傅莉萍

惠生（南通）重工有限公司 江蘇南通 226000

浮式液化天然氣裝置（FLNG）是將天然氣進行液化工藝處理后運輸?shù)绞澜绺鞯氐脑O施，已經成為世界海洋油氣領域研究的熱點，正處于穩(wěn)步增長的發(fā)展趨勢。

1 FLNG概述

FLNG 上部組塊完成對原料氣的液化處理和再氣化處理，由以下4 個部分組成：

（1）液化部分工藝上部模塊，包括原料氣胺洗（脫酸性氣）單元、干燥/ 脫汞單元、重烴分離單元、液化單元、制冷劑單元、閃蒸氣壓縮單元。

（2）公用工程部分，包括余熱回收系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)、空壓站、除鹽水站。

（3）輔助生產設施，包括發(fā)電設施、變電所。

（4）船體部分空間負責存儲及卸載液化天然氣，包括液貨存儲及卸載系統(tǒng)、HVAC 系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)。

2 FLNG的控制及安全系統(tǒng)介紹

為了便于集中控制和管理，結合先進的FLNG 船的控制系統(tǒng)技術，惠生海工在FLNG 中設計了一套集成式的控制及安全儀表保護系統(tǒng)（本文章簡稱“ICSS”）來實現(xiàn)整個FLNG 的自動化及智能化控制。

中心控制室位于生活樓區(qū)域，占地規(guī)格6m×20m，設置操作員站、工程師站、輔操臺、CCTV 監(jiān)控中心、火災報警、航行指示系統(tǒng)、海事對講、其他設備包的工程師站、貿易計量操作及工程師站。FLNG 分別在上部模塊的E- House 二層和船體主甲板下設置主機柜室（CCIOR），放置船體部分及工藝模塊中的控制機柜、IO 柜、電源分配柜及設備包的控制機柜等設施。

ICSS 主要由過程控制系統(tǒng)（PCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）（包括應急切斷系統(tǒng)ESD）和火氣系統(tǒng)（FGS）、其他輔助系統(tǒng)、操作員站、工程師站和服務器等構成。FLNG 的控制系統(tǒng)主要以中控系統(tǒng)ICSS 為核心，對整個FLNG 設施上的所有上部工藝模塊、船體部分、公用工程部分、各設備包的控制系統(tǒng)等實施報警、監(jiān)測和控制。FLNG 存在火災、爆炸、其他泄漏以及設備故障等多個方面的危險隱患，因此在FLNG 的控制系統(tǒng)設計時，必須以安全控制系統(tǒng)的設計為重點。

惠生海工2017 年ICSS 系統(tǒng)網絡拓撲圖見圖1。

圖1 惠生海工2017 年設計的ICSS 系統(tǒng)網絡拓撲圖

在ICSS 設計中，有關網絡架構及安全的設計需要考慮以下幾點：

SIS 和FGS 的網絡是安全控制網，與PCS 的控制網絡分隔開;各系統(tǒng)和控制網絡冗余;用戶和計算機嚴格控制和設定并網權限;網絡間設置完整防火墻;設置入侵防御系統(tǒng);控制無線通信權限;確保第三方通信安全;完整的網絡安全方案包括硬件、操作吸引、病毒防護和數(shù)據備份與恢復。

2.1 PCS

PCS 包括過程控制層、操作監(jiān)控層和數(shù)據服務層構成，包括控制站、操作站、工程師站和應用服務器等。

FLNG 的主要操作和生產管理均位于中心控制室，PCS 可以對FLNG 的各工藝模塊及船體部分進行實時控制、操作和監(jiān)視，完成數(shù)據采集、信息處理、過程控制、過程報警等功能。裝置生產操作、原料及產品計量、產品質量的所有信息全部在中心控制室內的PCS上顯示，主要機泵設備及BOG、MR 壓縮機的運行狀態(tài)也可以在PCS 畫面上顯示。

出現(xiàn)方向盤震抖和前輪搖頭現(xiàn)象，主要是前輪定位不當，主銷后傾角過小所致。在沒有儀器檢測的情況下，應試著在鋼板彈簧與前軸支座平面后端加塞楔形鐵片，使前軸后轉，再加大主銷后傾角，試運行后即可恢復正常。

中心控制室設置工程師站用于組態(tài)維護、故障診斷等工作。設置公共的硬件平臺及以太網接口，用于連接信息管理系統(tǒng)。其他各類控制（如壓縮機控制系統(tǒng)、電力管理系統(tǒng)等）均通過通訊方式與PCS 聯(lián)系，將監(jiān)控信號送至PCS 中。其他各類控制系統(tǒng)時鐘以PCS 系統(tǒng)時鐘為基準，PCS 可以設置FLNG 網絡和設備的時鐘同步，用于各系統(tǒng)之間的時鐘同步。

2.2 SIS

FLNG 涉及的液化氣體和可燃氣體存在爆炸、火災及設備故障等安全隱患，會危及整個FLNG 及工作人員的安全，需要配備獨立的SIS 及應急切斷措施。

RD102- 標準化項目要求SIS 應取得IEC 61508 SIL3 或TüV 認證，所有設備和部件應相應具備雙重、三重或四重化冗余、容錯結構。根據LOPA 分析及SIL等級計算，SIS 分為4 層級保護，可以阻斷隔離非正常因素干擾正常的生產和安全，通過輔助操作臺上的報警器、開關、按鈕裝置完成報警顯示和應急操作。FLNG項目一般選用同一品牌的SIS 和分散控制系統(tǒng)（DCS），采用ICSS 實現(xiàn)平臺共享。

2.3 FGS

在可能泄露或聚集可燃氣體的地方，設置可燃氣體檢測變送器，將信號送至FGS。FGS 的主要設計原則為檢測有無可燃氣體的存在; 檢測有無實際的已燃燒的火焰或煙氣;檢測LNG 的泄漏;提供自動或手動的便利方法以觸發(fā)火災報警系統(tǒng)動作; 根據需要觸發(fā)聲光報警以提示火災或氣體泄漏的發(fā)生; 執(zhí)行相應的控制和聯(lián)鎖邏輯; 將相關的報警信息傳遞給PCS 指示、報警、記錄;通過順序事件記錄功能（SOE）捕捉相關事件信息;與現(xiàn)場廣播系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)聯(lián)動。

FGS 在中心控制室集中指示報警。FGS 與SIS 不同，F(xiàn)GS 在正常工作狀態(tài)不帶電或處于常開的操作模式，其IO 回路應具備斷線檢測功能。

2.4 完整性壓力保護系統(tǒng)

在FLNG 上部模塊的進氣裝置中設置完整性壓力保護系統(tǒng)（HIPPS），可以及時阻斷引起天然氣輸入到上部模塊進行液化處理時的超壓，保護下游工藝設備及裝置，減少對FLNG 及操作人員的危害。HIPPS 主要由以下幾部分組成：

（1）壓力變送器。采用2oo3 的配置，每臺變送器均有SIL3 認證。

（2）HIPPS 控制器。采用固態(tài)邏輯控制器，通過SIL4 認證；CPU 四重化結構的控制系統(tǒng)通過SIL4 認證；單個控制器通過SIL3 認證。

（3）緊急切斷閥。采用串聯(lián)的兩臺緊急切斷閥，每臺閥門通過SIL3 認證；閥門執(zhí)行機構自帶動力源，配置冗余的控制電磁閥。

信號輸入單元采用3 臺壓力變送器2oo3（3 選2）表決，中間信號邏輯處理單元采用智能診斷及容錯冗余結構設計，終端信號邏輯執(zhí)行設備單元采用2 臺關斷閥，在管線上和控制器串聯(lián)，2 臺電磁閥在儀表氣源管路上串聯(lián)。該結構經過高可靠性選型配置和第三方權威機構專業(yè)計算及相關測試和整體系統(tǒng)TUV 認證，保證整套HIPPS 撬塊取得SIL3 認證，可以提供智能診斷，具備高可靠性及容錯性。

2.5 其他輔助系統(tǒng)

2.5.1 儀表設備管理系統(tǒng)

FLNG 項目對儀表及設備的安全可靠性要求很高，需要能夠及時有效地預防設備及儀表故障產生危害。因此，儀表設備管理系統(tǒng)（AMS）采用4～20mA 標準信號疊加HART 7 協(xié)議的儀表變送器及調節(jié)閥執(zhí)行機構，進行維護、校驗和故障診斷，使維修團隊輕松監(jiān)控現(xiàn)場設備的健康狀態(tài)?，F(xiàn)場安裝時，AMS 設備管理器和DCS 控制系統(tǒng)協(xié)作，在集成操作環(huán)境中提供無縫用戶界面?？梢允褂脝蝹€、一體化應用程序管理現(xiàn)場的所有設備，通過預測診斷信息，獲得全面的資產管理能力。

2.5.2 壓縮機控制系統(tǒng)

FLNG 的液化上部工藝模塊包括BOG 和MR 壓縮機，因此需要設置壓縮機控制系統(tǒng)（CCS），完成透平/壓縮機組的調速控制、防喘振控制、負荷控制及安全聯(lián)鎖保護等功能，并與裝置的DCS 進行通訊，使操作人員能夠通過DCS 對機組進行監(jiān)視和控制。CCS 采用雙重化或三重化冗余、容錯系統(tǒng)，其控制站和操作站設置在中心控制室。

2.5.3 設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

整個浮式天然氣船舶及上部液化工藝模塊裝置中會有一些動設備，如汽輪機、壓縮機、機泵等旋轉設備，設備故障會影響生產，危及整個FLNG 裝置的安全。為了減少這些危害，必須通過設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（MMS）對主要動設備參數(shù)進行在線監(jiān)視，同時對動設備的性能進行分析和診斷，為動設備的故障預測維護進行有力的支持。重要動設備的主要運行參數(shù)，包括軸振動、軸位移等將直接送至MMS。操作人員可以在MMS 系統(tǒng)中直接讀取動設備參數(shù)，對設備的運行性能進行在線診斷分析。

3 FLNG自動控制水平的未來發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代通信與信息技術、計算計網絡技術、智能控制技術的發(fā)展，F(xiàn)LNG 將結合自身特點，不斷突破技術瓶頸，實現(xiàn)智能化FLNG 工廠的構建。

智能化FLNG 工廠增設先進的自動控制及實時優(yōu)化技術，運用智能設備管理、智能生產調度管理、報警系統(tǒng)管理等手段提高運營生產效率和安全穩(wěn)定性，降低OPEX（Operating Expense）；智能化FLNG 工廠可以建立遠程運營中心，挖掘數(shù)據潛能，實現(xiàn)預測性維護與遠程運維支持，減少非計劃停車。

4 結語

海工項目特別是FLNG 對安全性、可靠性和生產管理高效性需求很高，海上臺風和其他自然環(huán)境比較惡劣，存在不可預知性。依據現(xiàn)有技術限制、安全和應急響應處置原則要求、冗余控制要求等因素的影響，在設計需要綜合平衡考慮效率、安全和智能化程度的權重，必須滿足國際海事規(guī)范規(guī)則。