油氣站場自動控制系統火氣探測覆蓋率分析

李模剛 陳忱 楊偉 劉昳蓉 魯毅

1大慶恒安評價檢測有限公司

2北京中油建設項目勞動安全衛生預評價有限公司

3北京風控工程技術股份有限公司

油氣站場火氣探測（FGS）系統作為保證安全生產的一項重要技術措施，在可燃與有毒物質泄漏事故的早期管控中起著至關重要的作用。在檢索國內油田相關規范要求的基礎上，借鑒了國外油氣站場火氣探測設計流程，介紹油氣站場自動控制系統火氣探測覆蓋率、系統可靠性分析在設計階段中的應用過程，通過軟件評估和風險定量評估等敏感性分析，優化了火氣探測器的布置，使事故風險降至可接受程度。

1 國內油氣站場火氣探測規范要求

油氣站場火災安全的一個重要理念是在泄漏或火災發生的早期階段盡早發現，并及時警告操作與消防人員采取措施，或系統自動進行關斷噴淋等。泄漏或火災可以由現場人員發現或依靠各類檢測器探頭發現。典型的檢測器探頭可以分為以下幾類：可燃氣體檢測器探頭、溫度或火焰檢測器探頭、有毒氣體檢測器探頭、煙霧檢測器探頭[1]。油氣站場火氣探測設置主要依據GB 50183、GB 50350、GB 50116和GB 50493等規范（表1）。

表1 油氣站場火氣探測主要規范內容Tab.1 Main specification contents of FGS in oil and gas stations

上述國內規范中僅對檢測器的檢測范圍及檢測器的安裝位置提出了原則性的要求，在實際的工程項目中，經常會遇到以下問題：檢測器探頭應該布置在什么地方，裝多少檢測器才能有效檢測泄漏、火災等事故工況，檢測器是否應自動觸發工藝裝置的聯鎖關斷，如何避免檢測器探頭的誤報概率等。

另外，在檢測器報警后的人員響應過程中，通常會要求在確認火災或確認泄漏后進行工藝裝置關斷，但如何進行確認成為應急管理中的難題。一旦有毒氣體或可燃氣體大量泄漏，人員無法進行現場確認，工藝裝置的關斷權限應確定現場負責人，如果權限不足可能造成關斷延誤，導致事故擴大，危及人員生命安全。

2 設計流程與應急響應

根據多個國外油氣站場建設項目的實施經驗，參考IEC61511[6]的生命周期管理要求，國外火氣探測系統設計工作流程歸納如下：

（1）定義火氣探測系統的設計原則，確定風險削減能力要求。

（2）對檢測區域的劃分，各個區域內的風險場景辨識。

（3）各個區域內的火災與泄漏場景的定性、定量評估。

（4）根據風險辨識與評估的內容，確認區域的火災及泄漏頻率。

（5）依據火災及泄漏頻率、工程標準等對火氣探測的覆蓋率、功能性與可靠性做出要求。

（6）進行初步工程設計，明確各個區域的儀表選型、安裝位置要求、關斷或報警動作要求，并編制火氣探測系統的因果圖。

（7）進行火氣探測覆蓋率分析，優化檢測器探頭位置。必要時進行火氣探測系統可靠性分析，對其可靠性進行強化。

火氣探測主要包括火焰探測和可燃氣體/有毒氣體檢測。油氣站場火焰探測覆蓋率取決于火災發生的可能性，火災發生頻率越高的區域，其對應的火焰檢測覆蓋率越高，即FGS的風險削減能力要求越高。

火災發生頻率可以通過QRA定量風險評估的計算得到。QRA的計算結果不僅用于廠內、廠外間距的確定，同時可用于確定FGS檢測器覆蓋率，確定防火涂料要求與實施范圍，消防水噴淋用量計算和建筑物的抗爆計算等[7]。火焰檢測覆蓋率具體要求見表2。

表2 火焰檢測覆蓋率要求Tab.2 Requirement of flame detection coverage rate

可燃氣體檢測的主要目標是盡可能早地檢測可燃氣體的釋放和積累，以便能夠將泄漏源隔離，最大限度地減小釋放尺寸、點火的可能性和對設施的損壞[8]。

可燃氣體檢測覆蓋率取決于評估的空間類型，檢測的覆蓋率要求如表3所示。

表3 可燃氣體檢測覆蓋率要求Tab.3 Requirement of combustible gas detection coverage rate

3 火氣探測覆蓋率分析軟件

火氣探測覆蓋率的分析軟件目前主要為國外軟件，國內僅有FGS suite等少數自主開發的評估軟件。這些軟件的特點是以圖形分析的手段，用不同顏色標注了探頭的覆蓋范圍，能夠以圖形和數據兩種方式展示計算分析結果，并考慮了遮擋、探頭性能參數等輸入條件。

圖1 火焰檢測區域覆蓋Fig.1 Flame detection area coverage

火焰探測覆蓋區域通常以顏色區域劃分，圖1顯示了兩個火焰探測器的重疊覆蓋。其中綠色區域表示由2個以上的探測器監測的火災區域；藍色區域表示由1個探測器檢測的區域；紅色區域表示沒有被檢測到的盲區。

可燃氣體檢測覆蓋區域通常以顏色區域劃分，圖2顯示了2個可燃氣體探測器的重疊覆蓋。其中綠色區域表示由2個以上的探測器監測的可燃氣體擴散區域；藍色區域表示由1個探測器檢測的區域；紅色區域表示沒有被檢測到的盲區。

圖2 可燃氣體檢測區域覆蓋Fig.2 Combustible gas detection area coverage

4 典型火氣探測覆蓋率的分析結果

在天然氣壓縮機區域案例中，可見火氣探測覆蓋率模擬計算后的探頭布置差異。

在原設計圖3中，優化前壓縮機區域設有2臺（套）開路式可燃氣探測器，2臺紫外紅外雙波段火焰探測器，1臺點式可燃氣體檢測報警探頭，以及MAC手動報警裝置。

1ooN火焰探頭的覆蓋率已經超過90%，滿足這一區域的覆蓋率要求，且檢測器探頭的安裝高度不受遮擋。

圖3 壓縮機區域的火焰與可燃氣體檢測Fig.3 Flame and combustible gas detection of compressor area

因壓縮機廠房的存在，這一區域不能完全歸入開放空間，且可燃氣體探頭的1ooN的覆蓋率未達到80%。

經多個方案優化后，在壓縮機區域不增加可燃氣體檢測器布置的情況下，通過調整可燃氣體檢測器的布置位置，提高了壓縮機區域的檢測覆蓋率。

特別是經定量風險評估計算（可燃氣體泄漏其LEL爆炸下限濃度的擴散范圍），可燃氣體有可能到達配電室區域，即進入非防爆區域。因此在配電室的正壓通風進風口處設置點式可燃氣體檢測器，觸發正壓通風停機，并關閉入口導葉，避免可燃氣體泄漏后進入配電室。

5 結束語

通過對自動控制系統火氣探測覆蓋率分析與優化可以提高檢測火災、氣體泄漏的可靠度，更好地控制泄漏造成的事故風險。通過量化分析確定火焰與氣體檢測儀表的最佳類型、數量、布點位置，提供FGS布點優化方案，能夠有效地提高油氣站場安全等級并優化資源配置。

本文探討了火氣探測覆蓋率的分析方法及應用案例。覆蓋率是火氣探測系統可靠性的一個重要因素，為了能夠確保系統的可靠性，還需要從硬件失效頻率、系統冗余、檢測與校驗周期等多因素著手，提高火氣探測系統布置的可靠性。