中国石油大学(华东)安全科学与工程系中国石油大学(华东)引进人才科研基金资助项目 “安全联锁系统理论与应用研究”(Y1103007)
收稿日期：2012-12-24；修回日期：2013-01-18
作者简介：尚胜美(1988-)女，山东东营人，中国石油大学(华东)安全技术及工程专业在读硕士研究生，主要从事火灾气体(F&G)探测器的优化布置。地址：(266580)山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号中国石油大学(华东)机电工程学院安全技术及工程系。电话：0532-86983500-8516。E-mail:
shengmei@126.com.
Safety Science and Engineering Department, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China
Abstract: A new method of fire and gas (F&G) detectors layout in Floating Production Storage and Offloading (FPSO) vessel was introduced, which avoided the drawbacks of F&G detectors layout of the traditional experience and 'prescription' standards. Firstly, with the FPSO design guide, the dangerous zones of FPSO were divided and identified by the HAZID method. Then the numbers of F&G detectors in FPSO dangerous zones were calculated and two optimized layout methods were proposed. Finally the two proposed methods were compared with traditional experience method. The comparative analysis results showed that: the two optimized layout methods were superior to the traditional experience method, not only improving the F&G detectors coverage rate of dangerous zones, but also strengthening the F&G detection accuracy and reducing the false alarms frequency.
浮式生产储油船(FPSO)集生产、储油、卸油为一体的优势，已成为快速、经济、有效地开发海上油田不可替代的开发装置[1]，但由于FPSO火灾探测器数量不充分、布置不合理、发生误警报等，导致工作人员不能及时发现工艺异常现象，最终引起大的火灾爆炸事故。FPSO在整个生产、储油和卸油的过程中会伴有大量的碳氢气体产生，如果没有一套可靠的火灾气体(F&G)探测系统作为安全保障，一旦由于火灾或可燃气体泄漏而引起爆炸事故的发生，后果将不堪设想[2]。探测器的优化布置作为FPSO探测系统设计的一个重要组成部分，对保障FPSO的人员安全和最大限度地减少事故所引起的经济损失，起到决定性的作用。
目前，对FPSO F&G探测器的设置问题主要是以“处方式”标准理论作为主要研究手段。本文以F&G探测器在FPSO的布置为主要研究内容，首先对FPSO进行危险区域划分，然后应用HAZID方法对FPSO进行灾害识别，最后对FPSO的危险区域进行F&G探测器的布置，以更好地保证系统的可靠性和安全性。
1 FPSO危险区域划分
应对危险区进行识别和分类，以便更快速、更准确地发现工艺过程的异常现象，及时采取应对措施，以避免火灾爆炸的发生。根据防爆电气设备选择需要，依照爆炸性气体存在的可能性和时间长短，危险区分为如下3类：
① 0类危险区。指在正常工作条件下持续和长期存在爆炸性气体环境的区域；
② 1类危险区。指在正常工作条件下可能出现爆炸性气体环境的区域；
③ 2类危险区。指在正常工作条件下不大可能出现爆炸性气体环境，即使出现也只是短时间存在的区域[3]。
根据工艺过程中易发生火灾爆炸的危险设备，将FPSO上部模块布置的所有探测器和手动按钮分为9个危险区，当某一危险区现场探测设备出现报警信号后，F&G系统将对相应危险区的相关设备进行关断控制并启动相应的消防设施。某型号FPSO的危险区具体划分如表 1所示。
表 1
表 1 FPSO危险区域划分表
Table 1 Dangerous zones dividing of FPSO
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表 1 FPSO危险区域划分表
Table 1 Dangerous zones dividing of FPSO
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2 HAZID方法对FPSO灾害识别
危险源辨识(HAZARD IDENTIFICATION，简称HAZID)不仅限于狭义的识别危险源，而是给予了更为宽泛的内涵，包括识别危险源、分析其原因和可能导致的后果，在此基础上进而分析是否需要开展有针对性的定量风险评估，借此提出相应的建议或改进措施[4]。该方法以引导词为核心，相关的多专业人员组成分析小组对分析对象进行系统化的审查，能有效识别出过程装置中的潜在风险，对预防事故特别是重特大事故有非常好的效果。HAZID方法也是一种过程危险源分析(PHA)技术，是一种对潜在危险源和风险的早期辨识技术[5]。
根据FPSO的危险区域，对FPSO进行HAZID灾害识别如表 2所示。
表 2
表 2 HAZID灾害识别表
Table 2 Hazard identification of FPSO by the HAZID method
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表 2 HAZID灾害识别表
Table 2 Hazard identification of FPSO by the HAZID method
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3 FPSO火灾气体探测系统设计
3.1 传统方法的探测器数量确定
在FPSO的火灾自动报警系统中，根据理论分析、计算，以及舱位、环境条件合理布置F&G探测器也是保证探测质量的关键环节。探测器布置的基本原则是：除了确保所有被探测范围都处于探测器的探测区域内以外，敞开式的工艺系统、房间分隔、空调送风、高温光源及电磁设备等均是影响探测器布置的重要因素。GB 50116-1998《火灾自动报警系统设计规范》对于F&G探测器的选用和设置均做出了较详细的规定[6]。感烟、感温探测器的保护面积及保护半径如表 3所示。
表 3
表 3 感烟、感温探测器的保护面积及保护半径
Table 3 Protection area and protection radius of smoke and thermal detectors
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表 3 感烟、感温探测器的保护面积及保护半径
Table 3 Protection area and protection radius of smoke and thermal detectors
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在实船工程中，规范规定探测区域内每个舱室应至少设置一个F&G探测器。一个探测区域内所设置探测器的数量可按式(1)计算[7]：
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(1) |
式中：N为一个探测区域内所设计的探测器数量，只；S为一个探测区域的地面面积，m2；A为一个探测器的保护面积，m2；K为安全修正系数。重要保护场所K取0.7~0.9，一般保护场所K取1。
根据HAZID方法对FPSO进行的灾害识别以及式(1)，保护面积A由表 3查得，其危险区域的各探测区域面积计算与探测器数量和种类确定如表 4所示。
表 4
表 4 各探测区域面积计算与探测器数量和种类确定表
Table 4 Detection area calculation and numbers and types determination of detectors
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表 4 各探测区域面积计算与探测器数量和种类确定表
Table 4 Detection area calculation and numbers and types determination of detectors
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3.2 考虑探测覆盖率的探测系统优化设计
以FPSO的压缩机、仪器室为例，对其进行F&G探测器的布置，由表 4可知，压缩机、仪器室长为18 m，宽为10 m；危险设备压缩机长为10 m，宽为6 m，它位于仪器室的正中位置，如图 1所示，蓝线框为压缩机、仪器室，黑线框为危险设备压缩机。
由于压缩机危险程度较高，需要探测器的覆盖面达到两个及以上，压缩机、仪器室内探测器布置的理想状态如图 2所示。绿色区域表示探测器的覆盖面为两个及以上，黄色区域表示仅有一个覆盖面，红色区域则表示零个覆盖面，即探测器的盲区(探测器探测不到的区域)。
为确保危险设备的覆盖面尽可能达到两个及以上，可定义探测器覆盖率V的计算公式如式(2)：
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(2) |
式中：Vi—V1为探测器两个覆盖面及以上的覆盖率，V2为探测器一个覆盖面的覆盖率，V3为探测器盲区的覆盖率；Si—S1、S2和S3分别为绿色、黄色和红色区域面积；S为压缩机、仪器室的总面积。
由表 4可知，压缩机、仪器室需要4只感烟探测器，又由表 3查得其保护面积为60 m2，取感烟探测器的覆盖半径为4.5 m。
3.2.1 传统经验法布置探测器
根据工程实际总结出的传统经验计算法如下：
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(3) |
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(4) |
由式(3)和式(4)可知，压缩机、仪器室内探测器的布置为：横向间距a=18/2= 9 m/只；纵向间距b=10/2=5 m/只。通过传统经验法探测器在压缩机、仪器室的布置以及覆盖如图 3所示(黑点为探测器)。
3.2.2 菱形优化布置探测器
设计思路为在不改变传统经验法布置探测器的横纵向间距、不改变探测器数目的情况下，通过对探测器的位置进行重新布置，以获得更佳的覆盖性能。通过菱形优化布置法，探测器在压缩机、仪器室的布置以及覆盖如图 4所示。
3.2.3 矩形优化布置探测器
设计思路为在不改变传统经验法布置探测器位置、不改变探测器数目的情况下，对探测器的横纵向间距进行了调整。通过矩形优化布置法，探测器在压缩机、仪器室的布置以及覆盖如图 5所示。
由表 4可知，压缩机、仪器室的总面积S=180 m2，应用Matlab软件得到探测器覆盖区域面积，又由式(2)计算出探测覆盖率，探测器在不同布置下的覆盖区域面积及覆盖率如表 5所示。
表 5
表 5 探测器在不同布置下的覆盖区域面积及覆盖率
Table 5 Coverage area and coverage rate of different detector arrangement
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表 5 探测器在不同布置下的覆盖区域面积及覆盖率
Table 5 Coverage area and coverage rate of different detector arrangement
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如表 5所示，传统设计的盲区覆盖率V3较小，但是V1达不到理想状态，而且对比图 2与图 3可知，绿色区域分布与理想状态相差甚远。压缩机附近存在盲区，一旦出现危险事件，工作人员不能及时发现并解决，将会导致事故发生。针对传统设计的不足，本文提出以下两种简化的F&G系统探测器优化布置法：菱形优化布置和矩形优化布置。
表 5中展示菱形设计的V1达到了理想状态，而且对比图 2与图 4可知，绿色区域分布与理想状态比较接近。压缩机附近大部分区域可达到两个覆盖面及以上，而且盲区距离压缩机较远，主要集中在墙的边缘。
由表 5看出，矩形设计的V1最大，而且对比图 2与图 5可知，绿色区域完全覆盖压缩机，达到理想状态。此方法盲区覆盖率V3较大，较适合危险设备集中的工艺处理操作室。
4 结论
提出针对FPSO危险设备所需要的覆盖面以及计算覆盖率对探测系统进行优化设计，并且通过3种方法分别在压缩机、仪器室进行探测器的布置对比分析，表明所提出的优化布置方法要优于传统经验布置法。探测系统的优化设计不仅可以提高检测报警的准确性，一旦危险区域发生异常状况，探测器会更快更准地发出警报，为消除隐患以及避免事故发生争取更多的应急救援时间，使事故损失减到最小。
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安维杰, 蔡振东, 汪沛泉. 海洋石油工程FPSO与单点系泊系统设计[M]. 石油工业出版社, 2007. 11: 101-102.
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杨志, 邓仁明, 周齐国. 建筑智能化系统及工程应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002.
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2013, Vol. 42