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摘要：火气系统是关于在海洋石油工业中的火灾以及有害气体泄漏这种问题而提出的一个概念，本文用几个具体的应用举例来说明在海洋石油工业中火气系统起到的功能和作用，以及其本身的系统构成。基于IEC的层模式管理，来论述火气系统和DCS、ESD之间的关系，以及关于设计与安装这个过程的一些指导性原则。
关键词：海洋石油工业、火气系统、安全仪表、设计准则
我国海域辽阔，大陆架的面积就达到了130万平方功力，沿岸分布有约10个含油气的盆地。自从上世纪80年代以来，中外双方于中国近海海域都有展开大量油气勘探的工作。到1993年的年底一共采集了包括20块三维测线共有2629平方公里的近海的地震测线54万公里，获得石油地质储量约有12亿吨，天然气1450亿立方米。而对我国经济发展十分重要的海洋石油工业中，对其安全性也作出了探讨，这里叙述了火气系统在海洋石油工业中的功能和应用。
一.火气系统的组成结构
火气系统（Fire and Gas System，F&G）是属于IEC61511定义的在缓解层之内的安全仪表系统（SIS），用于监控火灾与可燃气、毒气泄漏事故并且具有自动报警功能和灭火功能的安全控制系统。火气系统是由用于执行对火灾和有害气体的检测控制功能的安全仪表的传感器、逻辑运算器和终端执行元件组合而成的。
通常情况下，火气系统选择使用经过TUV认证的SIL3系统，经安全认证的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）为逻辑运算器，基于LCD技术的监视器和输入设备，包括HMI人机接口都安装于安全区里的中央控制室内的控制柜或控制台内，控制台上还设计安装了必要的按钮和硬接线的开关，用来手动打开火气、消防相关的设备，此外还有安装模拟盘的一个位置，用来指示火分区与其他部分的状态。
火气系统连接的现场设备有：火焰探测器、可燃气体检测器、毒气检测器、易熔塞回路系统、热探测器、离子和光学感烟探测器、手动报警站、用于启动消防设备的电磁阀、平台状态灯以及用于和PA、ESD以及HVAC等硬接线接口的继电器等。火气系统一般都接有基于气体的灭火系统和雨淋系统，与ESD、HVAC等其他系统也有相对应的接口。
海上平台的火气系统根据其特性会分成两部分：生活区与生产区。生活区是安全区域，一般会涉及到烟感、温感与手动报警器，毒气和可燃气探头等；生产区和钻井区是防爆等要求较高的区域，需要防水防爆，一般设计的是可燃气探头、火焰探头、毒气探头以及手动火灾报警器等。该系统将控制核心分成两种：点到点火气系统PLC和点到点PLC+寻址盘ADD。对于小型的平台而言，一般生活区里的烟感、温感、手动报警器和可燃气探头、火焰探头等都一并接入控制器PLC中的I/O模块中，然后形成一个完整的点到点火灾与气体报警控制系统。而对于大型平台而言，由于生活区比较大，内部房间或其他生活设施空间分区很多，点到点设计布线工程量大、电缆成本高，所以又将大型平台分为两个部分：一是寻址盘，把生活区内的温感、烟感、手动按钮和防火门磁开关等都接入寻址盘，用通信方式传给控制核心PLC，而另一部分就是PLC控制器，这里将所有火焰探头、可燃气探头等按钮和设施都接入PLC控制器。PLC与寻址盘可以通过两个并行的通讯总线相互通信，PLC可以处理现场所有的设备信号。
二.火气系统的功能作用
火气系统一般用于可燃气体或有害气体容易发生泄漏的危险区域，并能够进行实时自动检测。火焰探测器能够完成安装区域内火灾危险的实时自动检测。在海洋平台的相应区域都设有能够手动触发的报警装置，可以对火灾、气体泄漏、原油泄漏、弃船、人员落水等紧急事故进行人工报警。在设备间与生活区等室内也装有烟探测器与热探测器，它们的功能是进行实时火灾监控。火气系统可以直接控制平台状态灯来进行安全状态的指示，通过状态灯的颜色与状态变化直接观测。火气系统设计了和ESD通讯的接口，用于在突发状况时候自动执行包括手动触发相应的报警和紧急关断功能。火气系统的模拟盘或人机界面能够对事故定性、定位、定量指示。火气系统与公共广播系统存在接口，通过广播系统广播被触发的对应类型和对应级别的警报。通常火气系统还连接有FM200或二氧化碳等灭火系统，针对特殊的室内空间起到保护和消防的作用。另外，火气系统的易熔塞回路与井口安全阀和雨淋系统连接，当某一易熔塞回路被触发后，ESD系统关闭地面安全阀和井下安全阀，确保人员、工艺、设备和环境的安全。
火气系统整体是依据国家规定的《固定平台安全规则》执行相关命令的，如检测到火源时候可以直接触发相应生产流程的关断，启动相应泄压流程，并启动相关消防设备。确保平台上的通信、导航、消防、应急、逃生设备或系统的正常工作。
总的来说，火气系统对于海洋石油工业是必不可少的。该系统可以对火灾与有害气体系统可以进行实施自动监控、报警，如果发生溢油或附近交通工具发生火灾或其他安全事故也可以及时进行手动报警，关断已经存在或潜在可燃、有害介质，展开救援。火气系统在紧急情况时可以采取预先设计的应急措施，通过报警、报警触发点直观定位，进行消防指挥与疏通，这对及时做好救援工作起到了至关重要的辅助作用。
三.火气系统的设计原则
火气系统作为海洋油气生产、钻井平台子系统，有几个重要的设计原则。
1、独立设置原则
主要是根据多层安全模式原理，将火气系统和ESD、PCS等其他系统进行分离设置。目的是降低火气系统这一层和其他层同时失效的机率，减少系统之间的依赖性，并独自发挥出各层自有的完整功能。
通常情况下，火气系统采用独立的现场接线箱、控制柜、现场仪表、专用防火电缆、独立的逻辑运算器和冗余电源系统。特殊情况下，需要采用另一种简单的设计，把ESD与F&G在项目当中互相结合起来，由安全评估测试其两者之间独立的程度，保证它们尽可能的分离为独立I/O机架，设计系统的时候也要注意避免降低各个系统在出现某个故障的时候同时失效的概率。如果能在机柜中为I/O留出独立安装的硬接线逻辑运算器或者PLC的空间效果会更好，这种独立设置也对使用不同技术实现火气系统提供了便利。 这种独立设置还可以应用于系统中的其他方面，对于软件、硬件、维护和通讯等各个方面来说，独立性有利于各自功能发挥，并尽量避免系统外部故障的影响。
2、技术差异原则
技术差异性在火气系统中不是不能接受的问题，这是为了能够实现部分所对应的功能，能够在不同场合中针对问题选择不一样的技术方案去实施。比如在特定的场合中，可以选择电子、电气、可编程电子技术的技术方案，也可以采用它们相互组成的混合型技术方案。
3、中间环节最少原则
为了将火气系统设计成高效率的系统，必须尽可能的减少使用中间环节，采用最直接的测量方式和可靠性最高的执行方式，避免操作繁杂、多余的设计。例如，在易熔塞回路系统中能够选择直接覆盖的区域就采用气动信号进行直接动作，减少过多的气-电或电-气之间的转换环节。火气系统在设计时，尽量减少选择环节和系统运行过程中人工干预成分，最好是消除这种不必要的影响。
4、故障安全型原则
作为安全仪表系统，火气系统本身的逻辑运算器、传感器以及终端执行元件都必须设计为故障安全型的。I/O应该具有短路以及断路的检测的功能。AI点要求具备能够检测出回路中小于4mA和大于20mA的异常电流功能。最终执行元件在通常情况下在系统正常的时候是带电的，一般来采用具备冗余、冗错等安全功能的结构组成逻辑运算器硬件部分和软件部分。
5、安全完整性等级原则
在IEC定义的SIS范畴内，火气系统应该根据其所保护的工艺过程要求的SIL安全完整性等级去确认整个工艺系统的安全等级。采用合适的安全完整性等级，并经过第三方安全认证机构的认证才能构成完善的火气系统。火气系统在执行互不相同的安全完整性等级安全仪表的功能的时候，需要其共有的或者是公用的软、硬件部分具备最高级别的安全完整性等级。
6、安全理念原则
安全性分析在设计火气系统中不可少，以研究论证的基础在概念中设计出一个具有科学、规范、合理的安全控制理念，这个理念应该具有对所有隐患的识别功能，分析与预测事件发生的可能性和严重程度，站在经济与技术互相结合的角度制订出合理的安全对策，使风险值负荷满足最低合理可行的原则。
在基本的系统设计里必须对任何可能产生的风险确定出基本的对策和措施，并在详细设计中的各部分选择功能和因果逻辑，体现出安全理念的细化。整个系统中的安全理念必须是贯穿在工程设计的各个阶段，有始有终、有针对性，全面透彻。这不但使系统科学合理、统一有效、具备完善系统功能，还可针对工艺过程中部分不同点采取分别保护和处理的措施，更方便操作人员记忆和熟练操作。针对国际化大型工程项目，以该理念为安全准则加以文字描述、配图解析和表格分析等方式提供给操作者。
四.火气系统与DCS、ESD之间的关系
火气系统应用在海洋石油工业中的主要目的是实现独立保护的作用，在工艺过程中形成多层结构的一种安全系统形式，也就是在DCS和ESD层的外部设立一个独立的保护层。这种多层结构的安全设计能够大大提高安全系数，是工业过程控制中的较为先进的安全控制理念。
DCS在通常情况下实现控制工艺过程能够保持在规定参数范围内稳定运行的功能，随着需求的调整来控制生产要求，然后形成基本过程控制层。DCS层主要承担生产控制方面的要求，而不是安全功能。
ESD层的功能是保障工艺过程能够处于一个可接受的安全值以内，也就是在基本的过程中安全运行程序限定的界限。如果超过了限定的安全值，那么工艺过程会被认为是不可接受的异常情况，而此时就需要ESD系统触发相应输出，紧急关断部分或整个工艺过程，中断相应的物流流程，隔离并保护工艺过程，避免其进一步向危险方向发展而导致严重的失控或事故。在IEC定义中，ESD就是和机械式安全阀一并属于防止层（Prevention）的安全仪表系统SIS，共同担负工艺过程的限定、防止的安全需求功能。这种安全保护手段通常只是对于大量的关闭阀门或者电源等联锁关闭的情况。
火气系统代表缓解层，当工艺过程已经失控或者发生灾害的时候，会采取一定的对应措施来缓解事故的扩大，并且缩小造成主要资产损失的风险，承担对有可能发生的灾害的显示、监测和控制，以及在消防上的需求。
装置虽然有了ESD层的保护，但是还会有机率出现失控情况。因为在工艺过程中，关断系统有可能没有被有效地执行动作或者是某个部分已经失效损坏。在设备出现了故障或者损坏等情况的时候，ESD本身也只能够有限的执行自身的关闭与隔离等应对措施，而且ESD也无法主动对火灾、油、气体泄漏等灾害进行消除，因此有必要单独增加一个火气系统层去避免事故和灾害的扩大，这对整个工艺过程是十分重要的。
五.结束语
随着我国对环境保护和生产安全要求的不断提高，人们对环保和安全的意识也不断增强，火气系统在海洋石油工业中扮演着现场安全的指挥与保护的重要角色，采用火气系统的设施能够有效地完善与提升整个系统的安全控制问题，确保现场作业人员与设施的安全，也在预防油气的泄漏与安全生产等环境保护的方面起着重要作用。不仅是在海洋石油工业中，在整个石油化工领域火气系统也有着非常普遍的应用。
参考文献：
[1]李萍，《易燃易爆场所火灾自动报警系统的选型及应用》，石油化工自动化，2005（4）15-16；
[2]国经贸安全（2009）944，固定平台安全规则；
[3]SOLAS公约国际海上人命安全公约，1980；
[4]赵宵，《现代化乙烯工厂火灾及气体检测系统的设计探究》，石油化工自动化，2005（5）13-17；
[5]文涛，《Fire&Gas监测系统设计及应用》，石油化工自动化，2006（3）19-21；
[6]刘景辉，《火气系统论述》，石油化工自动化，2008（05）；
[7]周声伟，《中国海洋石油工业的发展》，中国矿业，1997（02）
关键词：海洋石油工业、火气系统、安全仪表、设计准则
我国海域辽阔，大陆架的面积就达到了130万平方功力，沿岸分布有约10个含油气的盆地。自从上世纪80年代以来，中外双方于中国近海海域都有展开大量油气勘探的工作。到1993年的年底一共采集了包括20块三维测线共有2629平方公里的近海的地震测线54万公里，获得石油地质储量约有12亿吨，天然气1450亿立方米。而对我国经济发展十分重要的海洋石油工业中，对其安全性也作出了探讨，这里叙述了火气系统在海洋石油工业中的功能和应用。
一.火气系统的组成结构
火气系统（Fire and Gas System，F&G）是属于IEC61511定义的在缓解层之内的安全仪表系统（SIS），用于监控火灾与可燃气、毒气泄漏事故并且具有自动报警功能和灭火功能的安全控制系统。火气系统是由用于执行对火灾和有害气体的检测控制功能的安全仪表的传感器、逻辑运算器和终端执行元件组合而成的。
通常情况下，火气系统选择使用经过TUV认证的SIL3系统，经安全认证的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）为逻辑运算器，基于LCD技术的监视器和输入设备，包括HMI人机接口都安装于安全区里的中央控制室内的控制柜或控制台内，控制台上还设计安装了必要的按钮和硬接线的开关，用来手动打开火气、消防相关的设备，此外还有安装模拟盘的一个位置，用来指示火分区与其他部分的状态。
火气系统连接的现场设备有：火焰探测器、可燃气体检测器、毒气检测器、易熔塞回路系统、热探测器、离子和光学感烟探测器、手动报警站、用于启动消防设备的电磁阀、平台状态灯以及用于和PA、ESD以及HVAC等硬接线接口的继电器等。火气系统一般都接有基于气体的灭火系统和雨淋系统，与ESD、HVAC等其他系统也有相对应的接口。
海上平台的火气系统根据其特性会分成两部分：生活区与生产区。生活区是安全区域，一般会涉及到烟感、温感与手动报警器，毒气和可燃气探头等；生产区和钻井区是防爆等要求较高的区域，需要防水防爆，一般设计的是可燃气探头、火焰探头、毒气探头以及手动火灾报警器等。该系统将控制核心分成两种：点到点火气系统PLC和点到点PLC+寻址盘ADD。对于小型的平台而言，一般生活区里的烟感、温感、手动报警器和可燃气探头、火焰探头等都一并接入控制器PLC中的I/O模块中，然后形成一个完整的点到点火灾与气体报警控制系统。而对于大型平台而言，由于生活区比较大，内部房间或其他生活设施空间分区很多，点到点设计布线工程量大、电缆成本高，所以又将大型平台分为两个部分：一是寻址盘，把生活区内的温感、烟感、手动按钮和防火门磁开关等都接入寻址盘，用通信方式传给控制核心PLC，而另一部分就是PLC控制器，这里将所有火焰探头、可燃气探头等按钮和设施都接入PLC控制器。PLC与寻址盘可以通过两个并行的通讯总线相互通信，PLC可以处理现场所有的设备信号。
二.火气系统的功能作用
火气系统一般用于可燃气体或有害气体容易发生泄漏的危险区域，并能够进行实时自动检测。火焰探测器能够完成安装区域内火灾危险的实时自动检测。在海洋平台的相应区域都设有能够手动触发的报警装置，可以对火灾、气体泄漏、原油泄漏、弃船、人员落水等紧急事故进行人工报警。在设备间与生活区等室内也装有烟探测器与热探测器，它们的功能是进行实时火灾监控。火气系统可以直接控制平台状态灯来进行安全状态的指示，通过状态灯的颜色与状态变化直接观测。火气系统设计了和ESD通讯的接口，用于在突发状况时候自动执行包括手动触发相应的报警和紧急关断功能。火气系统的模拟盘或人机界面能够对事故定性、定位、定量指示。火气系统与公共广播系统存在接口，通过广播系统广播被触发的对应类型和对应级别的警报。通常火气系统还连接有FM200或二氧化碳等灭火系统，针对特殊的室内空间起到保护和消防的作用。另外，火气系统的易熔塞回路与井口安全阀和雨淋系统连接，当某一易熔塞回路被触发后，ESD系统关闭地面安全阀和井下安全阀，确保人员、工艺、设备和环境的安全。
火气系统整体是依据国家规定的《固定平台安全规则》执行相关命令的，如检测到火源时候可以直接触发相应生产流程的关断，启动相应泄压流程，并启动相关消防设备。确保平台上的通信、导航、消防、应急、逃生设备或系统的正常工作。
总的来说，火气系统对于海洋石油工业是必不可少的。该系统可以对火灾与有害气体系统可以进行实施自动监控、报警，如果发生溢油或附近交通工具发生火灾或其他安全事故也可以及时进行手动报警，关断已经存在或潜在可燃、有害介质，展开救援。火气系统在紧急情况时可以采取预先设计的应急措施，通过报警、报警触发点直观定位，进行消防指挥与疏通，这对及时做好救援工作起到了至关重要的辅助作用。
三.火气系统的设计原则
火气系统作为海洋油气生产、钻井平台子系统，有几个重要的设计原则。
1、独立设置原则
主要是根据多层安全模式原理，将火气系统和ESD、PCS等其他系统进行分离设置。目的是降低火气系统这一层和其他层同时失效的机率，减少系统之间的依赖性，并独自发挥出各层自有的完整功能。
通常情况下，火气系统采用独立的现场接线箱、控制柜、现场仪表、专用防火电缆、独立的逻辑运算器和冗余电源系统。特殊情况下，需要采用另一种简单的设计，把ESD与F&G在项目当中互相结合起来，由安全评估测试其两者之间独立的程度，保证它们尽可能的分离为独立I/O机架，设计系统的时候也要注意避免降低各个系统在出现某个故障的时候同时失效的概率。如果能在机柜中为I/O留出独立安装的硬接线逻辑运算器或者PLC的空间效果会更好，这种独立设置也对使用不同技术实现火气系统提供了便利。 这种独立设置还可以应用于系统中的其他方面，对于软件、硬件、维护和通讯等各个方面来说，独立性有利于各自功能发挥，并尽量避免系统外部故障的影响。
2、技术差异原则
技术差异性在火气系统中不是不能接受的问题，这是为了能够实现部分所对应的功能，能够在不同场合中针对问题选择不一样的技术方案去实施。比如在特定的场合中，可以选择电子、电气、可编程电子技术的技术方案，也可以采用它们相互组成的混合型技术方案。
3、中间环节最少原则
为了将火气系统设计成高效率的系统，必须尽可能的减少使用中间环节，采用最直接的测量方式和可靠性最高的执行方式，避免操作繁杂、多余的设计。例如，在易熔塞回路系统中能够选择直接覆盖的区域就采用气动信号进行直接动作，减少过多的气-电或电-气之间的转换环节。火气系统在设计时，尽量减少选择环节和系统运行过程中人工干预成分，最好是消除这种不必要的影响。
4、故障安全型原则
作为安全仪表系统，火气系统本身的逻辑运算器、传感器以及终端执行元件都必须设计为故障安全型的。I/O应该具有短路以及断路的检测的功能。AI点要求具备能够检测出回路中小于4mA和大于20mA的异常电流功能。最终执行元件在通常情况下在系统正常的时候是带电的，一般来采用具备冗余、冗错等安全功能的结构组成逻辑运算器硬件部分和软件部分。
5、安全完整性等级原则
在IEC定义的SIS范畴内，火气系统应该根据其所保护的工艺过程要求的SIL安全完整性等级去确认整个工艺系统的安全等级。采用合适的安全完整性等级，并经过第三方安全认证机构的认证才能构成完善的火气系统。火气系统在执行互不相同的安全完整性等级安全仪表的功能的时候，需要其共有的或者是公用的软、硬件部分具备最高级别的安全完整性等级。
6、安全理念原则
安全性分析在设计火气系统中不可少，以研究论证的基础在概念中设计出一个具有科学、规范、合理的安全控制理念，这个理念应该具有对所有隐患的识别功能，分析与预测事件发生的可能性和严重程度，站在经济与技术互相结合的角度制订出合理的安全对策，使风险值负荷满足最低合理可行的原则。
在基本的系统设计里必须对任何可能产生的风险确定出基本的对策和措施，并在详细设计中的各部分选择功能和因果逻辑，体现出安全理念的细化。整个系统中的安全理念必须是贯穿在工程设计的各个阶段，有始有终、有针对性，全面透彻。这不但使系统科学合理、统一有效、具备完善系统功能，还可针对工艺过程中部分不同点采取分别保护和处理的措施，更方便操作人员记忆和熟练操作。针对国际化大型工程项目，以该理念为安全准则加以文字描述、配图解析和表格分析等方式提供给操作者。
四.火气系统与DCS、ESD之间的关系
火气系统应用在海洋石油工业中的主要目的是实现独立保护的作用，在工艺过程中形成多层结构的一种安全系统形式，也就是在DCS和ESD层的外部设立一个独立的保护层。这种多层结构的安全设计能够大大提高安全系数，是工业过程控制中的较为先进的安全控制理念。
DCS在通常情况下实现控制工艺过程能够保持在规定参数范围内稳定运行的功能，随着需求的调整来控制生产要求，然后形成基本过程控制层。DCS层主要承担生产控制方面的要求，而不是安全功能。
ESD层的功能是保障工艺过程能够处于一个可接受的安全值以内，也就是在基本的过程中安全运行程序限定的界限。如果超过了限定的安全值，那么工艺过程会被认为是不可接受的异常情况，而此时就需要ESD系统触发相应输出，紧急关断部分或整个工艺过程，中断相应的物流流程，隔离并保护工艺过程，避免其进一步向危险方向发展而导致严重的失控或事故。在IEC定义中，ESD就是和机械式安全阀一并属于防止层（Prevention）的安全仪表系统SIS，共同担负工艺过程的限定、防止的安全需求功能。这种安全保护手段通常只是对于大量的关闭阀门或者电源等联锁关闭的情况。
火气系统代表缓解层，当工艺过程已经失控或者发生灾害的时候，会采取一定的对应措施来缓解事故的扩大，并且缩小造成主要资产损失的风险，承担对有可能发生的灾害的显示、监测和控制，以及在消防上的需求。
装置虽然有了ESD层的保护，但是还会有机率出现失控情况。因为在工艺过程中，关断系统有可能没有被有效地执行动作或者是某个部分已经失效损坏。在设备出现了故障或者损坏等情况的时候，ESD本身也只能够有限的执行自身的关闭与隔离等应对措施，而且ESD也无法主动对火灾、油、气体泄漏等灾害进行消除，因此有必要单独增加一个火气系统层去避免事故和灾害的扩大，这对整个工艺过程是十分重要的。
五.结束语
随着我国对环境保护和生产安全要求的不断提高，人们对环保和安全的意识也不断增强，火气系统在海洋石油工业中扮演着现场安全的指挥与保护的重要角色，采用火气系统的设施能够有效地完善与提升整个系统的安全控制问题，确保现场作业人员与设施的安全，也在预防油气的泄漏与安全生产等环境保护的方面起着重要作用。不仅是在海洋石油工业中，在整个石油化工领域火气系统也有着非常普遍的应用。
参考文献：
[1]李萍，《易燃易爆场所火灾自动报警系统的选型及应用》，石油化工自动化，2005（4）15-16；
[2]国经贸安全（2009）944，固定平台安全规则；
[3]SOLAS公约国际海上人命安全公约，1980；
[4]赵宵，《现代化乙烯工厂火灾及气体检测系统的设计探究》，石油化工自动化，2005（5）13-17；
[5]文涛，《Fire&Gas监测系统设计及应用》，石油化工自动化，2006（3）19-21；
[6]刘景辉，《火气系统论述》，石油化工自动化，2008（05）；
[7]周声伟，《中国海洋石油工业的发展》，中国矿业，1997（02）