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(大連船舶重工集團有限公司，大連 116005)

鉆/修井平臺作為開采海洋石油和天然氣的主要海工裝備，如何保障、提高其安全性一直是各界的研究重點?；饸馓綔y系統(tǒng)是鉆/修井平臺的關鍵安全系統(tǒng)，它可以探知火災的發(fā)生和可燃氣體、有毒氣體的泄漏及擴散，然后發(fā)出報警?；饸庀到y(tǒng)報警可觸發(fā)消防系統(tǒng)動作，并將報警信號發(fā)給應急切斷系統(tǒng)，以切斷某些關聯(lián)設備，避免助燃火災、引爆可燃氣體或危險氣體彌散，從而提高平臺的安全性[1]?；饸馓綔y系統(tǒng)基本都是根據(jù)國際海事組織、船級社和相關國際組織的規(guī)范規(guī)則進行設計，已經(jīng)具備成熟的技術方案和很多的應用實例。在火氣探測系統(tǒng)的技術和應用領域，雖然目前對探測原理、設備布置、信號接口等技術點已經(jīng)有較多論述，但是對于如何根據(jù)平臺的防火分隔、消防系統(tǒng)配備等實際情況來設計安全可靠的火氣探測系統(tǒng)控制邏輯卻鮮有介紹。本文以一型半潛式修井平臺為例，分析了火氣探測系統(tǒng)控制邏輯的設計方法和關鍵點。

1 系統(tǒng)構成

該平臺采用兩浮體、四立柱、雙層甲板箱形式，將在巴西、墨西哥灣等溫和海域作業(yè)，最大作業(yè)水深2 400 m，最大鉆井深度8 500 m，入ABS船級社，取得DPS-3船級符號，是一型以修井為主、鉆井為輔的新型半潛平臺。該平臺的火災探測系統(tǒng)采用Autronica SIL2 AutroSafe系統(tǒng)，配備了2個控制板和1個延伸板，可尋址探測器回路接入相應控制板/延伸板，2個控制板通過冗余AutroNET網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)同步。氣體探測系統(tǒng)采用西門子SIL2 PCS7系統(tǒng)，配備了1個控制機柜和1個遠程I/O機柜，通過冗余Profibus DP總線連接，氣體探測器使用24VDC 4～20 mA信號反饋探測結(jié)果。在平臺的中控室和集控室分別設有3臺安全工作站，通過冗余以太網(wǎng)與氣體探測系統(tǒng)和火災探測系統(tǒng)連接。這3臺工作站不僅可以實時監(jiān)控平臺火氣報警、火氣系統(tǒng)運行狀態(tài)、火氣因果邏輯執(zhí)行，還可以對報警確認消音和執(zhí)行某些手動干涉操作。火氣探測系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 火氣探測系統(tǒng)架構

2 控制邏輯

火氣探測系統(tǒng)控制邏輯是根據(jù)每個平臺的功能、布局分隔、安全級別、設備配置等具體情況而設計的預設邏輯。火氣探測系統(tǒng)收到現(xiàn)場探測器的反饋信號后，會根據(jù)該預設邏輯進行分析判斷，然后執(zhí)行一系列動作指令，如發(fā)出報警、觸發(fā)消防系統(tǒng)、將報警信號發(fā)給應急切斷系統(tǒng)以切斷某些關聯(lián)設備等。該控制邏輯通常以“火氣探測系統(tǒng)因果矩陣”的形式體現(xiàn)在設計文件中。

2.1 火氣報警區(qū)劃分

平臺發(fā)生火災或危險氣體泄漏后，為了避免助燃火災、引爆可燃氣體或危險氣體彌散，火氣探測系統(tǒng)按照預設邏輯，將發(fā)生火氣報警的區(qū)域和可能遭受影響區(qū)域的報警信號發(fā)給應急切斷系統(tǒng)，然后應急切斷系統(tǒng)會切斷與這些區(qū)域相關的通風設備、電氣設備以及油泵等其他設備。為此，合理劃分火氣報警區(qū)對火氣探測系統(tǒng)非常重要，在設備采購成本可承受的前提下，應該盡量細化報警分區(qū)，減少某一個艙室的火氣報警對其他正常艙室的影響，降低對平臺正常生產(chǎn)和船員生活的干擾[2]。

2.1.1 火災報警區(qū)劃分

火災報警區(qū)劃分需要集合艙室失火風險、危險區(qū)劃分、防火分隔、消防系統(tǒng)保護區(qū)、通風系統(tǒng)布局等多種因素綜合考慮。下文將以該型修井平臺為例，逐一舉例說明上述要素對火災報警區(qū)劃分的影響。

1)根據(jù)國際海上人命安全公約(SOLAS)，廚房為第12類失火危險處所，具有較大失火風險[3]。為此，廚房應單獨定義為一個火災報警區(qū)，而不應將廚房與餐廳等周圍低失火風險處所劃分到一個報警區(qū)。

2)振動篩室作為1類危險區(qū)，存在較大爆炸、失火風險，而且危險區(qū)處所通常都有獨立的通風系統(tǒng)，可以單獨切斷，應單獨定義為一個火災報警區(qū)。

3)除了根據(jù)毗鄰處所不同失火風險而設計相應的艙壁/甲板絕緣等級外，本平臺為了滿足DP3分隔要求，對于不同DP組或主、備用DP控制站之間也設置A60分割。如圖2所示，備用DP控制室與健身房和走廊之間采用A60分割，該房間為最高安全等級，應該單獨定義為一個火災報警區(qū)。

圖2 備用DP控制室防火分隔布置示意

4)為了保護某些重要的控制處所和設備艙室，通常會為這些處所配備壓力水霧、高壓二氧化碳、低倍泡沫等不同類型的固定式消防系統(tǒng)[4]。該型修井平臺高壓配電盤室設計有水噴淋消防系統(tǒng)，在水噴淋釋放前，應提前切斷并隔離該艙室內(nèi)防護等級低于IP44的電氣設備和相關通風設備。為了便于切斷邏輯設計，需要將高壓配電盤室定義為一個單獨火災報警區(qū)，與消防系統(tǒng)保護區(qū)對應。

5)新鮮空氣的輸入是助燃火災的主要因素，切斷火災處所的通風設備是抑制火災的有效措施。如圖3所示，中心倉庫和橡膠倉庫之間采用套管而不是風閘，以致這2個房間的風管是聯(lián)通的，無法實現(xiàn)有效隔離。同時結(jié)合2個倉庫的面積和探頭數(shù)量，最終將中心倉庫和橡膠倉庫共同定義為一個火災報警區(qū)。如果發(fā)生火災，將切斷中心倉庫與走廊之間的風閘，同時切斷兩個倉庫的供風和回風。

圖3 中心倉庫和橡膠倉庫風管布置示意

2.1.2 氣體報警區(qū)劃分

氣體探測器主要布置在某些可能泄露可燃氣體或有毒氣體的處所，以及艙室的進風口處。氣體報警區(qū)與火災報警區(qū)的劃分原則基本相似，但是對于安裝在艙室進風口處的氣體探測器，在劃分其對應的氣體報警區(qū)時，需要額外考慮氣體擴散規(guī)律[5]和臨近進風口的距離。如果幾個艙室進風口在相同氣體擴散范圍內(nèi)，而且距離較近，可以將這幾個艙室區(qū)域合并到一個氣體報警區(qū)內(nèi)。

2.2 火氣報警表決

為了提高系統(tǒng)準確性，避免誤報警，火氣探測系統(tǒng)應根據(jù)探測器類型合理設計報警表決邏輯。所謂表決，即在一個火氣報警區(qū)內(nèi)，當N個同種探測器中有M個同時發(fā)出報警(M≤N)，則認定該報警區(qū)確實發(fā)生了火災或氣體泄漏[6]。表決設定通常以語句MooN表示(Mout ofN)。如果同時報警的探測器數(shù)量小于設定值M，則該報警被認定為未確認的火氣報警，僅會在火災探測控制板和安全工作站上顯示警示信息，不會觸發(fā)任何實際的報警和切斷。

2.2.1 火災報警表決

根據(jù)設計經(jīng)驗和火氣系統(tǒng)廠家推薦，該型修井平臺的普通火災探測器的表決設定為M=2；感溫探測器的可靠性高，手動呼叫按鈕是人為觸發(fā)，為此它們的表決設定為M=1，火災報警表決邏輯見表1。如果某個報警區(qū)內(nèi)的火災探測器故障，或者處于維修旁路狀態(tài)，導致總數(shù)量N=1，則表決邏輯自動轉(zhuǎn)換為1oo1；如果報警區(qū)內(nèi)的火災探測器全部無法工作，則火災探測控制板和安全工作站上會顯示報警。

表1 火災報警表決邏輯

2.2.2 氣體報警表決

本平臺氣體探測器包括碳氫探測器、氫氣探測器和硫化氫探測器。前兩種探測的是可燃氣體，后一種探測的是有毒氣體。由于氣體特性不同，各種探測器報警的濃度設定值也不同。對于表決，當一個氣體報警區(qū)內(nèi)2個或2個以上同種探測器同時達到濃度高報警，則認定確實發(fā)生了氣體泄漏，詳見表2。根據(jù)船東要求和平臺作業(yè)地區(qū)法規(guī)，不同項目的報警的濃度設定值可能略有不同。若由于故障或維修導致正常工作的氣體探測器數(shù)量減少，則表決邏輯的變化與上文火災報警邏輯變化情況相同。

表2 氣體報警表決邏輯

2.3 消防系統(tǒng)聯(lián)動

消防系統(tǒng)是平臺抑制火災的重要手段，火氣探測系統(tǒng)與消防系統(tǒng)聯(lián)動可以使消防系統(tǒng)根據(jù)火氣報警自動、快速地起動/釋放，減少響應時間，提高消防救援效率[7- 8]。該型修井平臺的消防系統(tǒng)有消防泵、水霧滅火系統(tǒng)、水噴淋滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)和雨淋系統(tǒng)，除了消防保壓泵由綜合自動化系統(tǒng)(IAS)根據(jù)現(xiàn)場傳感器信號自動控制調(diào)速外，其他設備和子系統(tǒng)都可以根據(jù)火氣報警信號自動起動/釋放。該型修井平臺典型消防系統(tǒng)聯(lián)動控制邏輯見表3。

表3 消防系統(tǒng)因果邏輯矩陣

注：“X”表示某個原因?qū)е碌慕Y(jié)果立即執(zhí)行?！癉”表示延時，如果主泵啟動失敗，30 s后自動啟動備用泵。

2.4 火氣報警信號輸出

火氣探測系統(tǒng)除了按照火氣報警區(qū)劃分和控制邏輯將報警信號發(fā)送給應急切斷系統(tǒng)外，還會將火氣報警信號直接發(fā)送到廣播/通用報警系統(tǒng)、直升機甲板狀態(tài)燈和安全控制板等設備，用聲音和燈光警示船員平臺出現(xiàn)了火災或氣體泄漏的緊急情況[9]。當然，此時發(fā)出的報警信號都是經(jīng)過表決確認或人工確認的火氣報警。如果火氣探測系統(tǒng)產(chǎn)生了一個未確認的報警信號，船員在2 min內(nèi)沒有確認此報警信號，則未確認的火氣報警將自動轉(zhuǎn)換成確認的火氣報警[10]，并按此輸出報警信號和切斷信號。

3 結(jié)論

“安全”是工業(yè)生產(chǎn)永恒的主題，每次安全標準升級的背后都有一個慘痛的安全事故教訓。隨著科學技術的發(fā)展和生產(chǎn)經(jīng)驗的豐富，船東和石油公司對鉆/修井平臺火氣探測系統(tǒng)的安全性、可靠性和智能化提出了越來越高的要求。本文根據(jù)實際海工平臺設計經(jīng)驗，對火氣報警區(qū)域劃分、火氣報警表決、消防系統(tǒng)聯(lián)動和火氣報警信號輸出4項火氣探測系統(tǒng)控制邏輯設計要點進行了分析、總結(jié)，并歸納出通用設計方法。這些要點可以廣泛應用到鉆井平臺、采油平臺、FPSO等海工裝備的火氣探測系統(tǒng)設計中，對提高系統(tǒng)自動化程度和安全性具有積極意義。對于某些項目的個性化特殊要求，也可以在本文基礎上進行升級、增強。目前，“智能船舶”不僅是商船的研究重點，也已經(jīng)成為海工裝備的未來發(fā)展方向，如何提高火氣探測系統(tǒng)的智能化水平，仍需進一步深入研究。此外，在火氣探測系統(tǒng)設計過程中，必須時刻秉承“安全第一”的理念，除了遵從規(guī)范規(guī)則的要求外，更需要從實際生產(chǎn)的角度思考問題。

[1] 張峰，馮傳令.火氣系統(tǒng)在海洋石油工業(yè)中的應用研究[J].石油化工自動化，2009(3):20- 22.

[2] 董海杰，李彤.浮式生產(chǎn)儲油船(FPSO)消防系統(tǒng)設計[J].船海工程，2012，41(4):33- 37.

[3] IMO. International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS)[S].IMO，2014.

[4] 船舶消防指南[S].北京：中國船級社，1999.

[5] 鄧海發(fā)，陳國明，朱淵，等.海洋鉆井平臺硫化氫井噴擴散規(guī)律[J].安全與環(huán)境學報，2010(10)：177- 180.

[6] 黃菲菲.浮式生產(chǎn)儲油船(FPSO)火災和可燃氣體探測系統(tǒng)的設計及優(yōu)化改進[J].船舶，2005(8)：30- 35.

[7] 鄧忠彬,羅小昌,李浩,等.海洋平臺修井機火氣系統(tǒng)基本設計[J].船海工程，2015(5):5- 8.

[8] 彭彬，向晶晶，張沖.主機房火災隱患管理和持續(xù)改進[J].船海工程，2014(5):83- 86.

[9] 楊雄.自升式鉆井平臺火氣系統(tǒng)設計[J].船舶工程，2013(增刊2)：194- 202.

[10] IMO. International Code for Fire Safety Systems [S].IMO，2010.