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油田中心處理站FGS功能及設(shè)計研究

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油田中心處理站FGS功能及設(shè)計研究

FGS功能及設(shè)計原則

FGS一般由傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行單元3部分組成,屬于安全儀表系統(tǒng)(SafetyIn-strumentSystem,SIS)的范疇。傳感器部分包括火災(zāi)探測器、氣體探測器和手動報警操作按鈕?;馂?zāi)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?xì)怏w探測器和有毒氣體探測器。邏輯控制器是分析和運(yùn)算從傳感器檢測到的信號,同時對信號回路的線路狀態(tài)的好壞進(jìn)行判斷,將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送到相關(guān)的現(xiàn)場執(zhí)行元件或設(shè)備?,F(xiàn)場執(zhí)行元件和設(shè)備就是指執(zhí)行由邏輯控制器發(fā)出指令的設(shè)備和元件,主要包括報警和消防設(shè)備,報警設(shè)備有中央控制室的模擬盤(全部防火分區(qū)的裝置地圖,嵌有表示不同類型報警的LED燈,并帶有不同頻率聲音的蜂鳴器)、廣播系統(tǒng)以及裝置現(xiàn)場的報警喇叭和閃燈等;消防設(shè)備主要有噴淋冷卻系統(tǒng)、二氧化碳釋放系統(tǒng)及高壓消防水噴射系統(tǒng)等。

1FGS的功能

FGS其實(shí)就是通過專用的傳感器將伊朗雅達(dá)瓦蘭油田中心處理站生產(chǎn)裝置相關(guān)區(qū)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、火焰或手動報警信號,傳遞到邏輯控制器,邏輯控制器提前預(yù)測即將要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的火災(zāi)、爆炸、中毒事故,由廣播、喇叭及燈光等執(zhí)行設(shè)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;通過主控制室的人機(jī)界面HMI(可以是大型顯示幕墻或大型馬賽克幕墻)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報警,得到及時增援,從而使得可能發(fā)生的事故能在萌芽狀態(tài)被發(fā)現(xiàn)并消除;通過預(yù)先編制的聯(lián)鎖邏輯自動地啟動相應(yīng)的消防設(shè)備、緊急關(guān)斷系統(tǒng)(EnmergencyShutdownSystem,ESD)輸出等級,使已經(jīng)發(fā)生的事故能得到及時有效的控制,使得相關(guān)人員、設(shè)備和周圍環(huán)境得到有效的保護(hù);通過和采暖通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)HVAC(Heating,VentilatingandAirConditioning)通信來關(guān)停空調(diào)的換氣風(fēng)機(jī),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上反映各個防火分區(qū)火氣探測情況的狀態(tài),使工作人員能隨時掌握整個站的火氣探測動態(tài)。

2fgs的設(shè)計原則

在FGS的設(shè)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(shù)規(guī)范和參考資料。國際電工委員會IEC于2000年了IEC61508標(biāo)準(zhǔn):電氣、電子、可編程電子安全系統(tǒng)(E/E/PES)的功能安全,該標(biāo)準(zhǔn)是綜合性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),主要為裝置的制造商和供應(yīng)商使用。2003年,IEC頒布了安全系統(tǒng)功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC61511,主要針對具體的儀器儀表設(shè)計者和用戶使用。在FGS的設(shè)計中,通常將IEC61508和IEC61511結(jié)合使用。在FGS的設(shè)計過程中,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(tǒng)的范疇,肩負(fù)著中心處理站在危險事故狀態(tài)下的緊急響應(yīng)重任,應(yīng)根據(jù)伊朗雅達(dá)項(xiàng)目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,F(xiàn)GS的安全功能要求越強(qiáng),F(xiàn)GS的SIL等級一般為二級或者三級。根據(jù)業(yè)主基礎(chǔ)設(shè)計文件的要求,該項(xiàng)目的FGS的SIL等級為三級。石油化工項(xiàng)目一般不使用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(tǒng),它的傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行單元都應(yīng)該是故障安全型的[5]。FGS的信號系統(tǒng)是正常不勵磁,也就是說,輸入信號正常時為“0”,現(xiàn)場的節(jié)點(diǎn)不接通;輸出狀態(tài)正常狀態(tài)時為“1”,即控制設(shè)備(如消防水噴淋冷卻系統(tǒng)的電磁閥)處于加電狀態(tài)。為了防止線路故障導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常動作,F(xiàn)GS必須設(shè)計對輸入輸出線路狀況好壞的判斷。邏輯運(yùn)算器的硬件一般都采用冗余容錯功能安全的結(jié)構(gòu)。c.獨(dú)立設(shè)置原則。根據(jù)多層安全模式的原理[5],把FGS和其他諸如ESD、PCS等系統(tǒng)分離設(shè)置,以降低FGS、ESD及PCS等系統(tǒng)同時失效的概率,使FGS、ESD及PCS等系統(tǒng)互不依賴,能獨(dú)立發(fā)揮出各自的完整功能。FGS的獨(dú)立設(shè)置適用于系統(tǒng)的各個方面,比如電源、硬件、軟件、通信及維護(hù)等各方面都應(yīng)該具有獨(dú)立性,都不應(yīng)受到來自系統(tǒng)之外故障的影響。d.中間環(huán)節(jié)最少原則。FGS應(yīng)該被設(shè)計成一個高效的系統(tǒng),其中間環(huán)節(jié)應(yīng)是最少的,盡可能使用最直接的測量和最可靠的執(zhí)行方式,盡量避免繁瑣復(fù)雜和不必要的設(shè)計,來提高系統(tǒng)的可靠性。比如,在隔爆技術(shù)可以滿足現(xiàn)場防爆要求的情況下,盡量選用隔爆技術(shù),以避免本安技術(shù)中多出來的安全柵環(huán)節(jié)對整個系統(tǒng)的影響。又如,在易熔塞回路直接覆蓋的地方盡量選擇氣動信號直接動作,避免過多的氣-電和電-氣轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)[6]。

FGS的設(shè)計

設(shè)計火氣系統(tǒng)時必須要考慮火氣系統(tǒng)具有正確的功能和執(zhí)行正確功能的可靠程度。因此,火氣系統(tǒng)各部分的選型、冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。

1探測器的選型

為了使FGS能夠準(zhǔn)確地探測到險情,應(yīng)當(dāng)在不同場所選擇最合適的探測器進(jìn)行火氣探測。通過對可燃性氣體或液體火焰的檢測發(fā)現(xiàn)明火并發(fā)出火災(zāi)報警信號。一般采用UV/IR火焰探測器。通過對溫度的檢測判斷是否發(fā)生火災(zāi)。一般采用定溫型(易融塞回路)和溫升型感溫探測器。通過對煙霧的檢測從而判斷火災(zāi)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。通過檢測空氣中H2S的濃度來確定工作區(qū)域的安全程度,根據(jù)濃度的高低和事故的嚴(yán)重性決定是否關(guān)斷和撤離,一般H2S濃度用0.001‰來指示;0.005‰視為警告;0.010‰視為泄漏報警,需立即采取措施。一般采用電化學(xué)式。通過物理或化學(xué)的方式檢測空氣中可燃?xì)怏w的濃度,一般按可燃?xì)怏w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。通過手動觸發(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(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)式設(shè)計造成布線的工程量和電纜成本的高昂,并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(qū)、爆炸性氣體IIA組、引燃溫度T3級(Class1,Zone2,GasGroupIIA,TemperatureClassT3)區(qū)域的要求,環(huán)境防護(hù)等級達(dá)到IP65。

2探測器的布置

FGS的設(shè)計、探測器的布置是非常重要的內(nèi)容,應(yīng)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(zāi)或爆炸的場合,如控制室,電氣設(shè)備,電池間及高溫下易發(fā)生爆炸的儲罐區(qū)、分離器、脫水器及加熱爐等場合。火焰探測器主要布置在原油處理模塊,如分離器、脫鹽區(qū)、空冷器、清管器區(qū)、壓縮機(jī)、計量區(qū)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(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況,合理地設(shè)置探測器的位置與數(shù)量,使每個可能發(fā)生火災(zāi)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(shè)置感煙探測器,因?yàn)檫@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(qū)域需要布置吸氣式感煙探測器??扇?xì)怏w探測器主要布置在容易引起泄漏和聚集的高壓設(shè)備、壓縮機(jī)、真空泵、反應(yīng)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,只能監(jiān)視視野所及的范圍;而對射式一般用于開闊的室外環(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(nèi),還需要布置催化燃燒式的可燃?xì)怏w(H2)探測器。有毒氣體探測器主要探測硫化氫氣體,它的布置場合與可燃?xì)怏w探測器相同。手動報警操作按鈕主要用于人工指示報警源,包括工藝故障、燃?xì)庑孤?、煙霧、火情以及任何可能導(dǎo)致工藝故障或引起人員傷害的危險情況。一般設(shè)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處等。

3探測器的表決邏輯

FGS要保護(hù)設(shè)備、人身的安全,還要涉及到全廠關(guān)斷或部分關(guān)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(都是以某一防火分區(qū)為前提的):a.感煙探測器。如果單個探測到危險存在時系統(tǒng)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、報警并觸發(fā)ESD-1緊急關(guān)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、報警并觸發(fā)ESD-1緊急關(guān)斷。c.可燃?xì)怏w探測器。對于點(diǎn)式可燃?xì)怏w探測器,如果單個探測達(dá)到20%LEL或50%LEL系統(tǒng)報警,如果兩個或兩個以上探測器探測達(dá)到50%LEL時,立即啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關(guān)斷;對于對射式可燃?xì)怏w探測器,如果單對探測器探測達(dá)到1LEL.m或3LEL.m系統(tǒng)報警,如果兩對或兩對以上探測器探測達(dá)到3LEL.m時,立即啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關(guān)斷;對于H2探測器,如果單個探測器探測達(dá)到10%LEL或20%LEL系統(tǒng)報警,如果兩個或兩個以上探測器探測達(dá)到20%LEL時,立即啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關(guān)斷。d.有毒氣體(H2S)探測器。如果單個探測器探測達(dá)到0.005‰或0.010‰時系統(tǒng)報警;如果兩個或兩個以上探測器探測達(dá)到0.010‰時,立即啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關(guān)斷。e.火焰探測器。如果單個探測器探測到危險存在時系統(tǒng)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、報警并觸發(fā)ESD-1緊急關(guān)斷。

4控制器的選型

伊朗雅達(dá)瓦蘭油田中心處理站項(xiàng)目,工藝流程復(fù)雜,自動化水平要求較高,業(yè)主對工程的系統(tǒng)安全非常重視,F(xiàn)GS設(shè)計及施工完全遵循國際標(biāo)準(zhǔn)。因此,本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、故障安全和獨(dú)立設(shè)置的原則,在滿足整體安全水平要求的前提下,應(yīng)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(yīng)具有TUV-AK6(SIL3)認(rèn)證。目前,在石油化工行業(yè)中應(yīng)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(tǒng)、美國Honeywell公司的FSC系統(tǒng)(雙重冗余)、美國ICS公司的ICSTriplex系統(tǒng)(三重化冗余容錯)和德國HIMA公司的H41q/H51q,它的CPU是四重化結(jié)構(gòu)(QMR)。由于Tricon系統(tǒng)在中國境內(nèi)石化企業(yè)中應(yīng)用成功,占領(lǐng)市場比重較大,該項(xiàng)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(xiàng)最重要的功能,它在監(jiān)測到瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)錯誤時能采取適當(dāng)動作來進(jìn)行在線糾正。容錯技術(shù)的應(yīng)用使得火氣系統(tǒng)的可用性和安全性得到很大的提高。Triconex控制器通過三重化的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)容錯功能,因?yàn)?個平行的通道之間是相互隔離的,所以當(dāng)在某一個通道上出現(xiàn)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(tǒng)在線的情況下更換故障的模件,更換完成后系統(tǒng)又恢復(fù)到完整的三重化操作。Tricon控制器三重化結(jié)構(gòu)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。每個輸入輸出模件內(nèi)部都有3個相互獨(dú)立的分電路(除了電源部分,電源是兩重冗余的)。輸入模件的每個分電路讀入監(jiān)測數(shù)據(jù)并將信息送到各自的主處理器,3個主處理器利用其專用的高速數(shù)據(jù)總線(TRIBUS)進(jìn)行相互間的通信。每掃描一次,3個主處理器通過TRIBUS與相鄰的兩個主處理器之間進(jìn)行通信,達(dá)到同步,相互復(fù)制輸入數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較,對數(shù)字量進(jìn)行三取二表決,對模擬量進(jìn)行中選運(yùn)算。運(yùn)算或表決的結(jié)果復(fù)制到各個主處理器,主處理器會同步地進(jìn)行同一運(yùn)算,運(yùn)算的結(jié)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個主處理器的信號進(jìn)行運(yùn)算或表決,然后輸出到相應(yīng)的現(xiàn)場執(zhí)行元件上去。同時發(fā)現(xiàn)連續(xù)若干個周期某一個分電路來的數(shù)據(jù)與其他兩個相差超出正常范圍時,系統(tǒng)會發(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(shè)計

在伊朗雅達(dá)瓦蘭油田中心處理站項(xiàng)目中,Tri-con控制器的軟件設(shè)計主要有氣體檢測、回路檢測和線路檢測3個模塊?,F(xiàn)場探測器輸出信號包括模擬量信號和數(shù)字量信號,其中:火焰探測器、易熔塞、可燃?xì)怏w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、手動操作按鈕輸出信號均為數(shù)字量信號。當(dāng)控制器接收到的是模擬量4~20mA信號,F(xiàn)GS可以通過輸入信號模擬量值的大小來完成回路監(jiān)視,實(shí)現(xiàn)回路的超限報警、斷路和短路報警以及校驗(yàn)狀態(tài)指示。感煙探測器、感溫探測器及手動操作按鈕等回路的輸出為開關(guān)量信號,即兩種狀態(tài):斷開與閉合,正常時均處于斷開位置,報警時才會閉合。這樣FGS就無法將探測器開關(guān)的斷開、閉合兩種狀態(tài)與回路的開路、短路故障區(qū)分開。為了克服此弊端,對所有的輸出為數(shù)字量信號的探測器增加了線路檢測功能。通過對每個檢測回路增加在線電阻和終端電阻串,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(xiàn)場線路開路、短路、斷路和正常狀態(tài)下線路的電阻值會有所不同,從而使得輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號的值在不同的范圍內(nèi),從而達(dá)到線路監(jiān)視的功能。FGS中執(zhí)行元件的輸出包括電磁閥、繼電器(與公共廣播、ESD及HVAC等的硬接線接口)均為開關(guān)量信號,它們是正常勵磁的,也就是說正常時上述設(shè)備均處于得電狀態(tài),為了保證其在需要時能夠正常動作,系統(tǒng)采用SDO(SupervisedDigit-alOutput)卡件來驅(qū)動此類設(shè)備,SDO會定時地向現(xiàn)場線路發(fā)出極短的檢測脈沖,檢測輸出線路的通斷,以判斷回路是否處于健康狀態(tài),輸出回路負(fù)載的失效將會觸發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)報警,并給出對應(yīng)的故障通道。整個火氣系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)火災(zāi)和氣體檢測保護(hù),它們的邏輯為:a.防火分區(qū)內(nèi)某探測器第一點(diǎn)輸入檢測信號時,Tricon控制器通過狀態(tài)、聲光報警信號通知操作人員。b.防火分區(qū)內(nèi)某探測器第二點(diǎn)輸入檢測信號時,若是火災(zāi)信號,系統(tǒng)設(shè)置為自動狀態(tài),則自動釋放消防系統(tǒng)(噴淋冷卻系統(tǒng)、高壓消防水噴射系統(tǒng)、CO2釋放系統(tǒng))滅火;系統(tǒng)設(shè)置為手動狀態(tài),則通過中控室矩陣盤上的手動開關(guān)釋放消防系統(tǒng)。c.對于火災(zāi)和氣體輸入信號,均關(guān)閉HVAC。d.對于火災(zāi)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關(guān)閉,裝置不泄壓不排料。由于Tricon控制器三重化系統(tǒng)是當(dāng)作一個系統(tǒng)進(jìn)行操作的,所以編程時只需要編一套應(yīng)用程序,輸入輸出的現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行元件的接線也都只有一套,跟普通控制器沒有什么不同,所以維護(hù)起來比較簡單。

結(jié)束語

在伊朗雅達(dá)瓦蘭油田中心處理站中,F(xiàn)GS扮演著保護(hù)人員、環(huán)境、設(shè)備和設(shè)備安全的角色,隨著國家的發(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(簡稱HSE管理體系),中心處理站現(xiàn)場的安全越來越得到人們的重視,對FGS的要求越來越嚴(yán)格,F(xiàn)GS的可靠性決定了油田中心處理站生產(chǎn)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?qū)χ行奶幚碚净馂?zāi)和氣體泄漏及時監(jiān)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(hù)作用,保障中心處理站安全、穩(wěn)定、長周期的運(yùn)行。(本文作者:吳永莉、孫金玲、羅雄麟 單位:中國石油大學(xué)自動化研究所、勝利油田勝利勘察設(shè)計研究院有限公司)

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