓不排料。由於Tricon控制器三重化系統是當作一個系統進行操作的，所以程式設計時只需要編一套應用程式，輸入輸出的現場感測器和執行元件的接線也都只有一套，跟普通控制器沒有什麼不同，所以維護起來比較簡單。

　　結束語

　　在伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站中，FGS扮演著保護人員、環境、裝置和裝置安全的角色，隨著國家的發展，以人為本的科學理念不斷深化，企業普遍採用健康、安全與環保的管理體系(簡稱HSE管理體系)，中心處理站現場的安全越來越得到人們的重視，對FGS的要求越來越嚴格，FGS的可靠性決定了油田中心處理站生產的安全性。一個可靠性好、安全性高、可用率高、誤動作少，以及滿足SIL3安全等級的FGS能夠對中心處理站火災和氣體洩漏及時監測並處理，將險情做到防患於未然，發揮出真正的安全保護作用，保障中心處理站安全、穩定、長週期的執行。