FGS在石化裝置中的應用分析及其海外應用實例

趙愷 張睿涵 王一斌

1中國昆侖工程有限公司

2大慶油田信息技術公司北京分公司

3中國石油工程建設有限公司

石油化工裝置由于其生產(chǎn)介質(zhì)和流程的特殊性，火災、毒害、爆炸等危險性較大，可能危害到人身和財產(chǎn)安全，故探測、報警、防范、處置事故的控制系統(tǒng)顯得至關重要。在國內(nèi)，該控制系統(tǒng)主要由火災自動報警系統(tǒng)（Fire Alarm System，以下簡稱FAS）和可燃有毒氣體檢測系統(tǒng)（Gas Detection System，以下簡稱GDS）組成，有時也包括消防控制系統(tǒng)（Fire Fighting System）[1]。這兩個系統(tǒng)在國內(nèi)大部分工程公司的分工中，前者屬于電信專業(yè)（未單獨設置電信專業(yè)的由電氣專業(yè)負責），后者屬于自控專業(yè)，兩者一般是獨立的（偶爾可能設置GDS到FAS的報警信號）[2]。

1 FGS在國內(nèi)的應用現(xiàn)狀

FGS（Fire and Gas System，火氣系統(tǒng)）將FAS和GDS 二者結合起來，統(tǒng)一在一個系統(tǒng)內(nèi)進行管理，這在一定程度上提高了安全性。因國內(nèi)大部分工廠FAS設置在消防控制室，GDS設置在中心控制室，發(fā)生緊急情況時難以快速有效地溝通；若組成FGS 將有助于緊急處理，將危險消滅在萌芽狀態(tài)，防止事故擴大。

但FGS在國內(nèi)始終未得到廣泛應用，這既與上文提到的設計習慣有關，也與國內(nèi)的設計、制造和驗收規(guī)范有關[3]。以FAS 為例，從火災自動報警控制器開始主要考慮是一套面向民用的、經(jīng)濟的、封閉的、可靠性相對較低的系統(tǒng)，由單片機加總線制結構組成，這對于我國目前的國情推廣FAS是有利的。為了保證制造質(zhì)量，國內(nèi)的FAS廠商和消防監(jiān)管部門只認可這一種產(chǎn)品。但這種產(chǎn)品并不非常適合一些要求更高的工業(yè)場所，而高級架構的火災報警產(chǎn)品既無人生產(chǎn)，又難以取得CCCF認證，更難以通過消防驗收。

在GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》中這種過渡性的體現(xiàn)尤為明顯。在第8章可燃氣體探測報警系統(tǒng)（2013 版新增）中仍將其作為一個子系統(tǒng)考慮，在條文中也未體現(xiàn)出對其足夠的重視；在第12 章第2 節(jié)中對于油罐區(qū)一筆帶過，其他條文大多是針對建筑物，對于構筑物為主的工業(yè)場所說明較少[4]。即使FAS 系統(tǒng)接納了相對有所關聯(lián)的可燃氣體檢測，但其也很難參與到工藝專業(yè)的聯(lián)動中；另一方面，有毒氣體檢測無法從邏輯上并入FAS，因為其與火災并無關系。因此，想要在國內(nèi)推動FGS的發(fā)展，需要FAS體系進行改革或監(jiān)管部門具有更高的包容性才行。

2 FGS在海外的應用實例

雖然FGS 在國內(nèi)應用較少，但在海外應用較多，在一些國家甚至必須配置[5]。FGS 從形式上也不盡相同，主要有三種：火災報警與氣體報警分開的FGS；基于火災報警的FGS；基于安全PLC 的FGS。三種方案的優(yōu)缺點已經(jīng)有過很多詳細的論述，不再贅述[6]。本次應用實例為FGS 用于東南亞某島國大型石化裝置中的罐區(qū)部分。當?shù)卣饨ㄖ飪?nèi)使用符合中國國標的FAS，裝置區(qū)和罐區(qū)現(xiàn)場使用基于安全PLC（可編程控制器）的FGS，下面就該罐區(qū)的FGS設計進行介紹。

2.1 FGS系統(tǒng)架構

FGS 系統(tǒng)采用了類似SIS-ESD 系統(tǒng)的控制方案，獨立設置，可由SIS（安全儀表系統(tǒng)）供貨商供貨，UPS 電源、控制器、通信均為冗余性架構[7]?？刂破鞣胖迷诂F(xiàn)場抗爆機柜室內(nèi)，設有工程師站，操作員站設置在全廠中心控制室，可聲光報警，并在消防控制中心、消防站等部位設置顯示屏，便于第一時間了解情況。因為罐區(qū)較大，點數(shù)近3 000 點，拆分為3 套FGS 控制器。在設計分工方面，現(xiàn)場氣體探測器及電纜由自控專業(yè)負責；現(xiàn)場與火災相關的報警及聯(lián)動設備由電信專業(yè)負責；系統(tǒng)部分由于可燃有毒氣體檢測占比較小，總體由電信專業(yè)負責，自控專業(yè)配合。

2.2 FGS輸入設備

該罐區(qū)有儲罐140個，總罐容積為240×104m3，包含10×104m3外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐、球罐等多種罐型，儲存原油、成品油等介質(zhì)?，F(xiàn)場FGS設備主要參照國內(nèi)標準設置，如GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》，GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》，GB 50074—2014《石油庫設計規(guī)范》 等。輸入設備均采用1對1硬線DI接入系統(tǒng)，主要輸入設備及其設置特點包括：

（1）現(xiàn)場隔爆型手動報警按鈕設置在罐組檢修路邊，與國內(nèi)的主要區(qū)別是采用多線型設備，無地址，送出常閉干接點。為了節(jié)約點數(shù)和電纜，選用不帶回燈的設備，依靠聲光報警器實現(xiàn)類似回燈功能，采用2芯電纜；24 V DI檢測回路要考慮檢測距離，與距控制器最遠的設備約1 km。

（2）球罐區(qū)采用防爆紅外火焰探測器，監(jiān)視狀態(tài)工作電流不大于15 mA，報警狀態(tài)工作電流不大于35 mA。從FGS 機柜內(nèi)取DC 24 V 電力進行供電，送出報警信號和故障信號（干接點）至FGS，采用1根電源、1根信號硬線。

（3）外浮頂罐采用光纖光柵感溫探測系統(tǒng)，光柵感溫探測器和連接光纜安裝在浮船二次密封上。每罐設置1臺主機，在機柜室的機柜內(nèi)，每臺主機向FGS送出數(shù)組報警信號和一組公共故障信號（干接點），采用硬線連接。

（4）可燃、有毒氣體檢測器自帶聲光，從光色上與聲光報警器進行區(qū)分，連續(xù)探測并早期發(fā)現(xiàn)可能泄漏和積聚的可燃氣體或有毒氣體。因為FGS架構與ESD（緊急停車系統(tǒng)）類似，可燃、有毒檢測器按自控專業(yè)常規(guī)設置即可[8]。

2.3 FGS聯(lián)動設備和系統(tǒng)

聯(lián)動的閥門及機泵只考慮遠程開啟，現(xiàn)場手動關閉，主要聯(lián)動的設備和系統(tǒng)包括：

（1）防爆聲光報警器。設置在罐組檢修路邊，與國內(nèi)區(qū)別是采用多線型設備，無地址，通電報警。為了節(jié)約點數(shù)和電纜，選用單色型，考慮到聲光報警器的工作功率在10～30 W之間，綜合電纜長度為1 km，選用AC 220 V 設備，采用DO 點串接AC 220 V電源、2芯電纜硬線。

（2）聯(lián)動罐組水噴淋系統(tǒng)。水噴淋系統(tǒng)采用雨淋閥組控制，需開啟時開啟電磁閥即可，考慮到功率和距離，電磁閥采用AC 220 V 設備，配置同上。收集雨淋閥組壓力開關的反饋信號，考慮到工作時有人在現(xiàn)場，為節(jié)省點數(shù)和電纜，應用1套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每組數(shù)據(jù)采集單元滿配可收集32 個DI 點，基本滿足1 個罐組使用，4 個單元成環(huán)后再與FGS通信。

（3）聯(lián)動罐組泡沫系統(tǒng)。泡沫系統(tǒng)末端采用雨淋閥組控制，控制和反饋與水噴淋系統(tǒng)相同。泡沫站中的泡沫制備設備為帶PLC的控制柜，需接入設備的啟動、運行、故障、手/自動、液位等信號，還需接入進出設備的干管電動閥信號，分配至各罐組的支管電動閥的開閥信號（以上均采用硬線），以及用數(shù)據(jù)采集單元收集各電動閥的閥位、故障、就地遠程信號，同時還需要監(jiān)控進、出口的壓力信號。

（4）聯(lián)動消防水泵和泡沫消防水泵系統(tǒng)。水噴淋和泡沫系統(tǒng)均由消防加壓泵站供水。國內(nèi)消防水泵設計一般為PLC成套供貨，由PLC負責各泵之間的連鎖控制，現(xiàn)場設置FGS可由FGS直接控制，節(jié)省了1 套PLC。聯(lián)動消防水泵采用穩(wěn)高壓系統(tǒng)，穩(wěn)壓泵組自帶控制柜，由FGS監(jiān)視其工作狀態(tài)；電動消防水泵由FGS控制其啟動并監(jiān)視其工作狀態(tài)，柴油消防水泵自帶控制柜，由FGS控制其啟動并監(jiān)視其工作狀態(tài)；另外，還需要監(jiān)控消防水罐的液位與出線干管的壓力。泡沫消防水泵采用干式系統(tǒng)，其余部分與消防水泵類似。

（5）聯(lián)動抗爆機柜室的暖通系統(tǒng)?？贡瑱C柜室屬于建筑物，其聯(lián)動包括室內(nèi)FAS的聯(lián)動以及涉及到室外可燃氣體報警的FGS聯(lián)動。FGS部分包括進風口附近可燃氣體報警器的報警信號，聯(lián)動關閉新風機組、新風空調(diào)、電動氣密閥、排風機、進風機等，并監(jiān)視各設備的反饋信號，以保證可燃氣體不侵入抗爆建筑物內(nèi)。

（6）FGS 還可根據(jù)需要與DCS、ESD、FAS、電視監(jiān)視系統(tǒng)、擴音對講系統(tǒng)等聯(lián)系[9]。

2.4 FGS組態(tài)

因儲罐較多，操作員站數(shù)量較少，F(xiàn)GS組態(tài)采用三層結構形式：第一層為正常待機時，畫面為對應罐區(qū)的總圖；第二層為發(fā)生事故時，畫面對應罐組的小總圖；第三層為對應罐的PID圖。聯(lián)動采用手動和自動相結合的方式：對于聲光報警、水噴淋等不造成經(jīng)濟損失的聯(lián)動，以自動為主，手動為輔；對于泡沫噴淋等易因誤報造成經(jīng)濟損失的聯(lián)動，以人工確認后手動控制為主，自動為輔。

因單罐聯(lián)動時涉及到的設備較多，包括消防水泵、水噴淋雨淋閥、泡沫消防水泵、泡沫設備、泡沫電動閥、泡沫雨淋閥，以及相鄰罐的水噴淋設備等，為避免誤操作，在第二層畫面上整合為少數(shù)幾個按鈕，如選擇對某罐開啟泡沫設備，則一鍵開啟流程上所有需開啟的設備，以滿足及時啟動的需要；在第三層畫面上也可以對各單體設備進行單獨控制和監(jiān)視。報警設備的邏輯可以參照現(xiàn)行火警規(guī)范進行設計，對于消防泵組則按工藝專業(yè)提出的時間間隔和壓力反饋進行設計。

3 結束語

FGS在應對石化裝置中不可預見的火災和氣體泄漏時能體現(xiàn)出強大的可靠性，相對于FAS模塊式輸入和輸出信號更加包容，終端更加簡單，多線式的架構進一步降低了其故障率，在操作側(cè)可以一步到位、統(tǒng)控全局。此外，針對FGS已經(jīng)有一套較為完整的評價體系供HAZOP分析[10]。不過，F(xiàn)GS也存在投資較高、部分設備選型特殊的缺點，相信隨著我國科學技術的進一步發(fā)展，F(xiàn)GS會在工業(yè)場所得到更加廣泛的應用，并與國際逐漸接軌，成為先進、完整的自動化控制系統(tǒng)中不可或缺的一部分。