趙霄

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

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石油化工裝置氣體檢測系統(tǒng)配置方案的設(shè)計(jì)探討

趙霄

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

由于氣體檢測系統(tǒng)(GDS)位于減災(zāi)層內(nèi)，本質(zhì)上與位于預(yù)防層內(nèi)的分散控制系統(tǒng)(DCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)具有完全不同的功能要求，根據(jù)IEC 61511獨(dú)立保護(hù)層分級(IPL)定義的設(shè)計(jì)理念，提出了GDS應(yīng)單獨(dú)設(shè)置的基本原則。從設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用的角度介紹了GDS三種典型的配置方案，即火災(zāi)及氣體檢測系統(tǒng)(FGS)、基于完全完整性等級(SIL)安全認(rèn)證的PLC氣體檢測系統(tǒng)、基于氣體報(bào)警控制器的氣體檢測系統(tǒng)。探討性地展望了未來GDS的主要技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

氣體檢測系統(tǒng) 火災(zāi)及氣體檢測系統(tǒng) 氣體報(bào)警控制器 獨(dú)立保護(hù)層 安全完整性等級 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

石油化工生產(chǎn)裝置及輔助設(shè)施內(nèi)不可避免存在著許多可燃和有毒氣體釋放源。為預(yù)防人身傷害以及火災(zāi)與爆炸事故的發(fā)生，保障石油化工企業(yè)的安全，在可能泄漏或聚集可燃、有毒氣體的地方，分別設(shè)有可燃、有毒氣體檢測器，并將信號接至氣體檢測系統(tǒng)(GDS)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求，報(bào)警信號應(yīng)發(fā)送至現(xiàn)場報(bào)警器和有人值守的控制室或現(xiàn)場操作室的報(bào)警指示設(shè)備，并且進(jìn)行聲光報(bào)警。GDS作為控制室或現(xiàn)場操作室內(nèi)的報(bào)警指示設(shè)備，在整個(gè)可燃和有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，既要及時(shí)準(zhǔn)確地向操作人員發(fā)出清晰明確的危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警，又能在必要時(shí)自動觸發(fā)聯(lián)鎖動作以保障人員和設(shè)備的安全。

筆者從設(shè)計(jì)角度對石油化工裝置GDS的基本設(shè)置原則和幾種典型配置方案進(jìn)行了闡述。

1 GDS的基本設(shè)置原則

根據(jù)文獻(xiàn)[2]定義的獨(dú)立保護(hù)層(IPL)模型，如圖1所示，工藝裝置通過自動化控制系統(tǒng)降低風(fēng)險(xiǎn)主要分為三個(gè)層面，即基本過程控制系統(tǒng)層(basic process control system layer)、預(yù)防層(prevention layer)和減災(zāi)層(mitigation layer)。文獻(xiàn)[2]還明確了預(yù)防(prevention)和減災(zāi)(mitigation)的含義：預(yù)防是用于減少發(fā)生危險(xiǎn)事件可能性的動作；減災(zāi)是減輕危險(xiǎn)事件后果的動作。

圖1 工藝裝置典型的風(fēng)險(xiǎn)降低方法(獨(dú)立保護(hù)層模型)

在石油化工裝置中，DCS是最主要的基本過程控制系統(tǒng)，用于工藝過程的連續(xù)測量、常規(guī)控制、復(fù)雜控制、順序控制、報(bào)警和過程聯(lián)鎖，并通過操作人員的監(jiān)控和管理使生產(chǎn)過程在正常情況下運(yùn)行至最佳工況。DCS提供的工藝報(bào)警、過程聯(lián)鎖和操作人員監(jiān)控等功能，既隸屬于IPL的基本過程控制系統(tǒng)層，又隸屬于預(yù)防層。安全儀表系統(tǒng)(SIS)位于獨(dú)立保護(hù)層的預(yù)防層內(nèi)，主要用于減少石油化工裝置發(fā)生危險(xiǎn)事件的可能性，在工藝過程超越極限安全的情況發(fā)生時(shí)，SIS會迅速將工藝過程、設(shè)備轉(zhuǎn)至安全狀態(tài)。而氣體檢測系統(tǒng)GDS(gas detection system)位于獨(dú)立保護(hù)層的減災(zāi)層內(nèi)，更關(guān)注于在發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)氣體泄漏后，如何減輕石油化工裝置發(fā)生危險(xiǎn)事件的后果。GDS沒有所謂的安全狀態(tài)(停車與開車都需要監(jiān)控)，而是一直處于連續(xù)工作和監(jiān)控的狀態(tài)，在可燃和有毒氣體檢測器發(fā)生報(bào)警時(shí)，迅速有效地提醒操作人員采取減低潛在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的措施，必要時(shí)自動啟動消防設(shè)備(如雨淋閥)或關(guān)閉有人值守的重要建筑物(如控制室或現(xiàn)場機(jī)柜室)內(nèi)的空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)等。

圖2是在工程設(shè)計(jì)階段，許多國際大型石油化工企業(yè)和知名控制系統(tǒng)廠商經(jīng)常采用的IPL模型，更加清晰地描述了GDS所處的位置和功能，并顯著區(qū)別于DCS和SIS。該模型與文獻(xiàn)[2]定義的IPL模型本質(zhì)上是一致的，所以從分級保護(hù)的理念而言，GDS與DCS和SIS有著完全不同的功能和設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，考慮到不同功能的要求，GDS應(yīng)獨(dú)立于DCS和SIS而單獨(dú)設(shè)置。中國國家安監(jiān)總局也曾在“安監(jiān)總管三〔2014〕116號”文件中特別提出了可燃和有毒氣體檢測系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于過程控制系統(tǒng)而單獨(dú)設(shè)置的基本原則，該原則的確定與上述的分析對比結(jié)果是基本一致的。

圖2 工程實(shí)踐中常用的獨(dú)立保護(hù)層模型

以下，從工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用的角度探討GDS的典型配置方案。

2 火災(zāi)及氣體檢測系統(tǒng)

采用火災(zāi)報(bào)警和氣體檢測報(bào)警一體化的火災(zāi)及氣體檢測系統(tǒng)(FGS)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

FGS獨(dú)立于DCS和SIS以及其他過程控制系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置。采用IEC安全認(rèn)證(安全完整性等級(SIL)認(rèn)證)的雙重化、三重化(TMR)或四重化(QMR)可編程控制器(PLC)，接受來自現(xiàn)場工藝裝置區(qū)的火災(zāi)、可燃?xì)怏w、有毒氣體探測器的信號及手動報(bào)警信號，啟動報(bào)警系統(tǒng)并進(jìn)行消防聯(lián)動。FGS數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)連接傳送到全廠消防控制中心。FGS應(yīng)具有順序事件記錄(SOE)功能，并在控制室配置獨(dú)立的FGS操作站(監(jiān)視站)。FGS與DCS進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，在DCS操作站上顯示報(bào)警及打印。

普通建筑物的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的主火災(zāi)報(bào)警控制盤(MFCP)，接受來自該建筑物的火災(zāi)檢測信號及手動報(bào)警信號，啟動該建筑物報(bào)警系統(tǒng)并進(jìn)行消防聯(lián)動。同時(shí)，MFCP將該建筑物的火災(zāi)報(bào)警信號集中通信傳輸?shù)紽GS，并最終在FGS上完成全廠火災(zāi)及氣體檢測信號的集成。

對于全廠性的FGS，通常在各個(gè)現(xiàn)場機(jī)柜室設(shè)置主控制系統(tǒng)，中心控制室內(nèi)則根據(jù)需要設(shè)置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(或遠(yuǎn)程I/O)，用于輔助操作臺上的硬接線報(bào)警。對于I/O點(diǎn)較少的若干現(xiàn)場機(jī)柜室(或裝置)也可以設(shè)置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(或遠(yuǎn)程I/O)，而將它們共用的FGS主控制系統(tǒng)設(shè)置在中心控制室內(nèi)。

FGS作為一種配置較高的PLC系統(tǒng)，可接收4～20mA兩線制、三線制或四線制的模擬輸入信號以及標(biāo)準(zhǔn)干接點(diǎn)數(shù)字量輸入信號，并可通過繼電器輸出有源或無源的數(shù)字量輸出信號。

FGS可提供的I/O規(guī)模比較大，單套系統(tǒng)可以達(dá)到幾百甚至上千點(diǎn)，組網(wǎng)后的系統(tǒng)規(guī)模理論上與全廠性SIS不相上下。根據(jù)中國國家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證(CCCF)的要求，F(xiàn)GS屬于消防電子產(chǎn)品，必須具有CCCF認(rèn)證證書，并且FGS宜配置后備電源。

圖3 FGS典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

3 基于SIL安全認(rèn)證的PLC氣體檢測系統(tǒng)

采用具有SIL安全認(rèn)證的PLC作為GDS，其典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

GDS獨(dú)立于DCS和SIS以及其他過程控制系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置。采用TüV/IEC安全認(rèn)證(SIL認(rèn)證)的PLC，接受來自現(xiàn)場工藝裝置可燃?xì)怏w、有毒氣體探測器的信號，啟動報(bào)警系統(tǒng)并在必要時(shí)進(jìn)行消防聯(lián)動。GDS數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)連接傳送到全廠消防控制中心。GDS應(yīng)具有SOE功能，并在控制室配置獨(dú)立的GDS操作站(監(jiān)視站)。GDS與DCS進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，在DCS操作站上顯示報(bào)警。

圖4 基于PLC的GDS典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

石油化工裝置中的GDS與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)基本各自獨(dú)立。GDS負(fù)責(zé)裝置的可燃及有毒氣體的檢測報(bào)警及相關(guān)聯(lián)鎖動作；火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)接受來自裝置和常規(guī)建筑物的火災(zāi)檢測信號及手動報(bào)警信號并進(jìn)行消防聯(lián)動。2套系統(tǒng)通常不做集成，基本沒有通信聯(lián)系，有時(shí)會有GDS硬接線DO信號送至火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)相關(guān)聯(lián)鎖。

對于全廠性的GDS，考慮到裝置的氣體檢測器I/O點(diǎn)數(shù)，通常采用幾套裝置(或FAR)共用1套GDS主控制系統(tǒng)的方案，即將1套GDS主控制器設(shè)置在CCR內(nèi)，而在相關(guān)的FAR內(nèi)設(shè)置GDS遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，這種配置方案的性價(jià)比相對較高。而對于有特殊要求的情況，也可以在FAR內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的GDS主控制系統(tǒng)，并根據(jù)需要在CCR內(nèi)設(shè)置GDS遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

基于SIL安全認(rèn)證的PLC氣體檢測系統(tǒng)可接收4～20mA兩線制、三線制或四線制模擬輸入信號以及標(biāo)準(zhǔn)干接點(diǎn)數(shù)字量輸入信號，并可通過繼電器輸出有源或無源的數(shù)字量輸出信號。

GDS可提供的I/O規(guī)模取決于裝置或工廠氣體檢測器的數(shù)量以及PLC的選型。較大的GDS，單套系統(tǒng)I/O規(guī)模可以達(dá)到幾百甚至上千點(diǎn)，組網(wǎng)后的系統(tǒng)規(guī)模理論上可與全廠性SIS不相上下。較小的GDS，單套系統(tǒng)I/O規(guī)模也可以達(dá)到100～300點(diǎn)。

GDS操作站集成石油化工裝置或工廠的氣體檢測畫面及其報(bào)警信息。GDS操作站可以提供清晰明確的聲光報(bào)警，有別于DCS的工藝報(bào)警，更好地提示操作人員。另外，GDS也可以通過輸出到輔助操作臺的硬接線信號，更加迅速有效地提醒操作人員。

基于SIL安全認(rèn)證的PLC氣體檢測系統(tǒng)目前也屬于CCCF認(rèn)證的消防電子產(chǎn)品，必須提供CCCF認(rèn)證證書。與FGS類似，GDS宜配置后備電源。

作為GDS的配置方案之一，基于SIL安全認(rèn)證的PLC氣體檢測系統(tǒng)屬于“典型”配置，大多應(yīng)用于國內(nèi)大、中型石化裝置和一體化項(xiàng)目，可以幾套裝置/系統(tǒng)單元合用1套GDS主控制系統(tǒng)。

4 基于氣體報(bào)警控制器的GDS

采用專業(yè)的氣體報(bào)警控制器作為GDS，氣體報(bào)警控制器應(yīng)符合文獻(xiàn)[3]中的相關(guān)技術(shù)要求。

相比于前兩種以PLC為基礎(chǔ)的GDS，以氣體報(bào)警控制器為基礎(chǔ)的GDS的I/O規(guī)模較小。

氣體報(bào)警控制器可接收4～20mA兩線制、三線制或四線制模擬輸入信號，可輸出4～20mA模擬信號，并可通過擴(kuò)展繼電器模塊輸出有源或無源的數(shù)字量信號。多數(shù)氣體報(bào)警控制器可提供串行通信接口，如：RS-485/232 Modbus-RTU，可與DCS等第三方控制系統(tǒng)進(jìn)行串行通信。

基于氣體報(bào)警控制器的GDS大多也支持全廠性的組網(wǎng)設(shè)計(jì)，通常的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置方案如下：FAR內(nèi)的多個(gè)氣體報(bào)警控制器通過串行通信連接在一起，所有的數(shù)據(jù)最終由1臺氣體報(bào)警控制器再通過串行通信的方式連接至CCR內(nèi)的上位機(jī)(操作站)。如果FAR和CCR的距離較遠(yuǎn)，不能直接采用RS-485通信電纜連接，則可以將串行通信信號轉(zhuǎn)換為光纜傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CCR內(nèi)的多臺上位機(jī)(操作站)可以通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)連接，并可在1臺公共上位機(jī)整合全廠的氣體檢測報(bào)警信息和數(shù)據(jù)，再通過以太網(wǎng)發(fā)送至消防控制中心。

氣體報(bào)警控制器自帶獨(dú)立的檢測報(bào)警顯示器和聲響報(bào)警，可以非常有效快速地提醒操作人員。如果采用上位機(jī)(操作站)作為主要報(bào)警人機(jī)界面，則需要?dú)怏w報(bào)警控制器制造廠根據(jù)用戶要求通過軟件組態(tài)提供高效的報(bào)警顯示畫面和聲響報(bào)警。

國家標(biāo)準(zhǔn)中對氣體報(bào)警控制器沒有SIL認(rèn)證的要求，因而氣體報(bào)警控制器不需要采取冗余容錯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]要求其具備自檢功能，完成系統(tǒng)的自我診斷。理論上講，基于氣體報(bào)警控制器的GDS的安全性(可靠性)和可用性比基于SIL安全認(rèn)證PLC的GDS要差。隨著工程項(xiàng)目和用戶對于GDS要求的不斷提高，目前已有多個(gè)主流氣體檢測器廠家可以提供帶有SIL認(rèn)證(SIL2為主)的氣體報(bào)警控制器，從而大幅提升了這類GDS的安全級別和可靠性。

基于氣體報(bào)警控制器的GDS屬于需要CCCF認(rèn)證的消防電子產(chǎn)品，必須提供CCCF認(rèn)證證書。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的要求，氣體報(bào)警控制器必須配置后備電源。

5 結(jié)束語

隨著健康安全環(huán)保(HSE)理念的深入人心，GDS的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也在日益提高，未來的GDS將逐步發(fā)展為有別于DCS和SIS等其他過程控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與DCS串行通信，具有冗余容錯結(jié)構(gòu)及SIL認(rèn)證，滿足CCCF強(qiáng)制認(rèn)證，并可提供系統(tǒng)后備電源的完全獨(dú)立的控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上組網(wǎng)建立的全廠性GDS將具有很高的安全性和可用性，能充分滿足國家消防標(biāo)準(zhǔn)，可連續(xù)不斷地監(jiān)控石油化工生產(chǎn)裝置和輔助設(shè)施內(nèi)的可燃或有毒氣體泄漏狀況，更有效地減低因危險(xiǎn)氣體泄漏而導(dǎo)致的災(zāi)害后果。

[1] 文科武，李蘇秦，羅明，等．GB 50493—2009石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

[2] IEC. IEC 61511 Functional Safety：Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector， Parts 1-3 [S]．Geneva：International Electrotechnical Commission， 2003.

[3] 宋希偉，費(fèi)春祥，張學(xué)軍，等．GB 16808—2008可燃?xì)怏w報(bào)警控制器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4] 丁宏軍，張穎琮，劉凱，等．GB 50116—2013火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國計(jì)劃出版社，2013.

[5] 李蘇秦，胡晨，董繼軍，等．GB 50160—2008石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S]．北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

[6] NFPA. NFPA 72 National Fire Alarm and Signaling Code [S]. Massachusetts：Technical Correlating Committee on Signaling Systems for the Protection of Life and Property (SIG-AAC), 2010.

[7] 張照千.基于FGS風(fēng)險(xiǎn)模型定量分析探測效果[J]．石油化工自動化，2011，47(05)：5-8.

Discussion on Design of Gas Detection System Configuration Scheme for Petrochemical Plant

Zhao Xiao

(Sinopec Engineering Incorporation, Beijing, 100101, China)

s：Gas detection system (GDS) is intrinsically with different function requirement comparing to distributed control system (DCS) and safety instrumented system (SIS) in prevention layer of IPL as it is in mitigation layer of IPL. Base on design philosophy of IEC 61511 independent protection layer (IPL) definition, basic principle of GDS being independent set is put forward. Three traditional configuration schemes of GDS：fire and gas detection system (FGS), GDS based on safety PLC with SIL certification and GDS based on gas alarm control unit for petrochemical plant are presented in details in accordance with design and engineering practice. Main technical feature and trend of development for GDS in petrochemical plant in future are forecasted.

gas detection system; fire and gas detection system; gas alarm control unit; independent protection layer; safety integrity level; system network architecture

趙霄(1974—)，男，漢族，1996年畢業(yè)于大連理工大學(xué)自動化系生產(chǎn)過程自動化專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石化工程建設(shè)有限公司儀表自控室，從事石油化工自動化及儀表專業(yè)的設(shè)計(jì)工作，任高級工程師。

TP274

B

1007-7324(2016)05-0007-05

稿件收到日期：2016-06-20，修改稿收到日期：2016-08-06。