劉宇,周艷

（中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452）

1 引言

火災(zāi)和氣體安全系統(tǒng)，簡稱火氣系統(tǒng)(Fire and Gas System，F(xiàn)GS)，是用于監(jiān)測火災(zāi)、可燃?xì)饧岸練庑孤┦鹿?，并具備?bào)警和一定減災(zāi)功能的安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrument System，SIS)[1]。

火氣系統(tǒng)作為安全儀表系統(tǒng)在“減輕”保護(hù)層的典型應(yīng)用，與“預(yù)防”保護(hù)層安全儀表系統(tǒng)在功能和特點(diǎn)上存在較大的區(qū)別?！邦A(yù)防”層安全儀表系統(tǒng)對工藝參數(shù)是直接測量，只要變送器正常工作就能保證超壓、超溫等危險(xiǎn)事件被系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)。而火氣探頭是間接測量，探測的是機(jī)械完整性的損害(泄漏)，屬于對空間范圍的保護(hù)，可能存在探測盲區(qū)?；饸馓筋^排布的探測器覆蓋率是決定FGS安全功能的重要因素。很多機(jī)構(gòu)和公司將FGS探頭的布局合理性作為考察FGS安全功能的核心要素[2-3]。

2 火氣系統(tǒng)的探測器覆蓋率

FGS 的功能有效性首先取決于現(xiàn)場探測器對初始危險(xiǎn)事件的檢測能力。FGS應(yīng)能保證第一時(shí)間檢測到危險(xiǎn)事件，否則將可能導(dǎo)致危險(xiǎn)事件的擴(kuò)大，擴(kuò)大后的危險(xiǎn)事件被檢測到的概率會提高，但往往難以被有效抑制。FGS的檢測效果受多方面因素的影響，包括：現(xiàn)場探測器的布局、數(shù)量、安裝高度、安裝角度，保護(hù)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備布局、典型危險(xiǎn)源的類型和位置、主導(dǎo)風(fēng)向等等，往往具有很大的不確定性。

ISA-TR84.00.07標(biāo)準(zhǔn)中給出了探測器覆蓋率(Detector Coverage，DC)的概念，用來量化定義FGS 對初始危險(xiǎn)事件的檢測能力，用探測器覆蓋率來定量表征在預(yù)設(shè)的探測器布局和表決要求下初始危險(xiǎn)事件被檢測到的概率。根據(jù)探測器覆蓋率核算方式的不同，標(biāo)準(zhǔn)中給出了兩類探測器覆蓋率的定義[4]：

(1)地理覆蓋率(Detector Geographic Coverage)：在規(guī)定的幾何空間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或危險(xiǎn)氣體泄漏事件時(shí)，探測器在表決要求下的有效探測空間在規(guī)定空間中所占的比例。

(2)場景覆蓋率(Detector Scenario Coverage)：在某一火災(zāi)或危險(xiǎn)氣體泄漏的危險(xiǎn)場景下，探測器在表決要求下的有效探測空間在危險(xiǎn)場景覆蓋空間中所占的比例。

3 探測器覆蓋率評估技術(shù)

3.1 探測器地理覆蓋率評估

地理覆蓋率評估旨在確定現(xiàn)場探測器對監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率，即計(jì)算有效探測空間在規(guī)定的監(jiān)測空間中所占的幾何分?jǐn)?shù)。進(jìn)行探測器地理覆蓋率評估時(shí)不需要針對具體的風(fēng)險(xiǎn)場景，而是假設(shè)風(fēng)險(xiǎn)可能發(fā)生在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的任何位置，是針對整個(gè)監(jiān)測區(qū)域的探測器覆蓋能力的評估[5-6]。

3.1.1 火災(zāi)檢測的地理覆蓋率

通常來講，F(xiàn)GS對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)特定強(qiáng)度火災(zāi)的檢測能力會隨現(xiàn)場探測器數(shù)量的增加而增強(qiáng)[7]。FGS對火災(zāi)事件檢測的靈敏度取決于火焰探測器響應(yīng)閾值。在進(jìn)行火焰探測器地理覆蓋率評估時(shí)，首先需針對整個(gè)監(jiān)測區(qū)域建立一個(gè)統(tǒng)一的火災(zāi)響應(yīng)閾值標(biāo)準(zhǔn)。容易受到小火的影響，或有嚴(yán)重的火災(zāi)升級潛力的區(qū)域適宜選擇較低的火災(zāi)報(bào)警閾值。而對火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較低的非過程區(qū)域，則適宜選擇較高的火災(zāi)報(bào)警閾值。

火災(zāi)探測器的地理覆蓋率評估流程：

(1)選擇評估的火災(zāi)響應(yīng)閾值標(biāo)準(zhǔn)。

(2)在評估區(qū)域內(nèi)選擇一個(gè)目標(biāo)位置進(jìn)行分析。

(3)確定目標(biāo)位置是否處于現(xiàn)場火焰探測器的有效監(jiān)測范圍之內(nèi)。此時(shí)需考察探測器被現(xiàn)場設(shè)備的遮擋情況。

(4)在要求的表決形式下(如：1ooN、2ooN)，評估目標(biāo)位置能否被有效個(gè)數(shù)及以上的探測器覆蓋。

(5)按上述過程對評估區(qū)域內(nèi)的所有位置點(diǎn)進(jìn)行分析。

(6)創(chuàng)建所有被探測覆蓋的位置點(diǎn)的總和。計(jì)算被有效覆蓋空間在評估區(qū)域總體空間中所占的比例，即為火焰探測器的地理覆蓋率。

3.1.2 氣體檢測的地理覆蓋率

FGS 對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)氣體泄漏事件的檢測能力同樣隨現(xiàn)場探測器數(shù)量的增加而增強(qiáng)。受探測器的數(shù)量與安裝位置的限制，小型的危險(xiǎn)氣體泄漏有可能在形成較高濃度或較大氣體聚集后才被發(fā)現(xiàn)。在進(jìn)行探測器地理覆蓋率評估時(shí)，需要建立一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)來確定需要在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)任何地點(diǎn)檢測的氣體釋放的大小。

確定適當(dāng)?shù)臍怏w釋放標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行地理覆蓋率分析的前提條件。這種標(biāo)準(zhǔn)的典型形式是給出一個(gè)給定尺寸的球型氣云(如直徑為5m)作為探測器檢測的極限氣云。在某些易受火災(zāi)/爆炸影響的區(qū)域，應(yīng)建立一個(gè)較小的氣體釋放標(biāo)準(zhǔn)；而對氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)較低的非過程區(qū)域，則適宜建立較大的氣體釋放標(biāo)準(zhǔn)。

氣體探測器的地理覆蓋率評估流程：

(1)確定評估區(qū)域內(nèi)的氣體釋放標(biāo)準(zhǔn)(如：直徑5m、濃度50%LEL的球型氣云)。

(2)在評估區(qū)域內(nèi)選擇一個(gè)目標(biāo)位置進(jìn)行分析。

(3)確定目標(biāo)位置產(chǎn)生的氣體釋放能否被現(xiàn)場氣體探測器(點(diǎn)式或開路式)檢測到。

(4)在要求的表決形式下(如：1ooN、2ooN)，評估目標(biāo)的氣體釋放能否被有效個(gè)數(shù)及以上的探測器覆蓋。

(5)按上述過程對評估區(qū)域內(nèi)的所有位置點(diǎn)進(jìn)行分析。

(6)創(chuàng)建所有被探測覆蓋的位置點(diǎn)的總和。計(jì)算被有效覆蓋空間在評估區(qū)域總體空間中所占的比例，即為氣體探測器的地理覆蓋率。

3.2 探測器場景覆蓋率評估

可在地理覆蓋率分析的基礎(chǔ)上，針對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的主要風(fēng)險(xiǎn)場景進(jìn)行進(jìn)一步的場景覆蓋率評估。通常需要通過火災(zāi)模型及氣體擴(kuò)散模型來確定的風(fēng)險(xiǎn)場景的范圍和特性，如火焰大小和形狀、氣云的分布等。再根據(jù)現(xiàn)場探測器的布置規(guī)律評估特定的風(fēng)險(xiǎn)場景能否被有效檢測到。

3.2.1 火災(zāi)檢測的場景覆蓋率評估流程

(1)識別監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)場景。

(2)評估該風(fēng)險(xiǎn)場景可能造成的釋放后果。對于火災(zāi)而言，應(yīng)評估每種潛在釋放可形成火焰的形狀、方向及該釋放可能出現(xiàn)的頻率。

(3)確定潛在的火焰釋放是否處于現(xiàn)場火焰探測器的有效監(jiān)測范圍之內(nèi)。此時(shí)需考察探測器被現(xiàn)場設(shè)備的遮擋情況。

(4)在要求的表決形式下(如：1ooN、2ooN)，評估潛在火焰釋放能否被有效個(gè)數(shù)及以上的探測器覆蓋。

(5)評估該火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)場景下的其它的潛在釋放。

(6)評估監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的其它火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)場景。

(7)將區(qū)域內(nèi)所有可被探測到的火焰釋放的頻率相加得到探測釋放頻率，探測釋放頻率與總釋放頻率之比便為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)火焰探測器的場景覆蓋率。

3.2.2 氣體探測器的場景覆蓋率評估流程

(1)識別監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)場景。

(2)評估該風(fēng)險(xiǎn)場景可能造成的釋放后果。對于氣體泄漏而言，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)密度、壓力、風(fēng)向等參數(shù)評估每種潛在氣體釋放將形成氣體分布輪廓及該釋放可能出現(xiàn)的頻率。

(3)確定潛在的氣體釋放是否可以被現(xiàn)場探測器有效檢測到。

(4)在要求的表決形式下(如：1ooN、2ooN)，評估潛在氣體釋放能否被有效個(gè)數(shù)及以上的探測器覆蓋。

(5)評估該氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)場景下的其它的潛在釋放。

(6)評估監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的其它氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)場景。

(7)將區(qū)域內(nèi)所有可被探測到的氣體釋放的頻率相加得到探測釋放頻率，探測釋放頻率與總釋放頻率之比便為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)氣體探測器的場景覆蓋率。

3.3 地理覆蓋率和場景覆蓋率的優(yōu)缺點(diǎn)分析

探測器場景覆蓋率在原理上更貼近于真實(shí)的火災(zāi)和氣體泄漏過程，評估結(jié)果更為準(zhǔn)確。但對場景分析的要求較高，需要對火焰和氣云進(jìn)行學(xué)仿真計(jì)算，評估效率較低，成本較高，更適合風(fēng)險(xiǎn)源較少、風(fēng)險(xiǎn)場景簡單、風(fēng)險(xiǎn)等級較高的區(qū)域。

探測器地理覆蓋率不需要對具體的風(fēng)險(xiǎn)場景進(jìn)行細(xì)化分析，相對比較簡單，效率更高，成本更低。但是地理覆蓋率對評估區(qū)域內(nèi)的任意點(diǎn)都采用同等的評估標(biāo)準(zhǔn)，而無法區(qū)分高風(fēng)險(xiǎn)部分和低風(fēng)險(xiǎn)部分，可能導(dǎo)致低風(fēng)險(xiǎn)部分要求過高，地理覆蓋率的計(jì)算結(jié)果往往會低于實(shí)際的場景覆蓋率，這從風(fēng)險(xiǎn)控制角度通常也是可以接受的。

表1 FGS安全績效核算數(shù)據(jù)

4 探測器覆蓋率評估及優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用案例

某天然氣壓縮機(jī)橇塊內(nèi)共3臺天然氣壓縮機(jī)，現(xiàn)場潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高，屬于一級一類風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。橇塊的四角設(shè)置了4臺火焰探測器(FD)，當(dāng)有兩臺火焰探測器同時(shí)輸出報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)自動啟動減災(zāi)措施。FD的設(shè)計(jì)安裝高度為3.5米。

圖1 天然氣壓縮機(jī)橇塊設(shè)備布置簡圖

基于現(xiàn)場設(shè)備布置規(guī)律進(jìn)行幾何建模，應(yīng)用幾何投影技術(shù)對現(xiàn)場火焰探測器的地理覆蓋率進(jìn)行定量評估。經(jīng)模擬計(jì)算，現(xiàn)場探測器覆蓋率較低，造成FGS安全績效很低，無法滿足現(xiàn)場的風(fēng)險(xiǎn)控制要求。

根據(jù)定量風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，影響本案例FGS有效性的主要因素為探測器覆蓋率。由于現(xiàn)場2 個(gè)探測器同時(shí)作用的覆蓋率偏低(分別為：22.7%、30.2%、19.5%)，自動響應(yīng)模式難以起到有效作用，對3 臺設(shè)備的保護(hù)主要依靠人工響應(yīng)模式，造成FGS的保護(hù)效率不高。所以應(yīng)從提升探測器覆蓋率角度對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

在不增加探測設(shè)備的前提下，通過探測器安裝位置微調(diào)，便可起到較好的系統(tǒng)優(yōu)化效果。經(jīng)重新模擬計(jì)算，將探測器安裝高度提升1m 后，探測器覆蓋率會得到明顯提升。優(yōu)化后，雙探測器覆蓋率可上升至71.6%、76.8%和60.6%，F(xiàn)GS自動響應(yīng)模式將發(fā)揮主要作用，風(fēng)險(xiǎn)抑制效率可提升至71.6%、75.7%和59.8%。

5 結(jié)束語

在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場探測設(shè)備的安裝與布局往往是影響火氣系統(tǒng)安全績效的最主要因素。通過對探測器覆蓋率的定量評估及合理優(yōu)化，可以很大程度的改善火氣系統(tǒng)安全完整性水平。