淺析海上平臺火氣系統

張 超

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

火氣控制系統是用于監控火災、可燃氣及毒氣泄漏事故，并兼備報警和一定滅火功能的安全控制系統。其主要實現對工藝裝置、公用工程、油品儲運、建筑設施等危險環境的可燃氣體、有毒氣體及火災的檢測與報警，甚至必要的消防聯動功能，簡稱FGS。

首先，建立基本過程控制系統對過程對象的控制，如DCS等。它的外層是安全防護層，其中安全儀表控制系統即ESD系統，是由傳感器、邏輯運算單元和最終控制元件組成的控制系統，用于生產過程中預定條件受動沖擊時，自動將其置于安全狀態。通過這些預定條件，包括壓力高限、溫度高限等參數，使安全儀表能夠監測出潛在的危險工藝狀態。通過組態的聯鎖邏輯控制現場電磁閥等的切斷或導通，保護工業設備和人員的安全。下一層是減災層，它也包括安全儀表系統即火災和可燃氣安全控制系統，是更高一層的保護。兩者的區別是ESD是對工藝過程的一種保護，而FGS是對整個現場的保護，包括生產設備，FGS最重要的是保護人員安全，在危險發生時力爭把危險降到最小化。再外層的就是消防等緊急響應系統。

1 火氣探測系統構成

火氣控制系統由火氣探測設備、現場探/報警設備組成，與消防、緊急關斷（ESD)、報警（包括PAGA)、HVAC等系統有接口。基本硬件有：盤柜（控制器、卡件、通訊接口）、電源、操作站、工程師站、火災盤、可尋址盤。當現場的探測設備探測到火情或可燃氣體時，位于中控室的火氣控制系統連續監控這些現場設備，并采集這些火氣信號，送到火氣控制系統的邏輯單元，通過預先設置的邏輯關系進行處理，再通過與報警系統、應急關斷系統、消防系統和HVAC等系統的接口，實現相應的報警、關斷、消防和控制功能[1]。

軟件組成：組態及控制系統各種軟件；現場設備：探頭安裝、風機風閘安裝組合；現場的火氣探測及報警設備包括火焰探測器、熱探測器、煙霧探測器、可燃氣體探測器、手動報警站、手動CO2釋放站、蜂鳴報警器、平臺狀態燈等；供電要求：交流電220V±%，110V±10%；直流電：24V-5%～24V±10%；頻率及波形：頻率力（50±1）H2，波形為正波正弦波，波形失真小于10%。

2 火氣探測器工作原理

火災與可燃氣報警系統的目的是及時準確地探測到可能發生或已經發生的火情和可燃氣體泄漏事故，以便通過火氣控制系統或火災控制盤采取一系列的安全措施，如報警、關斷、消防，來保持平臺人員和設施安全。

當現場的探測設備探測到火情或可燃氣體時，位于中控室的火氣控制系統連續監控這些現場設備，采集這些火氣信號并送到火氣控制系統的邏輯單元，通過預先設定的邏輯關系進行處理，再通過與報警系統、應急關斷系統、消防系統和HVAC的接口，實現相應的報警、關斷、消防和控制功能。

火氣控制系統的框架如圖1、圖2所示[2]。

圖1 非尋址型火氣系統Fig.1 Non-addressable fire and gas system

圖2 可尋址型的火氣系統Fig.2 Addressable fire and gas system

3 火氣探測器分類及其應用

現場探測設備的選擇，關系整個系統準確有效的運行。目前生產廠家眾多，產品五花八門，要想選擇可靠性高、穩定性好的產品，首先要從原理上做好選型?，F場探測設備具有舉足輕重的作用，這些產品的質量直接關系到整個系統的運行，以下重點介紹可燃氣體探測器和火焰探測器。

1）可燃氣探測器

對可燃氣的檢測可分為化學法（催化燃燒傳感器）、半導體氣敏傳感器法。物理方式可分為紅外線檢測法、超聲式傳感器法。對近幾十年的應用情況分析，半導體氣敏傳感器因受外部溫差交叉反應等因素的影響，其穩定性不可靠，故在復雜工況條件下不做選用，一般用于密閉空間、實驗室等相對單一穩定的工況。催化燃燒傳感器技術成熟、價格低廉，已廣泛應用。一般使用壽命3～5年，但因其傳感器易中毒，如現場存有高濃度硫化氫（H2S）、鹵族元素，對其使用壽命產生影響。在日常維護工作中存在量大、零點漂移的現象，每年需定期標定校準。隨著技術的成熟，應用紅外原理進行檢測可燃氣的技術優勢、性價比的提升，已被越來越多的用戶所采用。紅外傳感器分為點式和開路式，它們都是利用氣體對紅外線吸收的原理來工作，可燃氣體的濃度越高，紅外線被吸收的越多。開路式氣體探測器與點式的不同在于，它有發射源和接收器兩個傳感元件?？扇細怏w的濃度通過比較，是否有可燃氣體存在情況下（即標準傳感元件）所接收到的紅外線輻射能的值來確定。使用壽命5年～10年，有的廠家質保期為5年，探頭具有自動校準功能，基本免維護。

2）火焰探測器

海上油氣生產設施可能會發生3類火災：

A類——木材、紙張、布匹、建筑材料及其他可燃物質的火災。

B類——易燃或可燃液體或氣體的火災，如原油、凝析油、天然氣等。

C類——供電電氣設備上發生的火災。

火災的發展一般經歷4個階段，即起始階段、引燃階段、火焰階段和發熱階段?；馂牡拿恳粋€漸進階段都會增加相應的危險，且可用不同的火災探測技術設備加以識別。根據火災的分類及火災的不同階段，針對不同的目的，火災探測器可選用以下設備。

◆ 紫外火焰探測器

◇ 優點：對所有的火源都可以檢測，響應時間快，通?？梢栽趦蓚€毫秒內探測到，所以可以做到及早的預警作用。

◇ 缺點：對太陽輻射、電弧焊接、X射線、伽瑪射線會產生誤報警。

◇ 應用場所：適用于需要及早發現火源的地方，如軍火庫；盡量安裝在室內。

◆ 單頻紅外火焰探測器

◇ 優點：可探測燃燒后產生CO2的火源；對燃燒時產生煙及蒸汽的火源可以探測；對閃電、電火花不會產生誤報警。

◇ 缺點：對燃燒產生硫化物的火源不能探測；對水、冰易引發故障。

◇ 應用場所：要考慮其特點是否可以滿足現場的環境要求，比如在雨水、冰雪多的地方，不宜安裝此類型的探測器。

◆ 紫外紅外復合型火焰探測器

◇ 優點：將單頻和紫外火焰探測器的所有優點集于一身，具有迅捷的響應時間。

◇ 缺點：將單頻和紫外紅外探測器的所有缺點集于一身。

◇ 應用場所：適其特點對應安裝。

◆ 三頻（多頻）火焰探測器

◇ 優點：最大限度降低誤報警，探測范圍增加，對所有的火源都可探測；克服了以上3種火焰探測器的缺點。

◇ 應用場所：可以放置到絕大多數場所。

如圖3光譜圖所示，可以看出每種光線的波長不同[3]。

圖3 光譜圖Fig.3 Spectrogram

目前從技術層面上來講，多頻譜紅外火焰探測器是最為成熟的產品，其原因如下：探測范圍大大增加，是其它類型火焰探測器的2倍～3倍，誤報警率大大降低，不易受外界干擾。

4 結束語

火氣控制系統的安全等級通常以整個系統的安全等級以及外圍的檢測設備來設定。安全等級可劃分為SIL1，SIL2，SIL3和SIL4。目前火氣控制系統已經可以達到SIL2，而外圍的安全檢測設備如火焰探測器、可燃氣體探測器、毒性氣體探測器都可以滿足SIL2的要求，但煙感探測器、溫感探測器不能達到SIL的要求。所以嚴格意義上說，火氣控制系統不能設置為SIL等級。如果將火災盤及煙感探測器、溫感探測器等相關的外圍設備剔除，那么這個系統（控制系統和外圍設備）就可以達到SIL等級。如果控制系統為SIL3，而外圍的檢測設備為SIL2，那么整個系統依然是SIL2。從目前來看，SIL2基本上可以滿足市場的需求。

對于SIL2，有一點還要說明一下：很多制造廠商都說自己的產品可以達到SIL的要求，但且不說是拿到的測試報告還是完整的證書，因為證書和測試報告是有本質的區別的。每個產品都附有安全手冊，其中會有維護提示，也就是說多長時間需要對產品進行維護才能滿足SIL其安全等級的要求，但往往被忽略了。通常是一年維護一次。比如，要滿足SIL2的要求需要每年對產品維護一次，要滿足SIL3的要求需要每3個月對產品維護一次，這對用戶來說太過繁瑣，工作量會大大增加，成本也會增加不少。