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傳感器檢測到的信號，同時對信號回路的線路狀態的好壞進行判斷，將運算結果發送到相關的現場執行元件或設備。現場執行元件和設備就是指執行由邏輯控制器發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(全部防火分區的裝置地圖，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)、廣播系統以及裝置現場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其實就是通過專用的傳感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、喇叭及燈光等執行設備發出報警，提醒有關操作人員進行相關操作，組織疏散和逃生;通過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)實現遠程報警，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并消除;通過預先編制的聯鎖邏輯自動地啟動相應的消防設備、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、設備和周圍環境得到有效的保護;通過和采暖通風與空調系統HVAC(Heating，VentilatingandAirConditioning)通信來關停空調的換氣風機，并關閉風道上的擋板，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區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范和參考資料。國際電工委員會IEC于2000年發布了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屬于IEC定義的安全儀表系統的范疇，肩負著中心處理站在危險事故狀態下的緊急響應重任，應根據伊朗雅達項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，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，輸入信號正常時為“0”，現場的節點不接通;輸出狀態正常狀態時為“1”，即控制設備(如消防水噴淋冷卻系統的電磁閥)處于加電狀態。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等系統同時失效的概率，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的獨立設置適用于系統的各個方面，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，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，盡量選用隔爆技術，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盡量選擇氣動信號直接動作，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，應當在不同場所選擇最合適的探測器進行火氣探測。通過對可燃性氣體或液體火焰的檢測發現明火并發出火災報警信號。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。通過對煙霧的檢測從而判斷火災是否發生。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‰視為泄漏報警，需立即采取措施。一般采用電化學式。通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(分點式和對射式)和催化燃燒型探測器。通過手動觸發判斷險情的發生。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，避免傳統的點對點式設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、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。感溫探測器布置在由于溫度升高可能引發火災或爆炸的場合，如控制室，電氣設備，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°，因此要根據現場的實際情況，合理地設置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。感煙探測器一般用于梯道、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，也要設置感煙探測器，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布置吸氣式感煙探測器。可燃氣體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范圍;而對射式一般用于開闊的室外環境中，能保證比點式探測器有更大的覆蓋范圍。另外，在可能發生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，它的布置場合與可燃氣體探測器相同。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(都是以某一防火分區為前提的):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、報警并觸發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、報警并觸發ESD-1緊急關斷。c．可燃氣體探測器。對于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、報警并觸發ESD-2緊急關斷;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，立即啟動消防動作、報警并觸發ESD-2緊急關斷;對于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、報警并觸發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、報警并觸發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、報警并觸發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項目，工藝流程復雜，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、故障安全和獨立設置的原則，在滿足整體安全水平要求的前提下，應選用具有冗余容錯技術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中應用成功，占領市場比重較大，該項目最終選用美國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采取適當動作來進行在線糾正。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控制器通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系統在線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，電源是兩重冗余的)。輸入模件的每個分電路讀入監測數據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據總線(TRIBUS)進行相互間的通信。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行通信，達到同步，相互復制輸入數據并進行比較，對數字量進行三取二表決，對模擬量進行中選運算。運算或表決的結果復制到各個主處理器，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個主處理器的信號進行運算或表決，然后輸出到相應的現場執行元件上去。同時發現連續若干個周期某一個分電路來的數據與其他兩個相差超出正常范圍時，系統會發出報警信號，并可以在工作站上查到相關的診斷信息。
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、回路檢測和線路檢測3個模塊。現場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可以通過輸入信號模擬量值的大小來完成回路監視，實現回路的超限報警、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回路的輸出為開關量信號，即兩種狀態: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的斷開、閉合兩種狀態與回路的開路、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信號轉換為模擬量信號的值在不同的范圍內，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等的硬接線接口)均為開關量信號，它們是正常勵磁的，也就是說正常時上述設備均處于得電狀態，為了保證其在需要時能夠正常動作，系統采用SDO(SupervisedDigit-alOutput)卡件來驅動此類設備，SDO會定時地向現場線路發出極短的檢測脈沖，檢測輸出線路的通斷，以判斷回路是否處于健康狀態，輸出回路負載的失效將會觸發相應的系統報警，并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．防火分區內某探測器第一點輸入檢測信號時，Tricon控制器通過狀態、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輸入檢測信號時，若是火災信號，系統設置為自動狀態，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;系統設置為手動狀態，則通過中控室矩陣盤上的手動開關釋放消防系統。c．對于火災和氣體輸入信號，均關閉HVAC。d．對于火災輸入信號，觸發ESD-1緊急關斷，裝置泄壓排料;對于氣體輸入信號，觸發ESD-2緊急關斷，并將產生危險氣體泄漏源的閥門關閉，裝置不泄壓不排料。由于Tricon控制器三重化系統是當作一個系統進行操作的，所以編程時只需要編一套應用程序，輸入輸出的現場傳感器和執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、設備和設備安全的角色，隨著國家的發展，以人為本的科學理念不斷深化，企業普遍采用健康、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泄漏及時監測并處理，將險情做到防患于未然，發揮出真正的安全保護作用，保障中心處理站安全、穩定、長周期的運行。
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