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(tǒng)是用于監(jiān)控火災(zāi)、可燃?xì)饧岸練庑孤┦鹿?，并兼?zhèn)鋱?bào)警和一定滅火功能的安全控制系統(tǒng)。其主要實(shí)現(xiàn)對工藝裝置、公用工程、油品儲運(yùn)、建筑設(shè)施等危險(xiǎn)環(huán)境的可燃?xì)怏w、有毒氣體及火災(zāi)的檢測與報(bào)警，甚至必要的消防聯(lián)動功能，簡稱FGS。

首先，建立基本過程控制系統(tǒng)對過程對象的控制，如DCS等。它的外層是安全防護(hù)層，其中安全儀表控制系統(tǒng)即ESD系統(tǒng)，是由傳感器、邏輯運(yùn)算單元和最終控制元件組成的控制系統(tǒng)，用于生產(chǎn)過程中預(yù)定條件受動沖擊時(shí)，自動將其置于安全狀態(tài)。通過這些預(yù)定條件，包括壓力高限、溫度高限等參數(shù)，使安全儀表能夠監(jiān)測出潛在的危險(xiǎn)工藝狀態(tài)。通過組態(tài)的聯(lián)鎖邏輯控制現(xiàn)場電磁閥等的切斷或?qū)?，保護(hù)工業(yè)設(shè)備和人員的安全。下一層是減災(zāi)層，它也包括安全儀表系統(tǒng)即火災(zāi)和可燃?xì)獍踩刂葡到y(tǒng)，是更高一層的保護(hù)。兩者的區(qū)別是ESD是對工藝過程的一種保護(hù)，而FGS是對整個(gè)現(xiàn)場的保護(hù)，包括生產(chǎn)設(shè)備，F(xiàn)GS最重要的是保護(hù)人員安全，在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)力爭把危險(xiǎn)降到最小化。再外層的就是消防等緊急響應(yīng)系統(tǒng)。

1 火氣探測系統(tǒng)構(gòu)成

火氣控制系統(tǒng)由火氣探測設(shè)備、現(xiàn)場探/報(bào)警設(shè)備組成，與消防、緊急關(guān)斷（ESD)、報(bào)警（包括PAGA)、HVAC等系統(tǒng)有接口?；居布校罕P柜（控制器、卡件、通訊接口）、電源、操作站、工程師站、火災(zāi)盤、可尋址盤。當(dāng)現(xiàn)場的探測設(shè)備探測到火情或可燃?xì)怏w時(shí)，位于中控室的火氣控制系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控這些現(xiàn)場設(shè)備，并采集這些火氣信號，送到火氣控制系統(tǒng)的邏輯單元，通過預(yù)先設(shè)置的邏輯關(guān)系進(jìn)行處理，再通過與報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和HVAC等系統(tǒng)的接口，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警、關(guān)斷、消防和控制功能[1]。

軟件組成：組態(tài)及控制系統(tǒng)各種軟件；現(xiàn)場設(shè)備：探頭安裝、風(fēng)機(jī)風(fēng)閘安裝組合；現(xiàn)場的火氣探測及報(bào)警設(shè)備包括火焰探測器、熱探測器、煙霧探測器、可燃?xì)怏w探測器、手動報(bào)警站、手動CO2釋放站、蜂鳴報(bào)警器、平臺狀態(tài)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(zāi)與可燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的目的是及時(shí)準(zhǔn)確地探測到可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的火情和可燃?xì)怏w泄漏事故，以便通過火氣控制系統(tǒng)或火災(zāi)控制盤采取一系列的安全措施，如報(bào)警、關(guān)斷、消防，來保持平臺人員和設(shè)施安全。

當(dāng)現(xiàn)場的探測設(shè)備探測到火情或可燃?xì)怏w時(shí)，位于中控室的火氣控制系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控這些現(xiàn)場設(shè)備，采集這些火氣信號并送到火氣控制系統(tǒng)的邏輯單元，通過預(yù)先設(shè)定的邏輯關(guān)系進(jìn)行處理，再通過與報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和HVAC的接口，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警、關(guān)斷、消防和控制功能。

火氣控制系統(tǒng)的框架如圖1、圖2所示[2]。

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

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

3 火氣探測器分類及其應(yīng)用

現(xiàn)場探測設(shè)備的選擇，關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確有效的運(yùn)行。目前生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品五花八門，要想選擇可靠性高、穩(wěn)定性好的產(chǎn)品，首先要從原理上做好選型?，F(xiàn)場探測設(shè)備具有舉足輕重的作用，這些產(chǎn)品的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，以下重點(diǎn)介紹可燃?xì)怏w探測器和火焰探測器。

1）可燃?xì)馓綔y器

對可燃?xì)獾臋z測可分為化學(xué)法（催化燃燒傳感器）、半導(dǎo)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(yīng)用情況分析，半導(dǎo)體氣敏傳感器因受外部溫差交叉反應(yīng)等因素的影響，其穩(wěn)定性不可靠，故在復(fù)雜工況條件下不做選用，一般用于密閉空間、實(shí)驗(yàn)室等相對單一穩(wěn)定的工況。催化燃燒傳感器技術(shù)成熟、價(jià)格低廉，已廣泛應(yīng)用。一般使用壽命3～5年，但因其傳感器易中毒，如現(xiàn)場存有高濃度硫化氫（H2S）、鹵族元素，對其使用壽命產(chǎn)生影響。在日常維護(hù)工作中存在量大、零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象，每年需定期標(biāo)定校準(zhǔn)。隨著技術(shù)的成熟，應(yīng)用紅外原理進(jìn)行檢測可燃?xì)獾募夹g(shù)優(yōu)勢、性價(jià)比的提升，已被越來越多的用戶所采用。紅外傳感器分為點(diǎn)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?xì)怏w的濃度越高，紅外線被吸收的越多。開路式氣體探測器與點(diǎn)式的不同在于，它有發(fā)射源和接收器兩個(gè)傳感元件?？扇?xì)怏w的濃度通過比較，是否有可燃?xì)怏w存在情況下（即標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)保期為5年，探頭具有自動校準(zhǔn)功能，基本免維護(hù)。

2）火焰探測器

海上油氣生產(chǎn)設(shè)施可能會發(fā)生3類火災(zāi)：

A類——木材、紙張、布匹、建筑材料及其他可燃物質(zhì)的火災(zāi)。

B類——易燃或可燃液體或氣體的火災(zāi)，如原油、凝析油、天然氣等。

C類——供電電氣設(shè)備上發(fā)生的火災(zāi)。

火災(zāi)的發(fā)展一般經(jīng)歷4個(gè)階段，即起始階段、引燃階段、火焰階段和發(fā)熱階段?；馂?zāi)的每一個(gè)漸進(jìn)階段都會增加相應(yīng)的危險(xiǎn)，且可用不同的火災(zāi)探測技術(shù)設(shè)備加以識別。根據(jù)火災(zāi)的分類及火災(zāi)的不同階段，針對不同的目的，火災(zāi)探測器可選用以下設(shè)備。

◆ 紫外火焰探測器

◇ 優(yōu)點(diǎn)：對所有的火源都可以檢測，響應(yīng)時(shí)間快，通常可以在兩個(gè)毫秒內(nèi)探測到，所以可以做到及早的預(yù)警作用。

◇ 缺點(diǎn)：對太陽輻射、電弧焊接、X射線、伽瑪射線會產(chǎn)生誤報(bào)警。

◇ 應(yīng)用場所：適用于需要及早發(fā)現(xiàn)火源的地方，如軍火庫；盡量安裝在室內(nèi)。

◆ 單頻紅外火焰探測器

◇ 優(yōu)點(diǎn)：可探測燃燒后產(chǎn)生CO2的火源；對燃燒時(shí)產(chǎn)生煙及蒸汽的火源可以探測；對閃電、電火花不會產(chǎn)生誤報(bào)警。

◇ 缺點(diǎn)：對燃燒產(chǎn)生硫化物的火源不能探測；對水、冰易引發(fā)故障。

◇ 應(yīng)用場所：要考慮其特點(diǎn)是否可以滿足現(xiàn)場的環(huán)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(fù)合型火焰探測器

◇ 優(yōu)點(diǎn)：將單頻和紫外火焰探測器的所有優(yōu)點(diǎn)集于一身，具有迅捷的響應(yīng)時(shí)間。

◇ 缺點(diǎn)：將單頻和紫外紅外探測器的所有缺點(diǎn)集于一身。

◇ 應(yīng)用場所：適其特點(diǎn)對應(yīng)安裝。

◆ 三頻（多頻）火焰探測器

◇ 優(yōu)點(diǎn)：最大限度降低誤報(bào)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(diǎn)。

◇ 應(yīng)用場所：可以放置到絕大多數(shù)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(shù)層面上來講，多頻譜紅外火焰探測器是最為成熟的產(chǎn)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(bào)警率大大降低，不易受外界干擾。

4 結(jié)束語

火氣控制系統(tǒng)的安全等級通常以整個(gè)系統(tǒng)的安全等級以及外圍的檢測設(shè)備來設(shè)定。安全等級可劃分為SIL1，SIL2，SIL3和SIL4。目前火氣控制系統(tǒng)已經(jīng)可以達(dá)到SIL2，而外圍的安全檢測設(shè)備如火焰探測器、可燃?xì)怏w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(dá)到SIL的要求。所以嚴(yán)格意義上說，火氣控制系統(tǒng)不能設(shè)置為SIL等級。如果將火災(zāi)盤及煙感探測器、溫感探測器等相關(guān)的外圍設(shè)備剔除，那么這個(gè)系統(tǒng)（控制系統(tǒng)和外圍設(shè)備）就可以達(dá)到SIL等級。如果控制系統(tǒng)為SIL3，而外圍的檢測設(shè)備為SIL2，那么整個(gè)系統(tǒng)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(diǎn)還要說明一下：很多制造廠商都說自己的產(chǎn)品可以達(dá)到SIL的要求，但且不說是拿到的測試報(bào)告還是完整的證書，因?yàn)樽C書和測試報(bào)告是有本質(zhì)的區(qū)別的。每個(gè)產(chǎn)品都附有安全手冊，其中會有維護(hù)提示，也就是說多長時(shí)間需要對產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)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(hù)一次。比如，要滿足SIL2的要求需要每年對產(chǎn)品維護(hù)一次，要滿足SIL3的要求需要每3個(gè)月對產(chǎn)品維護(hù)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。