論石油化工企業(yè)中火氣系統(tǒng)的應用

于欣愷，林洪俊

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

石油化工企業(yè)既儲備有大量易燃易爆氣體、液體等危險化學品，又具有高溫、高壓工藝過程，管道多、設備多、接口多、釋放源多，極易發(fā)生火災或爆炸事故，并容易使災害蔓延。

F&GS，俗稱火氣系統(tǒng)，根據(jù)IEC規(guī)范可定義為執(zhí)行火災及氣體檢測及控制等安全儀表功能的全部傳感器、邏輯運算器、終端執(zhí)行元件所組成的集合[1-2]。F&GS作為一種火災及可燃、有毒氣體綜合性檢測、報警、控制系統(tǒng)，具有可靠性高、實時性強、兼容性好等特點，非常適合于在煉廠這種高危場所使用，目前F&GS已是國際大型石化企業(yè)的標配。鑒于中國國情，F(xiàn)&GS尚未在國內石化企業(yè)推廣使用。

本文將以哈薩克斯坦某煉廠F&GS的應用為例，對F&GS在國際煉廠項目中的通用解決方案做簡單介紹，并對F&GS未來在國內石化企業(yè)的應用做一下展望。

1 F&GS設計原則

F&GS設計原則一般包括安全完整性原則、故障安全型原則、獨立性原則、系統(tǒng)冗余原則等[1-2]。

1.1 安全完整性原則

IEC 61508Functionalsafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystems將安全完整性等級(SIL)劃分為4級(SIL1～SIL4)。SIL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[1]。SIL劃分見表1所列，其中：PFD為失效概率，RRF為風險降低因子。

表1 SIL劃分

F&GS的SIL定級結果是F&GS設計的重要依據(jù)，應由業(yè)主或工程承包商委托第三方進行安全完整性等級分析，作為F&GS的設計輸入。

1.2 故障安全型原則

F&GS應采用基于高可靠性的故障安全型的可編程邏輯控制器(PLC)；導致F&GS部分或全部失效的多重故障應能使F&GS恢復到安全狀態(tài)；所有I/O卡件應具有短路和斷路監(jiān)測功能，故障報警。

1.3 獨立性原則

IEC規(guī)范定義了過程工業(yè)為防止發(fā)生事故設置的層層防護措施，F(xiàn)&GS與ESD，DCS等系統(tǒng)屬于不同的防護層，這就要求F&GS應盡量獨立設置，以免系統(tǒng)合建發(fā)生故障造成多個防護層同時失效的情況發(fā)生。應設置獨立的傳感器、獨立的電纜、獨立的電源、獨立的控制器、獨立的執(zhí)行元件等。

1.4 冗余性原則

F&GS一般應采用冗余的電源、冗余的控制器、冗余的I/O卡件、冗余的網(wǎng)絡。

2 F&GS設計方案

2.1 F&GS網(wǎng)絡結構設計

以哈薩克斯坦某煉廠為例，F(xiàn)&GS為三層結構，火氣系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 火氣系統(tǒng)網(wǎng)絡結構示意

1)現(xiàn)場檢測與執(zhí)行層。包含現(xiàn)場儀表、執(zhí)行設備，如： 可燃、有毒氣體檢測器，火災手動報警按鈕，火焰探測器，聲光報警器，建筑物火災報警盤、雨淋閥，風機等。

2)現(xiàn)場機柜室控制層。包括邏輯控制器、I/O卡件、供電單元和繼電器等外圍配套設備。在每個生產單元設置獨立的F&GS控制器，火和氣可共用控制器，也可采用獨立的控制器。

3)中心控制室監(jiān)控層。即人機界面，包括操作站、操作臺、火災集中報警控制盤等，操作站進行全廠生產區(qū)火氣報警的監(jiān)控，火災集中報警控制盤進行全廠建筑物火氣報警的監(jiān)控。

2.2 F&GS邏輯控制器

F&GS邏輯控制器是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心部件，基于帶有失效安全架構的高性能PLC，應具備冗余、容錯、自診斷、熱拔插、可擴展、抗干擾等特性。邏輯控制器主要功能包括邏輯運算和控制、數(shù)據(jù)通信、編程、軟硬件診斷等。邏輯控制器的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。

2.3 I/O卡件

F&GS常用I/O卡件有DI，DO及AI卡。DI卡件主要用于接收火災手動報警按鈕報警、消防閥開/閉狀態(tài)反饋等干節(jié)點信號；DO卡件用于驅動聲光報警器、執(zhí)行器等設備，應注意負載對觸點容量的要求；AI卡件用于接收火焰探測器、可燃有毒探測器的4～20 mA報警信號。

I/O卡件應采用冗余配置；卡件內通道間應相互隔離；卡件應具備線路故障監(jiān)測功能；應注意輸入輸出信號類型、隔離要求等。

2.4 人機界面

配備操作員站用于現(xiàn)場情況的監(jiān)視與操作。對于安全聯(lián)鎖，還需要設輔助操作臺，設置硬啟動開關。

2.5 F&GS與其他系統(tǒng)之間的通信、聯(lián)鎖和報警

F&GS與其他系統(tǒng)之間的通信、聯(lián)鎖和報警關系如圖2所示。

圖2 F&GS與其他系統(tǒng)之間的通信、聯(lián)鎖和報警關系示意

F&GS與其他系統(tǒng)之間的通信、聯(lián)鎖和報警關系包括如下：

1)接收建筑物的火災報警控制盤的開關量通用報警信號。

2)向DCS發(fā)出開關量通用報警信號；與DCS進行冗余串行通信，DCS應能顯示F&GS實時運行狀態(tài)。

3)向SIS發(fā)出開關量信號，啟動消防水系統(tǒng)，由SIS完成。

4)向SIS發(fā)出開關量綜合報警信號，由操作人員根據(jù)現(xiàn)場事故情況決定是否采取緊急停車措施。

5)火災時發(fā)出開關量信號啟動泡沫比例混合裝置，與泡沫比例混合裝置系統(tǒng)進行串行通信，實時顯示泡沫系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

6)向廣播系統(tǒng)發(fā)出開關量報警信號，用于現(xiàn)場火氣事故報警、緊急疏散及救援指揮廣播。

7)向電視監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)出開關量報警信號，聯(lián)動事故區(qū)域附近的攝像機轉向預置位置。

2.6 系統(tǒng)軟件

組態(tài)軟件應具備在線編程、離線編程、離線仿真調試、在線修改與下裝等功能。組態(tài)軟件應采用滿足IEC61131標準的編程語言，至少應有功能塊圖、結構文本編程方式。

2.7 系統(tǒng)擴展與余量

應為系統(tǒng)未來擴建預留合理的余量，建議配備最小余量見表2所列。

表2 F&GS最小余量配置 %

2.8 邏輯功能

F&GS邏輯功能主要包括： 現(xiàn)場火氣的檢測及多級報警、啟動消防聯(lián)動設備、啟動廣播進行疏散指揮、聯(lián)動視頻系統(tǒng)進行事故確認等。F&GS對于消防聯(lián)鎖的可靠性要求很高，因此應采取2個及以上探測器或多種探測器動作組合作為消防聯(lián)鎖的觸發(fā)信號。

3 F&GS在國內石化企業(yè)應用前景展望

3.1 國內常用火氣監(jiān)控方案介紹

與國外石化企業(yè)中廣泛應用的F&GS監(jiān)控方案不同，國內石化企業(yè)火氣監(jiān)控方案一般是選用以傳統(tǒng)火災報警控制器為核心搭建的火災報警系統(tǒng)，以氣體探測系統(tǒng)為核心搭建的可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)。采用該方案的主要原因： 目前國內消防規(guī)范對于重要消防設備有專門的限制，火災報警控制器必須具備CCCF認證，以PLC為基礎的F&GS是不允許使用的；安監(jiān)總管三116號文件要求可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)與基本過程控制系統(tǒng)完全獨立。

3.2 傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)應用存在的問題

傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)在工業(yè)場所的應用主要存在以下問題：

1)可用性差。傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)可用性差，一般CPU、模塊、通信網(wǎng)絡均不可熱冗余配置，若發(fā)生系統(tǒng)故障將導致數(shù)小時乃至數(shù)日系統(tǒng)難以恢復。

2)可靠性差。工業(yè)場所環(huán)境非常復雜，雖然進行了隔離、屏蔽、接地等多種綜合保護措施，但根據(jù)實際使用效果來看，傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)還是難以避免誤動作多的缺點，用戶不堪其擾，經(jīng)常將火災報警系統(tǒng)調到手動模式或甚至關機，失去了保護作用。

3)接口能力差。工業(yè)火災監(jiān)控需連接的設備種類較多，接口類型多樣，傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)接口信號類型少，不能接收模擬量信號，難以勝任。

4)邏輯功能差。工業(yè)火災監(jiān)控需要連接的探測設備和聯(lián)動執(zhí)行設備多，聯(lián)鎖邏輯復雜。傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)編程功能不靈活，且僅能以外接模塊組合應對。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，采用傳統(tǒng)火災報警控制系統(tǒng)，每遇到聯(lián)鎖關系較復雜的單元現(xiàn)場調試都非常困難，問題頻出，設計、施工、業(yè)主各方都比較頭疼。

5)開放性差。傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)開放性差，不同品牌之間、不同系統(tǒng)之間難以兼容。石化企業(yè)分階段建設，不同階段建設的裝置，因產品招標經(jīng)常采用不同品牌的設備，造成難以在統(tǒng)一的監(jiān)控平臺上集中管理。

6)管理維護工作量大。傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)與模塊之間不是通過標準的卡槽進行插接，而是需將模塊單獨安裝于模塊箱或模塊柜中，通過總線并接的方式將模塊接入控制器中，集成化程度低，外接線多，從而造成系統(tǒng)故障點多，施工、管理、維護不便。

3.3 F&GS應用預測

相比傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)，F(xiàn)&GS雖然價格較高，但可靠性和可用性高，滿足石化行業(yè)的需求特點；接口形式多，適應性強，滿足檢測與執(zhí)行設備類型多的特點；編程靈活，邏輯、運算功能強大，滿足消防控制邏輯復雜的需求；開放性好，可互聯(lián)互通，滿足消防系統(tǒng)一體化、自動化、智能化及遠程監(jiān)控的要求；集成度高，接線簡便，故障點少，滿足工程實施和日后管理維護的需要?？梢灶A見未來F&GS在國內石化企業(yè)推廣應用的前景是比較廣闊的。

目前，F(xiàn)&GS在國內推廣的主要困難是技術標準問題，火災報警系統(tǒng)要取得CCCF認證才能在國內市場上應用。根據(jù)國內目前消防產品標準，F(xiàn)&GS要取得CCCF認證比較困難，僅有的幾家取得CCCF認證的F&GS價格必然不菲。因此，建議相關管理部門應逐步改進消防產品標準。

4 結束語

本文對F&GS在國際工程中的應用做了簡單介紹，希望能對同行有所啟發(fā)。目前，F(xiàn)&GS雖尚未在國內石化行業(yè)大規(guī)模推廣應用，但已經(jīng)顯示出良好的應用前景。相信伴隨著改革開放進程的加快，工業(yè)領域的火氣監(jiān)控方案也會逐步與國際接軌，更好地為中國石油石化行業(yè)保駕護航。