圆筒型FPSO紧急关断系统
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摘 要：FPSO是深海最主要的采油方式，大量油气的存在使FPSO的危险性非常高，紧急关断系统的设计能够对平台的安全提供可靠保障。总结了DANA圆筒型FPSO设计建造过程中应急关断系统的设计原理和设计方法，对相关设计标准进行了介绍。
关键词：FPSO；ESD；PSD；紧急关断；故障安全
中图分类号：U674.38 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）03-0096-02
Abstract： FPSO is the most important way of oil recovery in the deep sea， the existence of a large number of oil and gas add the risk of FPSO， the design of emergency shutdown system can provide a reliable guarantee for the safety of the platform. The design principle and design method of emergency turn-off system in the design and construction of DANA cylindrical FPSO are summarized， and the related design standards are introduced.
Keywords： FPSO； ESD； PSD； emergency shutdown； fail safety
引言
在深海采油活动中，FPSO浮式生产储油卸油装置是主流的采油方式，在世界石油生产中有重要作用。由于FPSO是处理原油的海上加工厂，在生产中有大量原油输入和输出，在处理的过程中还有大量碳氢气体，一旦发生泄漏，后果非常严重。
功能完善的应急关断系统用于处理各种意外事故，针对不同的情况自动采取相应的关断措施，以保证人员和财产安全，减小损失。其安全有效运行涉及到原油和可燃气体的安全生产、平台设备和操作人员的安全。为此必须重视应急关断系统的研究，保证在发生危险时，应急关断系统能及时准确地关断设备。这就要求对其安全系统的动作做详细、周密的分析，确定紧急关断的因果逻辑，明确主次关系。从而建立正确的、行之有效的紧急关断系统。
1 系统设计原理
FPSO紧急关断系统是自动化系统，采用可编程逻辑控制器PLC实现预定功能。一般情况下应急关断系统是静态的，不需要人为干预；只有当生产出现紧急状况时，系统才发出保护信号，根据设计好的因果逻辑进行相应的关断动作。对相应设备进行分层级的紧急关断，避免发生火灾蔓延，爆炸或有毒气体泄露等危险情况。当然系统也配有手动按钮，用于人工紧急切断。紧急关断系统具备很高的可靠性，采用SIL2以上等级的软件、硬件，同时设置双重或三重冗余，以及采用表决系统。并采用故障安全型设计，即正常状态时信号触点为常闭，回路带电；当出现故障，信号触点断开，回路失电，产生保护动作。
紧急关断系统通过输入设备启动，输入设备为压力传感器、温度传感器等各类安全仪表，或者关键部位的手动按钮。关断级别取决于输入条件和工艺设备设计。一组输入条件也许只会使一个局部工艺设备关闭，而其他设备仍在运行；或许关闭所有工艺设备而让公用系统继续运转；或者在火灾和可燃气报警时采取更高级别的关闭；或者是除生命保障设备外的全平台关闭；或者是所有设备关停放弃平台的关闭。
各类关断发生时，紧急关断系统均会发出报警。级别较低时，报警只在主控室，级别在ESD以上时将是全平台报警。在主控室，对关断起因有可视显示。系统设计过程中，要根据相关规范和设计要求，结合设备的功能、位置等信息，設置好每个关断等级需要哪些输入信号，关断哪些设备，确定紧急关断的逻辑。
紧急关断系统工程设计包括确立关闭策略和编制因果图的详细设计。在实际应用中，因果图为矩阵形式，水平的为因，垂直的为果。用“X”将因果联系起来。
紧急关断系统设计还包括确定声光报警反应和编制系统功能说明，如对不同的关键输入规定所需的表决。系统测试也应非常广泛，在调试的时候，对所有的程序组合条件都充分进行测试。
2 紧急关断系统设计原则
紧急关断系统的设计有以下几点：（1）不同于正常的控制系统；（2）中间环节；（3）故障安全型；（4）冗余容错。
3 系统设计
DANA圆筒型FPSO项目紧急关断系统包含（PSD）工艺关断和（ESD）平台关断两大子系统，两个子系统之间也是相互独立的，但可以通过冗余网络和服务器进行满足SIL3等级的信息通信，可以共享操作站，打印机等设备。
（1）ESD（Emergency Shut Down）用于平台的紧急关断。
（2）PSD（Process Shut Down）用于工艺系统的紧急关断。
ESD系统高于PSD系统，ESD关断发生时可以引起PSD关断。依次向下，上级关断动作可触发下级关断。
生产切断，安全和效益通常是一对矛盾，在设计的过程中我们也经常会因为这样的观点不同而和船东争执。
从安全的角度，出现危险情况关停的东西越多越安全，但是反过来关停的东西越多造成的损失越大，恢复生产的成本越高。因此我们就需要在确保安全的前提下尽量关停少的东西，因此，我们又根据功能不同将PSD细分成了四组：
（1）PSD1.1油舱系统关断；
（2）PSD1.2油生产关断；
（3）PSD1.3气生产关断；
（4）PSD1.4注水/辅助生产系统生产关断。 PSD1生产切断平台上油气水的生产过程切断，停止生产。
PSD1.1处理好的石油存储到油舱里，当存储发生问题时需要启动这一级切断，启动这一级切断会同时触发。
PSD1.2油生产的切断，生产出来的石油无法存储。
PSD1.2油生产的切断。在油分离，除气，脱水等过程中出现问题需要启动这一级切断。
PSD1.3气生产的切断。当气体压缩，脱水等生产过程出现问题无法继续时启动这一级切断，其他生产可以继续，分离过程中产生的气体全部放空到火炬系统烧掉。
PSD1.4注水系统等石油生产辅助等系统切断。这一级切断后，石油生产一般可以短期继续进行。
在异常操作条件下，某些设备自动对工艺流程加以保护，使工艺条件保持在安全生产允许范围内，如将工作容器和管线关闭。自动设备可能包括泄放阀、压缩机循环系统等，还包括工作容器、工艺装置的自动关闭，甚至整个平台的关闭。
ESD1一级应急切断，安全区确认可燃气体存在时启动这一等级的切断。此时除了危险区域不再使用的设备切断，安全区在不能确认危险气体不会达到预定浓度的地方，室内的设备也要切断。
ESD2二级应急切断，危险区确认可燃气体存在或确认失火时启动这一等级切断。此时生产关断，所有在危险区域的需要再使用的设备切断。
APS弃船关断，在极端情况下已无法控制平台需要放弃时启动，平台只有逃生时所用的紧急通信系统，应急控制系统，不间断照明，平台应急指示灯等系统，其余系统全部切断。
4 紧急切断系统的软硬件配置
4.1 硬件配置
紧急关断系统的配置需要满足SIL3的要求。控制器的CPU双重冗余配置，I/O冗余配置，控制网络冗余配置。所有冗余均为热备用关系，一个出现问题能及时切换到备用而无任何中断。
紧急关断系统设备均为双路UPS供电。包括控制器，网络柜，I/O箱，一路UPS故障可以不间断切换到另一路UPS。出于对信号可靠性和延迟的考虑，所有紧急关断系统的输入输出信号均为硬线而不采用通讯传输。
4.2 软件配置
ESD系统的软件为TUV认证的SIL3等级的组态控制软件。系统具有强大的冗余容错功能。提供了强大的控制可靠性。组态控制软件把工业控制所需的各种功能以功能块的形式提供给用户，其中包括：输入/输出模块、控制算法模块、运算模块、计数/计时模块、逻辑运算模块、打印模块、LED显示模块等等，系统设计人员可根据设计要求选择所需的模块，再加上辅助基本功能模块，例如与、或、非、取反等基本逻辑模块生成系统控制软件。为便于系统组态，控制系统提供商提供了组态软件语言。
为了便于系统维护，升级，处置故障等，每一级切断都可以进行屏蔽（suppress），抑制（inhibit）强制（force）阻止（block）重置（reset）等多种操作。
5 系统输入输出接口
整理緊急关断系统的输入和输出信号是一个大工程。首先对于系统内部，众多的设备硬线接口，第三方设备名称，编码，信号类型，信号描述，对应机柜号，相关电缆等信息都需要明确记录。
例如对输入信号，要明确输入的信号是有源信号还是触点信号。如果是有源信号，还需要注意是否有电磁阀等现场设备直接使用应急关断系统的输出信号驱动，如果直接驱动，那就要注意电磁阀功率及电缆长度，避免出现电磁阀功率超过卡件驱动能力或者由于电缆压降过大而导致电磁阀无法响应关断动作信号等故障。因为信号涉及到众多非电气专业设备，还要和轮机，空调等相关专业不断协调澄清。
为了能在不同系统间通信及操作，紧急关断系统配置了SIL3等级的双冗余网络通信。通过网络服务器使其能通过网络和火气等其他控制系统通信。
6 结束语
本文对FPSO紧急关断系统的相关设计原理、原则、思路等进行了详细阐述，希望能为国内类似系统的设计提供有益的参考和思路。同时对系统的软硬件进行了介绍，让相关人员对相关配置有直观地了解，希望借此能够推动国内设计水平的提高。为国内相关产业发展提供参考。
参考文献：
[1]董海杰.浮式生产储油轮应急关断系统的设计[J].自动化仪表，2012，33.
[2]佟振.浮式生产储油船应急关断系统设计研究[D].大连理工大学，2013.
[3]易孟林.现代控制工程原理[M].华中科技大学出版社，2008-10-01.
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