火氣系統在石化裝置中的應用

張亦林

（北京沃利帕森工程技術有限公司，北京100015）

1 石化裝置火災危險性概述

對于擁有上、中、下游產業鏈條模式的石油化工園區，如石油煉化企業，既儲備有大量易燃易爆液體、過熱液體等危險化學品，又擁有高溫、高壓、臨氫等復雜高危化工生產裝置和工藝過程，其火災、爆炸事故形式以及災害演化、傳播過程相對復雜，極易蔓延成大面積火災，導致裝置坍塌和爆炸的風險大。其典型災害事故類型主要有：可燃氣體或蒸汽泄漏爆炸，易燃物料泄漏形成噴射火或池火、流淌火，裝置超壓爆炸等［1－2］。對于以化工原料（包括油、氣以及其他化學品）倉儲運輸為主的石油化工園區，如大型戰略儲油庫，原料倉儲貨運基地等，此類園區通常不涉及復雜的化工工藝過程，但園區內分布有大量油氣儲罐，以及物料輸送管線、交通運輸線等，危險源分布相對密集。其災害事故類型主要有：儲罐雷擊與靜電火災、儲罐及管線泄漏火災、爆炸事故、明火引燃火災、撞擊引發火災、過熱液體溢沸（BLEVE）、蒸汽云爆燃、物理性爆炸、含能材料爆炸等［3］。

由于石油化工園區內工藝裝置（包括儲罐及管線）分布密集，大量易燃易爆工業原料、產品等重大危險源集中分布，一旦發生火災、爆炸就極易產生多米諾效應，引發大面積火災、爆炸事故連鎖反應，并同時出現多種火災、爆炸事故形式。其中連鎖災害事故誘導模式主要包括高溫熱輻射、流淌火蔓延、飛濺火、爆炸飛片以及爆炸沖擊波等［4］。

目前大多數石化工廠都將有毒可燃氣體檢測報警與火災報警分別設置在不同的報警盤上，這樣存在多個盤面需要監視。對于聯合裝置來講，傳統的可燃氣體報警盤分散在不同的控制室內，不便于管理和維護。

火災報警和氣體檢測系統FGS（Fire Alarm and Gas Detection System，簡稱火氣系統）作為一種將火災與可燃氣體檢測集成的新系統，目前在國內的應用并不廣泛。由于目前國家相關部門還沒有明確的相關強制要求，一般設計院和用戶對其沒有清晰的概念，通常不會把它作為安全系統進行獨立設計和設置，而是采用普通的民用型火災報警器，結合DCS進行氣體檢測和報警。而國際上的大項目一般都會采用專用安全系統生產廠家的設備設置獨立的FGS，從而與SIS一起構成一體化的工廠綜合安全系統［5］。

2 FGS的組成及其作用

2.1 系統定義及組成

FGS是針對火災和氣體探測的安全管理系統，通過對化工裝置現場的消防按鈕、煙、火、可燃氣體、有毒氣體檢測信號的采集，經過軟件邏輯輸出來控制報警燈、報警鈴、雨淋閥、泡沫閥及空調系統的新風入口閥等。

FGS由火焰檢測，可燃氣體檢測，有毒氣體檢測，煙霧檢測，輸出（燈、喇叭、釋放按鈕等）子系統組成。

2.2 FGS的技術特點

a）可靠性。根據系統安全等級的要求選用相應安全等級的PLC（SIL3）作為火氣系統的控制器，各關鍵部分通過冗余設計，其性能可以達到SIL2或SIL3。

b）實時性。具有TUV安全認證等級（SIL3）的安全PLC可以做到毫秒級響應，能夠及時地在操作站和矩陣盤等設備上顯示現場報警信息，并且事件記錄（SOE）的分辨率也很高。

c）兼容性。可以根據生產裝置的實際情況把檢測火焰、可燃氣、毒氣及手動報警信號（4～20mA兩線／三線、開關量）進行靈活組合。通過二總線，RS－485，硬接線或工業以太網等方式同DCS和SIS等通信，從而形成全廠的管理系統。

d）可用性。可以根據生產裝置的實際情況設計適合當前情況的邏輯程序，以后的工藝流程如果有所變化，可以很方便地修改組態，而不用增加不必要的硬件成本。大量的信息可以通過簡單的畫面進行顯示，同時各種歷史記錄和數據能夠進行存儲和上傳。

e）擴容性。基于PLC的技術在以后生產裝置進行擴容時，其大容量控制器可以滿足通常的點式增加，同時也可以方便對現行的監控構架進行組態和修改。

2.3 FGS與傳統報警方式的比較

FGS與傳統報警的優缺點比較見表1所列。

表1 FGS與傳統報警方式的比較

續 表 1

3 應用實例

該公司曾經負責設計了揚子－巴斯夫IPS－II期中的某套精細化工產品裝置，該裝置以上游裝置的精制丙烯酸為原料，在一定溫度、壓力和催化劑等條件下，反應生成白色、易脆、含有30%～50%固體物的產品，再通過干燥、篩選、表面交聯處理、后表面交聯等工藝處理后制成具有超強吸水功能的日用化學品原材料。由于該裝置的原料和中間原料中存在許多易燃易爆物質，因而該裝置采用了FGS，筆者結合實際項目談一下FGS在項目應用中的設計體會。

3.1 現場檢測器的設置

首先，根據《石油化工企業可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》的要求對下列設備附近設置可燃與有毒氣體檢測器，并連接至現場機柜室（Rack Room）中的FGS［6］。

a）甲類氣體或有毒氣體壓縮機、液化石油氣泵、甲B類或成組布置的乙A類液體泵和能揮發出有毒氣體的液體泵的動密封處。

b）在不正常運行時可能泄漏甲類氣體、有毒氣體、液化石油氣或甲B類液體和能揮發出有毒氣體的液體排液口和不正常操作時可能攜帶液化石油氣、甲B類液體和能揮發出有毒氣體的液體排液口。

c）在不正常運行時可能泄漏甲類氣體、有毒氣體、液化石油氣的設備或法蘭閥門處。

其次，在現場裝置的主要通道設置了防爆型火焰檢測器和防爆型火災報警按鈕，通過電纜將其連接至現場機柜室內的FGS［7］，并且在現場設置了火災報警喇叭。當發生火災時，現場的火焰檢測器向FGS發出報警信號，由FGS向現場警號發出聲音報警命令，從而引起現場操作人員注意，并迅速撤離［8］，從而減少人員傷害。

3.2 FGS的系統配置

揚子－巴斯夫公司的FGS采用北京康吉森公司的TS3000系統，用于FGS控制。相關的安全規范也完全依據IEC標準（達到TUV AK6），并完全符合國家消防安全資格認證（CCCF認證）［9］。系統結構如圖1所示。

圖1 火氣系統結構示意

由圖1可以看出，整個火氣系統分為3個層次：現場的檢測元件（可燃氣體檢測器、溫度檢測、火焰檢測器等），現場機柜室內的邏輯控制器，現場的執行元件（雨淋閥、消防栓、警號等），中央控制室（Control Room）內的模擬報警盤，且包含了樓宇火災報警盤及空調系統的公共報警等。

當FGS發生系統功能故障、供電故障及檢測回路故障時，除發出故障報警外，均不能觸發檢測報警和消防閥。因此，在FGS中，整個裝置被定義為非故障安全模式（這點與SIS不同）。即在正常狀況下，現場的輸入輸出信號均處于“斷開”和“不得電”狀態。故輸入到FGS中的邏輯“0”信號被認為是正常狀態，邏輯“1”信號為報警狀態。因此，FGS中所有現場回路均必須具有回路檢測功能，用于及時發現回路中的潛在故障并及時得到處理和恢復，以保證回路在需要時能正常工作。

揚巴公司在每套獨立的生產裝置區域中均設置獨立的FGS，并通過冗余的串行通信（Modbus）與各自的DCS進行通信，同時將報警信號硬接線至各自控制室內的模擬報警盤（每一個綜合樓里都有一個FGS的模擬報警盤）。當發生報警時操作人員能夠快速地判斷出事故發生的區域，并且在模擬盤上將包含不同的顏色燈用來指示不同類型的報警。如：紅色——火／煙報警、黃色——有毒氣體報警、藍色——可燃氣體報警、綠色——安全噴淋和洗眼器被使用的報警。

報警設置為二級報警。一級報警為常規的氣體泄漏指示報警，提示操作人員及時到現場巡邏；二級報警發生時則必須采取緊急處理措施，必要時發生消防聯鎖。在執行時要遵循同一級別的報警中有毒氣體報警優先，二級報警優先于一級報警，且滿足發出的聲光報警能夠被保持，聲光報警信號能夠手動消除，再次有報警信號輸入時仍能發出報警。

此外每套FGS均配置冗余的以太網接口，通過光纖通信連接至冗余的FGS中央交換機。設置在揚巴公司緊急響應中心以及消防支隊的HMI上位機通過以太網與各個FGS進行通信，實時監視各個檢測元件的報警狀態，以便提高對緊急事件的快速響應和處理能力。揚巴公司FGS結構如圖2所示。

圖2 揚巴FGS結構示意

3.3 FGS的配置特點

3.3.1 輸入輸出回路處理

a）模擬量輸入及現場檢測器的選用原則：

1）烴類可燃氣體可選用催化燃燒型或紅外氣體檢測器，當使用場所的空氣中含有能使催化燃燒型檢測元件中毒的硫、磷、硅、鉛、鹵素化合物等介質時，選用抗毒性催化燃燒型檢測器。

2）在缺氧或高腐蝕性等場所，選用紅外氣體檢測器。

3）氫氣檢測選用催化燃燒型、電化學型、熱傳導型或半導體型檢測器。

雖然氣體檢測器的類型不同，但其輸出信號均為4～20mA，直接接入系統的模擬量輸入卡，并與DCS直接通信。同時在邏輯中實現氣體濃度超限報警、斷路和短路報警以及校驗狀態指示。為了保證可靠性，在現場的傳感器設置為“二取一”方式。

b）數字量輸入。現場的火焰探測信號采用了雙探頭檢測的類型，即探測信號來自紫外線檢測器和紅外檢測器。紫外、紅外檢測器分別探測不同部分的光譜，只有當兩個檢測器同時探測到相應的光譜時（因為真正起火時兩種光譜都會出現），火焰檢測器才會有輸出，這樣就避免了單獨使用紫外或紅外探頭時由某些原因（如閃電、電弧焊等）所引起的誤報警。該火焰探頭有兩個繼電器輸出，其故障繼電器的常閉點與終端電阻串接，并連在火焰繼電器的常開點上。當探頭有故障發生時，故障繼電器動作，產生一故障（開路）信號。當探測到火焰時，火焰繼電器動作，對系統輸入一報警信號。該紫外／紅外檢測器具有自動測試功能，大約1min檢測1次，檢查探頭鏡頭的清潔度、傳感器的靈敏度和內部電子電路的功能。如果連續3次均探測到故障，火焰探頭將對系統輸入一故障信號，從而增加了系統的可靠性。

此外，由于FGS是非故障安全模式，因而系統中的觸點信號，如手動報警、壓力開關、流量開關等，正常時均處于斷開位置，報警時才會閉合。為了保證上述觸點信號在需要時能正常動作，系統采用數字量輸入SDI（Supervised Digital Input）回路結構來處理觸點輸入，也就是將觸點開關與一定阻值的電阻串并聯后引入模擬量輸入卡，如圖3所示。然后在邏輯中對輸入電流進行判斷，以此來判斷回路的正常、報警、短路和斷路的狀態，并給出相應的報警信息。例如當沒有觸發報警時接入的負載為RL＋RDOL，當有報警時接入卡件的負載為RL＋［RRDOL／（R＋RDOL）］，這樣通過接入負載值的不同來判斷現場狀況。

圖3 SDI回路結構

c）數字量輸出。FGS中的DO輸出包括報警燈、報警喇叭、電磁閥等，正常時上述設備均處于“不得電”狀態。為了保證其在需要時能正常動作，系統采用數字量輸出SDO（Supervised Digital Output）卡件來驅動此類設備。SDO卡件能夠不斷地對輸出回路進行檢測，以判斷回路是否處于健康狀態，輸出回路負載的失效將會觸發相應的系統報警，并給出對應的故障通道，從而確保系統的可靠性。

3.3.2 電源系統

FGS供電采用雙路冗余供電，其中一路來自工廠UPS電源，另一路來自非UPS電源。其中任何一路電源斷開均不影響FGS工作，同時TS3000系統還為FGS配置獨立的24h后備電池組，以保證當全廠供電失效時，FGS仍然可以提供至少24h的工廠安全報警和保護，為處理故障提供足夠的時間保障。

3.3.3 系統報警

基于TS3000的火氣系統能夠提供全面的系統故障自診斷功能，同時獨特的三重化冗余結構也使整個系統具有較強的容錯能力。系統中的任何故障，如系統故障、供電故障、回路故障、機柜溫度報警等，均能及時地顯示在各控制室內的模擬報警盤上，并發出聲光報警。完備的自診斷和故障報警功能為FGS持續地保證裝置安全運行提供了保障。

4 結束語

揚巴公司的FGS設計采用了全新的設計理念和技術，其FGS與SIS具有同等的可靠性和可用性，同時具有較高的自動化程度，總的來說具有如下特點：

a）安全可靠。裝置區內各種工藝設備復雜繁多，工藝物料種類多樣，任何一處出現安全隱患，均有可能引發大的災難。因此，采用該系統可以做到早發現和早排除隱患。

b）自動化程度高。分布在裝置區各處的檢測元件能夠及時迅速地把現場狀況發送到FGS的控制器中，并將報警發布到模擬顯示盤及DCS，在必要時迅速啟動消防雨淋閥，檢測、傳輸、顯示、報警、消防啟動幾乎在同一時間完成。

c）便于維護。系統的結構簡潔，無需太多的專業知識就能進行日常維護。同時FGS的故障檢測功能齊全，且定位準確，從而提高了維護效率，也同時提高了系統的可靠性。

d）毫秒級SOE功能（事故順序記錄）的實現極大地方便了用戶的事故數據采集，該功能彌補了普通民用火災報警器的缺陷。

e）帶回路監督功能的數字量輸入輸出模塊強化了系統的安全可靠性，強大的自檢功能可有效地對系統進行自檢測，從而降低了由于系統失效造成誤動作的可能性，進一步提升了系統自動化監控功能。

f）由于TS3000系統通過了國家消防安全強制認證（GB 4717—93《火災監控》／GB 16808—1997《可燃氣監控》，國家公安部消防產品合格評定中心CCCF認證），在裝置開車等消防驗收手續上完全符合國家相關法律，減少了不必要的麻煩。

該系統投用后運行平穩可靠，并成功預報了多次氣體泄漏事件及火警信息，成功避免了更嚴重的事故發生，連同SIS一起成為裝置安全生產強有力的安全保障系統。

［1］ 丹尼爾A克勞爾.化工過程安全理論及應用［M］.北京：化學工業出版社，2006：822.

［2］ 經建生，倪照鵬，馬恒，等.GB50016—2006建筑防火設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2006.

［3］ 云成生，韓景寬，章申遠，等.GB50160—2008石油化工企業設計防火規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［4］ 云成生，韓景寬，章申遠，等.GB50160—2008石油化工企業設計防火規范條文說明［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［5］ 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊［M］.3版.北京：化學工業出版社，2000：11－82.

［6］ 文科武，李蘇秦，羅明，等.GB 50493—2009石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［7］ 王軍，李合德，徐建平，等.GB 3836—2004爆炸性氣體環境用電設備［S］.北京：中國計劃出版社，2004.

［8］ 丁宏軍，徐寶林，劉阿芳，等.GB 50166—2007火災自動報警系統施工及驗收規范［S］.北京：中國計劃出版社，2007.

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