油氣站場自動控制系統(tǒng)火氣探測覆蓋率分析

李模剛 陳忱 楊偉 劉昳蓉 魯毅

1大慶恒安評價(jià)檢測有限公司

2北京中油建設(shè)項(xiàng)目勞動安全衛(wèi)生預(yù)評價(jià)有限公司

3北京風(fēng)控工程技術(shù)股份有限公司

油氣站場火氣探測（FGS）系統(tǒng)作為保證安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，在可燃與有毒物質(zhì)泄漏事故的早期管控中起著至關(guān)重要的作用。在檢索國內(nèi)油田相關(guān)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，借鑒了國外油氣站場火氣探測設(shè)計(jì)流程，介紹油氣站場自動控制系統(tǒng)火氣探測覆蓋率、系統(tǒng)可靠性分析在設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用過程，通過軟件評估和風(fēng)險(xiǎn)定量評估等敏感性分析，優(yōu)化了火氣探測器的布置，使事故風(fēng)險(xiǎn)降至可接受程度。

1 國內(nèi)油氣站場火氣探測規(guī)范要求

油氣站場火災(zāi)安全的一個(gè)重要理念是在泄漏或火災(zāi)發(fā)生的早期階段盡早發(fā)現(xiàn)，并及時(shí)警告操作與消防人員采取措施，或系統(tǒng)自動進(jìn)行關(guān)斷噴淋等。泄漏或火災(zāi)可以由現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)或依靠各類檢測器探頭發(fā)現(xiàn)。典型的檢測器探頭可以分為以下幾類：可燃?xì)怏w檢測器探頭、溫度或火焰檢測器探頭、有毒氣體檢測器探頭、煙霧檢測器探頭[1]。油氣站場火氣探測設(shè)置主要依據(jù)GB 50183、GB 50350、GB 50116和GB 50493等規(guī)范（表1）。

表1 油氣站場火氣探測主要規(guī)范內(nèi)容Tab.1 Main specification contents of FGS in oil and gas stations

上述國內(nèi)規(guī)范中僅對檢測器的檢測范圍及檢測器的安裝位置提出了原則性的要求，在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，經(jīng)常會遇到以下問題：檢測器探頭應(yīng)該布置在什么地方，裝多少檢測器才能有效檢測泄漏、火災(zāi)等事故工況，檢測器是否應(yīng)自動觸發(fā)工藝裝置的聯(lián)鎖關(guān)斷，如何避免檢測器探頭的誤報(bào)概率等。

另外，在檢測器報(bào)警后的人員響應(yīng)過程中，通常會要求在確認(rèn)火災(zāi)或確認(rèn)泄漏后進(jìn)行工藝裝置關(guān)斷，但如何進(jìn)行確認(rèn)成為應(yīng)急管理中的難題。一旦有毒氣體或可燃?xì)怏w大量泄漏，人員無法進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，工藝裝置的關(guān)斷權(quán)限應(yīng)確定現(xiàn)場負(fù)責(zé)人，如果權(quán)限不足可能造成關(guān)斷延誤，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，危及人員生命安全。

2 設(shè)計(jì)流程與應(yīng)急響應(yīng)

根據(jù)多個(gè)國外油氣站場建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，參考IEC61511[6]的生命周期管理要求，國外火氣探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作流程歸納如下：

（1）定義火氣探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，確定風(fēng)險(xiǎn)削減能力要求。

（2）對檢測區(qū)域的劃分，各個(gè)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)場景辨識。

（3）各個(gè)區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)與泄漏場景的定性、定量評估。

（4）根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)辨識與評估的內(nèi)容，確認(rèn)區(qū)域的火災(zāi)及泄漏頻率。

（5）依據(jù)火災(zāi)及泄漏頻率、工程標(biāo)準(zhǔn)等對火氣探測的覆蓋率、功能性與可靠性做出要求。

（6）進(jìn)行初步工程設(shè)計(jì)，明確各個(gè)區(qū)域的儀表選型、安裝位置要求、關(guān)斷或報(bào)警動作要求，并編制火氣探測系統(tǒng)的因果圖。

（7）進(jìn)行火氣探測覆蓋率分析，優(yōu)化檢測器探頭位置。必要時(shí)進(jìn)行火氣探測系統(tǒng)可靠性分析，對其可靠性進(jìn)行強(qiáng)化。

火氣探測主要包括火焰探測和可燃?xì)怏w/有毒氣體檢測。油氣站場火焰探測覆蓋率取決于火災(zāi)發(fā)生的可能性，火災(zāi)發(fā)生頻率越高的區(qū)域，其對應(yīng)的火焰檢測覆蓋率越高，即FGS的風(fēng)險(xiǎn)削減能力要求越高。

火災(zāi)發(fā)生頻率可以通過QRA定量風(fēng)險(xiǎn)評估的計(jì)算得到。QRA的計(jì)算結(jié)果不僅用于廠內(nèi)、廠外間距的確定，同時(shí)可用于確定FGS檢測器覆蓋率，確定防火涂料要求與實(shí)施范圍，消防水噴淋用量計(jì)算和建筑物的抗爆計(jì)算等[7]?；鹧鏅z測覆蓋率具體要求見表2。

表2 火焰檢測覆蓋率要求Tab.2 Requirement of flame detection coverage rate

可燃?xì)怏w檢測的主要目標(biāo)是盡可能早地檢測可燃?xì)怏w的釋放和積累，以便能夠?qū)⑿孤┰锤綦x，最大限度地減小釋放尺寸、點(diǎn)火的可能性和對設(shè)施的損壞[8]。

可燃?xì)怏w檢測覆蓋率取決于評估的空間類型，檢測的覆蓋率要求如表3所示。

表3 可燃?xì)怏w檢測覆蓋率要求Tab.3 Requirement of combustible gas detection coverage rate

3 火氣探測覆蓋率分析軟件

火氣探測覆蓋率的分析軟件目前主要為國外軟件，國內(nèi)僅有FGS suite等少數(shù)自主開發(fā)的評估軟件。這些軟件的特點(diǎn)是以圖形分析的手段，用不同顏色標(biāo)注了探頭的覆蓋范圍，能夠以圖形和數(shù)據(jù)兩種方式展示計(jì)算分析結(jié)果，并考慮了遮擋、探頭性能參數(shù)等輸入條件。

圖1 火焰檢測區(qū)域覆蓋Fig.1 Flame detection area coverage

火焰探測覆蓋區(qū)域通常以顏色區(qū)域劃分，圖1顯示了兩個(gè)火焰探測器的重疊覆蓋。其中綠色區(qū)域表示由2個(gè)以上的探測器監(jiān)測的火災(zāi)區(qū)域；藍(lán)色區(qū)域表示由1個(gè)探測器檢測的區(qū)域；紅色區(qū)域表示沒有被檢測到的盲區(qū)。

可燃?xì)怏w檢測覆蓋區(qū)域通常以顏色區(qū)域劃分，圖2顯示了2個(gè)可燃?xì)怏w探測器的重疊覆蓋。其中綠色區(qū)域表示由2個(gè)以上的探測器監(jiān)測的可燃?xì)怏w擴(kuò)散區(qū)域；藍(lán)色區(qū)域表示由1個(gè)探測器檢測的區(qū)域；紅色區(qū)域表示沒有被檢測到的盲區(qū)。

圖2 可燃?xì)怏w檢測區(qū)域覆蓋Fig.2 Combustible gas detection area coverage

4 典型火氣探測覆蓋率的分析結(jié)果

在天然氣壓縮機(jī)區(qū)域案例中，可見火氣探測覆蓋率模擬計(jì)算后的探頭布置差異。

在原設(shè)計(jì)圖3中，優(yōu)化前壓縮機(jī)區(qū)域設(shè)有2臺（套）開路式可燃?xì)馓綔y器，2臺紫外紅外雙波段火焰探測器，1臺點(diǎn)式可燃?xì)怏w檢測報(bào)警探頭，以及MAC手動報(bào)警裝置。

1ooN火焰探頭的覆蓋率已經(jīng)超過90%，滿足這一區(qū)域的覆蓋率要求，且檢測器探頭的安裝高度不受遮擋。

圖3 壓縮機(jī)區(qū)域的火焰與可燃?xì)怏w檢測Fig.3 Flame and combustible gas detection of compressor area

因壓縮機(jī)廠房的存在，這一區(qū)域不能完全歸入開放空間，且可燃?xì)怏w探頭的1ooN的覆蓋率未達(dá)到80%。

經(jīng)多個(gè)方案優(yōu)化后，在壓縮機(jī)區(qū)域不增加可燃?xì)怏w檢測器布置的情況下，通過調(diào)整可燃?xì)怏w檢測器的布置位置，提高了壓縮機(jī)區(qū)域的檢測覆蓋率。

特別是經(jīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評估計(jì)算（可燃?xì)怏w泄漏其LEL爆炸下限濃度的擴(kuò)散范圍），可燃?xì)怏w有可能到達(dá)配電室區(qū)域，即進(jìn)入非防爆區(qū)域。因此在配電室的正壓通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置點(diǎn)式可燃?xì)怏w檢測器，觸發(fā)正壓通風(fēng)停機(jī)，并關(guān)閉入口導(dǎo)葉，避免可燃?xì)怏w泄漏后進(jìn)入配電室。

5 結(jié)束語

通過對自動控制系統(tǒng)火氣探測覆蓋率分析與優(yōu)化可以提高檢測火災(zāi)、氣體泄漏的可靠度，更好地控制泄漏造成的事故風(fēng)險(xiǎn)。通過量化分析確定火焰與氣體檢測儀表的最佳類型、數(shù)量、布點(diǎn)位置，提供FGS布點(diǎn)優(yōu)化方案，能夠有效地提高油氣站場安全等級并優(yōu)化資源配置。

本文探討了火氣探測覆蓋率的分析方法及應(yīng)用案例。覆蓋率是火氣探測系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要因素，為了能夠確保系統(tǒng)的可靠性，還需要從硬件失效頻率、系統(tǒng)冗余、檢測與校驗(yàn)周期等多因素著手，提高火氣探測系統(tǒng)布置的可靠性。