安全儀表系統(tǒng)中F&GS系統(tǒng)的設計

王娟娟

（中石化石油工程設計有限公司，東營 257026）

隨著國家和企業(yè)的發(fā)展，保護企業(yè)員工的安全已被放在第一位，火災消防、可燃及有毒氣體監(jiān)測保護系統(tǒng)（F&GS），主要用來實現對工藝裝置、公用工程、油氣儲運、建筑設施等危險環(huán)境的可燃/有毒氣體及火災的監(jiān)測和報警，并且根據事故的嚴重性等級確定報警和關斷輸出等級，從而控制和避免災難的發(fā)生。

圖1 現代化工廠的典型保護層面Fig.1 Typical protection level of the modern factory

1 火氣系統(tǒng)的必要性

1.1 人員、環(huán)境及裝置安全性的需要

在裝置正常運行時，一個現代化工廠的典型保護層面（如圖1所示）包括[1]：基本過程控制系統(tǒng)（BPCS），實現基本控制、過程報警和操作員監(jiān)控；SIS或者ESD保護，當BPCS不能控制非正常工況時，SIS或ESD將自動執(zhí)行正確的保護動作，完成泄壓設備保護、圍堰保護、工廠緊急疏散、周圍社區(qū)緊急疏散等。

為了保證在每個層面對可燃氣體、毒氣泄漏或火災發(fā)生的可靠、及時的監(jiān)測和保護，必須選用安全性高、可靠性好、可用率高、誤動作少的控制系統(tǒng)，而火氣系統(tǒng)是對整個生產安全最直接的保證。

1.2 現代化安全管理的需要

由于現代工業(yè)生產自動化程度越來越高，安全管理也需要及時、準確掌握各種和安全有關的信息。表1比較了傳統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)與F&GS的差異。

表1 FGS與傳統(tǒng)報警方式的比較Tab.1 Contrastbetween FGS and traditionalalarm way

與傳統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)相比，F&GS有以下技術特點[1]：

（1）能根據客戶的系統(tǒng)安全運行等級選定相應的PLC系統(tǒng)（如SIL2、SIL3），以確保適應各種不同的工業(yè)場所需要。

（2）采用PLC可以把檢測煙霧、毒氣、可燃氣、火焰的所有儀表以及現場手報的信號，進行邏輯組合，實現各種邏輯互鎖功能，并可以設計成不同的邏輯互控程序與ESD，DCS等相連。

（3）通過以太網輸出模塊，PLC可以方便地實現與其他遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數據共享，對整個廠區(qū)或大區(qū)域進行安全實時監(jiān)控。

（4）PLC抗干擾能力強，可靠性高，日后工藝改變時可以非常方便地實現系統(tǒng)擴容。

2 F&GS安全度等級的選擇

安全的最終目標是避免事故的發(fā)生，為達到此目的，各個國家對工業(yè)自動化系統(tǒng)的安全要求等級進行了規(guī)定。如德國標準DIN V19250將過程危險定 義 為 8級 （AK1-AK8）； 國 際 電 工 委 員 會IEC61508將過程安全度等級定義為4級 （SL1-SL4）；美國國家標準協會/美國儀表學會ANSI/ISAS84.01將過程安全度等級定義為3級（SL1-SL3）。

以上標準中都采用了安全度等級（SIL）的概念。SIL是指在一定時間、一定條件下，安全系統(tǒng)能夠執(zhí)行所規(guī)定的安全功能的概率，即在要求安全系統(tǒng)動作時其功能失效概率的倒數。SIL代表著安全系統(tǒng)使過程風險降低的數量級。表2是SIL安全功能的概率。

表2 SIL安全功能的概率Tab.2 Probability of SIL security function

在目前的控制系統(tǒng)應用中，一般可分為3個層次，即過程控制系統(tǒng)（DCS），裝置緊急聯鎖或關斷系統(tǒng)（ESD），以及F&GS；其中F&GS從安全等級而言處于最上層，一般選用相對較高的安全等級要求，即SIL2級以上。

3 設計原則

3.1 安全完整性等級原則

火氣系統(tǒng)屬于IEC定義的SIS的范疇[3]，應根據火氣系統(tǒng)所保護的工藝過程所需要的安全完整性等級（SIL），選擇具有合適的安全完整性等級并通過相應安全認證的部件來構成火氣系統(tǒng)。

3.2 故障安全型原則

作為安全儀表系統(tǒng)，火氣系統(tǒng)的傳感器、邏輯運算器和終端執(zhí)行元件都應該是故障安全型的。所有的I/O都應該至少具有斷路和短路檢測功能。邏輯運算器的硬件和軟件一般都采用冗余或冗錯等功能安全的結構。

3.3 獨立性原則

應將F&GS和其他諸如DCS、SCS、ESD等系統(tǒng)分開設置，以降低F&GS和其他系統(tǒng)同時失效的概率，使F&GS能獨立發(fā)揮自己的完整功能。如設置獨立的控制器、獨立的傳感器和執(zhí)行器、獨立的電源、獨立的防火電纜等等。

4 F&GS的結構和組成

本文結合普光氣田大灣區(qū)塊開發(fā)工程某集氣站安全儀表系統(tǒng)（SIS）中的F&GS案例，論述火氣系統(tǒng)的結構和組成。該項目采用AB雙重冗余結構的故障容錯控制系統(tǒng)作為SIS的核心設備，系統(tǒng)的安全等級為SIL2。

安全儀表系統(tǒng)采用經過SIL2認證的PLC，在過程參數超出正常生產的控制要求時、火/氣報警等緊急情況下完成對單元設備或整座集氣站的緊急關閉和放空，并接收凈化廠中控室（DCC）調度控制指令，確保站場安全。站控室還設置了硬手操臺一套，集成重要的關斷按鈕及報警指示，通過硬接線方式與SIS系統(tǒng)連接，其功能獨立于操作員站。

安全儀表系統(tǒng)又分為ESD功能和FGS功能，ESD功能如下：

ESD-1：全氣田關斷。

ESD-2：支線關斷。

ESD-3：集氣站泄壓關斷。

ESD-4：全站不泄壓關斷。

ESD-5：單元關斷。

火氣檢測系統(tǒng)F&GS主要負責火災探測、可燃氣體/有毒氣體檢測和報警，并觸發(fā)相應的聯鎖保護。當站場發(fā)生ESD-3級關斷、氣體泄漏和火災報警時，聯鎖相關PA/GA報警。

完整的F&GS由邏輯運算器、人機界面以及現場設備組成，集氣站SIS系統(tǒng)結構示意如圖2所示。

圖2 SIS系統(tǒng)配置圖Fig.2 System configuration chart of SIS

4.1 邏輯運算器

基于F&GS安全可靠的特性，火氣系統(tǒng)應使用經TUV安全認證的PLC做邏輯運算器，安全等級的確認需根據安全分析（如HAZOP、LOPA等）后的結果最終確定。

4.2 人機界面

人機接口HMI包括LCD監(jiān)視器和輸入設備，安裝在位于安全區(qū)的中心控制室的控制臺上。通常該控制臺上也安裝著許多硬接線的開關或按鈕等設備，這些開關和按鈕用來手動起動各種火氣和消防的相關設備；還應在適當位置安裝一個模擬盤來指示各防火分區(qū)和各現場設備的工作狀態(tài)。

4.3 火氣檢測及報警設備

火氣系統(tǒng)（FGS）功能主要是接收現場設置的火災以及氣體探測器的信號，根據設定值進行判斷，實現站場火氣狀態(tài)的檢測、報警以及相關聯動的功能。為及時發(fā)現火災和天然氣泄漏，保護人員和設備安全，設置如下火氣設備：

（1）工藝單元區(qū)均根據泄漏點的位置以及探頭的檢測半徑設置點式紅外可燃氣體探測器、硫化氫探測器以及三頻紅外火焰探測器。

（2）站控室內的各房間設置感溫、感煙探測器，其中機柜間和儀表值班室的防靜電地板下設置感煙探測器以及感溫電纜。

（3）站控室的走廊以及站場內部，根據巡檢和人員行走路徑，設置多處手動報警按鈕，以便于巡檢人員發(fā)現火災情況后及時觸發(fā)確認報警。

（4）站場內圍繞工藝操作區(qū)設置了狀態(tài)指示燈，用以向站場工作人員指示當前站場所處的狀態(tài)。指示燈共有4種狀態(tài)：

藍色：ESD-3級關斷；

紅色：火災報警；

黃色：氣體泄漏報警；

綠色：正常。

（5）站場內圍繞工藝操作區(qū)設置聲報警器，可通過三種聲音告知站場工作人員目前的狀態(tài)，與狀態(tài)指示燈結合，給予操作人員明確的指示。

表3 F&GS因果表Tab.3 Cause-effect table of F&GS

5 控制邏輯

大灣區(qū)塊某集氣站的F&GS因果表如表3所示。

該集氣站的火氣探測設備（紅外可燃氣體探測器、硫化氫探測器、三頻紅外火焰探測器、煙感、溫感、手動報警按鈕等）負責檢測井口、收發(fā)球筒、加熱爐、計量分離器、站控室等區(qū)域的氣體泄漏或火災信號，火氣系統(tǒng)F&GS可根據邏輯觸發(fā)相應區(qū)域的聲光報警、ESD關斷和泄放等聯鎖保護，也可以通過站控室內的手操盤手動完成對站場的各級緊急關斷及火災報警。

F&GS因果表中，左邊列表中任一路火災報警均會按一定的控制邏輯觸發(fā)站場內相應報警設備或安全關斷措施；ESD-3級關斷由站場的專門人員負責，確認報警后，可自動或手動觸發(fā)，切斷全部工藝流程；根據現場情況確定是否觸發(fā)放空按鈕啟動放空。

6 F&GS與其他系統(tǒng)的關系

6.1 與DCS和ESD的關系

通常情況下，DCS起著控制工藝過程在設計參數下平穩(wěn)運行[2]，滿足常規(guī)生產控制的需要，形成基本過程控制層。ESD保護工藝過程時時處在可接受的安全限值之內，超出安全限值時，采取關斷措施來切斷工藝流程，進行分段隔離和保護。

同樣處于安全防護層的火氣系統(tǒng)則擔負著當工藝過程失控或災難發(fā)生后，阻止或延緩事態(tài)發(fā)展的重要任務，使損失降至最低點。

6.2 與其他輔助系統(tǒng)的關系

F&GS除了與DCS、ESD有著相當直接的關系外，還與其他輔助設施有著密不可分的關聯，例如電視監(jiān)視系統(tǒng)和擴音對講系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 F&GS與相關系統(tǒng)的關系Fig.3 Relationship between F&GS and other systems

當站場內發(fā)生意外情況時，電視監(jiān)視系統(tǒng)是輔助F&GS確認險情的重要手段，且可通過擴音對講系統(tǒng)向廠內人員及時通報險情，并疏導相關人員有序撤離危險區(qū)域。

7 結語

在石油和化工場所，火氣系統(tǒng)扮演著現場安全的保護者角色，大灣區(qū)塊作為含硫氣田具有高壓、高產量、高含硫“三高”的特點，氣體一旦泄漏，對人員、設備及環(huán)境將產生很大的傷害。做好火氣系統(tǒng)并保障其穩(wěn)定的運行，打破傳統(tǒng)的設計思路，將安全控制理念貫穿全廠，保護人員和設施的安全是石化行業(yè)的首要任務。

[1] 劉景輝，李俊麗.火氣系統(tǒng)論述[J].石油化工自動化，2008（5）：21-24.

[2] 靳俊芳.石油化工企業(yè)中火氣系統(tǒng)設計淺析[J].自動化與儀器儀表，2010（5）：105-107.

[3] 張峰，馮傳令.火氣系統(tǒng)在海洋石油工業(yè)中的應用研究[J].石油化工自動化，2009（3）：20-22.■