李麟, 馬云鸝

(1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000 2.梅思安(中國(guó))安全設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215000)

火災(zāi)及氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)(FGS)，簡(jiǎn)稱火氣系統(tǒng)，在某些行業(yè)被應(yīng)用于工業(yè)設(shè)施和裝置區(qū)域中，用于監(jiān)測(cè)火焰和可燃?xì)怏w、有毒氣體泄漏并具備報(bào)警和消防、保護(hù)功能。從功能安全保護(hù)層來(lái)看，屬于減災(zāi)保護(hù)層，與安全儀表系統(tǒng)(如緊急停車系統(tǒng))相比，影響FGS有效性的因素更多，也更為復(fù)雜。除自身的安全完整性外，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備的數(shù)量、布局和安裝位置，輸出響應(yīng)后消防、噴淋等災(zāi)難抑制措施的有效性，人員應(yīng)急響應(yīng)能力等因素都會(huì)對(duì)FGS的有效性造成影響。

FGS可有效發(fā)揮預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)減緩的作用，其前提是必須能夠高度準(zhǔn)確、可靠地識(shí)別有毒氣體、可燃性氣體泄漏，預(yù)防火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，并且能夠提供盡可能高的檢測(cè)覆蓋率，因此，布點(diǎn)方案決定了FGS的有效性，這對(duì)于整個(gè)工藝裝置區(qū)域的安全運(yùn)行，以及防災(zāi)減災(zāi)有效性，其重要性不言而喻。

1 安全監(jiān)測(cè)有效性評(píng)估的必要性

一般設(shè)計(jì)單位或者用戶會(huì)根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范、通行的做法和歷史項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行FGS的布點(diǎn)設(shè)計(jì)。雖然這些方法被普遍使用，但是由于沒有充分考慮復(fù)雜的氣體擴(kuò)散模型和泄漏場(chǎng)景、風(fēng)力和風(fēng)向因素，以及裝置內(nèi)設(shè)備擁塞程度和設(shè)施的遮擋情況，從而無(wú)法提供一種系統(tǒng)化的檢測(cè)有效性衡量方法，以及易于識(shí)別和評(píng)估的安全風(fēng)險(xiǎn)值；如果作業(yè)場(chǎng)所和裝置區(qū)采用不同的氣體或火焰檢測(cè)儀表部署方案，安全風(fēng)險(xiǎn)會(huì)出現(xiàn)怎樣的變化？現(xiàn)有的方案是否能夠減少布點(diǎn)數(shù)量并能保證同等甚至更高的檢測(cè)覆蓋率？如何識(shí)別系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，是需要重點(diǎn)解決的問題。

為了能夠有效評(píng)估FGS的有效性，需要引入安全監(jiān)測(cè)有效性的概念。安全監(jiān)測(cè)有效性就是通過(guò)覆蓋率計(jì)算得出有效性的量化結(jié)果，一般以探測(cè)覆蓋率來(lái)表征。此時(shí)，需要考慮所選擇的檢測(cè)技術(shù)是否適合現(xiàn)場(chǎng)工況以及工藝過(guò)程，探測(cè)器性能參數(shù)是否滿足減緩事故后果的要求，比如探測(cè)器的靈敏度是否足夠高，反應(yīng)速度是否足夠迅速等，以及最重要的探測(cè)器的布置位置在多大程度上能夠保證當(dāng)危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)能夠被及時(shí)地探測(cè)到。

2 性能化火氣系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估方法

FGS的設(shè)計(jì)方法一般分為兩類，技術(shù)規(guī)范型設(shè)計(jì)和性能評(píng)估型設(shè)計(jì)。技術(shù)規(guī)范型設(shè)計(jì)通常依照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)規(guī)范，是非常高效的設(shè)計(jì)手段，此時(shí)無(wú)需考慮系統(tǒng)的失效風(fēng)險(xiǎn)，也不用評(píng)估檢測(cè)覆蓋率。

然而，在一些存在較高安全風(fēng)險(xiǎn)，或者工藝流程較為復(fù)雜的裝置和環(huán)境中，除了技術(shù)規(guī)范型設(shè)計(jì)，有必要采用基于性能化的設(shè)計(jì)和評(píng)估方法，動(dòng)態(tài)衡量FGS的有效性并提供易于識(shí)別和評(píng)估的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值。

為了計(jì)算探測(cè)覆蓋率，需要采用布點(diǎn)分析技術(shù)。ISA-TR 84.00.07： 2018提供了兩種不同的評(píng)估技術(shù)，第一種稱為空間分析法，另一種稱為場(chǎng)景分析法。空間分析法采用的是幾何算法，典型如火焰探測(cè)器，通過(guò)計(jì)算其所能照射的錐體范圍得到覆蓋率；而對(duì)氣體探測(cè)器，則選擇覆蓋半徑來(lái)計(jì)算覆蓋率?？臻g分析法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量較小，比較容易執(zhí)行；缺點(diǎn)是有效覆蓋半徑小，通常需要布置更多的探測(cè)器來(lái)達(dá)到比較好的覆蓋效果。場(chǎng)景分析法的特點(diǎn)是側(cè)重于對(duì)氣體探測(cè)器的設(shè)計(jì)布置分析，需要考慮泄漏場(chǎng)景、風(fēng)力和風(fēng)向等因素，故而計(jì)算量較大，實(shí)際執(zhí)行時(shí)會(huì)有一定的挑戰(zhàn)性。其優(yōu)點(diǎn)是精確度高，直接針對(duì)目標(biāo)氣體，優(yōu)化后的探測(cè)器布置方案，包括探測(cè)器數(shù)量和部署位置都會(huì)更貼近于實(shí)際工況，尤其是采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)算法的設(shè)計(jì)與評(píng)估軟件工具，可模擬特定場(chǎng)景下氣體泄漏產(chǎn)生的氣云團(tuán)。目前，對(duì)于氣體探測(cè)器來(lái)說(shuō)，場(chǎng)景分析法是業(yè)界先進(jìn)的評(píng)估技術(shù)。兩種辦法分別適用于不同的場(chǎng)景，有時(shí)候亦可以互為補(bǔ)充。

3 性能化火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)估流程

性能化FGS布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估方法基于IEC和ISA國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，通過(guò)評(píng)估系統(tǒng)建模和分析計(jì)算，評(píng)估當(dāng)前設(shè)施存在的安全風(fēng)險(xiǎn)和FGS檢測(cè)覆蓋率，并通過(guò)布點(diǎn)優(yōu)化，具體建議如何有效地降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，幫助工程設(shè)計(jì)人員和用戶快速選擇最佳方案，最終提高整體的系統(tǒng)安全等級(jí)。性能化FGS設(shè)計(jì)與優(yōu)化流程如圖1所示。FGS設(shè)計(jì)與評(píng)估分為以下三個(gè)階段。

1)第一階段為風(fēng)險(xiǎn)分析階段。該部分需要定義出涉及的危險(xiǎn)區(qū)域，風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生導(dǎo)致的后果,風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻率，以及評(píng)估結(jié)果不對(duì)所涉及的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行減緩，所造成的后果。

2)第二階段為性能要求及設(shè)計(jì)階段。需要根據(jù)第一階段的分析結(jié)論，確定FGS的性能要求?；谛阅芤罂梢赃M(jìn)一步制定出概念性設(shè)計(jì)，但概念性設(shè)計(jì)僅為初步設(shè)計(jì)，是否能夠滿足所需要的性能要求，需要通過(guò)計(jì)算來(lái)驗(yàn)證。

3)第三階段為驗(yàn)證階段。探測(cè)器檢測(cè)覆蓋率、安全可用性、動(dòng)作有效性三部分來(lái)執(zhí)行，分別對(duì)應(yīng)于FGS性能三要素。綜合評(píng)估結(jié)果，最終可以判斷所設(shè)計(jì)的FGS是否能夠滿足第二階段定義的性能要求。

圖1 性能化FGS設(shè)計(jì)與優(yōu)化流程示意

目前，全球知名能源公司和工程公司均廣泛使用性能化FGS布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估方法以及相關(guān)軟件。該方法特點(diǎn)如下：

1)采用領(lǐng)先的場(chǎng)景檢測(cè)覆蓋分析模型。不同于常規(guī)的空間幾何檢測(cè)覆蓋分析，場(chǎng)景模式可以識(shí)別真正的安全風(fēng)險(xiǎn)，最大程度幫助客戶達(dá)成安全和成本的最佳平衡。

2)采用CFD軟件。對(duì)氣體泄漏、擴(kuò)散按照流體力學(xué)方程式進(jìn)行精確的模擬，而非劃定范圍或規(guī)定最大允許距離進(jìn)行部署，或者不考慮遮擋物而僅簡(jiǎn)單地計(jì)算爆炸性氣體云團(tuán)的大小。

3)無(wú)縫兼容主流CAD/3D工程設(shè)計(jì)軟件。例如PDMS,Microstation,SmartPlant 3D,AutoCAD等，可直接導(dǎo)入圖紙，實(shí)現(xiàn)全立體3D覆蓋率與殘留風(fēng)險(xiǎn)分析，包括氣體泄漏空間范圍，探測(cè)器檢測(cè)立體視角，障礙物設(shè)施類型和位置，障礙物設(shè)施遮擋效果等。

4)提高工程設(shè)計(jì)效率。采用計(jì)算機(jī)軟件模擬的方式，多個(gè)氣體擴(kuò)散分析場(chǎng)景可并行開展，分析與設(shè)計(jì)工作更加高效和準(zhǔn)確；當(dāng)面臨工程設(shè)計(jì)變更時(shí)，可以通過(guò)快速對(duì)比的方式漸進(jìn)地修改并獲得評(píng)估結(jié)果，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

經(jīng)過(guò)性能化的FGS設(shè)計(jì)與評(píng)估，用戶獲得的評(píng)估報(bào)告中的內(nèi)容包括： 2D或3D氣體和火災(zāi)檢測(cè)覆蓋圖；FGS當(dāng)前檢測(cè)覆蓋率對(duì)比分析；建議的檢測(cè)儀表部署位置方案；建議的部署數(shù)量；執(zhí)行該方案后的檢測(cè)覆蓋率，以及預(yù)計(jì)的剩余風(fēng)險(xiǎn)大小值。

4 應(yīng)用案例

香港電力集團(tuán)公司兩處燃?xì)饨邮照緝?nèi)FGS的有效性需要評(píng)估，性能化FGS用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電廠內(nèi)16個(gè)燃?xì)馇藟K所在區(qū)域內(nèi)，可能發(fā)生的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)性能化覆蓋有效性評(píng)估及后續(xù)的設(shè)計(jì)，能夠建立量化的評(píng)估體系，有助于客戶更直觀和理性地分析、判斷，確保該系統(tǒng)更加安全和經(jīng)濟(jì)，有效減緩火災(zāi)和氣體泄漏危害的后果，流程如下：

1)風(fēng)險(xiǎn)分析(略)。

2)確定性能目標(biāo)。燃?xì)饨邮照緳z測(cè)覆蓋性能目標(biāo)見表1所列。

表1 燃?xì)饨邮照緳z測(cè)覆蓋性能目標(biāo)

3)危險(xiǎn)區(qū)域分級(jí)(略)。

4)泄漏場(chǎng)景定義。通過(guò)定量的火焰燃燒模擬和氣體擴(kuò)散模擬分析，對(duì)火災(zāi)和可燃?xì)怏w爆炸性危險(xiǎn)分類和評(píng)價(jià)。氣體擴(kuò)散模型被用來(lái)描述較為顯著的可燃性氣體泄漏，泄漏孔徑直徑為5 mm，基于現(xiàn)場(chǎng)特定工況，裝置內(nèi)壓力、溫度等具體的參數(shù)見表2所列。這些分析將有助于確定該公司燃?xì)饨邮照緝?nèi)的固有風(fēng)險(xiǎn)，以及建議的火氣探測(cè)器初步布置方案。同時(shí)，評(píng)估了一系列危險(xiǎn)事件和場(chǎng)景，包括小型泄漏和中大型泄漏場(chǎng)景。

表2 燃?xì)饨邮照究扇細(xì)怏w的參數(shù)

5)流體力學(xué)算法氣體擴(kuò)散模擬。氣體擴(kuò)散模擬中，已考慮了環(huán)境相關(guān)的因素，如裝置所在位置的常年風(fēng)向和風(fēng)力的分布，以及泄漏源本身的特點(diǎn)，即不同的設(shè)備、部件，具有不同的失效頻率。采用CFD流體力學(xué)模擬軟件，可以得到針對(duì)上述泄漏場(chǎng)景的氣體擴(kuò)散參數(shù)見表3所列。

表3 模擬軟件中氣體泄漏擴(kuò)散參數(shù)

6)覆蓋有效性評(píng)估。該案例中，除了火焰(火災(zāi))探測(cè)器以外，還需要評(píng)估和計(jì)算可燃?xì)怏w探測(cè)器的覆蓋率，為了取得更加準(zhǔn)確的覆蓋有效性評(píng)估，采用了Kenexis公司的軟件工具Effigy,該軟件可結(jié)合CFD模擬技術(shù)，預(yù)測(cè)特定場(chǎng)景下氣體泄漏時(shí)產(chǎn)生的氣云團(tuán)，并與氣體探測(cè)器的布置方案進(jìn)行對(duì)比，從而得出氣體探測(cè)器的覆蓋率。除了構(gòu)筑物平面布局、遮擋外，危險(xiǎn)源特性(泄漏頻率)、工藝條件(組分、壓力、溫度)、現(xiàn)場(chǎng)氣象條件(風(fēng)力與風(fēng)向)、空氣擾動(dòng)和穩(wěn)定性、內(nèi)部空間擁擠程度等因素均需要綜合考慮。

7)布點(diǎn)方案與優(yōu)化建議。為了滿足覆蓋有效性的性能要求，梅思安公司建議在兩處區(qū)域共部署21個(gè)火焰探測(cè)器和58個(gè)可燃?xì)怏w探測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)80%覆蓋率(B級(jí))和60%覆蓋率(C級(jí))。FGS覆蓋有效性分析見表4所列。

表4 兩處區(qū)域FGS覆蓋有效性分析

經(jīng)過(guò)評(píng)估，建議在不低于2.6 m的高度安裝火焰探測(cè)器，朝北和朝東的火焰探測(cè)器采用45°下傾角，朝南和朝西的火焰探測(cè)器采用20°下傾角，以盡量避免或減少附近構(gòu)筑物可能帶來(lái)的誤報(bào)警。任一只火焰探測(cè)器報(bào)警，將觸發(fā)明顯的火災(zāi)聲光報(bào)警，并將相關(guān)信號(hào)(如火災(zāi)位置信息等)提供給火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，或中心控制系統(tǒng)。

同時(shí)，建議可燃?xì)怏w探測(cè)器安裝高度為1.5 m。任一只探測(cè)器報(bào)警(如大于10%LEL)，將觸發(fā)明顯的火災(zāi)聲光報(bào)警，并將火災(zāi)位置、可燃?xì)怏w氣體泄漏濃度信息等相關(guān)信號(hào)提供給FGS，或中心控制系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

FGS作為石油化工、天然氣生產(chǎn)、裝卸、儲(chǔ)運(yùn)等裝置現(xiàn)場(chǎng)重要的安全保護(hù)層，其功能有效性越來(lái)越受到重視。通過(guò)性能化FGS設(shè)計(jì)和評(píng)估方法，采用領(lǐng)先的場(chǎng)景檢測(cè)覆蓋分析模型，以及CFD軟件技術(shù)，對(duì)氣體泄漏、擴(kuò)散按照流體動(dòng)力學(xué)模型模擬，定量分析FGS的檢測(cè)覆蓋有效性和風(fēng)險(xiǎn)減緩能力，在確保相關(guān)裝置和設(shè)施安全運(yùn)行的前提下，可提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，給工程設(shè)計(jì)人員以及用戶提供了可量化、可視化的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估手段。