石化企業(yè)火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

趙建偉，張劍

(上海河圖工程股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266061)

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石化企業(yè)火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

趙建偉，張劍

(上海河圖工程股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266061)

摘要：火氣系統(tǒng)(FGS)在保障石化企業(yè)安全生產(chǎn)中起著重要作用，但由于國(guó)內(nèi)石化工程公司內(nèi)部自控與電信專業(yè)分工不同,以及氣體報(bào)警系統(tǒng)與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的差異，使得FGS在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目中應(yīng)用較少。通過對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及消防產(chǎn)品市場(chǎng)準(zhǔn)入制度的簡(jiǎn)介，提出適用于國(guó)內(nèi)項(xiàng)目的FGS實(shí)施方案。

關(guān)鍵詞：火氣系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警控制器氣體報(bào)警控制器安全完整性等級(jí)

火氣系統(tǒng)(FGS)是氣體自動(dòng)報(bào)警、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警以及消防聯(lián)動(dòng)控制的綜合性控制系統(tǒng)，屬消防控制系統(tǒng)范疇。國(guó)內(nèi)石化工程公司由于存在電信、自控專業(yè)設(shè)計(jì)分工，從而對(duì)火氣系統(tǒng)概念理解并不一致。規(guī)范提倡將火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與氣體自動(dòng)報(bào)警進(jìn)行合并設(shè)計(jì)，氣體自動(dòng)報(bào)警起到火災(zāi)預(yù)警功能。FGS對(duì)應(yīng)的消防過程示意如圖1所示[1]。

圖1消防過程示意

國(guó)外石化項(xiàng)目中，F(xiàn)GS基本屬于標(biāo)配，通常以安全型PLC作為核心，將各類火災(zāi)探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器、消防聯(lián)動(dòng)控制的執(zhí)行元件等均接入該系統(tǒng)。由于國(guó)內(nèi)消防產(chǎn)品市場(chǎng)準(zhǔn)入制度、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與國(guó)外存在差異，以安全型PLC為核心的FGS在國(guó)內(nèi)并不適用，而是將國(guó)外的FGS模式“分拆”開來。筆者通過對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范、消防產(chǎn)品市場(chǎng)準(zhǔn)入制度的簡(jiǎn)述，對(duì)國(guó)內(nèi)項(xiàng)目的FGS設(shè)計(jì)方案提出建議。

1相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)FGS還沒有一個(gè)完整的、綜合性的設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)主要依據(jù)以下規(guī)范進(jìn)行，包括： GB 50160—2008《石油化工企業(yè)防火設(shè)計(jì)規(guī)范》、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》、GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》。

文獻(xiàn)[2]是石化企業(yè)防火設(shè)計(jì)的主要指導(dǎo)規(guī)范，規(guī)范5.1.3條要求：“在使用或產(chǎn)生甲類氣體或甲、乙A類液體的工藝裝置、系統(tǒng)單元和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施內(nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)”，而可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)通常根據(jù)文獻(xiàn)[3]要求設(shè)計(jì)。同時(shí)，文獻(xiàn)[2]第8.11和8.12條要求：“生產(chǎn)區(qū)、罐區(qū)、公用及輔助設(shè)施、全廠性、區(qū)域性重要設(shè)施以及石化企業(yè)一些特殊的建筑物(如擠壓造粒廠房、催化劑倉(cāng)庫(kù)等)應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)”，該規(guī)范對(duì)生產(chǎn)裝置、罐區(qū)等石化企業(yè)特有區(qū)域的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)作出了規(guī)定，而其他建構(gòu)筑物則要求根據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求設(shè)計(jì)。

除此之外，石化企業(yè)其他建筑物(如辦公樓、食堂等)也可根據(jù)文獻(xiàn)[4]的要求設(shè)計(jì)。

2消防產(chǎn)品市場(chǎng)準(zhǔn)入制度

國(guó)內(nèi)外主要消防產(chǎn)品認(rèn)證制度有3種[5]： 國(guó)家強(qiáng)制性消防產(chǎn)品認(rèn)證、強(qiáng)制性與社會(huì)化自愿消防產(chǎn)品認(rèn)證相結(jié)合、完全社會(huì)化自愿消防產(chǎn)品認(rèn)證，見表1所列。

表1　國(guó)內(nèi)外主要消防產(chǎn)品認(rèn)證制度

國(guó)內(nèi)實(shí)行強(qiáng)制性消防產(chǎn)品認(rèn)證，氣體報(bào)警控制器、火災(zāi)報(bào)警控制器等消防產(chǎn)品必須取得CCC(F)認(rèn)證；而PLC作為通用產(chǎn)品，無法得到CCC(F)認(rèn)證，這也是國(guó)外項(xiàng)目中經(jīng)常采用的以安全型PLC為核心的FGS無法在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的主要原因。

3火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上規(guī)范的簡(jiǎn)要介紹，在設(shè)計(jì)過程中可將項(xiàng)目設(shè)施分為建筑類和生產(chǎn)類，從而執(zhí)行不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來設(shè)計(jì)FGS方案。

3.1建筑物的FGS設(shè)計(jì)

建筑物的FGS應(yīng)根據(jù)GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求來設(shè)計(jì)[1]。許多設(shè)計(jì)單位在以往設(shè)計(jì)中，建筑物的可燃?xì)怏w探測(cè)器都是通過總線形式直接接入火災(zāi)報(bào)警控制器中。而文獻(xiàn)[1]出于系統(tǒng)可靠性考慮，要求FGS設(shè)計(jì)方案中應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的可燃?xì)怏w報(bào)警控制器，可燃?xì)怏w探測(cè)信號(hào)先經(jīng)可燃?xì)怏w報(bào)警控制器再接入FGS中。建筑物的FGS因此應(yīng)由各類火災(zāi)探測(cè)器、氣體探測(cè)器、可燃?xì)怏w報(bào)警控制器、火災(zāi)報(bào)警控制器及消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　建筑物FGS結(jié)構(gòu)示意

3.2生產(chǎn)區(qū)的FGS設(shè)計(jì)

石化企業(yè)生產(chǎn)區(qū)主要包括工藝裝置以及儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)。生產(chǎn)區(qū)的FGS結(jié)構(gòu)與建筑物的FGS基本一致，區(qū)別在于生產(chǎn)區(qū)的FGS消防聯(lián)動(dòng)控制設(shè)備為消防泵、噴淋冷卻控制閥、泡沫滅火控制閥、泡沫發(fā)生裝置等，生產(chǎn)區(qū)的FGS如圖3所示。

石化企業(yè)生產(chǎn)區(qū)的可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)文獻(xiàn)[3]要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)[3]要求，氣體報(bào)警系統(tǒng)由氣體探測(cè)器、指示報(bào)警設(shè)備及報(bào)警器等組成。對(duì)于氣體指示報(bào)警設(shè)備，文獻(xiàn)[3]進(jìn)一步提出4種設(shè)計(jì)方案：

1) 氣體指示報(bào)警設(shè)備與火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)合并設(shè)置，即將氣體探測(cè)信號(hào)直接接入火災(zāi)報(bào)警控制器，如圖4所示。

圖3　生產(chǎn)區(qū)FGS示意

圖4　與火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)合并設(shè)計(jì)示意

該方案與文獻(xiàn)[1]對(duì)建筑物氣體報(bào)警系統(tǒng)的要求有矛盾之處，建議有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)進(jìn)行協(xié)調(diào)以保持一致。

2) 采用獨(dú)立的工業(yè)程序控制器、可編程控制器等，如圖5所示。

圖5　采用獨(dú)立的控制器示意

該方案中氣體探測(cè)器接入獨(dú)立的PLC系統(tǒng)，利用PLC上位機(jī)豐富的圖形顯示界面作為報(bào)警的人機(jī)對(duì)話界面，同時(shí)可以將有關(guān)氣體報(bào)警信號(hào)通過聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送到其他有關(guān)FGS中，建立全廠獨(dú)立的可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)。另外，尚可完成其他必要的消防控制功能，如消防水罐液位指示，補(bǔ)水、給水閥門控制；液化石油氣球罐根部防火閥控制；高溫油泵出、入口防火閥門控制等。由于PLC具有完備的軟硬件功能，且安全可靠，因而在大型石化項(xiàng)目或大型油庫(kù)中經(jīng)常選用該方案。

3) 采用常規(guī)的模擬儀表，如圖6所示。

圖6　采用常規(guī)模擬儀表示意

該方案中氣體報(bào)警系統(tǒng)由氣體探測(cè)器+氣體報(bào)警控制器構(gòu)成且獨(dú)立設(shè)置。一種形式是探測(cè)器和報(bào)警器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，另一種形式是探測(cè)器和報(bào)警器總線形式連接。當(dāng)項(xiàng)目規(guī)模較小，報(bào)警點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，可選用單點(diǎn)式氣體報(bào)警控制器；報(bào)警點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，可選用總線式氣體報(bào)警控制器。無論哪種形式都可將氣體報(bào)警信號(hào)接入其他FGS中。

4) 與生產(chǎn)過程離散控制系統(tǒng)(DCS)合并設(shè)計(jì)，輸入/輸出卡件獨(dú)立設(shè)置，如圖7所示。

圖7　與DCS合并設(shè)計(jì)示意

該方案較為常用，往往借助生產(chǎn)裝置的DCS設(shè)置獨(dú)立I/O卡件，或獨(dú)立的控制站將可燃?xì)怏w檢測(cè)信號(hào)接入其中，同時(shí)在控制室按操作分區(qū)設(shè)置專用的可燃?xì)怏w報(bào)警監(jiān)視站。

對(duì)于石化企業(yè)生產(chǎn)設(shè)施的消防控制通常采用方案2)或方案4)。其中對(duì)于火災(zāi)聯(lián)動(dòng)控制的回路，則根據(jù)文獻(xiàn)[1]要求，由火災(zāi)聯(lián)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，其他則由DCS或PLC來實(shí)現(xiàn)消防控制。

3.3系統(tǒng)形式及消防控制室

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)分為區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)、集中報(bào)警系統(tǒng)以及控制中心報(bào)警系統(tǒng)，文獻(xiàn)[2]第8.12.3條要求石化企業(yè)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)集成為全廠性火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)前，石化企業(yè)控制室已向全廠中心控制室的形式轉(zhuǎn)變，消防控制室可借鑒這一發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)置全廠的消防控制室，可與中心控制室合建。

3.4故障動(dòng)作原則

根據(jù)文獻(xiàn)[6]第1.0.2的條文解釋，F(xiàn)GS并不屬于安全儀表系統(tǒng)，筆者認(rèn)為對(duì)于一般的氣體、火災(zāi)報(bào)警控制回路應(yīng)按非故障安全原則設(shè)計(jì)，主要理由：

1) 文獻(xiàn)[1]要求消防聯(lián)動(dòng)采用2臺(tái)獨(dú)立的火災(zāi)檢測(cè)器報(bào)警信號(hào)，經(jīng)“與”邏輯運(yùn)算后輸出控制，強(qiáng)調(diào)動(dòng)作的真實(shí)性。

2) 從圖1可知，自動(dòng)滅火應(yīng)在人員疏散完成或已不具備疏散條件的情況下才啟動(dòng)。

3) 消防產(chǎn)品多數(shù)具有回路檢測(cè)功能，聯(lián)動(dòng)設(shè)備也設(shè)置了多種控制方式，能確保系統(tǒng)的完整性和可用性。

但是對(duì)于涉及工藝過程的消防控制，應(yīng)根據(jù)工藝需求來設(shè)計(jì)故障動(dòng)作原則。

3.5安全完整性等級(jí)(SIL)

對(duì)于一般的氣體、火災(zāi)報(bào)警控制回路是不需要進(jìn)行SIL分析的，因?yàn)镾IL的概念主要針對(duì)通過工藝過程各保護(hù)層風(fēng)險(xiǎn)降低分配來減少工藝系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，而氣體、火災(zāi)報(bào)警控制回路是工藝過程以外的，屬于減災(zāi)、應(yīng)急響應(yīng)層，作用于環(huán)境安全保護(hù)。

對(duì)于涉及工藝過程的消防控制回路，如消防水罐液位指示，補(bǔ)水、給水閥門控制，高溫油泵出、入口防火閥門控制，加熱爐爐膛滅火蒸汽控制，液化石油氣球罐根部防火閥控制等，則應(yīng)滿足SIL的要求，提高安全性。

4結(jié)束語

筆者認(rèn)為，石化企業(yè)設(shè)置FGS是大勢(shì)所趨，隨著新版GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》實(shí)施的深入，大家對(duì)FGS的認(rèn)識(shí)也將越來越清晰，作為設(shè)計(jì)人員，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行的法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及不同項(xiàng)目的實(shí)際需求，對(duì)FGS進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

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Discussion on Fire and Gas System Design for Petrochemical Enterprise

Zhao Jianwei，Zhang Jian

(Qingdao Branch, Shanghai HOTO Engineering Inc., Qingdao, 266061, China)

Abstract：Fire and gas system(FGS) plays an important role in petrochemical enterprise safe production. FGS is less applied in domestic projects because of professional division of process control and telecommunication specialty, difference of design and acceptance standard between gas alarm system and fire alarm system. Through introduction of domestic relative standards and market access system for fire-fighting materials, FGS implementation scheme suitable for domestic project is put forward.

Key words:fire and gas system; fire alarm controller; gas alarm controller; safety integrity level

作者簡(jiǎn)介：趙建偉(1985—)，男，浙江蘭溪人，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)工作于上海河圖工程股份有限公司青島分公司自控室，任工程師。

中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)03-0024-04

稿件收到日期： 2015-12-15，修改稿收到日期： 2016-03-26。