基于遮擋率優(yōu)化算法的火氣系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估技術(shù)

王聞博，巫前進(jìn)，馬云鸝

（1.湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 湛江 524057；2.數(shù)字流動(dòng)（蘇州）安全科技有限公司，江蘇 蘇州 215101；3.梅思安（中國(guó)）安全設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

火災(zāi)及氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（Fire and Gas system，F(xiàn)GS）簡(jiǎn)稱火氣系統(tǒng)，一般部署在石油石化、天然氣和其他過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施和裝置區(qū)域中，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w、有毒氣體泄漏及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，并兼具報(bào)警和消防、保護(hù)功能，有時(shí)也稱為安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從功能安全保護(hù)層的范疇來(lái)看，屬于減災(zāi)保護(hù)層安全儀表系統(tǒng)（SIS），與預(yù)防保護(hù)層安全儀表系統(tǒng)（如緊急停車系統(tǒng)）相比，影響安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效性的因素更多，也更為復(fù)雜?；饸庀到y(tǒng)除了產(chǎn)品選型、系統(tǒng)架構(gòu)以及安全完整性等級(jí)能力外，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備的數(shù)量、安裝位置和方向等因素都會(huì)對(duì)火氣系統(tǒng)的有效性造成直接影響[9]。

圖1 采用點(diǎn)模型的火焰檢測(cè)示意圖Fig.1 Flame detection demonstration using point model

火氣系統(tǒng)有效發(fā)揮其預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)減緩作用，其前提是必須能夠高度準(zhǔn)確、可靠地識(shí)別有毒氣體、可燃性氣體泄漏以及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，并能夠提供盡可能高的檢測(cè)覆蓋率。火氣系統(tǒng)布點(diǎn)方案的優(yōu)劣直接決定了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，對(duì)于整個(gè)工藝裝置區(qū)域的安全運(yùn)行以及防災(zāi)減災(zāi)有效性，其重要性不言而喻[6]。

1 火氣系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)中的火焰檢測(cè)模型

火氣檢測(cè)系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估優(yōu)化技術(shù)是一種性能化的設(shè)計(jì)、評(píng)估技術(shù)。該技術(shù)基于IEC和ISA國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，通過(guò)評(píng)估系統(tǒng)建模和分析計(jì)算，評(píng)估當(dāng)前設(shè)施存在的安全風(fēng)險(xiǎn)和火氣系統(tǒng)檢測(cè)覆蓋率，并通過(guò)布點(diǎn)評(píng)估、優(yōu)化，具體建議如何有效地降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，幫助工程設(shè)計(jì)人員和用戶快速選擇、調(diào)整最佳方案，進(jìn)而提升系統(tǒng)的整體安全等級(jí)。目前，全球知名能源公司和工程設(shè)計(jì)公司（例如SHELL，BP，TOTAL，Chevron，F(xiàn)luor，HYUNDAI等 ） 均廣泛使用性能化火氣系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估方法以及相關(guān)軟件[9]。

火氣系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)和評(píng)估中，火焰探測(cè)器檢測(cè)覆蓋率的計(jì)算普遍采用基于幾何算法的空間分析方法。因?yàn)楦采w率的計(jì)算是按照有效“點(diǎn)”的數(shù)量與總的點(diǎn)數(shù)量的比值，該模式也被稱為“點(diǎn)模型”。采用點(diǎn)模型的覆蓋率計(jì)算公式為：

式（1）中：NV以視距直線（Line of sight）的方式到達(dá)既定參考面的點(diǎn)的數(shù)量；NT以圓錐體形式，以最小包絡(luò)既定參考面為原則，總的點(diǎn)數(shù)量。參考面，一般為待評(píng)估區(qū)域內(nèi)指定標(biāo)高的水平面。

點(diǎn)模型的優(yōu)勢(shì)是比較簡(jiǎn)單，易于理解和執(zhí)行，但是缺點(diǎn)也比較明顯。當(dāng)火焰位于一些小規(guī)模的遮擋物之后，但并非完全遮擋時(shí)，布點(diǎn)分析軟件會(huì)誤認(rèn)為火焰探測(cè)器無(wú)法檢測(cè)到該火焰。實(shí)際上，火焰并非呈點(diǎn)狀存在，而是以有限體積存在的羽流。如果在火焰與探測(cè)器之間存在小的物體或非連續(xù)遮擋，該火焰對(duì)于探測(cè)器來(lái)說(shuō)部分可見(jiàn)，尚需進(jìn)一步結(jié)合燃燒物質(zhì)的特點(diǎn)（熱輻射量），才能準(zhǔn)確地判斷該火焰是否能夠被檢測(cè)到[11]。

2 火焰探測(cè)器遮擋率分析

火羽流的復(fù)雜性，使得有效遮擋率的定義和計(jì)算變得非常重要。究竟什么形式的遮擋，以及多大面積和比例的遮擋會(huì)造成火焰探測(cè)器完全無(wú)法檢測(cè)到火焰，本章節(jié)以定量的方法對(duì)遮擋率進(jìn)行定量分析和描述。

火焰探測(cè)器的遮擋率計(jì)算，一般有兩種方法，分別是空間幾何法和面積法。

①空間幾何法，采用高度比值，有效遮擋率計(jì)算公式為：

式（2）中：I為遮擋部分的高度，可根據(jù)測(cè)試環(huán)境和條件實(shí)地測(cè)量得到；L為火焰高度，參考《SFPE消防工程手冊(cè)》[10]，火焰高度的計(jì)算公式為：

式（3）中：D為火焰直徑，單位：m。實(shí)際計(jì)算中，可取火盆尺寸；Q為總熱釋放速率，在完全燃燒且穩(wěn)態(tài)模式下，以模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合方式確定。

對(duì)于側(cè)邊型、縱向格柵型、水平格柵型及網(wǎng)格格柵型，為了計(jì)算的便利性，火焰探測(cè)遮擋率OG分別取保守估值50%，50%，50%，75%。

②面積法，采用面積比值，有效遮擋率計(jì)算公式為：

式（4）中：a為未被遮擋的火焰面積；A為全部的火焰面積。

圖2 火焰檢測(cè)遮擋實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Flame detection obstruction ratio test scheme

圖4 使用面積法不同遮擋模式的火焰測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test result of different obstruction mode using flame area rule

未被遮擋的火焰面積a，可按照分別不小于RGB（245，130，50）且未被遮擋的面積進(jìn)行計(jì)算[5,8]。為了確?；鹧鏅z測(cè)面積的準(zhǔn)確性，按照每秒30幀率且持續(xù)20s進(jìn)行取樣。

全部的火焰面積A，可采用《SFPE消防工程手冊(cè)》[10]推薦的經(jīng)驗(yàn)公式：

式（5）中：A為全部的火焰面積，單位：m2；Q平均熱釋放速率，單位：kW。

3 紅外熱輻射與遮擋模型實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件與模型

實(shí)驗(yàn)條件：

◇ 室外，常溫環(huán)境，濕度約20%。

◇ 數(shù)字照相機(jī)，用于測(cè)量在特定安裝位置，能夠檢測(cè)到的火焰面積。

◇ 光譜輻射計(jì)（波長(zhǎng)為4.5μm），用于測(cè)量在特定安裝位置，能夠接收到的紅外熱輻射強(qiáng)度。

3.2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和內(nèi)容

將正庚烷作為燃燒物質(zhì)，配合不同尺寸的火盆，形成實(shí)驗(yàn)所需要的火焰測(cè)試源見(jiàn)表1。

表1 火焰測(cè)試源分類Table 1 Fire source category

并采用7種遮擋模式如圖3所示。

圖3 7種遮擋模式下的火焰檢測(cè)實(shí)驗(yàn)Fig.3 7 cases of obstruction mode for flame detection test

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與小結(jié)

當(dāng)使用面積法評(píng)估遮擋率時(shí)，盡管存在不同的遮擋模式，光譜輻射計(jì)接收到的紅外熱輻射能量與遮擋率呈現(xiàn)出較為明顯的線性。

當(dāng)使用空間幾何法評(píng)估遮擋率時(shí)，線性度相對(duì)來(lái)說(shuō)稍差一些，但是紅外熱輻射能量與遮擋率也存在一定程度的相關(guān)性。

表2 火焰探測(cè)器性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Flame detector performance test result

如果將不同遮擋模式進(jìn)行細(xì)分，會(huì)發(fā)現(xiàn)上部型的紅外熱輻射能量高于平均水平，而下部型的情況正好相反。造成這一結(jié)果的主要原因，是物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的火焰的固有屬性。通?；鹧娴母扛臃€(wěn)定且持續(xù)，而火焰頂部會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)、跳躍的情況，所以當(dāng)存在上部遮擋時(shí)，火焰探測(cè)器實(shí)際接收到的紅外熱輻射能量偏高。對(duì)測(cè)試結(jié)果小結(jié)如下：

圖5 使用空間幾何法不同遮擋模式的火焰測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test result of different obstruction mode using geometrical rule

◇ 在相同遮擋率下，上部型遮擋比下部型遮擋具備更高的紅外熱輻射能量。

◇ 紅外熱輻射能量與遮擋率有線性相關(guān)性，當(dāng)火焰形狀能夠被模擬時(shí)，紅外熱輻射能量能夠被精確預(yù)測(cè)。

◇ 即使火焰形狀無(wú)法模擬，也可以根據(jù)火焰與遮擋物的空間幾何關(guān)系粗略估算紅外熱輻射能量。

4 基于紅外熱輻射的火焰探測(cè)器性能實(shí)驗(yàn)

繼續(xù)采用前述章節(jié)中的實(shí)驗(yàn)條件和模型，但是采用3種不同規(guī)格型號(hào)火焰探測(cè)器（A，B，C）進(jìn)行實(shí)測(cè)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：不同的火焰探測(cè)器，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與產(chǎn)品數(shù)據(jù)表所宣稱的規(guī)格并不完全一致。例如，對(duì)于火焰探測(cè)器B和C，產(chǎn)品數(shù)據(jù)表宣稱：對(duì)于30 m的檢測(cè)距離，需要的紅外輻射能量值為40 kW，而從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，需要的最低紅外輻射能量值約為10 kW。

表（2）中，“X”表示在該種測(cè)試場(chǎng)景及遮擋模式下，火焰未被檢測(cè)到；“√”表示能夠檢測(cè)到；數(shù)值表示火焰探測(cè)器處接收到的輻射能，單位：kW；陰影則表示實(shí)際接收到的輻射能低于火焰探測(cè)器所宣稱的所需最小輻射能。

實(shí)際上，除了產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)之外，影響火焰探測(cè)器檢測(cè)性能最關(guān)鍵的因素是火焰探測(cè)器能夠接收到的紅外輻射能量值，而遮擋類型、遮擋比率是需要適當(dāng)考慮的因素之一。部分火焰探測(cè)器擁有比所宣稱的技術(shù)規(guī)格更好的性能，主要原因是在部分遮擋模式及遮擋率條件下，能夠檢測(cè)更小體積的火焰，只要其紅外輻射能量值足夠大。

由InsightNumerics公司研發(fā)的火氣系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估軟件Detect3D，針對(duì)部分遮擋模型下，火焰檢測(cè)結(jié)果不精確的問(wèn)題進(jìn)行了深入分析和優(yōu)化，創(chuàng)新性地提出盒模型（Box model）的概念，并將本文實(shí)驗(yàn)成果應(yīng)用到該軟件中。

5 FGS火氣系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)和評(píng)估優(yōu)化工具Detect3D

Detect3D是由InsightNumerics公司研發(fā)的火氣系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估優(yōu)化軟件，具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

1）更高效，更經(jīng)濟(jì)的火氣系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估工具

◇ 大幅縮減火氣系統(tǒng)布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估周期，典型項(xiàng)目一周即可完成。

◇ 在保證同等覆蓋率性能的前提下，探測(cè)器數(shù)量平均可優(yōu)化減少約30%。

◇ 業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的CFD仿真與分析計(jì)算能力，可同時(shí)模擬上千種場(chǎng)景，更加精準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)分布和檢測(cè)覆蓋率計(jì)算。

◇ 無(wú)縫兼容主流CAD/3D工程設(shè)計(jì)軟件，可直接導(dǎo)入PDMS，MICROSTATION，AUTOCAD，NAVISWORKS等軟件圖紙。

2）人性化設(shè)計(jì)，易于使用

◇ 探測(cè)器覆蓋有效性權(quán)重排名功能，可快速優(yōu)化布點(diǎn)方案，刪減無(wú)效和低效探測(cè)器。

◇ 簡(jiǎn)潔有邏輯性的樹形導(dǎo)航界面，符合ISA 84/GB布點(diǎn)有效性評(píng)估的工作流程。

◇ “定點(diǎn)指向”功能，可快速部署和調(diào)整探測(cè)器安裝位置、角度，大幅節(jié)省工程設(shè)計(jì)時(shí)間。

3）項(xiàng)目信息安全可控

◇ 所有的輸入、計(jì)算分析和優(yōu)化均在本地完成。

◇ 所有項(xiàng)目信息、設(shè)計(jì)文件、施工圖紙等技術(shù)資料本地保存，機(jī)密信息不外泄。

圖6 火焰探測(cè)器檢測(cè)覆蓋率示例Fig.6 Flame detector coverage demonstration

◇ 經(jīng)過(guò)培訓(xùn)，用戶可快速掌握并獨(dú)立使用，不依賴第三方。

6 結(jié)束語(yǔ)

在石油石化、天然氣、化工等領(lǐng)域，構(gòu)建安全、可靠的火氣系統(tǒng)對(duì)于保護(hù)各類生產(chǎn)設(shè)施和裝置非常重要。在火氣系統(tǒng)中，除了選擇高性能的火氣探頭以及必要的冗余架構(gòu)之外，火氣探頭的布點(diǎn)有效性也必須給予充分的關(guān)注，否則火氣系統(tǒng)無(wú)法有效地發(fā)揮其作為保護(hù)層的目的。

只要被接收的紅外熱輻射強(qiáng)度足夠大，即使存在部分遮擋，火焰依然能夠被檢測(cè)到。Detect3D采用創(chuàng)新的盒模型，解決了在不同遮擋場(chǎng)景下，檢測(cè)動(dòng)態(tài)火焰的準(zhǔn)確性問(wèn)題，并將遮擋模型中的上部型與下部型對(duì)于遮擋率、紅外熱輻射強(qiáng)度的影響納入其優(yōu)化范圍，使該軟件成為業(yè)內(nèi)為數(shù)不多的能夠解決這一技術(shù)難題的火氣探頭布點(diǎn)設(shè)計(jì)與評(píng)估工具。同時(shí)，大量工程實(shí)踐已證明Detect3D先進(jìn)的算法和強(qiáng)大的評(píng)估、優(yōu)化能力。