火災(zāi)報(bào)警和氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

呂 巖，王 渤

（中科合成油工程股份有限公司，北京101407）

“十一五”到“十三五”期間，中國煤化工產(chǎn)業(yè)得到了長足發(fā)展，全國建成了多個(gè)大型煤制油、煤制烯烴項(xiàng)目。煤化工及化工行業(yè)中間產(chǎn)品及成品大多為易燃、易爆、有毒物質(zhì)，復(fù)雜的生產(chǎn)過程中有大量高溫、高壓設(shè)備，現(xiàn)場可能出現(xiàn)泄漏、火災(zāi)等安全事故。隨著危險(xiǎn)化學(xué)品“兩重點(diǎn)、一重大”安全監(jiān)管工作的推廣，國家和企業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)越來越重視，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求不斷提高，如何科學(xué)合理地設(shè)計(jì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（FAS），氣體檢測系統(tǒng)（GDS）需要自控工程技術(shù)人員不斷學(xué)習(xí)和探索。

1 國內(nèi)現(xiàn)行FAS和GDS設(shè)計(jì)

FAS和GDS的設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立。在大型煤化工項(xiàng)目中2個(gè)系統(tǒng)分屬消防和氣防，設(shè)計(jì)和驗(yàn)收規(guī)范不同，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，很多單位分別將FAS和GDS的設(shè)計(jì)工作歸屬不同專業(yè)。

1.1 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

FAS設(shè)計(jì)遵循GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]、GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[2]和GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[3]等。以上標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)制性條款應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行。

1.1.1 系統(tǒng)配置

FAS可對(duì)全廠火災(zāi)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、顯示、報(bào)警、聯(lián)動(dòng)消防設(shè)備。一般系統(tǒng)由火災(zāi)探測器、手動(dòng)報(bào)警按鈕、區(qū)域火警控制器、圖形顯示裝置、應(yīng)急廣播、火警電話及火警聯(lián)動(dòng)設(shè)備等組成。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)消防組網(wǎng)設(shè)備，接入FAS的各種探測器為地址編碼式，能夠做到自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)編碼。

罐區(qū)內(nèi)設(shè)置火焰探測器以及火災(zāi)報(bào)警的手動(dòng)報(bào)警按鈕等，罐區(qū)外消防水管線和泡沫液管線上均設(shè)消防閥。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，探測器或警報(bào)器將報(bào)警信號(hào)傳送至FAS，經(jīng)人工確認(rèn)后，通過手動(dòng)或自動(dòng)聯(lián)鎖啟動(dòng)消防泵，并自動(dòng)打開消防水罐、泡沫罐出口的雨淋閥和對(duì)應(yīng)罐的控制閥進(jìn)行噴淋滅火。

1.1.2 聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

火警控制器觸發(fā)火災(zāi)報(bào)警后，聯(lián)動(dòng)控制器應(yīng)能按設(shè)定的控制邏輯發(fā)出聯(lián)動(dòng)信號(hào)，用于啟動(dòng)消防設(shè)備或觸發(fā)其他消防保護(hù)系統(tǒng)，聯(lián)動(dòng)反饋狀態(tài)信號(hào)應(yīng)在火警控制器上顯示，聯(lián)動(dòng)控制器應(yīng)具有手動(dòng)聯(lián)動(dòng)和自動(dòng)聯(lián)動(dòng)功能。自動(dòng)觸發(fā)消防聯(lián)動(dòng)的火警檢測輸入信號(hào)應(yīng)至少采用“2oo2”觸發(fā)判斷邏輯。消防水泵、防排煙風(fēng)機(jī)、消防補(bǔ)風(fēng)機(jī)除自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制外，還應(yīng)在消防控制室設(shè)置手動(dòng)聯(lián)動(dòng)措施，可以獨(dú)立運(yùn)行操作。

FAS與現(xiàn)場消防設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，對(duì)于控制室等建筑，F(xiàn)AS需與空調(diào)系統(tǒng)、防火卷簾門等防火系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖。裝置區(qū)內(nèi)FAS與現(xiàn)場的自動(dòng)噴水滅火、泡沫滅火和氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]在面向民用建筑的基礎(chǔ)上，增加了電氣火災(zāi)、大型儲(chǔ)罐、大空間等工業(yè)方面的范圍。

1.1.3 供 電

主電源采用消防電源。備用電源可根據(jù)具體情況配置，采用火災(zāi)報(bào)警控制器和消防聯(lián)動(dòng)控制器自帶的蓄電池電源或消防設(shè)備應(yīng)急電源。

1.2 氣體檢測系統(tǒng)

GDS設(shè)計(jì)遵循GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]、GB 12358—2006《作業(yè)環(huán)境氣體檢測報(bào)警儀通用技術(shù)要求》[5]、GB 15322—2003《可燃?xì)怏w探測器》[6]等有關(guān)規(guī)范，以及原安監(jiān)總局發(fā)布的AQ 3036—2010《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源 罐區(qū)現(xiàn)場安全監(jiān)控裝備設(shè)置規(guī)范》[7]等規(guī)定。

GDS用于工藝生產(chǎn)裝置、公用工程裝置、廠外工程設(shè)施的危險(xiǎn)氣體檢測，工藝過程聯(lián)鎖和火災(zāi)預(yù)警，工藝介質(zhì)的泄漏監(jiān)控及相應(yīng)的聯(lián)鎖。當(dāng)GDS僅用于火災(zāi)預(yù)警時(shí)屬于消防系統(tǒng)，當(dāng)用于過程檢測聯(lián)鎖時(shí)，其功能屬于生產(chǎn)過程控制或安全儀表系統(tǒng)，用于生產(chǎn)過程時(shí)報(bào)警信號(hào)應(yīng)接入消防控制室，在火災(zāi)報(bào)警控制器顯示相應(yīng)信息。

1.2.1 系統(tǒng)配置

GDS設(shè)計(jì)可以采用如下方式。

1)顯示報(bào)警設(shè)備可采用可編程邏輯控制器（PLC）、盤裝報(bào)警控制器等硬件，需具備顯示、存儲(chǔ)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測信號(hào)及報(bào)警信息等功能。

2)當(dāng)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測信號(hào)參與消防聯(lián)動(dòng)控制時(shí)，檢測信號(hào)需獨(dú)立設(shè)置并送至消防聯(lián)動(dòng)控制設(shè)備，也可先引至具有CCCF認(rèn)證的盤裝報(bào)警控制器，然后再輸出至消防聯(lián)動(dòng)控制設(shè)備。

3)當(dāng)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測信號(hào)參與安全聯(lián)鎖時(shí)，檢測信號(hào)應(yīng)獨(dú)立設(shè)置并送至SIS，相當(dāng)于GDS需要有SIL等級(jí)認(rèn)證。

目前，煤化工裝置一般規(guī)模較大，氣體檢測的點(diǎn)數(shù)較多，采用盤裝表的方式不多，多采用GDS。1個(gè)或幾個(gè)單元的探測器接入相應(yīng)的現(xiàn)場機(jī)柜間的機(jī)柜進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，發(fā)出報(bào)警及聯(lián)鎖信號(hào)至現(xiàn)場設(shè)備。機(jī)柜間的信號(hào)通過光纜接至中心控制室，在相應(yīng)操作站指示。

為了性能更可靠，目前大型項(xiàng)目的GDS通常選用基于SIL 2或SIL 3認(rèn)證的SIS為框架，獨(dú)立設(shè)置并要求有CCCF的消防認(rèn)證。

1.2.2 聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

GDS功能需確定是過程控制還是消防聯(lián)動(dòng)，如果是過程級(jí)，根據(jù)相應(yīng)造成危害的程度確認(rèn)是否為安全聯(lián)鎖；如果是安全級(jí)，需確定聯(lián)鎖的SIL等級(jí)，按照該等級(jí)構(gòu)成回路。設(shè)計(jì)前期需進(jìn)行安全評(píng)估，評(píng)估結(jié)果作為GDS聯(lián)鎖等級(jí)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.2.3 供 電

一般采用UPS供電，電源為一級(jí)用電負(fù)荷中特別重要負(fù)荷。

2 國外通行火災(zāi)報(bào)警和氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國外特別是歐美項(xiàng)目通常將火災(zāi)報(bào)警和氣體檢測系統(tǒng)作為一個(gè)系統(tǒng)，即火氣系統(tǒng)FGS（Fire and gas system）。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

FAS通常遵循美國防火協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 72—2010 National Fire Alar m and Signaling Code[8]，其中規(guī)定了FAS及其部件的應(yīng)用、安裝、性能、維修等，但未包括氣體探測系統(tǒng)。

ISA TR84.00.07—2010 Guidence on the Eval uation of Fire，Combustible Gas and Toxic Gas System Effectiveness[10]提出了FGS在設(shè)計(jì)階段的生命周期和評(píng)估流程，并且明確強(qiáng)調(diào)了影響FGS有效性的三要素：探測器覆蓋率（detector coverage）、FGS 的 安 全 可 用 性 （FGS safety availability）以及減災(zāi)有效性（mitigation effectiveness）。該標(biāo)準(zhǔn)建議將FGS有效性評(píng)估的三要素通過事件樹方法ETA（event tree analysis）進(jìn)行分析，用加權(quán)平均結(jié)果定量分析FGS的有效性，火氣系統(tǒng)有效性模型如圖1所示。這與IEC 61511中的故障樹分析FTA（fault tree analysis）計(jì)算得出系統(tǒng)的失效率的方法類似。歐洲EN54系列標(biāo)準(zhǔn)Fire Detection and Fire Alar m Systems-Part 2：Control and Indicating Equip ment，BS5839—2013 Fire Detection and Fire Alar m Systems for Buil dings[11]等也有類似方法表述。

圖1 火氣系統(tǒng)有效性模型示意

2.2 系統(tǒng)配置

FGS是技術(shù)先進(jìn)的、完整的安全監(jiān)控系統(tǒng)，能夠做到事前預(yù)防、事中處理、事后查詢分析的功能，系統(tǒng)框架如圖2所示。FGS通過各種現(xiàn)場設(shè)備對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行連續(xù)的在線監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和存在的火災(zāi)隱情并采取果斷的措施來控制火災(zāi)的發(fā)生和進(jìn)一步蔓延，以達(dá)到保護(hù)人員和設(shè)施的目的。一般情況下，F(xiàn)GS都連接廣播系統(tǒng)，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，廣播系統(tǒng)將立即啟動(dòng)火災(zāi)警報(bào)，進(jìn)入火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案。應(yīng)急指揮人員將通過FGS工作站確定火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)，以指導(dǎo)滅火隊(duì)盡快趕赴現(xiàn)場。當(dāng)FGS連接相應(yīng)的緊急關(guān)斷系統(tǒng)時(shí)，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)消防聯(lián)動(dòng)將根據(jù)FGS的報(bào)警等級(jí)發(fā)出關(guān)斷指令，該系統(tǒng)需要SIL等級(jí)。

2.3 系統(tǒng)評(píng)估

在設(shè)計(jì)過程中，不僅要關(guān)注具有安全儀表功能SIF的SIL等級(jí)，同時(shí)探頭探測覆蓋率也是FGS設(shè)計(jì)時(shí)重要的考慮因素。

ISA采用火氣系統(tǒng)的安全有效性SA（safety availability）而沒有采用SIL的概念。它試圖強(qiáng)調(diào)FGS的功能回路的平均失效概率PFDavg并不能完全表征SIL，SIL相當(dāng)于風(fēng)險(xiǎn)降低能力。

FGS保護(hù)裝置區(qū)域的安全，防范和減緩有毒有害氣體和可燃?xì)怏w泄漏，導(dǎo)致的爆炸，及帶來的風(fēng)險(xiǎn)和事故隱患。FGS可靠性要求非常高，一旦失效會(huì)導(dǎo)致事故進(jìn)一步蔓延，后果等級(jí)嚴(yán)重升級(jí)。FGS是針對(duì)火災(zāi)和氣體探測的安全管理系統(tǒng)，通過對(duì)裝置現(xiàn)場的消防按鈕、煙氣、火、可燃?xì)怏w、有毒氣體的檢測信號(hào)的采集，經(jīng)過系統(tǒng)邏輯運(yùn)算輸出進(jìn)行生產(chǎn)過程控制的處理，也可以控制報(bào)警燈、報(bào)警鈴、雨淋閥、泡沫閥、軸流風(fēng)機(jī)以及空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)入口閥等。

圖2 系統(tǒng)框架示意

FGS對(duì)系統(tǒng)的硬件有認(rèn)證要求，對(duì)組態(tài)軟件及編程有要求，對(duì)操作、管理團(tuán)隊(duì)也有相關(guān)要求，才能滿足SIS的全生命周期管理要求。

2.4 供 電

FGS配置交流電源和蓄電池備用電源，符合NFPA72—2010的相關(guān)規(guī)定。主電源應(yīng)采用消防電源，備用電源可根據(jù)具體情況配置，采用火災(zāi)報(bào)警控制器和消防聯(lián)動(dòng)控制器自帶的蓄電池電源或消防設(shè)備應(yīng)急電源。

3 設(shè)計(jì)問題分析

3.1 火氣系統(tǒng)

目前國內(nèi)設(shè)計(jì)驗(yàn)收規(guī)范體系中，F(xiàn)AS和GDS獨(dú)立設(shè)置，根據(jù)GB 50116—2013[1]中的相關(guān)規(guī)定，用于生產(chǎn)過程控制的GDS可按GB 50493—2009[4]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)置，其報(bào)警信號(hào)應(yīng)能接入消防控制室，以保證消防救援時(shí)能及時(shí)獲取相關(guān)信息。

3.2 安全性

FGS功能回路與SIS的SIF不同點(diǎn)如下：

1)SIS中測量工藝參數(shù)的變送器是直接測量；火災(zāi)與氣體檢測器是間接測量，檢測設(shè)備和管道的介質(zhì)泄漏，而且探測器存在探測盲區(qū)。

2)SIS的最終執(zhí)行元件是切斷閥等，只要基本技術(shù)參數(shù)滿足工藝要求，安全有效性是確定的。

3)FAS系統(tǒng)的最終執(zhí)行元件是消防噴淋系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)風(fēng)閘、警燈警鈴等，安全有效性水平存在很大的不確定性。

4)SIF中PFDavg直接對(duì)應(yīng)著風(fēng)險(xiǎn)降低能力（RRF）或者SIL等級(jí)。FGS功能回路計(jì)算得出的PFDavg低，意味著直接的風(fēng)險(xiǎn)降低能力高。

3.3 聯(lián)鎖與聯(lián)動(dòng)

當(dāng)火災(zāi)、氣體檢測聯(lián)鎖設(shè)計(jì)時(shí)，由可燃?xì)怏w報(bào)警控制器將可燃?xì)怏w的報(bào)警信號(hào)接入FAS，因而要分清楚工藝聯(lián)鎖與消防聯(lián)動(dòng)。消防系統(tǒng)包含自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、FAS、防排煙系統(tǒng)、消防給水系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)、滅火器、應(yīng)急照明和疏散指示、防火門和防火卷簾等九大子系統(tǒng)。

GDS的火災(zāi)監(jiān)控僅用于工藝過程中有聯(lián)鎖要求的火災(zāi)監(jiān)控，而FAS用于與消防相關(guān)的火災(zāi)監(jiān)測和聯(lián)動(dòng)。例如：壓縮機(jī)廠房內(nèi)的火焰監(jiān)測及對(duì)暖通設(shè)備和建筑天窗的聯(lián)動(dòng)應(yīng)屬于FAS，裝置中工藝過程的火焰監(jiān)測聯(lián)鎖相應(yīng)工藝設(shè)備及流程停車屬于GDS，而聯(lián)動(dòng)干粉系統(tǒng)屬于FAS。對(duì)于這種需要對(duì)2套系統(tǒng)分別進(jìn)行聯(lián)鎖和聯(lián)動(dòng)的探測器，應(yīng)有兩路信號(hào)輸出，可由探測器本體輸出兩路硬接線，也可由探測器接至機(jī)柜室內(nèi)的信號(hào)分離器，分出兩路信號(hào)硬接線分別接入GDS和FAS。

3.4 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在自控設(shè)計(jì)中，SIS設(shè)計(jì)遵循GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，GB/T 20438—2006《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》[15]等同于IEC 61508，GB/T 21109—2007《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》[16]等同于IEC61511—2003和ISA-TR 84.00.02—2002等。在IEC 61511-1—2003的3.2.38條中提出火災(zāi)或氣體泄漏屬于減災(zāi)層。

國內(nèi)沒有FAS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可參考NFPA72 2010，ISA TR84.00.07 2010，EN54等國外標(biāo)準(zhǔn)，亦可參考自控設(shè)計(jì)規(guī)范。

4 設(shè)計(jì)展望

現(xiàn)有FAS和GDS設(shè)計(jì)偏重于滿足國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范的常規(guī)功能性指標(biāo)要求，對(duì)覆蓋率、可靠性、有效性三方面沒有進(jìn)行整體分析和評(píng)估。隨著與國際接軌的進(jìn)行，一些規(guī)范的更新，相應(yīng)的有效性評(píng)估技術(shù)和方法也將在國內(nèi)的工程實(shí)踐中逐步應(yīng)用，可以對(duì)全廠FGS的準(zhǔn)確執(zhí)行能力進(jìn)行量化及評(píng)估。FGS設(shè)計(jì)前期需進(jìn)行SIL等級(jí)整體評(píng)估后確認(rèn)是否設(shè)計(jì)聯(lián)鎖及如何設(shè)計(jì)聯(lián)鎖。全生命周期的確定中，F(xiàn)AS和GDS的安全評(píng)估是非常必要的。

可以通過ISA TR84.00.07—2010提供的說明和評(píng)價(jià)火災(zāi)、可燃及有毒氣體系統(tǒng)的布點(diǎn)設(shè)計(jì)效果的方法，涉及探測器測量范圍、數(shù)量、安裝位置和角度等設(shè)計(jì)參數(shù)，確定所需的探頭類型和消防設(shè)備。針對(duì)可燃性/有毒性辨識(shí)潛在的泄漏源，確定與這些泄漏源相關(guān)聯(lián)的危險(xiǎn)。危險(xiǎn)事件發(fā)生的越頻繁，要求FGS及其相關(guān)消防等設(shè)施的安全有效性越高。確定與這些場景相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)，將辨識(shí)出的未減小的風(fēng)險(xiǎn)與預(yù)先定義的可接受風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)相比較；辨識(shí)FGS風(fēng)險(xiǎn)降低要求，包括系統(tǒng)的安全有效性以及探頭覆蓋率目標(biāo)，這將影響到FGS的設(shè)備選型、探頭的表決機(jī)制、探頭的安裝位置以及測試和維護(hù)規(guī)程，這些內(nèi)容是設(shè)計(jì)火災(zāi)及氣體檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

在煤化工項(xiàng)目中，企業(yè)面臨的主要威脅就是火災(zāi)與可燃性氣體的爆炸以及有毒氣體的泄漏，設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確、安全、可靠的監(jiān)測系統(tǒng)是非常重要的。隨著“以人為本”的安全理念不斷深入，越來越多的企業(yè)重視安全生產(chǎn)，對(duì)FGS的要求也越來越嚴(yán)格，保護(hù)現(xiàn)場人員和設(shè)施、能夠預(yù)防及對(duì)已發(fā)生的事故進(jìn)行及時(shí)的反應(yīng)，把事故損失降到最低，達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益，也是設(shè)計(jì)人員的重要責(zé)任。