火氣系統設計探討

黃志清

(中國五環工程有限公司,湖北 武漢 430223)

火氣系統FGS(fire alarm and gas detector system)包含火災自動報警系統和可燃氣體和有毒氣體檢測系統(GDS)。安監總管三(2014)116號文件發布前，化工裝置GDS的設計通常是根據GB 50493―2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》，在DCS中設置獨立的I/O卡件實現GDS的功能；而火災報警由火災自動報警系統實現。該文件發布后，指明化工裝置安全儀表系統(SIS)，包括安全聯鎖系統，緊急停車系統(ESD)，GDS等，應嚴格按照相關規范設計GDS。為確保其功能，相關系統應獨立于基本過程控制系統(BPCS)，根本原因是FGS，BPCS，SIS處于不同的保護層，即FGS屬于減輕保護層，BPCS和SIS屬于預防保護層。FGS應能在BPCS和SIS保護失效的情況下，降低危險事件產生的危害后果的嚴重程度。

按照目前發布的文件和規范， GDS獨立設置是必須嚴格執行的。FGS的功能安全可達到IEC 61508的 SIL3等級，并獲得了國家消防安全資格認證(CCCF)，完全符合國家法律和規范要求，是未來的發展趨勢。目前，國際上的大項目一般都會設置獨立的FGS，從而與SIS一起構成一體化的工廠綜合安全系統。

1 火氣系統基本構成

FGS由傳感器、邏輯控制器和最終元件等組成，用于探測可燃氣體、有毒氣體或火災報警。一旦出現異常狀態，可提供狀態報警、執行預定動作，或將工藝過程置于安全狀態，減輕危險事件的后果。傳感器包括氣體檢測器、火焰探測器、感煙火災探測器、感溫火災探測器以及手動火災報警按鈕等；邏輯系統一般為安全型可編程序控制器(PLC)；最終元件可能是聲光報警器、公共廣播報警系統(PA/GA)、噴淋系統、滅火系統，甚至工藝裝置聯鎖停車。FGS基本構成如圖1所示。

圖1 FGS基本構成示意

2 火氣系統工程設計

2.1 設計方法

目前國內絕大多數設計單位的專業分工是： GDS由儀表專業人員設計，火災自動報警系統由電信專業人員設計。以下根據某液化天然氣接收站項目工程設計經驗提供一種設計方法。

1) 裝置機柜間、綜合控制樓、變電所、辦公樓等建筑物的火災報警設施，由電信專業以建筑物火災自動報警系統控制器為核心進行設計，各個火災自動報警系統控制器通過光纖聯網，構成1個相對獨立的網絡化火災自動報警系統。整個火災自動報警系統的主要信號以數據通信方式或硬接線方式傳送給FGS。

2) 現場消防設備包括手動報警按鈕、火焰探頭及滅火系統等的施工圖紙由電信專業負責設計，電纜表作為FGS組態的輸入文件。

3) 儀表專業除了負責GDS的設計外，還需負責FGS組態文件如I/O表、報警聯鎖值一覽表、聯鎖系統邏輯圖等的設計，其中消防部分的I/O點和相關報警聯鎖信息由電信專業提供，以融合兩個專業的文件，方便FGS廠商組態。

2.2 輸入設備的設計

FGS的輸入設備主要包括氣體檢測器、火焰探測器、低溫探測器(RTD)、壓力開關、手動火災報警按鈕等。

1) 氣體檢測器。設計主要依據GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》，實現對工藝裝置和儲運設施可能存在可燃或有毒氣體泄漏的地方進行實時、連續的監測。另外控制室、機柜間、變配電所的空調引風口、電纜溝和電纜橋架進入建筑物房間的開洞處等可燃氣體和有毒氣體有可能進入建筑物的地方，宜設置檢測器[1]。氣體檢測器的設計應根據現場設備布置、氣體泄漏發生的可能性、氣體的特性以及現場環境等情況確定。氣體檢測器技術要求和試驗方法應遵循GB 12358—2006《作業場所環境氣體檢測報警儀通用技術要求》。

2) 火焰探測器。目前應用較為廣泛的火焰探測器是三頻紅外火焰探測器和紫外紅外復合火焰探測器，具有較高的抗干擾能力和較遠的探測距離。火焰探測器的技術要求和試驗方法等應遵循GB 15631—2008《特種火災探測器》，安裝設置可參照GB 50116—2013《火災自動報警系統設計規范》，應符合下列規定：

a) 應考慮探測器的探測視角及最大探測距離，可通過選擇探測距離長、火災報警響應時間短的火焰探測器，滿足保護面積要求和報警時間要求。

b) 探測器的探測視角內不應存在遮擋物。

c) 應避免光源直接照射在火焰探測器的探測窗口。

d) 單波段的火焰探測器不應設置在平時有陽光、白熾燈等光源直接或間接照射的場所。

3) 手動火災報警按鈕。設置可參照GB 50116—2013《火災自動報警系統設計規范》進行，即每個防災分區至少應設置1個手動報警按鈕。1個防火分區內的任何位置到最鄰近的手動報警按鈕的步行距離不應大于30 m。手動報警按鈕宜設置在主要道路的交界處、工藝裝置區的主要出入口、臨近易燃設備和主要工藝設備、設備控制操作點處，應設置在明顯和便于操作的部位。當采用壁掛方式安裝時，其底邊距所在地面高度宜為1.3～1.5 m，且應有明顯的標志。

4) 低溫探測器。低溫探測器在液化天然氣接收站中用于探測液化天然氣的泄漏，一般安裝在可能存在泄漏區域的低點，如排液溝底部和積液池底部。一般采用“2oo3”結構，當檢測到危險時觸發相應的泡沫滅火系統。

5) 壓力開關。壓力開關是消防噴淋系統中的主要部件，安裝在消防噴淋系統的濕式報警閥中，當消防噴淋管道的壓力小于供水端壓力時，壓力開關會自動動作，FGS檢測到壓力低開關信號后，聯鎖啟動消防噴淋泵進行加壓。

2.3 輸出設備的設計

FGS的輸出設備主要包括聲光報警器、消防聯動設備以及PA/GA和工業電視監測(CCTV)等，以下主要介紹聲光報警器的設計。

現場聲光報警器應就近設置在探測器所在的區域，安裝在操作人員易看到和易聽到的地方，如出入口，框架樓梯口等，安裝高度應距所在地面2.2 m以上。現場聲光報警器技術要求沒有相關規范可遵循，基于工程經驗和產品樣本資料，一般要求蜂鳴器聲壓等級宜大于105 dB，閃光燈瓦數宜不低于20 W。當探測到煙、熱、火焰危險時，蜂鳴器響并發出紅色閃爍；當探測到可燃有毒氣體時，蜂鳴器響并發出藍色閃爍；當氧氣探測器發生報警時，蜂鳴器響并發出黃色閃爍。

2.4 控制系統設計

2.4.1故障安全模式

FGS和ESD之間存在明顯的區別，即FGS正常狀態是不帶電的，得電時才執行動作。因為ESD是將工藝裝置置于安全狀態，意味著停止生產過程，一般被設計成故障安全模式。而FGS的誤動作有可能損害某些設備單元甚至可能造成人員傷亡，例如控制室的Halon或CO2噴淋系統，如果沒有預警突然泄放，將導致操作人員處于危險之中，所以FGS一般被設計為非故障安全模式，即當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，一般不能觸發報警裝置和消防聯動設備。

2.4.2控制系統配置要點

FGS的安全等級應取得IEC 61508 SIL3以上認證，具有完備的冗余、自診斷及容錯技術，所有設備和部件采用雙重或三重化、容錯結構。

1) 數字量輸入信號的處理。數字量輸入回路結構如圖2所示，由于FGS是非故障安全模式，數字量輸入如手動火災報警按鈕、壓力開關等，正常時均處于斷開位置，報警時才會閉合,以防止回路故障產生誤動作。為了保證上述觸點信號在危險事件發生時能正常動作并觸發報警和聯鎖，所有數字量輸入應進行在線監測，通常做法是將開關觸點與一定阻值的電阻串、并聯后引入模擬量輸入卡，一般R2的阻值是R1的數倍，如ABB系統，R1阻值為2.7 kΩ，R2阻值為10 kΩ，以明顯區分電流大小。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。

2) 數字量輸出。FGS中的數字量輸出包括聲光報警器、電磁閥等信號，正常時上述設備均處于不帶電狀態，為了保證其在要求觸發時能正常動作，系統采用的數字量輸出卡件應能對輸出回路進行在線監測，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。

圖2 數字量輸入回路結構示意

3) 系統報警。FGS應能夠提供全面的系統故障自診斷功能和較強的容錯能力，系統中的任何故障，如系統故障、供電故障、回路故障等，均應能被實時監控，并發出聲光報警；完備的自診斷和故障報警功能是FGS保證功能安全的重要保障。

4) 人機接口。人機接口包括FGS的操作站和輔操臺上的監控設備等，安裝在中心控制室的控制臺上。一般在輔操臺上安裝有與FGS硬接線連接的開關或按鈕等設備，用于手動啟動各種消防聯動設備。另外，應在操作室適當位置安裝1個火災報警控制盤來指示各防火分區和現場設備的工作狀態，危險發生時發出聲光警報，提醒操作人員，并可手動啟動相關消防聯動設備。同時，為了輔助安全撤離和消防救援可在控制臺上安裝1臺風速風向顯示器，風速風向儀一般安裝在中心控制室樓頂。

3 結束語

目前國內在建、已建的大型石化項目，消防報警系統的設計大部分還是采用相互獨立的GDS和火災自動報警系統，其設計分工明確，管理簡單，便于消防驗收。但隨著企業消防和安全設計理念與國際的逐漸接軌，FGS將被更廣泛的應用。

參考文獻：

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