基于遮擋率優化算法的火氣系統布點設計與評估技術

王聞博，巫前進，馬云鸝

（1.湛江南海西部石油勘察設計有限公司，廣東 湛江 524057；2.數字流動（蘇州）安全科技有限公司，江蘇 蘇州 215101；3.梅思安（中國）安全設備有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

火災及氣體監測報警系統（Fire and Gas system，FGS）簡稱火氣系統，一般部署在石油石化、天然氣和其他過程工業生產設施和裝置區域中，用于實時監測可燃氣體、有毒氣體泄漏及火災風險，并兼具報警和消防、保護功能，有時也稱為安全監測系統。從功能安全保護層的范疇來看，屬于減災保護層安全儀表系統（SIS），與預防保護層安全儀表系統（如緊急停車系統）相比，影響安全監測系統有效性的因素更多，也更為復雜。火氣系統除了產品選型、系統架構以及安全完整性等級能力外，現場探測設備的數量、安裝位置和方向等因素都會對火氣系統的有效性造成直接影響[9]。

圖1 采用點模型的火焰檢測示意圖Fig.1 Flame detection demonstration using point model

火氣系統有效發揮其預警和風險減緩作用，其前提是必須能夠高度準確、可靠地識別有毒氣體、可燃性氣體泄漏以及火災風險的發生，并能夠提供盡可能高的檢測覆蓋率。火氣系統布點方案的優劣直接決定了安全監測系統的有效性，對于整個工藝裝置區域的安全運行以及防災減災有效性，其重要性不言而喻[6]。

1 火氣系統布點設計中的火焰檢測模型

火氣檢測系統布點設計與評估優化技術是一種性能化的設計、評估技術。該技術基于IEC和ISA國際標準和規范，通過評估系統建模和分析計算，評估當前設施存在的安全風險和火氣系統檢測覆蓋率，并通過布點評估、優化，具體建議如何有效地降低風險等級，幫助工程設計人員和用戶快速選擇、調整最佳方案，進而提升系統的整體安全等級。目前，全球知名能源公司和工程設計公司（例如SHELL，BP，TOTAL，Chevron，Fluor，HYUNDAI等 ） 均廣泛使用性能化火氣系統布點設計與評估方法以及相關軟件[9]。

火氣系統布點設計和評估中，火焰探測器檢測覆蓋率的計算普遍采用基于幾何算法的空間分析方法。因為覆蓋率的計算是按照有效“點”的數量與總的點數量的比值，該模式也被稱為“點模型”。采用點模型的覆蓋率計算公式為：

式（1）中：NV以視距直線（Line of sight）的方式到達既定參考面的點的數量；NT以圓錐體形式，以最小包絡既定參考面為原則，總的點數量。參考面，一般為待評估區域內指定標高的水平面。

點模型的優勢是比較簡單，易于理解和執行，但是缺點也比較明顯。當火焰位于一些小規模的遮擋物之后，但并非完全遮擋時，布點分析軟件會誤認為火焰探測器無法檢測到該火焰。實際上，火焰并非呈點狀存在，而是以有限體積存在的羽流。如果在火焰與探測器之間存在小的物體或非連續遮擋，該火焰對于探測器來說部分可見，尚需進一步結合燃燒物質的特點（熱輻射量），才能準確地判斷該火焰是否能夠被檢測到[11]。

2 火焰探測器遮擋率分析

火羽流的復雜性，使得有效遮擋率的定義和計算變得非常重要。究竟什么形式的遮擋，以及多大面積和比例的遮擋會造成火焰探測器完全無法檢測到火焰，本章節以定量的方法對遮擋率進行定量分析和描述。

火焰探測器的遮擋率計算，一般有兩種方法，分別是空間幾何法和面積法。

①空間幾何法，采用高度比值，有效遮擋率計算公式為：

式（2）中：I為遮擋部分的高度，可根據測試環境和條件實地測量得到；L為火焰高度，參考《SFPE消防工程手冊》[10]，火焰高度的計算公式為：

式（3）中：D為火焰直徑，單位：m。實際計算中，可取火盆尺寸；Q為總熱釋放速率，在完全燃燒且穩態模式下，以模擬與實驗結合方式確定。

對于側邊型、縱向格柵型、水平格柵型及網格格柵型，為了計算的便利性，火焰探測遮擋率OG分別取保守估值50%，50%，50%，75%。

②面積法，采用面積比值，有效遮擋率計算公式為：

式（4）中：a為未被遮擋的火焰面積；A為全部的火焰面積。

圖2 火焰檢測遮擋實驗模型Fig.2 Flame detection obstruction ratio test scheme

圖4 使用面積法不同遮擋模式的火焰測試結果Fig.4 Test result of different obstruction mode using flame area rule

未被遮擋的火焰面積a，可按照分別不小于RGB（245，130，50）且未被遮擋的面積進行計算[5,8]。為了確保火焰檢測面積的準確性，按照每秒30幀率且持續20s進行取樣。

全部的火焰面積A，可采用《SFPE消防工程手冊》[10]推薦的經驗公式：

式（5）中：A為全部的火焰面積，單位：m2；Q平均熱釋放速率，單位：kW。

3 紅外熱輻射與遮擋模型實驗

3.1 實驗條件與模型

實驗條件：

◇ 室外，常溫環境，濕度約20%。

◇ 數字照相機，用于測量在特定安裝位置，能夠檢測到的火焰面積。

◇ 光譜輻射計（波長為4.5μm），用于測量在特定安裝位置，能夠接收到的紅外熱輻射強度。

3.2 實驗場景和內容

將正庚烷作為燃燒物質，配合不同尺寸的火盆，形成實驗所需要的火焰測試源見表1。

表1 火焰測試源分類Table 1 Fire source category

并采用7種遮擋模式如圖3所示。

圖3 7種遮擋模式下的火焰檢測實驗Fig.3 7 cases of obstruction mode for flame detection test

3.3 實驗結果與小結

當使用面積法評估遮擋率時，盡管存在不同的遮擋模式，光譜輻射計接收到的紅外熱輻射能量與遮擋率呈現出較為明顯的線性。

當使用空間幾何法評估遮擋率時，線性度相對來說稍差一些，但是紅外熱輻射能量與遮擋率也存在一定程度的相關性。

表2 火焰探測器性能測試結果Table 2 Flame detector performance test result

如果將不同遮擋模式進行細分，會發現上部型的紅外熱輻射能量高于平均水平，而下部型的情況正好相反。造成這一結果的主要原因，是物質燃燒產生的火焰的固有屬性。通常火焰的根部更加穩定且持續，而火焰頂部會出現斷續、跳躍的情況，所以當存在上部遮擋時，火焰探測器實際接收到的紅外熱輻射能量偏高。對測試結果小結如下：

圖5 使用空間幾何法不同遮擋模式的火焰測試結果Fig.5 Test result of different obstruction mode using geometrical rule

◇ 在相同遮擋率下，上部型遮擋比下部型遮擋具備更高的紅外熱輻射能量。

◇ 紅外熱輻射能量與遮擋率有線性相關性，當火焰形狀能夠被模擬時，紅外熱輻射能量能夠被精確預測。

◇ 即使火焰形狀無法模擬，也可以根據火焰與遮擋物的空間幾何關系粗略估算紅外熱輻射能量。

4 基于紅外熱輻射的火焰探測器性能實驗

繼續采用前述章節中的實驗條件和模型，但是采用3種不同規格型號火焰探測器（A，B，C）進行實測。根據測試結果可以發現：不同的火焰探測器，其實驗結果與產品數據表所宣稱的規格并不完全一致。例如，對于火焰探測器B和C，產品數據表宣稱：對于30 m的檢測距離，需要的紅外輻射能量值為40 kW，而從測試結果來看，需要的最低紅外輻射能量值約為10 kW。

表（2）中，“X”表示在該種測試場景及遮擋模式下，火焰未被檢測到；“√”表示能夠檢測到；數值表示火焰探測器處接收到的輻射能，單位：kW；陰影則表示實際接收到的輻射能低于火焰探測器所宣稱的所需最小輻射能。

實際上，除了產品本身的設計之外，影響火焰探測器檢測性能最關鍵的因素是火焰探測器能夠接收到的紅外輻射能量值，而遮擋類型、遮擋比率是需要適當考慮的因素之一。部分火焰探測器擁有比所宣稱的技術規格更好的性能，主要原因是在部分遮擋模式及遮擋率條件下，能夠檢測更小體積的火焰，只要其紅外輻射能量值足夠大。

由InsightNumerics公司研發的火氣系統布點設計與評估軟件Detect3D，針對部分遮擋模型下，火焰檢測結果不精確的問題進行了深入分析和優化，創新性地提出盒模型（Box model）的概念，并將本文實驗成果應用到該軟件中。

5 FGS火氣系統布點設計和評估優化工具Detect3D

Detect3D是由InsightNumerics公司研發的火氣系統布點設計與評估優化軟件，具有如下技術特點：

1）更高效，更經濟的火氣系統布點設計與評估工具

◇ 大幅縮減火氣系統布點設計與評估周期，典型項目一周即可完成。

◇ 在保證同等覆蓋率性能的前提下，探測器數量平均可優化減少約30%。

◇ 業內領先的CFD仿真與分析計算能力，可同時模擬上千種場景，更加精準的風險分布和檢測覆蓋率計算。

◇ 無縫兼容主流CAD/3D工程設計軟件，可直接導入PDMS，MICROSTATION，AUTOCAD，NAVISWORKS等軟件圖紙。

2）人性化設計，易于使用

◇ 探測器覆蓋有效性權重排名功能，可快速優化布點方案，刪減無效和低效探測器。

◇ 簡潔有邏輯性的樹形導航界面，符合ISA 84/GB布點有效性評估的工作流程。

◇ “定點指向”功能，可快速部署和調整探測器安裝位置、角度，大幅節省工程設計時間。

3）項目信息安全可控

◇ 所有的輸入、計算分析和優化均在本地完成。

◇ 所有項目信息、設計文件、施工圖紙等技術資料本地保存，機密信息不外泄。

圖6 火焰探測器檢測覆蓋率示例Fig.6 Flame detector coverage demonstration

◇ 經過培訓，用戶可快速掌握并獨立使用，不依賴第三方。

6 結束語

在石油石化、天然氣、化工等領域，構建安全、可靠的火氣系統對于保護各類生產設施和裝置非常重要。在火氣系統中，除了選擇高性能的火氣探頭以及必要的冗余架構之外，火氣探頭的布點有效性也必須給予充分的關注，否則火氣系統無法有效地發揮其作為保護層的目的。

只要被接收的紅外熱輻射強度足夠大，即使存在部分遮擋，火焰依然能夠被檢測到。Detect3D采用創新的盒模型，解決了在不同遮擋場景下，檢測動態火焰的準確性問題，并將遮擋模型中的上部型與下部型對于遮擋率、紅外熱輻射強度的影響納入其優化范圍，使該軟件成為業內為數不多的能夠解決這一技術難題的火氣探頭布點設計與評估工具。同時，大量工程實踐已證明Detect3D先進的算法和強大的評估、優化能力。