張亦林

（北京沃利帕森工程技術(shù)有限公司，北京100015）

1 石化裝置火災(zāi)危險(xiǎn)性概述

對(duì)于擁有上、中、下游產(chǎn)業(yè)鏈條模式的石油化工園區(qū)，如石油煉化企業(yè)，既儲(chǔ)備有大量易燃易爆液體、過(guò)熱液體等危險(xiǎn)化學(xué)品，又擁有高溫、高壓、臨氫等復(fù)雜高?；どa(chǎn)裝置和工藝過(guò)程，其火災(zāi)、爆炸事故形式以及災(zāi)害演化、傳播過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，極易蔓延成大面積火災(zāi)，導(dǎo)致裝置坍塌和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)大。其典型災(zāi)害事故類型主要有：可燃?xì)怏w或蒸汽泄漏爆炸，易燃物料泄漏形成噴射火或池火、流淌火，裝置超壓爆炸等［1－2］。對(duì)于以化工原料（包括油、氣以及其他化學(xué)品）倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸為主的石油化工園區(qū)，如大型戰(zhàn)略儲(chǔ)油庫(kù)，原料倉(cāng)儲(chǔ)貨運(yùn)基地等，此類園區(qū)通常不涉及復(fù)雜的化工工藝過(guò)程，但園區(qū)內(nèi)分布有大量油氣儲(chǔ)罐，以及物料輸送管線、交通運(yùn)輸線等，危險(xiǎn)源分布相對(duì)密集。其災(zāi)害事故類型主要有：儲(chǔ)罐雷擊與靜電火災(zāi)、儲(chǔ)罐及管線泄漏火災(zāi)、爆炸事故、明火引燃火災(zāi)、撞擊引發(fā)火災(zāi)、過(guò)熱液體溢沸（BLEVE）、蒸汽云爆燃、物理性爆炸、含能材料爆炸等［3］。

由于石油化工園區(qū)內(nèi)工藝裝置（包括儲(chǔ)罐及管線）分布密集，大量易燃易爆工業(yè)原料、產(chǎn)品等重大危險(xiǎn)源集中分布，一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸就極易產(chǎn)生多米諾效應(yīng)，引發(fā)大面積火災(zāi)、爆炸事故連鎖反應(yīng)，并同時(shí)出現(xiàn)多種火災(zāi)、爆炸事故形式。其中連鎖災(zāi)害事故誘導(dǎo)模式主要包括高溫?zé)彷椛?、流淌火蔓延、飛濺火、爆炸飛片以及爆炸沖擊波等［4］。

目前大多數(shù)石化工廠都將有毒可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警與火災(zāi)報(bào)警分別設(shè)置在不同的報(bào)警盤(pán)上，這樣存在多個(gè)盤(pán)面需要監(jiān)視。對(duì)于聯(lián)合裝置來(lái)講，傳統(tǒng)的可燃?xì)怏w報(bào)警盤(pán)分散在不同的控制室內(nèi)，不便于管理和維護(hù)。

火災(zāi)報(bào)警和氣體檢測(cè)系統(tǒng)FGS（Fire Alarm and Gas Detection System，簡(jiǎn)稱火氣系統(tǒng)）作為一種將火災(zāi)與可燃?xì)怏w檢測(cè)集成的新系統(tǒng)，目前在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用并不廣泛。由于目前國(guó)家相關(guān)部門(mén)還沒(méi)有明確的相關(guān)強(qiáng)制要求，一般設(shè)計(jì)院和用戶對(duì)其沒(méi)有清晰的概念，通常不會(huì)把它作為安全系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和設(shè)置，而是采用普通的民用型火災(zāi)報(bào)警器，結(jié)合DCS進(jìn)行氣體檢測(cè)和報(bào)警。而國(guó)際上的大項(xiàng)目一般都會(huì)采用專用安全系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的設(shè)備設(shè)置獨(dú)立的FGS，從而與SIS一起構(gòu)成一體化的工廠綜合安全系統(tǒng)［5］。

2 FGS的組成及其作用

2.1 系統(tǒng)定義及組成

FGS是針對(duì)火災(zāi)和氣體探測(cè)的安全管理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)化工裝置現(xiàn)場(chǎng)的消防按鈕、煙、火、可燃?xì)怏w、有毒氣體檢測(cè)信號(hào)的采集，經(jīng)過(guò)軟件邏輯輸出來(lái)控制報(bào)警燈、報(bào)警鈴、雨淋閥、泡沫閥及空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)入口閥等。

FGS由火焰檢測(cè)，可燃?xì)怏w檢測(cè)，有毒氣體檢測(cè)，煙霧檢測(cè)，輸出（燈、喇叭、釋放按鈕等）子系統(tǒng)組成。

2.2 FGS的技術(shù)特點(diǎn)

a）可靠性。根據(jù)系統(tǒng)安全等級(jí)的要求選用相應(yīng)安全等級(jí)的PLC（SIL3）作為火氣系統(tǒng)的控制器，各關(guān)鍵部分通過(guò)冗余設(shè)計(jì)，其性能可以達(dá)到SIL2或SIL3。

b）實(shí)時(shí)性。具有TUV安全認(rèn)證等級(jí)（SIL3）的安全PLC可以做到毫秒級(jí)響應(yīng)，能夠及時(shí)地在操作站和矩陣盤(pán)等設(shè)備上顯示現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信息，并且事件記錄（SOE）的分辨率也很高。

c）兼容性。可以根據(jù)生產(chǎn)裝置的實(shí)際情況把檢測(cè)火焰、可燃?xì)?、毒氣及手?dòng)報(bào)警信號(hào)（4～20mA兩線／三線、開(kāi)關(guān)量）進(jìn)行靈活組合。通過(guò)二總線，RS－485，硬接線或工業(yè)以太網(wǎng)等方式同DCS和SIS等通信，從而形成全廠的管理系統(tǒng)。

d）可用性?？梢愿鶕?jù)生產(chǎn)裝置的實(shí)際情況設(shè)計(jì)適合當(dāng)前情況的邏輯程序，以后的工藝流程如果有所變化，可以很方便地修改組態(tài)，而不用增加不必要的硬件成本。大量的信息可以通過(guò)簡(jiǎn)單的畫(huà)面進(jìn)行顯示，同時(shí)各種歷史記錄和數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行存儲(chǔ)和上傳。

e）擴(kuò)容性?；赑LC的技術(shù)在以后生產(chǎn)裝置進(jìn)行擴(kuò)容時(shí)，其大容量控制器可以滿足通常的點(diǎn)式增加，同時(shí)也可以方便對(duì)現(xiàn)行的監(jiān)控構(gòu)架進(jìn)行組態(tài)和修改。

2.3 FGS與傳統(tǒng)報(bào)警方式的比較

FGS與傳統(tǒng)報(bào)警的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1所列。

表1 FGS與傳統(tǒng)報(bào)警方式的比較

續(xù) 表 1

3 應(yīng)用實(shí)例

該公司曾經(jīng)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)了揚(yáng)子－巴斯夫IPS－II期中的某套精細(xì)化工產(chǎn)品裝置，該裝置以上游裝置的精制丙烯酸為原料，在一定溫度、壓力和催化劑等條件下，反應(yīng)生成白色、易脆、含有30%～50%固體物的產(chǎn)品，再通過(guò)干燥、篩選、表面交聯(lián)處理、后表面交聯(lián)等工藝處理后制成具有超強(qiáng)吸水功能的日用化學(xué)品原材料。由于該裝置的原料和中間原料中存在許多易燃易爆物質(zhì)，因而該裝置采用了FGS，筆者結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目談一下FGS在項(xiàng)目應(yīng)用中的設(shè)計(jì)體會(huì)。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器的設(shè)置

首先，根據(jù)《石油化工企業(yè)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求對(duì)下列設(shè)備附近設(shè)置可燃與有毒氣體檢測(cè)器，并連接至現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室（Rack Room）中的FGS［6］。

a）甲類氣體或有毒氣體壓縮機(jī)、液化石油氣泵、甲B類或成組布置的乙A類液體泵和能揮發(fā)出有毒氣體的液體泵的動(dòng)密封處。

b）在不正常運(yùn)行時(shí)可能泄漏甲類氣體、有毒氣體、液化石油氣或甲B類液體和能揮發(fā)出有毒氣體的液體排液口和不正常操作時(shí)可能攜帶液化石油氣、甲B類液體和能揮發(fā)出有毒氣體的液體排液口。

c）在不正常運(yùn)行時(shí)可能泄漏甲類氣體、有毒氣體、液化石油氣的設(shè)備或法蘭閥門(mén)處。

其次，在現(xiàn)場(chǎng)裝置的主要通道設(shè)置了防爆型火焰檢測(cè)器和防爆型火災(zāi)報(bào)警按鈕，通過(guò)電纜將其連接至現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室內(nèi)的FGS［7］，并且在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了火災(zāi)報(bào)警喇叭。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的火焰檢測(cè)器向FGS發(fā)出報(bào)警信號(hào)，由FGS向現(xiàn)場(chǎng)警號(hào)發(fā)出聲音報(bào)警命令，從而引起現(xiàn)場(chǎng)操作人員注意，并迅速撤離［8］，從而減少人員傷害。

3.2 FGS的系統(tǒng)配置

揚(yáng)子－巴斯夫公司的FGS采用北京康吉森公司的TS3000系統(tǒng)，用于FGS控制。相關(guān)的安全規(guī)范也完全依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)（達(dá)到TUV AK6），并完全符合國(guó)家消防安全資格認(rèn)證（CCCF認(rèn)證）［9］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 火氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

由圖1可以看出，整個(gè)火氣系統(tǒng)分為3個(gè)層次：現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)元件（可燃?xì)怏w檢測(cè)器、溫度檢測(cè)、火焰檢測(cè)器等），現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室內(nèi)的邏輯控制器，現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行元件（雨淋閥、消防栓、警號(hào)等），中央控制室（Control Room）內(nèi)的模擬報(bào)警盤(pán)，且包含了樓宇火災(zāi)報(bào)警盤(pán)及空調(diào)系統(tǒng)的公共報(bào)警等。

當(dāng)FGS發(fā)生系統(tǒng)功能故障、供電故障及檢測(cè)回路故障時(shí)，除發(fā)出故障報(bào)警外，均不能觸發(fā)檢測(cè)報(bào)警和消防閥。因此，在FGS中，整個(gè)裝置被定義為非故障安全模式（這點(diǎn)與SIS不同）。即在正常狀況下，現(xiàn)場(chǎng)的輸入輸出信號(hào)均處于“斷開(kāi)”和“不得電”狀態(tài)。故輸入到FGS中的邏輯“0”信號(hào)被認(rèn)為是正常狀態(tài)，邏輯“1”信號(hào)為報(bào)警狀態(tài)。因此，F(xiàn)GS中所有現(xiàn)場(chǎng)回路均必須具有回路檢測(cè)功能，用于及時(shí)發(fā)現(xiàn)回路中的潛在故障并及時(shí)得到處理和恢復(fù)，以保證回路在需要時(shí)能正常工作。

揚(yáng)巴公司在每套獨(dú)立的生產(chǎn)裝置區(qū)域中均設(shè)置獨(dú)立的FGS，并通過(guò)冗余的串行通信（Modbus）與各自的DCS進(jìn)行通信，同時(shí)將報(bào)警信號(hào)硬接線至各自控制室內(nèi)的模擬報(bào)警盤(pán)（每一個(gè)綜合樓里都有一個(gè)FGS的模擬報(bào)警盤(pán)）。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)操作人員能夠快速地判斷出事故發(fā)生的區(qū)域，并且在模擬盤(pán)上將包含不同的顏色燈用來(lái)指示不同類型的報(bào)警。如：紅色——火／煙報(bào)警、黃色——有毒氣體報(bào)警、藍(lán)色——可燃?xì)怏w報(bào)警、綠色——安全噴淋和洗眼器被使用的報(bào)警。

報(bào)警設(shè)置為二級(jí)報(bào)警。一級(jí)報(bào)警為常規(guī)的氣體泄漏指示報(bào)警，提示操作人員及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)巡邏；二級(jí)報(bào)警發(fā)生時(shí)則必須采取緊急處理措施，必要時(shí)發(fā)生消防聯(lián)鎖。在執(zhí)行時(shí)要遵循同一級(jí)別的報(bào)警中有毒氣體報(bào)警優(yōu)先，二級(jí)報(bào)警優(yōu)先于一級(jí)報(bào)警，且滿足發(fā)出的聲光報(bào)警能夠被保持，聲光報(bào)警信號(hào)能夠手動(dòng)消除，再次有報(bào)警信號(hào)輸入時(shí)仍能發(fā)出報(bào)警。

此外每套FGS均配置冗余的以太網(wǎng)接口，通過(guò)光纖通信連接至冗余的FGS中央交換機(jī)。設(shè)置在揚(yáng)巴公司緊急響應(yīng)中心以及消防支隊(duì)的HMI上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與各個(gè)FGS進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)監(jiān)視各個(gè)檢測(cè)元件的報(bào)警狀態(tài)，以便提高對(duì)緊急事件的快速響應(yīng)和處理能力。揚(yáng)巴公司FGS結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 揚(yáng)巴FGS結(jié)構(gòu)示意

3.3 FGS的配置特點(diǎn)

3.3.1 輸入輸出回路處理

a）模擬量輸入及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器的選用原則：

1）烴類可燃?xì)怏w可選用催化燃燒型或紅外氣體檢測(cè)器，當(dāng)使用場(chǎng)所的空氣中含有能使催化燃燒型檢測(cè)元件中毒的硫、磷、硅、鉛、鹵素化合物等介質(zhì)時(shí)，選用抗毒性催化燃燒型檢測(cè)器。

2）在缺氧或高腐蝕性等場(chǎng)所，選用紅外氣體檢測(cè)器。

3）氫氣檢測(cè)選用催化燃燒型、電化學(xué)型、熱傳導(dǎo)型或半導(dǎo)體型檢測(cè)器。

雖然氣體檢測(cè)器的類型不同，但其輸出信號(hào)均為4～20mA，直接接入系統(tǒng)的模擬量輸入卡，并與DCS直接通信。同時(shí)在邏輯中實(shí)現(xiàn)氣體濃度超限報(bào)警、斷路和短路報(bào)警以及校驗(yàn)狀態(tài)指示。為了保證可靠性，在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器設(shè)置為“二取一”方式。

b）數(shù)字量輸入?，F(xiàn)場(chǎng)的火焰探測(cè)信號(hào)采用了雙探頭檢測(cè)的類型，即探測(cè)信號(hào)來(lái)自紫外線檢測(cè)器和紅外檢測(cè)器。紫外、紅外檢測(cè)器分別探測(cè)不同部分的光譜，只有當(dāng)兩個(gè)檢測(cè)器同時(shí)探測(cè)到相應(yīng)的光譜時(shí)（因?yàn)檎嬲鸹饡r(shí)兩種光譜都會(huì)出現(xiàn)），火焰檢測(cè)器才會(huì)有輸出，這樣就避免了單獨(dú)使用紫外或紅外探頭時(shí)由某些原因（如閃電、電弧焊等）所引起的誤報(bào)警。該火焰探頭有兩個(gè)繼電器輸出，其故障繼電器的常閉點(diǎn)與終端電阻串接，并連在火焰繼電器的常開(kāi)點(diǎn)上。當(dāng)探頭有故障發(fā)生時(shí)，故障繼電器動(dòng)作，產(chǎn)生一故障（開(kāi)路）信號(hào)。當(dāng)探測(cè)到火焰時(shí)，火焰繼電器動(dòng)作，對(duì)系統(tǒng)輸入一報(bào)警信號(hào)。該紫外／紅外檢測(cè)器具有自動(dòng)測(cè)試功能，大約1min檢測(cè)1次，檢查探頭鏡頭的清潔度、傳感器的靈敏度和內(nèi)部電子電路的功能。如果連續(xù)3次均探測(cè)到故障，火焰探頭將對(duì)系統(tǒng)輸入一故障信號(hào)，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。

此外，由于FGS是非故障安全模式，因而系統(tǒng)中的觸點(diǎn)信號(hào)，如手動(dòng)報(bào)警、壓力開(kāi)關(guān)、流量開(kāi)關(guān)等，正常時(shí)均處于斷開(kāi)位置，報(bào)警時(shí)才會(huì)閉合。為了保證上述觸點(diǎn)信號(hào)在需要時(shí)能正常動(dòng)作，系統(tǒng)采用數(shù)字量輸入SDI（Supervised Digital Input）回路結(jié)構(gòu)來(lái)處理觸點(diǎn)輸入，也就是將觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)與一定阻值的電阻串并聯(lián)后引入模擬量輸入卡，如圖3所示。然后在邏輯中對(duì)輸入電流進(jìn)行判斷，以此來(lái)判斷回路的正常、報(bào)警、短路和斷路的狀態(tài)，并給出相應(yīng)的報(bào)警信息。例如當(dāng)沒(méi)有觸發(fā)報(bào)警時(shí)接入的負(fù)載為RL＋RDOL，當(dāng)有報(bào)警時(shí)接入卡件的負(fù)載為RL＋［RRDOL／（R＋RDOL）］，這樣通過(guò)接入負(fù)載值的不同來(lái)判斷現(xiàn)場(chǎng)狀況。

圖3 SDI回路結(jié)構(gòu)

c）數(shù)字量輸出。FGS中的DO輸出包括報(bào)警燈、報(bào)警喇叭、電磁閥等，正常時(shí)上述設(shè)備均處于“不得電”狀態(tài)。為了保證其在需要時(shí)能正常動(dòng)作，系統(tǒng)采用數(shù)字量輸出SDO（Supervised Digital Output）卡件來(lái)驅(qū)動(dòng)此類設(shè)備。SDO卡件能夠不斷地對(duì)輸出回路進(jìn)行檢測(cè)，以判斷回路是否處于健康狀態(tài)，輸出回路負(fù)載的失效將會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)報(bào)警，并給出對(duì)應(yīng)的故障通道，從而確保系統(tǒng)的可靠性。

3.3.2 電源系統(tǒng)

FGS供電采用雙路冗余供電，其中一路來(lái)自工廠UPS電源，另一路來(lái)自非UPS電源。其中任何一路電源斷開(kāi)均不影響FGS工作，同時(shí)TS3000系統(tǒng)還為FGS配置獨(dú)立的24h后備電池組，以保證當(dāng)全廠供電失效時(shí)，F(xiàn)GS仍然可以提供至少24h的工廠安全報(bào)警和保護(hù)，為處理故障提供足夠的時(shí)間保障。

3.3.3 系統(tǒng)報(bào)警

基于TS3000的火氣系統(tǒng)能夠提供全面的系統(tǒng)故障自診斷功能，同時(shí)獨(dú)特的三重化冗余結(jié)構(gòu)也使整個(gè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。系統(tǒng)中的任何故障，如系統(tǒng)故障、供電故障、回路故障、機(jī)柜溫度報(bào)警等，均能及時(shí)地顯示在各控制室內(nèi)的模擬報(bào)警盤(pán)上，并發(fā)出聲光報(bào)警。完備的自診斷和故障報(bào)警功能為FGS持續(xù)地保證裝置安全運(yùn)行提供了保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

揚(yáng)巴公司的FGS設(shè)計(jì)采用了全新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，其FGS與SIS具有同等的可靠性和可用性，同時(shí)具有較高的自動(dòng)化程度，總的來(lái)說(shuō)具有如下特點(diǎn)：

a）安全可靠。裝置區(qū)內(nèi)各種工藝設(shè)備復(fù)雜繁多，工藝物料種類多樣，任何一處出現(xiàn)安全隱患，均有可能引發(fā)大的災(zāi)難。因此，采用該系統(tǒng)可以做到早發(fā)現(xiàn)和早排除隱患。

b）自動(dòng)化程度高。分布在裝置區(qū)各處的檢測(cè)元件能夠及時(shí)迅速地把現(xiàn)場(chǎng)狀況發(fā)送到FGS的控制器中，并將報(bào)警發(fā)布到模擬顯示盤(pán)及DCS，在必要時(shí)迅速啟動(dòng)消防雨淋閥，檢測(cè)、傳輸、顯示、報(bào)警、消防啟動(dòng)幾乎在同一時(shí)間完成。

c）便于維護(hù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，無(wú)需太多的專業(yè)知識(shí)就能進(jìn)行日常維護(hù)。同時(shí)FGS的故障檢測(cè)功能齊全，且定位準(zhǔn)確，從而提高了維護(hù)效率，也同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。

d）毫秒級(jí)SOE功能（事故順序記錄）的實(shí)現(xiàn)極大地方便了用戶的事故數(shù)據(jù)采集，該功能彌補(bǔ)了普通民用火災(zāi)報(bào)警器的缺陷。

e）帶回路監(jiān)督功能的數(shù)字量輸入輸出模塊強(qiáng)化了系統(tǒng)的安全可靠性，強(qiáng)大的自檢功能可有效地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢測(cè)，從而降低了由于系統(tǒng)失效造成誤動(dòng)作的可能性，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控功能。

f）由于TS3000系統(tǒng)通過(guò)了國(guó)家消防安全強(qiáng)制認(rèn)證（GB 4717—93《火災(zāi)監(jiān)控》／GB 16808—1997《可燃?xì)獗O(jiān)控》，國(guó)家公安部消防產(chǎn)品合格評(píng)定中心CCCF認(rèn)證），在裝置開(kāi)車等消防驗(yàn)收手續(xù)上完全符合國(guó)家相關(guān)法律，減少了不必要的麻煩。

該系統(tǒng)投用后運(yùn)行平穩(wěn)可靠，并成功預(yù)報(bào)了多次氣體泄漏事件及火警信息，成功避免了更嚴(yán)重的事故發(fā)生，連同SIS一起成為裝置安全生產(chǎn)強(qiáng)有力的安全保障系統(tǒng)。

［1］ 丹尼爾A克勞爾.化工過(guò)程安全理論及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：822.

［2］ 經(jīng)建生，倪照鵬，馬恒，等.GB50016—2006建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

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