海洋石油平台可燃气探头选型浅析.pdf

口人才培养口 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 1 0 4 1 ． 2 0 1 2 ． 0 3 ． 0 3 3 海洋石油平台可燃气探头选型浅析 刘健， 崔正清， 任天翼 ， 张若楠 海洋石油工程股份有限公司， 天津 3 0 0 4 5 1 仪器仪表用户 摘要 本文简要介绍了火气系统的组成。 进而针对海洋石油平台环境。 详细介绍了不同工作原理的可燃气探头适用工况。通 过总结归纳， 得出不同类型可燃气探头的特点与不足。 同时对可燃气探头选型做出浅析， 为今后仪表设计人员选型提供可借 鉴的参考依据 。 关键词 火气系统； 可燃气；红外 ； 超声波； 催化 中图分类号 T E 9 2 7 文献标 志码 B 0 引言 近年来火灾事故屡有发生， 一场火灾事故带来的不仅仅 是财产的损失， 更伴随着生命的消逝。不论民用住宅还是工 况场地， 安全越来越受到前所未有的重视。因此， 火气报警系 统的设计， 火气探头的选型极其重要。本文针对海上石油平 台火气系统的组成与可燃气探头的选型， 谈一谈 自己的心得 体会 。 l 火气 系统概述 为了实现海洋石油平台安全生产和安全保护， 一个性能 稳定 、 安全、 动作响应及时的火气系统设计至关重要。通常火 气系统的网络架构如图 1 所示。为了达到安全生产的目的， 在不同工况的火区布置不同类型的火气探头， 用于检测报警， 同时将所检测到的信息传送到火气控制系统， 并做出逻辑判 断， 启动相应的报警系统、 消防系统 、 关断系统等。火气系统 具体的 S I L等级需根据工程项目实际情况而定， 一般而言， 要 求其达到 S I I _ 3 及以上。 ⋯ ⋯ ⋯⋯． f ■ 0 l ⋯s 0* 图 1 火气 系统 网络架构 2 火气系统组成 2 ． 1 控 制部分 系统控制的核心一般为 A B ／ H I MA ／ I C S ／ T R I C O N等高性 能 P L C， 其核心分为两种结构 点到点式火气系统 P L C 和点 到点 P L C 寻址盘 A D D 。同时， 为了便于事故定位和维 护， 火气系统一般都在中控室设有一台操作站， 还有在其他监 控室设置复示盘或者触摸显示屏用于对整个设施的火灾和气 体泄漏的监控， 由操作员负责系统的监视。 2 ． 2 现场设备 1 火气监测设备 现场火灾监测设备包括 可燃气探头 、 有毒气探头、 火焰 探头、 温感探头、 烟感探头、 易熔塞等。 a ．可燃气探头 可燃气探头主要用于监测平 台井 口区 域、 生产区域等是否有气体泄漏 ， 一旦出现气体泄漏情况 ， 及 8 6 EI C V0I ． 1 9 2 0 1 2 No ． 3 时报警。 b ．毒气探头 主要有 H 探头、 H S探头等。H 探头主要 用于电池间， H S 探头主要用于检测含硫工艺装置和管线。 c ．火焰探头 火焰探头是视线性装置， 当这种装置检测 到火灾发出的辐射能时将做出反应。 d ．温感探头 温感探头用于火灾发展迅速 、 有大量热产 生的场所， 如厨房、 烘衣间、 中控间、 配电问等。 e ．烟感探头 用于探测燃烧产生的烟粒子， 一般置于平 台组块的房间 内、 生 活楼 内的梯道 、 走廊 、 逃身通道、 控 制 室等 。 2 火气报警设备 在海洋石油平台中布置了很多报警设备， 方便平 台上的 作业人员在发生火气报警时快速应急响应或及时报警发生的 火灾等情况。 a ．A P S 弃平台按钮。当平台发生火灾、 爆炸或达到无法 挽救人员必须紧急撤离的情况， 由平 台指定人员负责按下 A P S按钮， 通知全体作业人员撤离平台。 b ．手动报警站 颜色通常为红色， 一 一 般设置在逃生通道、 楼梯口、 走廊等处， 出现火灾、 气体泄漏时F I_f 手动启动报警。 c ．平台状态等 显示平台当前状态。一般绿色表示正 常， 黄色有气体泄漏、 红色为火灾发生 、 蓝色为弃平台。 d ．声光报警 声光报警设备包括一个警灯和一个警铃。 一 般在设有全淹没式消防装置的电气间、 控制室内外设有释 放预报警的灯和铃。在消防装置手动释放时， 灯和铃报警 3 0 秒后， 消防装置就会释放。作业人员在听到释放铃和看到释 放灯后， 要立刻撤离报警的房间。 e ．消防装置手动释放按钮 手动释放消防装置工作。 ￡消防装置手动抑制按钮 手动抑制消防装置工作。 2 ． 3 消防部分 火气系统消防逻辑的作用是在平台发生火灾时自动启动 消防装置， 喷淋灭火。 海洋平 台主要 的区域灭火装置有 C 0 2灭火 系统 、 F M2 0 0灭火系统 J 、 喷淋阀、 消防泵。 3 可燃气探头类型 当前市场上可供选择的可燃气探头有多种不同工作原理 的产品。本文针对海洋石油平台环境 ， 对适用于海洋环境的 可燃气探头选型做出分析总结。 3 ． 1 催化式可燃气探头 催化式可燃气探头 图2 的核心部分是一对经过计算相 欢迎光临本刊 网站 h t t p ／ ／ w w w． e i c ． c o m． c n 一 菩 罢 一 晷 ～ 一 ～ 圈 一 一 一 、 ～ 仪器仪表用户 互匹配的检测极， 它们在通过洁净的空气时会提供平衡 的电 阻。当可燃气体存在时， 活动探极会与可燃气体分子发生催 化反应， 与此同时参考极会对反应进行平衡并补偿环境温度 的改变， 在这个过程中产生电信号， 该电信号强度与可燃气体 浓度成线性关系 。 催化式可燃气探头适宜检测小分子烃类气体， 但由于催 化式可燃气探头监测可燃气是依靠气体与活动探极发生化学 反应 ， 进而产生电信号的工作方式 ， 因此当使用场所空气中含 有能使检测元件中毒的硫 、 磷 、 硅、 铅 、 卤素化合物等介质时， 应选用抗中毒型催化式可燃气探头。针对海洋石油平台工况， 在周围环境中包含 c l 、 } 王 2 S 、 C O等气体可能存在的区域内如若选 用催化式可燃气探头， 应选择检测探头为抗中毒型设计。 优点 温度、 湿度、 气体冷凝及压力变化对仪器敏感度影 响小， 精确度高， 响应迅速， 可检测多种可燃性气体或蒸汽。 缺点 传感器存在零点漂移问题 ， 易中毒， 检测时需要空 气或氧气， 当频繁使用或连续暴露于高体积分数爆炸下限 L E L 下时， 使用寿命将缩短。 3 ． 2 红外式可燃气探头 红外式可燃气探头分为点式和开路式两种， 它们都是利 用气体对红外线吸收的原理来工作 。可燃气体的浓度越 高， 红外线被吸收的越多， 未穿透的量就越大。开路式与点式 的不同在于， 它有一对传感元件。其中一个为红外线发射源， 另一个为接收器。分开布置在探测区域的两端， 通过测定接 收器接收到的红外线辐射源的能量来进行报警动作。可燃气 体的浓度可通过比较有可燃气体存在情况下和没有任何可燃 气体存在的情况下 即标准传感元件 所接受到的红外线辐 射能的测量值来确定。 点式红外线检测器由于气体选择性好可用于特定气体的 检测。另外， 对于某些采用催化燃烧式检测器无法获得满意 效果的区域， 或某些可能会导致催化探头性能遭到损坏的场 合， 最好选用点式红外检测器； 开路式红外线检测器则用于监 视大面积区域是否存在可燃气体， 对其变化趋势的了解要求 不高的场所。 优点 精确度及选择性高， 测量范围大， 低维护性， 对化学 毒物有 良好的抗干扰性 ， 检测不需要氧气或空气 ， 检测范围不 发生偏离， 故障自趋安全。 缺点 不适合氢气检测。对开路式红外线检测器， 要求探 测源及检测器间无障碍。对氢气的检测应选用专用的催化燃 烧型检测器或采用电化学或半导体型检测器。 图 2 催化式可燃气探头 图3 红外式可燃 气探头 3 ． 3 超声式可燃气探头 超声式可燃气探头是近年来推出一种新型的气体探头， 其测量方法基于设备或管线中有气体泄漏溢出时会产生超声 波 的原 理。 当被检系统内部压强高于外部压强， 由于内外压差较大， 漏孔尺寸又较小 ， 雷诺数较高， 此时就会有气体穿过漏孔形成 湍流， 湍流在漏孔附近产生一定频率 的声波， 如图4所示 。 声波振动的频率与漏孔尺寸有关， 漏孔较大时人耳可听到漏 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 旦 堇羞日 气声 ， 泄漏孑 L 很小且声波频率大于 2 0 k H z时， 人耳就听不到 了， 但它们能在空气中传播。超声波是高频短波信号， 其强度 随着离开声源距离的增加而迅速衰减。因此， 超声波被认为 是一种方向性很强的信号。 在具有加压易燃气体的装置中， 探测有关气体泄露， 这种 泄露聚集起来会形成一个潜在的爆炸性气体云。一旦出现多 种气体泄漏， 易导致爆炸的发生。因此， 可燃气探头检测气体 泄漏时要求快速响应 ， 在没有达到危险浓度之前即要求响应 报警。相比较于其他种类可燃气探头需要在探测器周 围探 测， 以爆炸下限 L E L 水平测量气体浓度而言， 超声式可燃气 探头监测方式不受此局 限。 根据超声波产生及超声式可燃气探头原理， 气体泄露而 产生的超声与气体泄露率成正比， 超声波气体泄露探测器探 测超声不受气体分散或风向改变的影响。但超声式可燃气探 头易受现场工况及背景噪音干扰， 现场微小动作产生的超生 都可能导致探头的误报警。所以， 为了避免超声式可燃气探 头频繁的误报警动作 ， 需要依据现场工况参数不断地校准探 头报警设定值。 超声式可燃气探头适用场所 易爆危险区域、 加压气体装 置、 室外或半室外通风区域。 优点 适用于早期检测， 微小泄漏测量 ， 不受泄漏气体类 型与浓度高低影响。 缺点 易受干扰， 易误报警 ， 价格偏高。 广 匡 、 、 ’ 厂 三 图 4 气体微小泄漏产 生超声 波 图5超声式可燃气探 头 3 ． 4 三种可燃气探头 比较 综合上述几种不同类型可燃气探头特点与不足 ， 做出简 要总结 ， 见表 1 。 表 1 不同类型可燃 气探头 比较 气体浓度 受风速度 工作原理 气体类型 探测技术 标定周期 探头寿命 要求 气流影响 非抑制催化 催化式 容易破坏 有 有 3 0 6 0天 2正 反应类气体 红外式 碳氢类气体 不易破坏 有 有 1 年 5 焦 超声式 无限制 容易破坏 无 无 半年 5 年 4 可燃气探头选型浅析 催化式可燃气探头由于易被有毒气体永久地抑制， 在高 可燃气浓度下会燃烧 ， 所以正逐渐被红外式可燃气探头所取 代， 目前海上平台只在电池间用于探测 H 的泄露。 海上平台使用的可燃气探头现在主要是红外式可燃气探 头。红外式可燃气探头分为点式和开路式， 开路式一般用于 重要的生产区的周围， 来探测整个区域的某一边缘气体泄露， 增加平台安全性。其它情况则用点式的。如中海油渤中2 6 3项 目选用 的可燃气体探测器是 D E TT R O N I C S生产的 P I R E C L型可燃气体探头。可燃气体探测器采用的基于微处 理器的点红外式探头。探头测量两个波长上 的红外线的强 度； 一个是吸收波长 ， 一个是非吸收波长， 通过比较这两个参 E l C V0 1 ． 1 9 2 0 1 2 No ． 3 8 7 日 揸羞日 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n 。 1 6 7 1 1 0 4 1 ． 2 0 1 2 ． 0 3 ． 0 3 4 仪器仪表用户 国产控制系统及仪表在大型有机硅装置上的应用 邵 永仁 ，柴岱嫣 1 ． 浙江新安化工集团股份有限公司， 新安 3 1 1 6 0 0 ； 2 ． 国网新源新安江水力发电厂 ， 新安 3 1 1 6 0 0 摘要 介绍了国产 D C S集散控制系统及仪表在新安股份大型有机硅装置的应用情况， 叙述了 D C S系统的特点、 组成结构和 系统硬件配置方案， 并介绍了系统组态流程和主要控制方案的实现方法， 其中重点描述了精馏塔塔釜液槽液位均匀调节系 统和精馏塔压力分程调节系统等复杂调节系统的控制方法和组态框图， 介绍了算法组态方法及利用结构化文本语言来实现 硅粉累积计量等特殊算法的程序方法， 介绍了系统主要配套热工检测仪器仪表的选型情况和应用结果总结。 关键词 国产化 ； 控制 系统 ；仪表 ；有机硅 ； 应用 中图分类号 T P 2 9 文献标 志码 B O 引言 随着集散控制系统在化学工业生产领域的应用与普及， 国产的集散控制系统技术性能 日趋完善和成熟， 对我国的工 业生产起着重要的作用。浙江新安化工集团股份有限公司为 了提高其有机硅产品的市场占有率， 满足市场的要求， 对有机 硅装 置进 行了扩建 ， 近年先后 建设 了万 吨、 四万 吨及新 安迈图 引进工艺技术十万吨级有机硅装置 ， 上述装置在国内率先采 用了国产 D C S系统一 北京和利 时生产 M A C S及浙江 中控 E C S 集散控制系统 以下简称系统 及相关仪表没备， 并通过搭建 M E S 及 E R P系统， 实现内部资源共享， 便于生产现场的管理 和监控 ， 实现了工』 一 管控一体化管理。 1 有 机硅 工程 基本概 况 有机硅单体是合成有机硅材料的基础原料， 有机硅材料 因具有许多优异的性 能 ， 被 广泛应 用在 国 民经济 的各个 领域 而得到快速发展。有机硅单体的合成是在一定的温度与压力 条件下， 硅粉与氯甲烷气体在催化剂的作用下反应， 生成主产 物二甲基■氯硅烷， 同时产生一系列副产物。主要工序由单 体合成、 单体精馏、 水解裂解等工序组成。其基本工艺整体的 要求 以四万吨级为例 1 为实现全厂有 机硅生产过程 的所有计控点进入系统监 控管理， 设置模拟量输入信号 5 8 9点 其中温度信号 1 7 1点 ， 液位信号 1 0 7点， 流量信号 1 2 6点， 压力信号 1 7 8点， 其它信号 7点； 模拟量输出信号2 1 9点， 控制回路 2 0 3点 其中温度控制 回路3 4点， 液位控制回路2 9点， 压力控制回路 9 8点， 流量控 制回路4 2点， 手控阀门控制输出 1 6点 。 2 设置开关量输入 2 4 6点， 泵启／ 停状态 1 2 2点， 故障状 态 1 2 4点 ， 设置开关量输 出点 1 2 3点。 3 为减轻人工操作强度， 提高自动化控制程度， 要求实现 自动操作控制， 现场操作人员主要完成巡回检查任务。 2 系统组成 经过对国产与进口系统性能价格综合比较， 选择了北京 和利时公司的 M A C S系统。该系统具有如下 一些特点 1 引 入了“ 域” 的慨念， 把被控对象按流程特点分成多相相对独立 的部分， 各部分可通过高速的实时冗余网络相联， 各域之间共 享管理和操作数据， 为系统的扩展 与联结提供了基础。2 采 用了开放的网络结构 ， 在系统的管理、 操作和控制层均采用了 1 0 0 Mb p s 高速冗余以太网通讯结构， 运行可靠。在现场信号 处理层 ， 采 用 了 1 ． 5 1 2 Mb p s的 P r o fi b u s D P的 现场 总线 或 1 Mb p s 的 C A N总线。3 操作层采用了标准的 C l i e n t ／ S e r v e r 结 构与双冗余的服务器。4 系统的操作层运用在微软N T 4 ． 0操 数， 连续地监测可燃气体的浓度， 并输出4～ 2 0 mA的信号。出 厂默认设置可燃气体探测器的低限报警设定为 2 0 ％， 高限报 警设定 5 O ％ 。 超声式可燃气探 头 由于易 受干扰 ， 易 误报警 ， 价 格偏 高 ， 在斟内的海上平台使用比较少， 目前的应用主要在清管球发 射器和接收器区域附近。如蓬莱 1 9 ． 3项目所用的超声式可燃 气探头 5结束语 本文比较了三种不同工作原理的可燃气探头的性能与优 缺点， 总结分析了各 自的适用工况 ， 为今后设计人员火气系统 的可燃气探头选型提供了值得借鉴的参考依据。口 参考文献 [ 1 ]刘 景辉 ， 李俊丽 ． 火气系统 沦述 [ J ] ． 行 油化 工 自动化 ， 2 0 0 8 ， 5 2 1 - 2 4 ． [ 2 ]张峰 ， 冯传令 ． 火气 系统 海洋石 油 业中的应 用研究 [ J ] ． 8 8 E I C Vo 1 ． 1 9 2 0 1 2 No． 3 石油化工 自动化 ， 2 0 0 9， 3 2 0 - 2 2 ． [ 3 ]范玉杨 ， 车继勇 ， 杨洪庆． 海 上平台火／ 气探 测报警 没备类 型 与性能分析 [ J ] ． 中国修船 ， 2 0 0 8 ， 2 1 6 9 - 7 2 ． [ 4 ]刘松 ， 叶镝 ， 宋广 兴． F P S O火 灾和可燃气体探测 系统设 计浅 谈 [ J ] ． 中国造船 ， 2 0 0 8， 4 9 2 9 7 1 0 3 ． [ 5 ]龚其春 ， 刘成 良， 王水红 ， 等． 新 型气体泄漏 超声检测 系统的 研究 与设引_ r J ] ． 液压 与， 动 ， 2 0 0 5 ， 3 7 5 ． 7 7 ． [ 6 ]谢 吴彬 ， 陈根． 曹妃甸浮 ， 产储油船集 巾控制系统分 析和 研 究[ J ] ． 中国造船， 2 0 0 4， 4 5 4 3 3 44 7 ． [ 7 ]靳俊芳． 石油化 E企、 l 中火气 系统设 汁浅析[ J ] ． 自动化 仪 器仪表， 2 0 1 0 ， 5 1 0 5 1 0 7 ． 作者简介 刘健 ， 男 ， 助理 程 师， 主要从 事海 【 石 油钻井 平 台仪 表控 制系统设计 ； 崔正清 ， 男 ， ． L 程 师， 主要从 事海 1 - 4 i 7 1 t] 钻井 平 台仪 表控 制系统设计 ； 任天翼 ， 男 ， 助理 工程 师 ， 主要从事海 上石油 钻井平 台仪 表控制系统设计 ； 张若楠 ， 男 ， 助理T程 师 ， 主要从 事海上 石油钻 井平 台仪表控 制系统设计 。 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 2 - 2 2 欢迎光临本刊网站 h t t p ／ ／ w w w． e ic ． c o m． c a