黃志清

(中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

火氣系統(tǒng)FGS(fire alarm and gas detector system)包含火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)系統(tǒng)(GDS)。安監(jiān)總管三(2014)116號(hào)文件發(fā)布前，化工裝置GDS的設(shè)計(jì)通常是根據(jù)GB 50493―2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》，在DCS中設(shè)置獨(dú)立的I/O卡件實(shí)現(xiàn)GDS的功能；而火災(zāi)報(bào)警由火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該文件發(fā)布后，指明化工裝置安全儀表系統(tǒng)(SIS)，包括安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，緊急停車系統(tǒng)(ESD)，GDS等，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)GDS。為確保其功能，相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)，根本原因是FGS，BPCS，SIS處于不同的保護(hù)層，即FGS屬于減輕保護(hù)層，BPCS和SIS屬于預(yù)防保護(hù)層。FGS應(yīng)能在BPCS和SIS保護(hù)失效的情況下，降低危險(xiǎn)事件產(chǎn)生的危害后果的嚴(yán)重程度。

按照目前發(fā)布的文件和規(guī)范， GDS獨(dú)立設(shè)置是必須嚴(yán)格執(zhí)行的。FGS的功能安全可達(dá)到IEC 61508的 SIL3等級(jí)，并獲得了國家消防安全資格認(rèn)證(CCCF)，完全符合國家法律和規(guī)范要求，是未來的發(fā)展趨勢(shì)。目前，國際上的大項(xiàng)目一般都會(huì)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)。

1 火氣系統(tǒng)基本構(gòu)成

FGS由傳感器、邏輯控制器和最終元件等組成，用于探測(cè)可燃?xì)怏w、有毒氣體或火災(zāi)報(bào)警。一旦出現(xiàn)異常狀態(tài)，可提供狀態(tài)報(bào)警、執(zhí)行預(yù)定動(dòng)作，或?qū)⒐に囘^程置于安全狀態(tài)，減輕危險(xiǎn)事件的后果。傳感器包括氣體檢測(cè)器、火焰探測(cè)器、感煙火災(zāi)探測(cè)器、感溫火災(zāi)探測(cè)器以及手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕等；邏輯系統(tǒng)一般為安全型可編程序控制器(PLC)；最終元件可能是聲光報(bào)警器、公共廣播報(bào)警系統(tǒng)(PA/GA)、噴淋系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)，甚至工藝裝置聯(lián)鎖停車。FGS基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 FGS基本構(gòu)成示意

2 火氣系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方法

目前國內(nèi)絕大多數(shù)設(shè)計(jì)單位的專業(yè)分工是： GDS由儀表專業(yè)人員設(shè)計(jì)，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)由電信專業(yè)人員設(shè)計(jì)。以下根據(jù)某液化天然氣接收站項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提供一種設(shè)計(jì)方法。

1) 裝置機(jī)柜間、綜合控制樓、變電所、辦公樓等建筑物的火災(zāi)報(bào)警設(shè)施，由電信專業(yè)以建筑物火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)控制器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，各個(gè)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)控制器通過光纖聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成1個(gè)相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)化火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。整個(gè)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的主要信號(hào)以數(shù)據(jù)通信方式或硬接線方式傳送給FGS。

2) 現(xiàn)場(chǎng)消防設(shè)備包括手動(dòng)報(bào)警按鈕、火焰探頭及滅火系統(tǒng)等的施工圖紙由電信專業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，電纜表作為FGS組態(tài)的輸入文件。

3) 儀表專業(yè)除了負(fù)責(zé)GDS的設(shè)計(jì)外，還需負(fù)責(zé)FGS組態(tài)文件如I/O表、報(bào)警聯(lián)鎖值一覽表、聯(lián)鎖系統(tǒng)邏輯圖等的設(shè)計(jì)，其中消防部分的I/O點(diǎn)和相關(guān)報(bào)警聯(lián)鎖信息由電信專業(yè)提供，以融合兩個(gè)專業(yè)的文件，方便FGS廠商組態(tài)。

2.2 輸入設(shè)備的設(shè)計(jì)

FGS的輸入設(shè)備主要包括氣體檢測(cè)器、火焰探測(cè)器、低溫探測(cè)器(RTD)、壓力開關(guān)、手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕等。

1) 氣體檢測(cè)器。設(shè)計(jì)主要依據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝裝置和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施可能存在可燃或有毒氣體泄漏的地方進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)測(cè)。另外控制室、機(jī)柜間、變配電所的空調(diào)引風(fēng)口、電纜溝和電纜橋架進(jìn)入建筑物房間的開洞處等可燃?xì)怏w和有毒氣體有可能進(jìn)入建筑物的地方，宜設(shè)置檢測(cè)器[1]。氣體檢測(cè)器的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置、氣體泄漏發(fā)生的可能性、氣體的特性以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等情況確定。氣體檢測(cè)器技術(shù)要求和試驗(yàn)方法應(yīng)遵循GB 12358—2006《作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境氣體檢測(cè)報(bào)警儀通用技術(shù)要求》。

2) 火焰探測(cè)器。目前應(yīng)用較為廣泛的火焰探測(cè)器是三頻紅外火焰探測(cè)器和紫外紅外復(fù)合火焰探測(cè)器，具有較高的抗干擾能力和較遠(yuǎn)的探測(cè)距離?；鹧嫣綔y(cè)器的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法等應(yīng)遵循GB 15631—2008《特種火災(zāi)探測(cè)器》，安裝設(shè)置可參照GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，應(yīng)符合下列規(guī)定：

a) 應(yīng)考慮探測(cè)器的探測(cè)視角及最大探測(cè)距離，可通過選擇探測(cè)距離長(zhǎng)、火災(zāi)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間短的火焰探測(cè)器，滿足保護(hù)面積要求和報(bào)警時(shí)間要求。

b) 探測(cè)器的探測(cè)視角內(nèi)不應(yīng)存在遮擋物。

c) 應(yīng)避免光源直接照射在火焰探測(cè)器的探測(cè)窗口。

d) 單波段的火焰探測(cè)器不應(yīng)設(shè)置在平時(shí)有陽光、白熾燈等光源直接或間接照射的場(chǎng)所。

3) 手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕。設(shè)置可參照GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行，即每個(gè)防災(zāi)分區(qū)至少應(yīng)設(shè)置1個(gè)手動(dòng)報(bào)警按鈕。1個(gè)防火分區(qū)內(nèi)的任何位置到最鄰近的手動(dòng)報(bào)警按鈕的步行距離不應(yīng)大于30 m。手動(dòng)報(bào)警按鈕宜設(shè)置在主要道路的交界處、工藝裝置區(qū)的主要出入口、臨近易燃設(shè)備和主要工藝設(shè)備、設(shè)備控制操作點(diǎn)處，應(yīng)設(shè)置在明顯和便于操作的部位。當(dāng)采用壁掛方式安裝時(shí)，其底邊距所在地面高度宜為1.3～1.5 m，且應(yīng)有明顯的標(biāo)志。

4) 低溫探測(cè)器。低溫探測(cè)器在液化天然氣接收站中用于探測(cè)液化天然氣的泄漏，一般安裝在可能存在泄漏區(qū)域的低點(diǎn)，如排液溝底部和積液池底部。一般采用“2oo3”結(jié)構(gòu)，當(dāng)檢測(cè)到危險(xiǎn)時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的泡沫滅火系統(tǒng)。

5) 壓力開關(guān)。壓力開關(guān)是消防噴淋系統(tǒng)中的主要部件，安裝在消防噴淋系統(tǒng)的濕式報(bào)警閥中，當(dāng)消防噴淋管道的壓力小于供水端壓力時(shí)，壓力開關(guān)會(huì)自動(dòng)動(dòng)作，F(xiàn)GS檢測(cè)到壓力低開關(guān)信號(hào)后，聯(lián)鎖啟動(dòng)消防噴淋泵進(jìn)行加壓。

2.3 輸出設(shè)備的設(shè)計(jì)

FGS的輸出設(shè)備主要包括聲光報(bào)警器、消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備以及PA/GA和工業(yè)電視監(jiān)測(cè)(CCTV)等，以下主要介紹聲光報(bào)警器的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器應(yīng)就近設(shè)置在探測(cè)器所在的區(qū)域，安裝在操作人員易看到和易聽到的地方，如出入口，框架樓梯口等，安裝高度應(yīng)距所在地面2.2 m以上。現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器技術(shù)要求沒有相關(guān)規(guī)范可遵循，基于工程經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品樣本資料，一般要求蜂鳴器聲壓等級(jí)宜大于105 dB，閃光燈瓦數(shù)宜不低于20 W。當(dāng)探測(cè)到煙、熱、火焰危險(xiǎn)時(shí)，蜂鳴器響并發(fā)出紅色閃爍；當(dāng)探測(cè)到可燃有毒氣體時(shí)，蜂鳴器響并發(fā)出藍(lán)色閃爍；當(dāng)氧氣探測(cè)器發(fā)生報(bào)警時(shí)，蜂鳴器響并發(fā)出黃色閃爍。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1故障安全模式

FGS和ESD之間存在明顯的區(qū)別，即FGS正常狀態(tài)是不帶電的，得電時(shí)才執(zhí)行動(dòng)作。因?yàn)镋SD是將工藝裝置置于安全狀態(tài)，意味著停止生產(chǎn)過程，一般被設(shè)計(jì)成故障安全模式。而FGS的誤動(dòng)作有可能損害某些設(shè)備單元甚至可能造成人員傷亡，例如控制室的Halon或CO2噴淋系統(tǒng)，如果沒有預(yù)警突然泄放，將導(dǎo)致操作人員處于危險(xiǎn)之中，所以FGS一般被設(shè)計(jì)為非故障安全模式，即當(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，一般不能觸發(fā)報(bào)警裝置和消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備。

2.4.2控制系統(tǒng)配置要點(diǎn)

FGS的安全等級(jí)應(yīng)取得IEC 61508 SIL3以上認(rèn)證，具有完備的冗余、自診斷及容錯(cuò)技術(shù)，所有設(shè)備和部件采用雙重或三重化、容錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

1) 數(shù)字量輸入信號(hào)的處理。數(shù)字量輸入回路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于FGS是非故障安全模式，數(shù)字量輸入如手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕、壓力開關(guān)等，正常時(shí)均處于斷開位置，報(bào)警時(shí)才會(huì)閉合,以防止回路故障產(chǎn)生誤動(dòng)作。為了保證上述觸點(diǎn)信號(hào)在危險(xiǎn)事件發(fā)生時(shí)能正常動(dòng)作并觸發(fā)報(bào)警和聯(lián)鎖，所有數(shù)字量輸入應(yīng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，通常做法是將開關(guān)觸點(diǎn)與一定阻值的電阻串、并聯(lián)后引入模擬量輸入卡，一般R2的阻值是R1的數(shù)倍，如ABB系統(tǒng)，R1阻值為2.7 kΩ，R2阻值為10 kΩ，以明顯區(qū)分電流大小。然后在邏輯中對(duì)輸入電流進(jìn)行判斷，以此來判斷回路的正常、報(bào)警、短路和斷路的狀態(tài)，并給出相應(yīng)的報(bào)警信息。

2) 數(shù)字量輸出。FGS中的數(shù)字量輸出包括聲光報(bào)警器、電磁閥等信號(hào)，正常時(shí)上述設(shè)備均處于不帶電狀態(tài)，為了保證其在要求觸發(fā)時(shí)能正常動(dòng)作，系統(tǒng)采用的數(shù)字量輸出卡件應(yīng)能對(duì)輸出回路進(jìn)行在線監(jiān)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。

圖2 數(shù)字量輸入回路結(jié)構(gòu)示意

3) 系統(tǒng)報(bào)警。FGS應(yīng)能夠提供全面的系統(tǒng)故障自診斷功能和較強(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、回路故障等，均應(yīng)能被實(shí)時(shí)監(jiān)控，并發(fā)出聲光報(bào)警；完備的自診斷和故障報(bào)警功能是FGS保證功能安全的重要保障。

4) 人機(jī)接口。人機(jī)接口包括FGS的操作站和輔操臺(tái)上的監(jiān)控設(shè)備等，安裝在中心控制室的控制臺(tái)上。一般在輔操臺(tái)上安裝有與FGS硬接線連接的開關(guān)或按鈕等設(shè)備，用于手動(dòng)啟動(dòng)各種消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備。另外，應(yīng)在操作室適當(dāng)位置安裝1個(gè)火災(zāi)報(bào)警控制盤來指示各防火分區(qū)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)，危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)發(fā)出聲光警報(bào)，提醒操作人員，并可手動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備。同時(shí)，為了輔助安全撤離和消防救援可在控制臺(tái)上安裝1臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向顯示器，風(fēng)速風(fēng)向儀一般安裝在中心控制室樓頂。

3 結(jié)束語

目前國內(nèi)在建、已建的大型石化項(xiàng)目，消防報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大部分還是采用相互獨(dú)立的GDS和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)分工明確，管理簡(jiǎn)單，便于消防驗(yàn)收。但隨著企業(yè)消防和安全設(shè)計(jì)理念與國際的逐漸接軌，F(xiàn)GS將被更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[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(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 中國計(jì)劃出版社,2009.

[2] 丁宏軍,張穎琮,劉凱,等.GB 50116—2013 火災(zāi)自動(dòng)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.

[3] 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.

[4] 杜蘭萍,馬恒,倪照鵬,等.GB 50016—2014 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京： 中國計(jì)劃出版社,2014.

[5] National Fire Protection Association．NFPA-72 National Fire Alarm and Signaling Code[S].Quincy： NFPA, 2010.

[6] IEC.IEC 61511—2003 Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector[S]. Geneva： IEC, 2003.

[7] 徐永漢.火氣系統(tǒng)在石化企業(yè)的應(yīng)用策略[J].石油化工自動(dòng)化,2011,47(06)： 22-24.

[8] 張亦林.火氣系統(tǒng)在石化裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2012,48(02)： 11-15.

[9] 趙建偉，張劍. 石化企業(yè)火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].石油化工自動(dòng)化,2016,52(03)： 24-27.

[10] 李浩然,宋曉熹,白露.淺析LNG接收站FGS設(shè)計(jì)[J].燃料與化工,2015,46(04)： 62-65.