FGS在伊朗甲醇項目中的應用

趙榮昌，馬國強

(中國天辰工程有限公司，天津300400)

FGS在伊朗甲醇項目中的應用

趙榮昌，馬國強

(中國天辰工程有限公司，天津300400)

火氣系統(FGS)是火災報警系統和氣體檢測系統的集成，用于監控火災和可燃有毒氣體泄漏，并具備事故報警和一定滅火功能，是石化裝置防火安全網絡的重要組成部分。介紹了FGS的技術特點和組成，與傳統火災報警和氣體檢測系統進行了比較，簡要分析了FGS和緊急停車系統的區別，并結合工程設計實例闡述了FGS的應用情況，詳細介紹了伊朗某甲醇項目中FGS的主要功能、基本構成、設計方案，以及檢測器、報警器、控制邏輯的設置等工程問題。

火災報警 氣體檢測 火氣系統 安全防護層 緊急停車系統

在石化生產中，經常面臨著火災、氣體泄漏甚至爆炸等安全問題，直接威脅到人身健康和生產裝置的安全。隨著國家和各行業對安全生產越來越重視，為了保證人員和設備的安全，保護環境，需要一個及時、準確、可靠的控制系統對現場危險因素進行檢測和控制，將可能的事故消除在萌芽狀態，將已發生的事故損失最小化。因此，兼具火災報警和氣體檢測的火氣系統FGS(fire and gas system)得到了越來越多的應用和發展，如十幾年前投產的上海賽科石化項目就是典型的火氣一體化案例；FGS發展較早的油氣行業海上平臺項目也沿用了國際做法，從前期設計階段到項目實施，都將火災報警和氣體檢測作為一個整體的系統考慮[1-3]。

FGS是用于監控火災和可燃有毒氣體泄漏事故，并具備事故報警和一定滅火功能的系統[1]。FGS在國外的石化裝置中是標準配置，但在國內的應用還不廣泛，主要原因有[4]:

1) 按照國內工程公司傳統的專業分工，火災報警系統(FAS)由電信或電氣專業設計，氣體檢測系統(GDS)由自控專業設計，2個系統的設計相互獨立，工程設計人員對FGS的認識不夠深入。

2) FAS和GDS的設計和驗收規范不同，國內相關行業和部門沒有統一明確的標準和要求。根據行業設計慣例，一般在生產區設置GDS，而FAS覆蓋面較廣，通常辦公區和生產區均要求設置。

3) 在石化生產企業，GDS由工藝操作人員管理，FAS由專職人員或電氣專業人員管理，最終用戶對FGS還沒有清晰的概念。

1 FGS的結構形式

ISA將FGS定義為1套應用于工業領域的自動化系統, 用來探測過程控制中原料的損失，或者直接通過計量現場所存在的泄漏物的量，如氣體體積分數、煙霧、熱輻射、火焰光來探測輕微的或嚴重的直至災難性的泄漏事件，并采取合適的措施來減緩泄漏事件可能產生的后果[5]。

FGS可及時檢測出所保護區域范圍內可能出現的火災和氣體泄漏，迅速做出判斷，采取正確措施以確保人員、設備和周圍環境的安全。從最初的FAS和GDS分開設置，到如今發展成1個獨立于DCS緊急停車系統(ESD)的安全保護系統，FGS幾種結構形式[4]及優缺點見表1所列。

表1 FGS的結構形式和優缺點

基于安全PLC的FGS有如下結構:

1) 安全控制系統。控制器、電源、通信采用三重化冗余容錯結構(TMR)。具有完善的自診斷測試功能，包括控制器、I/O模塊、電源和系統軟件，并支持卡件熱插拔和在線程序修改下裝。控制系統安全等級滿足要求，達到SIL2及以上。

2) 檢測單元。氣體檢測:可燃氣體、有毒氣體檢測等；火災探測:火焰、溫度及煙霧探測等。

3) 聯動輸出單元。聲光報警設備、自動噴水滅火系統、氣體滅火系統、消防泡沫滅火系統等。

4) 輔助單元。工業電視系統，廣播對講系統等。

2 FGS設計的幾個問題

2.1 FGS的獨立性

根據IEC 61511對于過程工業中工廠安全保護防災結構體系的分層描述原則[6]，在工藝流程的基本控制系統(BPCS)之外，存在著預防和減災2個安全防護層級。工廠安全保護防災結構如圖1所示，其中，ESD負責對整個裝置的生產安全變量進行監控，在事故狀態下實現裝置的安全停車。下一層是減災層，即FGS。ESD是對工藝流程的一種保護，而FGS則是對整個廠區的保護，以維護設備、人員、建筑物和周圍環境的安全為目的。因此，FGS的防護層級是高于DCS和ESD，當上述2個系統失效時，FGS仍然能夠對火災和氣體泄漏進行檢測，并驅動消防滅火設備，指導人員逃生。因此FGS是獨立于DCS和ESD之外的防護層，應該獨立設置[3]。

2.2 FGS的故障和非故障安全性

FGS從系統結構上來說，和ESD一樣具有安全功能，是安全儀表系統(SIS)的一個重要應用領域。但國際上也有學者反對將FGS納入SIS，因為FGS除了依賴于系統軟件、硬件的性能，還特別依賴于各類探測器布置的合理性。比如，即使FGS的安全功能完全符合要求，但若探測器設置位置不合理、設置數量不夠，或者探測器被遮擋等，都會影響系統的性能。所以探測器的有效探測區域對于系統性能的保證具有重要影響[7-8]。

圖1 工廠安全保護防災結構體系示意

FGS和ESD的區別:

1) ESD的目標是降低危險發生的頻率；FGS則是減輕危險造成的后果。

2) FGS不同于傳統的故障安全型ESD，沒有絕對的安全受控狀態，是一種動態的連續監測過程。FGS的邏輯控制器操作處于斷電(de-energized)狀態，ESD操作在通電(energized)狀態。因此要求FGS輸出信號為非故障安全性，以防止設備在故障時自動觸發報警和聯鎖。同時輸入輸出信號應至少具有短路和斷路等回路檢測功能[3]。

3 FGS的應用案例

伊朗甲醇項目中FGS以TOPSOE火氣系統規格書為依據，采用Rockwell具有TMR的ICS Triplex Trusted系統為核心設備，安全等級為SIL3。在裝置區設置各類氣體檢測器、火災探測器、手動報警按鈕、聲光報警器；在建筑物設置氣體檢測器和對應的聲光報警器，這些儀表設備均為非尋址式。建筑物的火災探測器、煙霧報警器、溫度報警器、手動報警按鈕及對應的聲光報警器等均采用尋址式設備，接入火災報警控制系統(FACP)。

該FGS遵循了IPS伊朗國家石油標準和國際通用的關于FAS和GDS的標準規范，并獨立于現場總線控制系統(FCS)和ESD，具有以下功能[9-10]:

1) 通過可燃、有毒氣體檢測器連續探測并早期發現可能泄漏和積聚的可燃氣體或有毒氣體。

2) 通過火災探測器連續探測并早期發現可能出現的火焰或存在的火災。

3) 執行控制和聯鎖邏輯功能，控制雨淋閥、泡沫閥及暖通空調系統(HVAC)的新風入口閥等設備。

4) 設置聲光報警器，通過不同的顏色和聲音提醒現場危險區域的操作人員。

5) 設置操作站，火災及氣體報警模擬(MIMIC)盤，直觀顯示報警發生的類型和所在區域。

6) 通過硬接線或通信方式，將相關的I/O狀態、儀表和設備的報警及故障信號送到FCS。

7) 提供事件順序記錄報告。

系統構成如圖2所示。

整個廠區有3個建筑物:控制室、MCC和化驗樓，其余為生產裝置區。根據項目設計方案，全廠區的防火滅火安全網絡由兩部分組成：一部分是FGS，側重對工藝裝置的保護；另一部分是FACP，側重對3個建筑物的保護。對于FACP部分，本文不做討論。

FGS包含3個層次:檢測部分、控制部分、響應部分。

圖2 甲醇項目中FGS構成示意

3.1 檢測部分

在裝置區可能存在CO，H2，CH4，CH3OH等有毒可燃氣體的泄漏及火災發生，氣體可能擴散到建筑物內。根據項目的生產特點和物料特性，該系統選用了可燃、有毒氣體檢測器，火焰探測器，感溫電纜及手動報警按鈕等現場檢測報警設備。

3.1.1可燃氣體檢測器

1) 在裝置區設置紅外吸收式可燃氣體檢測器，用于檢測CH4，CH3OH等碳氫化合物組成的可燃性氣體。

2) 在裝置區、建筑物電池間等區域設置催化燃燒式可燃氣體探測器，用于檢測H2。

3) 建筑物HVAC風機入口處設置紅外吸收式可燃氣體檢測器，用于檢測可能進入室內的CH4。

可燃氣體檢測器設置20%LEL和40%LEL兩級報警。

3.1.2有毒氣體檢測器

在裝置區、建筑物HVAC風機入口處設置電化學式有毒氣體檢測器，用于檢測CO。有毒氣體檢測器設置3×10-5和1×10-4兩級報警。

3.1.3火焰探測器

采用紅外/紫外(UV/IR)火焰探測器探測裝置區可能存在的火災，UV/IR能有效探測出火焰而不受可見光和紅外線輻射的影響，特別適用于火災初期不產生煙霧的場所。當探測器檢測到火焰中對應頻率的波長時，觸發報警。

3.1.4感溫電纜

采用差定溫型感溫電纜探測裝置區甲醇儲罐的溫度，當儲罐溫度或其升溫速率超過設定值，則認為有火災發生并進行報警。

3.1.5手動報警按鈕

在通道、樓梯出口以及設計的疏散路線上安裝手動報警按鈕，當發現火災時敲碎玻璃蓋，觸發控制室和相應區域的聲光報警。按照設計要求，手動報警按鈕需具有在線監測功能。

3.2 控制部分

采用ICS Triplex Trusted系統，符合IEC 61508 SIL3標準，并獲得TüV AK6等級認證，控制器冗余，通信卡冗余，并采用雙路110 V UPS供電，系統可靠性高。

3.2.1硬 件

1) 機柜。整個系統I/O點數約為500個，設置1個控制柜，4個輔助柜，布置在機柜間。

2) 操作站。設1個工程師站，1個操作員站，分別布置工程師室和操作員室。

3) MIMIC盤。在操作員室設置MIMIC盤，盤上包含了所有FGS分區的各類火災，可燃、有毒氣體檢測器等報警信息，并設置測試按鈕、確認按鈕、警笛和閃光報警燈等。它能直觀顯示各個區域的火災和氣體檢測報警信息的實時狀態，提醒操作人員注意。

3.2.2軟 件

1) 軟件組態。采用IEC1131-TOOLSET進行組態編程。根據工藝特點，將全廠劃分成若干個防護區域，以便于FGS的檢測、報警和聯鎖動作的設計與實施。在某個區域內檢測到氣體泄漏或火災信號時，操作人員能根據操作員站的畫面和MIMIC盤上的信號燈，快速判斷并準確定位異常情況發生的區域。

2) 控制邏輯。FGS的I/O結構與ESD類似，但與ESD邏輯不同:在正常狀況下，系統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”為正常信號，邏輯“1”為報警狀態，因此要求所有現場回路具有回路檢測功能，以便及時發現回路中的故障并進行處理和恢復，保證各種儀表設備在需要時能正常工作[11]。

部分控制邏輯簡述如下:

a) 建筑物HVAC風機入口處，可燃氣體檢測采用“2oo3”邏輯。一級報警不動作，二級報警經過“2oo3”表決邏輯后，將聯鎖信號傳遞給HVAC系統，執行相應的保護動作。

b) 火焰探測采用“2oo2”邏輯，只有當2個火焰探測器同時探測到目標區域的火災時，才會報警并觸發消防滅火系統。

c) 裝置區的氣體檢測采用“1ooN”邏輯，當檢測到氣體泄漏時，發出聲光報警，提示現場工作人員注意并及時采取相應的措施。

d) 罐區的溫度監控采用“1ooN”邏輯，當儲罐溫度超過設定值或者升溫速率超過設定值，則認為有火災發生并進行報警，觸發消防滅火系統。

3) 通信。FGS通過冗余的串行通信Modbus RS-485與FCS，FACP和HVAC系統進行通信，部分重要信號采用硬接線連接。

3.3 響應部分

3.3.1聲光報警器

各類檢測器本體上均不配置聲光報警器，而是在各個區域設置集中報警器。通過不同的聲音和顏色報警使操作人員能確認不同的危險類型，及時準確地采取應對措施。按照IPS伊朗國家石油標準[12]，聲光報警的設置見表2所列。

表2 FGS聲光報警器的設置要求

3.3.2消防滅火系統

裝置區設有自動噴水滅火系統和泡沫滅火系統。在FGS檢測到現場的火災信號之后，經過邏輯運算，聯鎖啟動消防滅火系統。根據設計要求，雨淋閥、泡沫閥等采用正常時失電形式。

3.3.3HVAC系統

建筑物設有HVAC系統，當FGS檢測到火災或者可燃有毒氣體的信號時，經過邏輯運算，聯鎖HVAC系統，控制防火閥、新風入口閥等設備。

4 結束語

火災和氣體泄漏是石化裝置的特點造成的，具有不可預見性，FGS能預防安全事故的發生，防止災害擴大，保護人身和設備的安全，保護環境。正如早期的ESD是從DCS分離出來自成系統一樣，隨著生產裝置規模的擴大，對系統控制功能要求的提高，可燃有毒氣體、火災、煙霧等現場信號與手動報警按鈕、聲光報警器等設備也逐漸從DCS和FACP中分離出來，共同組成獨立的FGS，使DCS專用于正常生產時的控制，異常情況處理采用ESD，而火災報警和氣體檢測由FGS來完成，從而組成一套功能強大完整的自動化控制系統[13]。

該項目FGS以安全型PLC為核心，將FAS和GDS進行集成設計，并與FCS/FACP/HVAC等系統聯合，構成了完整的防火滅火安全網絡，這種將相關系統和資源融合于一體的設計思路，具有統觀全局，完善配置，協調各種安全措施的優越性[10]。

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ApplicationofFGSforMethanolPlantinIran

Zhao Rongchang, Ma Guoqiang

(China Tianchen Engineering Corporation, Tianjin，300400, China)

Fire and gas system(FGS) is an integration system of fire alarming system(FAS) and gas detection system (GDS).In addition to monitoring fire and combustible and toxic gas leaking,the system is also provided with accident alarming and fire extinguishing function.It is an important part of safety system in petrochemical plant fire prevention.Technical features and composition of FGS is introduced.Traditional FAS and GDS are compared.Difference between FGS and emergency shutdown device is discussed briefly.Combined with practical case, the application of FGS is expounded.Main function, basic composition, design scheme, and engineering difficulties on setting of detector, alertor,and control logic are expounded in detail with the engineering project in Iranian methanol plant.

fire alarm; gas detection; fire and gas system; safety protection layer; emergency shutdown device

稿件收到日期：2017-09-12，修改稿收到日期2017-10-21。

趙榮昌(1986—)，男，廣西崇左人， 2012年畢業于北京化工大學控制科學與控制工程專業，獲碩士學位，現就職于中國天辰工程有限公司，從事儀表工程設計工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)06-0007-05