海上FPSO主甲板可燃气探测方案研究.pdf

104技术应用与研究在全球的海洋石油开发当中，FPSO（浮式生产储油外输装置）已成为非常重要设施之一，即海上油田的海上处理终端。由于FPSO的机动性、简易性、经济性和高操作性等优点决定其具有广泛的发展前景；同时，又由于海洋石油的发展越来越向外海、深海方向发展，因此对于FPSO的需求也就越来越紧迫，对FPSO的需求也就越来越高。目前，中国国内正在运行的FPSO有10多艘，10多艘FPSO涵盖南海型、渤海型，作业水深从20400m。本文针对某海上FPSO主甲板开路式红外可燃气探测器存在的问题，分析和研究了三种可燃气体探测技术，并通过对三种可燃气体探测技术进行方案研究与比选，最终给出了推荐方案，解决了现场生产实际问题，为其他已建FPSO主甲板可燃气探测设备的升级改造提供了思路和方案，对于未来新建FPSO火气探测系统的选型与设计具有重要的参考与借鉴意义。一、现状与问题1.火气探测系统现状该 FPSO仪控系统采用集中监视管理、分散控制的方式，仪控系统将上部组块和船体采用一体化控制设计。控制系统包括过程控制系统（PCS）、应急关断系统（ESD）和火气探测系统（FGS）由PCS、ESD和FGS三套独立控制系统，在控制层及其以下相互独立，在管理层则共享人机界面和通信网络。其中，FGS系统由主火气系统和可寻址火灾盘两部分组成，可寻址火灾盘与主火气系统之间设有通信接口。FPSO主甲板区域采用两种类型可燃气体探头实时监测可燃气浓度，一种是常规点式红外可燃气探头，另一种是开路式红外可燃气探头。常规点式红外可燃气探头主要探测安装位置内小范围可燃气浓度，开路式可燃气探头探测边界和大范围的可燃气浓度，用于气体扩散早期报警。该项目船体主甲板区域一共布置有22套DeT-Tronics开路式红外可燃气体探头，探测范围覆盖了船体主甲板的中HFZ-M05、HFZ-M06和HFZ-M07三个区域，具体布置情况如图1所示。所有22套开路式可燃气探头全部采用点对点的方式接入到FPSO主火气系统，并与其他点式红外可燃气探头一起参与火气系统表决和关断逻辑。图1FPSO开路式可燃气探头布置区域2.存在问题与隐患分析（1）存在的问题该海上FPSO由于生产后船体在不同装载工况下主甲板会发生局部变形，导致对射式探测器安装固定支架偏斜，当接收端无法接收到发射端的光束或者接收到的光束有偏离，探头检测到的可燃气浓度与实际值就会产生偏差；当对射的两个可燃气探头角度和偏差范围超出了原探头性能可接受的震动范围时，探头就会探测不到可燃气浓度产生误报或故障报警。（2）隐患分析控制系统是FPSO的大脑和安全卫士，是保证FPSO上设备设施安全、平稳，高效运行的核心设备。火气探测系统是控制系统重要组成部分和安全控制的关键环节之一。作为FPSO上主要的现场可燃气体探测设备，可燃气探头的可靠性，灵敏度、是否能及时探测到可燃气体泄漏并发出报警和触发相应的关断关系到整个FPSO上的人员与设备安全，也关系到整个油田的安全、平稳生产。目前船体甲板已经发生了探头对射偏离、如果开路式可燃气探头无法有效的监测主甲板区域可燃气浓度，存在误报以及实际可燃气浓度异常而不产生报警等现象，这海上FPSO主甲板可燃气探测方案研究李浩深圳市腾海油田工程技术有限公司【摘要】针对某海上FPSO主甲板开路式红外可燃气探测器存在的问题，分析和研究了三种可燃气体探测技术，通过对三种可燃气体探测技术进行方案研究与比选，最终给出了推荐方案，解决了现场生产实际问题，为其他已建FPSO主甲板可燃气探测设备的升级改造提供了思路和方案。【关键词】FPSO；开路式红外可燃气探测器；火气探测系统【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2023.17.035105技术应用与研究样的探测结果必然会导致火气系统误动作或者不动作，为FPSO的安全生产带来很大的安全隐患。二、可燃气体探测技术1.点式红外可燃气体探测技术点式可燃气体探测器由于其性能优越，探测浓度范围大，广泛用于石油化工、海洋石油平台、FPSO、油库、液化气站、燃气输配等可燃气体生产、储存、使用等室内外危险等场所。测量原理：点式红外可燃气体探测器的工作原理主要是基于大气传输理论中的光谱本征吸收原理，利用可燃气体对特定波段的红外光吸收实现对可燃气体的探测，这种探测原理是传感器通过接收红外光光通量的物理变化实现对可燃气体的探测，探测灵敏度高、响应速度快，不会因为某种气体中毒而损坏器件，也不会因为可燃气体浓度过高而引起性能下降，可以在恶劣工况下长期稳定工作。2.开路式红外可燃气体探测技术开路式可燃气体检测技术是独立高速气体检测系统，可测量直线内可燃气体及有毒气体浓度，具有自动化程度高、安装操作简单、运行安全可靠以及维护方便的特点，广泛用于FPSO、海洋石油平台、陆地LNG等场所。测量原理：开路式红外可燃气体探测技术采用红外吸收原理，每种气体在红外辐射波段都有一条或者若干条自己的特征吸收谱线，光穿过气体时，特征频率谱线能就会被气体吸收，从而使该频率光的能量减弱。开路式可燃气体探测器由发射端和接收端组成，安装时成对安装。发射端发出一束红外线到接收端，当有可燃的碳氢化合气体穿过这条红外线光束时，必然特定的波长的红外线将被这些气体吸收，吸收红外线的多少取决于这些碳氢化合物气体的浓度。固定在接收端里的光学检测元件和一系列的电子学元件可进行吸收红外线强度的测量。探测器将被测量吸收的红外线强度与参照红外线的强度进行对比，微电脑将对比的差值进行转换成相应气体浓度。目前，国内外主要的几种开路式红外可燃气体探测器厂家及产品性能指标如表1所示。表1开路式红外可燃气体探测器厂家及产品性能指标序号 厂家名称产品型号测量范围相应时间测量距离测量精度1DeT-TronicsLS 200005LEL.m T903s 0120m1%2DrgerPolytron Pulsar 205LEL.m T952s 4200m1%3HoneywellSieger Searchline Excel04LEL.m T903s 5200m1%4MSASafEye 70005LEL.m T903s 4140m1%3.可调谐激光光谱吸收技术（TDLAS）测 量 原 理：可 调 谐 激 光 光 谱 吸 收 检 测 方 法（TDLAS）技术起源于20世纪80年代，即直接比较有气体吸收和无气体吸收的激光信号，根据激光信号比值来确定气体浓度。可调谐半导体激光器发出特定波长的激光（甲烷对应是1653nm），在线性光路范围内如有泄漏甲烷，激光波长覆盖甲烷气体特征吸收峰，激光被甲烷吸收后造成衰变，由光电探测器探测，对探测信号分析处理即可确定甲烷的浓度，超过阈值时报警。本项目将采用的方法为回波反射式，激光斜入射地面（或特制反射面）和设备表面时，部分光会反射并传播回激光发射装置，被光敏模块接收。通过分析回波信号，可以获得该激光发射路径下的甲烷浓度。基于TDLAS原理和方法其性能参数如表2所示。基于TDLAS原理和方法的防爆云台激光气体遥测双视监测仪性能参数如表2所示。表2防爆云台激光气体遥测双视监测仪技术指标 参数 检测介质 甲烷检测量程 150000ppmm 检测灵敏度 0.530m时5ppmm，30100m时10ppmm响应时间 0.1s 精度（基本误差）10%（01000ppm）扫描半径 典型值50m，最大值100m，云台扫描角度 水平360，俯仰90 云台扫描速度 0-40/s（精度0.1）云台自动巡航速度 30360s/圈（7挡可调）摄像机参数 23倍200万1/1.8”CMOS ICR日夜型网络高清一体机 夜视距离 100m 视频分辨率 50Hz:25fps(19201080)60Hz:30fps(19201080)三、改造方案研究与比选针对某海上FPSO船体主甲板部分开路式红外可燃气探头出现误报、存在无法有效监测可燃气浓度的问题，通过对目前市场上常用的三种的可燃气体探测技术进行分析和研究，提出了以下三种改造解决方案。方案一：升级改造现有的开路式红外可燃气探头；方案二：增加新型防爆云台激光甲烷泄漏双视检测仪；方案三：增加常规点式红外可燃气探头。1.改造方案研究（1）方案一：升级改造现有的开路式红外可燃气探头升级改造目前存在对射不对中和产生误报问题的开路式红外可燃气探头，将无法对中的以及有误报的开路式探头进行扶正并加固，重新校准开路式探测器。对于严重误报和安装点震动范围比较大的探头替换为性能先106技术应用与研究进，安装要求不高的升级产品。根据目前的探头误报情况和船体主甲板重点变形区域分析，新增两套新型的开路式红外可燃气探头替换原有探头。优点：维修费用较少，仅需投入少量的探头费用和人员费即可。缺点：对射式探头安装位置较高，需要搭建大量脚手架，维修不方便；船体变形仍然存在，对射式探测器扶正一段时间以后仍会出现发射端和接收端不对中问题，后续需要不断进行升级改造，无法从根源解决问题。供货周期：23周，费用30.3万。（2）方案二：增加新型防爆云台激光甲烷泄漏双视检测仪在主甲板增加新型防爆云台激光甲烷泄漏双视检测仪，根据甲板面的大小结合双视检测仪的有效监测范围，重新规划防爆云台激光甲烷泄漏双视检测仪的安装位置，保留原开路式可燃气探测器。这类双视检测仪可以同时回传气体浓度信号以及视频信号，并在指定的地方进行视频显示。防爆云台激光甲烷泄漏双视检测可以实现与FGS系统通信，将防爆云台激光甲烷泄漏双视检测仪探测到的气体浓度信号传给FGS系统，并在FGS系统设置相关逻辑，检测气体浓度异常时触发相应的动作。根据前述的性能指标，该类新型探测器的有效探测距离可以达到50m，扫描角度水平方向可以实现360旋转，上下方向可以实现正负90旋转，具备探测到异常自动定位功能，当探测到某一位置气体浓度异常时，自动定位并报警。根据船体主甲板的面积以及采用新型防爆云台激光甲烷泄漏双视检测仪的有效探测半径并且考虑到部分地方有遮挡无法扫描到等问题，需要增加2台新型检测仪。优点：防爆云台激光甲烷泄漏双视检测仪有效探测距离较大，可以360旋转，只需增加少数探测仪即可监测整个主甲板；同时可实现可燃气浓度监测以后视频显示，能够直观的查看到现场的情况，安装工作量较小，故障率低，维护简单。缺点：如果需要视频显示，则需要配置一套完整的系统，包括交换机、存储器、显示器、PLC等。费用较高，安装位置较高，需要视野开阔，中间不能有障碍物遮挡。供货周期：46周，费用78.5万。（3）方案三：增加常规点式红外可燃气探头增加常规点式红外可燃气探头，新增点式可燃气探头接入FGS系统，并设置相应的逻辑，具体逻辑的设置参考目前主甲板在用的点式可燃气体探测器。增加点式探头的同时，保留原开路式可燃气探测器。根据船体主甲板的面积以及设备的布置，需增加20台点式红外可燃气探头，另外FGS系统I/O卡件需新增20个模拟量输入AI点。优点：常规点式红外可燃气探头技术比较成熟，探头误报率低，不受船体变形影响，接入方式简单，新增探头接入目前在用的FGS系统即可。缺点：点式红外可燃气探头有效探测范围较小，一般半径在78m，船体主甲板面积较大，需要增加的探头较多；南海风力较大，点式可燃气探测器的探测有较多限制和影响；安装探头以及敷设电缆的工作量较大；会增加FGS系统的负荷，如果系统剩余AI点数不够还需增加I/O卡件。供货周期：810周，费用61万。2.方案比选根据各改造方案采用的探测技术特点、系统配置、改造工作量和费用，梳理总结了三个方案各自的优缺点和费用，三个方案的优缺点与费用估算表详见表3。经对比三个方案的优缺点以及费用，方案一：升级改造现有的开路式红外可燃气探头性价比最高，故推荐方案一。目前该改造方案已经在该FPSO上成功实施，根据实施后的效果反馈，经过本次对主甲板开路式红外可燃气探头进行升级改造，基本上解决了现场生产过程中探头误报的问题，总体来说改造效果较好。四、结束语本文针对某海上FPSO主甲板开路式红外可燃气探测器出现误报、存在无法有效探测可燃气浓度的问题，通过对目前市场上常用的三种的可燃气体探测技术进行分析和研究，提出了三种解决方案。并通过对比三种解决方案的优缺点和费用，给出了推荐方案。通过本文的研究不仅解决了FPSO现场生产实际问题，也为中国海油其它已建FPSO主甲板可燃气探测设备的升级改造提供了思路和方案，同时对于未来新建FPSO火气探测系统的选型与设计具有重要的参考与借鉴意义。参考文献：1高原，魏汇东，姜瑛，等.FPSO最佳实践及推荐做法R.中国海洋石油总公司工程部，2011.6.2杨光，董新.开路式红外气体探测器的应用J.化工自动化及仪表，2013，40(7):927-928.3刘中奇，王汝淋.基于红外吸收原理的气体检测J.煤炭科学技术，2005，33(1)7:65-67.