FGS在伊朗甲醇項(xiàng)目中的應(yīng)用

趙榮昌，馬國強(qiáng)

(中國天辰工程有限公司，天津300400)

FGS在伊朗甲醇項(xiàng)目中的應(yīng)用

趙榮昌，馬國強(qiáng)

(中國天辰工程有限公司，天津300400)

火氣系統(tǒng)(FGS)是火災(zāi)報警系統(tǒng)和氣體檢測系統(tǒng)的集成，用于監(jiān)控火災(zāi)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(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。介紹了FGS的技術(shù)特點(diǎn)和組成，與傳統(tǒng)火災(zāi)報警和氣體檢測系統(tǒng)進(jìn)行了比較，簡要分析了FGS和緊急停車系統(tǒng)的區(qū)別，并結(jié)合工程設(shè)計實(shí)例闡述了FGS的應(yīng)用情況，詳細(xì)介紹了伊朗某甲醇項(xiàng)目中FGS的主要功能、基本構(gòu)成、設(shè)計方案，以及檢測器、報警器、控制邏輯的設(shè)置等工程問題。

火災(zāi)報警 氣體檢測 火氣系統(tǒng) 安全防護(hù)層 緊急停車系統(tǒng)

在石化生產(chǎn)中，經(jīng)常面臨著火災(zāi)、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(chǎn)裝置的安全。隨著國家和各行業(yè)對安全生產(chǎn)越來越重視，為了保證人員和設(shè)備的安全，保護(hù)環(huán)境，需要一個及時、準(zhǔn)確、可靠的控制系統(tǒng)對現(xiàn)場危險因素進(jìn)行檢測和控制，將可能的事故消除在萌芽狀態(tài)，將已發(fā)生的事故損失最小化。因此，兼具火災(zāi)報警和氣體檢測的火氣系統(tǒng)FGS(fire and gas system)得到了越來越多的應(yīng)用和發(fā)展，如十幾年前投產(chǎn)的上海賽科石化項(xiàng)目就是典型的火氣一體化案例；FGS發(fā)展較早的油氣行業(yè)海上平臺項(xiàng)目也沿用了國際做法，從前期設(shè)計階段到項(xiàng)目實(shí)施，都將火災(zāi)報警和氣體檢測作為一個整體的系統(tǒng)考慮[1-3]。

FGS是用于監(jiān)控火災(zāi)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(tǒng)[1]。FGS在國外的石化裝置中是標(biāo)準(zhǔn)配置，但在國內(nèi)的應(yīng)用還不廣泛，主要原因有[4]:

1) 按照國內(nèi)工程公司傳統(tǒng)的專業(yè)分工，火災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)由電信或電氣專業(yè)設(shè)計，氣體檢測系統(tǒng)(GDS)由自控專業(yè)設(shè)計，2個系統(tǒng)的設(shè)計相互獨(dú)立，工程設(shè)計人員對FGS的認(rèn)識不夠深入。

2) FAS和GDS的設(shè)計和驗(yàn)收規(guī)范不同，國內(nèi)相關(guān)行業(yè)和部門沒有統(tǒng)一明確的標(biāo)準(zhǔn)和要求。根據(jù)行業(yè)設(shè)計慣例，一般在生產(chǎn)區(qū)設(shè)置GDS，而FAS覆蓋面較廣，通常辦公區(qū)和生產(chǎn)區(qū)均要求設(shè)置。

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

1 FGS的結(jié)構(gòu)形式

ISA將FGS定義為1套應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的自動化系統(tǒng), 用來探測過程控制中原料的損失，或者直接通過計量現(xiàn)場所存在的泄漏物的量，如氣體體積分?jǐn)?shù)、煙霧、熱輻射、火焰光來探測輕微的或嚴(yán)重的直至災(zāi)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(chǎn)生的后果[5]。

FGS可及時檢測出所保護(hù)區(qū)域范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的火災(zāi)和氣體泄漏，迅速做出判斷，采取正確措施以確保人員、設(shè)備和周圍環(huán)境的安全。從最初的FAS和GDS分開設(shè)置，到如今發(fā)展成1個獨(dú)立于DCS緊急停車系統(tǒng)(ESD)的安全保護(hù)系統(tǒng)，F(xiàn)GS幾種結(jié)構(gòu)形式[4]及優(yōu)缺點(diǎn)見表1所列。

表1 FGS的結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)缺點(diǎn)

基于安全PLC的FGS有如下結(jié)構(gòu):

1) 安全控制系統(tǒng)。控制器、電源、通信采用三重化冗余容錯結(jié)構(gòu)(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(tǒng)軟件，并支持卡件熱插拔和在線程序修改下裝。控制系統(tǒng)安全等級滿足要求，達(dá)到SIL2及以上。

2) 檢測單元。氣體檢測:可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測等；火災(zāi)探測:火焰、溫度及煙霧探測等。

3) 聯(lián)動輸出單元。聲光報警設(shè)備、自動噴水滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、消防泡沫滅火系統(tǒng)等。

4) 輔助單元。工業(yè)電視系統(tǒng)，廣播對講系統(tǒng)等。

2 FGS設(shè)計的幾個問題

2.1 FGS的獨(dú)立性

根據(jù)IEC 61511對于過程工業(yè)中工廠安全保護(hù)防災(zāi)結(jié)構(gòu)體系的分層描述原則[6]，在工藝流程的基本控制系統(tǒng)(BPCS)之外，存在著預(yù)防和減災(zāi)2個安全防護(hù)層級。工廠安全保護(hù)防災(zāi)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，ESD負(fù)責(zé)對整個裝置的生產(chǎn)安全變量進(jìn)行監(jiān)控，在事故狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)裝置的安全停車。下一層是減災(zāi)層，即FGS。ESD是對工藝流程的一種保護(hù)，而FGS則是對整個廠區(qū)的保護(hù)，以維護(hù)設(shè)備、人員、建筑物和周圍環(huán)境的安全為目的。因此，F(xiàn)GS的防護(hù)層級是高于DCS和ESD，當(dāng)上述2個系統(tǒng)失效時，F(xiàn)GS仍然能夠?qū)馂?zāi)和氣體泄漏進(jìn)行檢測，并驅(qū)動消防滅火設(shè)備，指導(dǎo)人員逃生。因此FGS是獨(dú)立于DCS和ESD之外的防護(hù)層，應(yīng)該獨(dú)立設(shè)置[3]。

2.2 FGS的故障和非故障安全性

FGS從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來說，和ESD一樣具有安全功能，是安全儀表系統(tǒng)(SIS)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。但國際上也有學(xué)者反對將FGS納入SIS，因?yàn)镕GS除了依賴于系統(tǒng)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(shè)置位置不合理、設(shè)置數(shù)量不夠，或者探測器被遮擋等，都會影響系統(tǒng)的性能。所以探測器的有效探測區(qū)域?qū)τ谙到y(tǒng)性能的保證具有重要影響[7-8]。

圖1 工廠安全保護(hù)防災(zāi)結(jié)構(gòu)體系示意

FGS和ESD的區(qū)別:

1) ESD的目標(biāo)是降低危險發(fā)生的頻率；FGS則是減輕危險造成的后果。

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

3 FGS的應(yīng)用案例

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

該FGS遵循了IPS伊朗國家石油標(biāo)準(zhǔn)和國際通用的關(guān)于FAS和GDS的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并獨(dú)立于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(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(xù)探測并早期發(fā)現(xiàn)可能泄漏和積聚的可燃?xì)怏w或有毒氣體。

2) 通過火災(zāi)探測器連續(xù)探測并早期發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的火焰或存在的火災(zāi)。

3) 執(zhí)行控制和聯(lián)鎖邏輯功能，控制雨淋閥、泡沫閥及暖通空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)的新風(fēng)入口閥等設(shè)備。

4) 設(shè)置聲光報警器，通過不同的顏色和聲音提醒現(xiàn)場危險區(qū)域的操作人員。

5) 設(shè)置操作站，火災(zāi)及氣體報警模擬(MIMIC)盤，直觀顯示報警發(fā)生的類型和所在區(qū)域。

6) 通過硬接線或通信方式，將相關(guān)的I/O狀態(tài)、儀表和設(shè)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(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

整個廠區(qū)有3個建筑物:控制室、MCC和化驗(yàn)樓，其余為生產(chǎn)裝置區(qū)。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計方案，全廠區(qū)的防火滅火安全網(wǎng)絡(luò)由兩部分組成：一部分是FGS，側(cè)重對工藝裝置的保護(hù)；另一部分是FACP，側(cè)重對3個建筑物的保護(hù)。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(yīng)部分。

圖2 甲醇項(xiàng)目中FGS構(gòu)成示意

3.1 檢測部分

在裝置區(qū)可能存在CO，H2，CH4，CH3OH等有毒可燃?xì)怏w的泄漏及火災(zāi)發(fā)生，氣體可能擴(kuò)散到建筑物內(nèi)。根據(jù)項(xiàng)目的生產(chǎn)特點(diǎn)和物料特性，該系統(tǒng)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(xiàn)場檢測報警設(shè)備。

3.1.1可燃?xì)怏w檢測器

1) 在裝置區(qū)設(shè)置紅外吸收式可燃?xì)怏w檢測器，用于檢測CH4，CH3OH等碳?xì)浠衔锝M成的可燃性氣體。

2) 在裝置區(qū)、建筑物電池間等區(qū)域設(shè)置催化燃燒式可燃?xì)怏w探測器，用于檢測H2。

3) 建筑物HVAC風(fēng)機(jī)入口處設(shè)置紅外吸收式可燃?xì)怏w檢測器，用于檢測可能進(jìn)入室內(nèi)的CH4。

可燃?xì)怏w檢測器設(shè)置20%LEL和40%LEL兩級報警。

3.1.2有毒氣體檢測器

在裝置區(qū)、建筑物HVAC風(fēng)機(jī)入口處設(shè)置電化學(xué)式有毒氣體檢測器，用于檢測CO。有毒氣體檢測器設(shè)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(qū)可能存在的火災(zāi)，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(zāi)初期不產(chǎn)生煙霧的場所。當(dāng)探測器檢測到火焰中對應(yīng)頻率的波長時，觸發(fā)報警。

3.1.4感溫電纜

采用差定溫型感溫電纜探測裝置區(qū)甲醇儲罐的溫度，當(dāng)儲罐溫度或其升溫速率超過設(shè)定值，則認(rèn)為有火災(zāi)發(fā)生并進(jìn)行報警。

3.1.5手動報警按鈕

在通道、樓梯出口以及設(shè)計的疏散路線上安裝手動報警按鈕，當(dāng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時敲碎玻璃蓋，觸發(fā)控制室和相應(yīng)區(qū)域的聲光報警。按照設(shè)計要求，手動報警按鈕需具有在線監(jiān)測功能。

3.2 控制部分

采用ICS Triplex Trusted系統(tǒng)，符合IEC 61508 SIL3標(biāo)準(zhǔn)，并獲得TüV AK6等級認(rèn)證，控制器冗余，通信卡冗余，并采用雙路110 V UPS供電，系統(tǒng)可靠性高。

3.2.1硬 件

1) 機(jī)柜。整個系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)約為500個，設(shè)置1個控制柜，4個輔助柜，布置在機(jī)柜間。

2) 操作站。設(shè)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(shè)置MIMIC盤，盤上包含了所有FGS分區(qū)的各類火災(zāi)，可燃、有毒氣體檢測器等報警信息，并設(shè)置測試按鈕、確認(rèn)按鈕、警笛和閃光報警燈等。它能直觀顯示各個區(qū)域的火災(zāi)和氣體檢測報警信息的實(shí)時狀態(tài)，提醒操作人員注意。

3.2.2軟 件

1) 軟件組態(tài)。采用IEC1131-TOOLSET進(jìn)行組態(tài)編程。根據(jù)工藝特點(diǎn)，將全廠劃分成若干個防護(hù)區(qū)域，以便于FGS的檢測、報警和聯(lián)鎖動作的設(shè)計與實(shí)施。在某個區(qū)域內(nèi)檢測到氣體泄漏或火災(zāi)信號時，操作人員能根據(jù)操作員站的畫面和MIMIC盤上的信號燈，快速判斷并準(zhǔn)確定位異常情況發(fā)生的區(qū)域。

2) 控制邏輯。FGS的I/O結(jié)構(gòu)與ESD類似，但與ESD邏輯不同:在正常狀況下，系統(tǒng)的輸入輸出信號均處于“斷開”和“不得電狀態(tài)”。故輸入到FGS中的邏輯“0”為正常信號，邏輯“1”為報警狀態(tài)，因此要求所有現(xiàn)場回路具有回路檢測功能，以便及時發(fā)現(xiàn)回路中的故障并進(jìn)行處理和恢復(fù)，保證各種儀表設(shè)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(fēng)機(jī)入口處，可燃?xì)怏w檢測采用“2oo3”邏輯。一級報警不動作，二級報警經(jīng)過“2oo3”表決邏輯后，將聯(lián)鎖信號傳遞給HVAC系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動作。

b) 火焰探測采用“2oo2”邏輯，只有當(dāng)2個火焰探測器同時探測到目標(biāo)區(qū)域的火災(zāi)時，才會報警并觸發(fā)消防滅火系統(tǒng)。

c) 裝置區(qū)的氣體檢測采用“1ooN”邏輯，當(dāng)檢測到氣體泄漏時，發(fā)出聲光報警，提示現(xiàn)場工作人員注意并及時采取相應(yīng)的措施。

d) 罐區(qū)的溫度監(jiān)控采用“1ooN”邏輯，當(dāng)儲罐溫度超過設(shè)定值或者升溫速率超過設(shè)定值，則認(rèn)為有火災(zāi)發(fā)生并進(jìn)行報警，觸發(fā)消防滅火系統(tǒng)。

3) 通信。FGS通過冗余的串行通信Modbus RS-485與FCS，F(xiàn)ACP和HVAC系統(tǒng)進(jìn)行通信，部分重要信號采用硬接線連接。

3.3 響應(yīng)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(qū)域設(shè)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(rèn)不同的危險類型，及時準(zhǔn)確地采取應(yīng)對措施。按照IPS伊朗國家石油標(biāo)準(zhǔn)[12]，聲光報警的設(shè)置見表2所列。

表2 FGS聲光報警器的設(shè)置要求

3.3.2消防滅火系統(tǒng)

裝置區(qū)設(shè)有自動噴水滅火系統(tǒng)和泡沫滅火系統(tǒng)。在FGS檢測到現(xiàn)場的火災(zāi)信號之后，經(jīng)過邏輯運(yùn)算，聯(lián)鎖啟動消防滅火系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計要求，雨淋閥、泡沫閥等采用正常時失電形式。

3.3.3HVAC系統(tǒng)

建筑物設(shè)有HVAC系統(tǒng)，當(dāng)FGS檢測到火災(zāi)或者可燃有毒氣體的信號時，經(jīng)過邏輯運(yùn)算，聯(lián)鎖HVAC系統(tǒng)，控制防火閥、新風(fēng)入口閥等設(shè)備。

4 結(jié)束語

火災(zāi)和氣體泄漏是石化裝置的特點(diǎn)造成的，具有不可預(yù)見性，F(xiàn)GS能預(yù)防安全事故的發(fā)生，防止災(zāi)害擴(kuò)大，保護(hù)人身和設(shè)備的安全，保護(hù)環(huán)境。正如早期的ESD是從DCS分離出來自成系統(tǒng)一樣，隨著生產(chǎn)裝置規(guī)模的擴(kuò)大，對系統(tǒng)控制功能要求的提高，可燃有毒氣體、火災(zāi)、煙霧等現(xiàn)場信號與手動報警按鈕、聲光報警器等設(shè)備也逐漸從DCS和FACP中分離出來，共同組成獨(dú)立的FGS，使DCS專用于正常生產(chǎn)時的控制，異常情況處理采用ESD，而火災(zāi)報警和氣體檢測由FGS來完成，從而組成一套功能強(qiáng)大完整的自動化控制系統(tǒng)[13]。

該項(xiàng)目FGS以安全型PLC為核心，將FAS和GDS進(jìn)行集成設(shè)計，并與FCS/FACP/HVAC等系統(tǒng)聯(lián)合，構(gòu)成了完整的防火滅火安全網(wǎng)絡(luò)，這種將相關(guān)系統(tǒng)和資源融合于一體的設(shè)計思路，具有統(tǒng)觀全局，完善配置，協(xié)調(diào)各種安全措施的優(yōu)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(yè)于北京化工大學(xué)控制科學(xué)與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國天辰工程有限公司，從事儀表工程設(shè)計工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)06-0007-05