火災和氣體安全系統(tǒng)的探測器覆蓋率評估與優(yōu)化

劉宇,周艷

（中海石油技術檢測有限公司，天津 300452）

1 引言

火災和氣體安全系統(tǒng)，簡稱火氣系統(tǒng)(Fire and Gas System，FGS)，是用于監(jiān)測火災、可燃氣及毒氣泄漏事故，并具備報警和一定減災功能的安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrument System，SIS)[1]。

火氣系統(tǒng)作為安全儀表系統(tǒng)在“減輕”保護層的典型應用，與“預防”保護層安全儀表系統(tǒng)在功能和特點上存在較大的區(qū)別?！邦A防”層安全儀表系統(tǒng)對工藝參數是直接測量，只要變送器正常工作就能保證超壓、超溫等危險事件被系統(tǒng)及時發(fā)現。而火氣探頭是間接測量，探測的是機械完整性的損害(泄漏)，屬于對空間范圍的保護，可能存在探測盲區(qū)?；饸馓筋^排布的探測器覆蓋率是決定FGS安全功能的重要因素。很多機構和公司將FGS探頭的布局合理性作為考察FGS安全功能的核心要素[2-3]。

2 火氣系統(tǒng)的探測器覆蓋率

FGS 的功能有效性首先取決于現場探測器對初始危險事件的檢測能力。FGS應能保證第一時間檢測到危險事件，否則將可能導致危險事件的擴大，擴大后的危險事件被檢測到的概率會提高，但往往難以被有效抑制。FGS的檢測效果受多方面因素的影響，包括：現場探測器的布局、數量、安裝高度、安裝角度，保護區(qū)域內的設備布局、典型危險源的類型和位置、主導風向等等，往往具有很大的不確定性。

ISA-TR84.00.07標準中給出了探測器覆蓋率(Detector Coverage，DC)的概念，用來量化定義FGS 對初始危險事件的檢測能力，用探測器覆蓋率來定量表征在預設的探測器布局和表決要求下初始危險事件被檢測到的概率。根據探測器覆蓋率核算方式的不同，標準中給出了兩類探測器覆蓋率的定義[4]：

(1)地理覆蓋率(Detector Geographic Coverage)：在規(guī)定的幾何空間內發(fā)生火災或危險氣體泄漏事件時，探測器在表決要求下的有效探測空間在規(guī)定空間中所占的比例。

(2)場景覆蓋率(Detector Scenario Coverage)：在某一火災或危險氣體泄漏的危險場景下，探測器在表決要求下的有效探測空間在危險場景覆蓋空間中所占的比例。

3 探測器覆蓋率評估技術

3.1 探測器地理覆蓋率評估

地理覆蓋率評估旨在確定現場探測器對監(jiān)測區(qū)域的覆蓋率，即計算有效探測空間在規(guī)定的監(jiān)測空間中所占的幾何分數。進行探測器地理覆蓋率評估時不需要針對具體的風險場景，而是假設風險可能發(fā)生在監(jiān)測區(qū)域內的任何位置，是針對整個監(jiān)測區(qū)域的探測器覆蓋能力的評估[5-6]。

3.1.1 火災檢測的地理覆蓋率

通常來講，FGS對監(jiān)測區(qū)域內特定強度火災的檢測能力會隨現場探測器數量的增加而增強[7]。FGS對火災事件檢測的靈敏度取決于火焰探測器響應閾值。在進行火焰探測器地理覆蓋率評估時，首先需針對整個監(jiān)測區(qū)域建立一個統(tǒng)一的火災響應閾值標準。容易受到小火的影響，或有嚴重的火災升級潛力的區(qū)域適宜選擇較低的火災報警閾值。而對火災風險較低的非過程區(qū)域，則適宜選擇較高的火災報警閾值。

火災探測器的地理覆蓋率評估流程：

(1)選擇評估的火災響應閾值標準。

(2)在評估區(qū)域內選擇一個目標位置進行分析。

(3)確定目標位置是否處于現場火焰探測器的有效監(jiān)測范圍之內。此時需考察探測器被現場設備的遮擋情況。

(4)在要求的表決形式下(如：1ooN、2ooN)，評估目標位置能否被有效個數及以上的探測器覆蓋。

(5)按上述過程對評估區(qū)域內的所有位置點進行分析。

(6)創(chuàng)建所有被探測覆蓋的位置點的總和。計算被有效覆蓋空間在評估區(qū)域總體空間中所占的比例，即為火焰探測器的地理覆蓋率。

3.1.2 氣體檢測的地理覆蓋率

FGS 對監(jiān)測區(qū)域內氣體泄漏事件的檢測能力同樣隨現場探測器數量的增加而增強。受探測器的數量與安裝位置的限制，小型的危險氣體泄漏有可能在形成較高濃度或較大氣體聚集后才被發(fā)現。在進行探測器地理覆蓋率評估時，需要建立一個通用標準來確定需要在監(jiān)測區(qū)域內任何地點檢測的氣體釋放的大小。

確定適當的氣體釋放標準是進行地理覆蓋率分析的前提條件。這種標準的典型形式是給出一個給定尺寸的球型氣云(如直徑為5m)作為探測器檢測的極限氣云。在某些易受火災/爆炸影響的區(qū)域，應建立一個較小的氣體釋放標準；而對氣體泄漏風險較低的非過程區(qū)域，則適宜建立較大的氣體釋放標準。

氣體探測器的地理覆蓋率評估流程：

(1)確定評估區(qū)域內的氣體釋放標準(如：直徑5m、濃度50%LEL的球型氣云)。

(2)在評估區(qū)域內選擇一個目標位置進行分析。

(3)確定目標位置產生的氣體釋放能否被現場氣體探測器(點式或開路式)檢測到。

(4)在要求的表決形式下(如：1ooN、2ooN)，評估目標的氣體釋放能否被有效個數及以上的探測器覆蓋。

(5)按上述過程對評估區(qū)域內的所有位置點進行分析。

(6)創(chuàng)建所有被探測覆蓋的位置點的總和。計算被有效覆蓋空間在評估區(qū)域總體空間中所占的比例，即為氣體探測器的地理覆蓋率。

3.2 探測器場景覆蓋率評估

可在地理覆蓋率分析的基礎上，針對監(jiān)測區(qū)域內的主要風險場景進行進一步的場景覆蓋率評估。通常需要通過火災模型及氣體擴散模型來確定的風險場景的范圍和特性，如火焰大小和形狀、氣云的分布等。再根據現場探測器的布置規(guī)律評估特定的風險場景能否被有效檢測到。

3.2.1 火災檢測的場景覆蓋率評估流程

(1)識別監(jiān)測區(qū)域內的火災風險場景。

(2)評估該風險場景可能造成的釋放后果。對于火災而言，應評估每種潛在釋放可形成火焰的形狀、方向及該釋放可能出現的頻率。

(3)確定潛在的火焰釋放是否處于現場火焰探測器的有效監(jiān)測范圍之內。此時需考察探測器被現場設備的遮擋情況。

(4)在要求的表決形式下(如：1ooN、2ooN)，評估潛在火焰釋放能否被有效個數及以上的探測器覆蓋。

(5)評估該火災風險場景下的其它的潛在釋放。

(6)評估監(jiān)測區(qū)域內的其它火災風險場景。

(7)將區(qū)域內所有可被探測到的火焰釋放的頻率相加得到探測釋放頻率，探測釋放頻率與總釋放頻率之比便為監(jiān)測區(qū)域內火焰探測器的場景覆蓋率。

3.2.2 氣體探測器的場景覆蓋率評估流程

(1)識別監(jiān)測區(qū)域內的氣體泄漏風險場景。

(2)評估該風險場景可能造成的釋放后果。對于氣體泄漏而言，應根據介質密度、壓力、風向等參數評估每種潛在氣體釋放將形成氣體分布輪廓及該釋放可能出現的頻率。

(3)確定潛在的氣體釋放是否可以被現場探測器有效檢測到。

(4)在要求的表決形式下(如：1ooN、2ooN)，評估潛在氣體釋放能否被有效個數及以上的探測器覆蓋。

(5)評估該氣體泄漏風險場景下的其它的潛在釋放。

(6)評估監(jiān)測區(qū)域內的其它氣體泄漏風險場景。

(7)將區(qū)域內所有可被探測到的氣體釋放的頻率相加得到探測釋放頻率，探測釋放頻率與總釋放頻率之比便為監(jiān)測區(qū)域內氣體探測器的場景覆蓋率。

3.3 地理覆蓋率和場景覆蓋率的優(yōu)缺點分析

探測器場景覆蓋率在原理上更貼近于真實的火災和氣體泄漏過程，評估結果更為準確。但對場景分析的要求較高，需要對火焰和氣云進行學仿真計算，評估效率較低，成本較高，更適合風險源較少、風險場景簡單、風險等級較高的區(qū)域。

探測器地理覆蓋率不需要對具體的風險場景進行細化分析，相對比較簡單，效率更高，成本更低。但是地理覆蓋率對評估區(qū)域內的任意點都采用同等的評估標準，而無法區(qū)分高風險部分和低風險部分，可能導致低風險部分要求過高，地理覆蓋率的計算結果往往會低于實際的場景覆蓋率，這從風險控制角度通常也是可以接受的。

表1 FGS安全績效核算數據

4 探測器覆蓋率評估及優(yōu)化技術應用案例

某天然氣壓縮機橇塊內共3臺天然氣壓縮機，現場潛在的火災風險較高，屬于一級一類風險區(qū)域。橇塊的四角設置了4臺火焰探測器(FD)，當有兩臺火焰探測器同時輸出報警時，系統(tǒng)自動啟動減災措施。FD的設計安裝高度為3.5米。

圖1 天然氣壓縮機橇塊設備布置簡圖

基于現場設備布置規(guī)律進行幾何建模，應用幾何投影技術對現場火焰探測器的地理覆蓋率進行定量評估。經模擬計算，現場探測器覆蓋率較低，造成FGS安全績效很低，無法滿足現場的風險控制要求。

根據定量風險評估結果，影響本案例FGS有效性的主要因素為探測器覆蓋率。由于現場2 個探測器同時作用的覆蓋率偏低(分別為：22.7%、30.2%、19.5%)，自動響應模式難以起到有效作用，對3 臺設備的保護主要依靠人工響應模式，造成FGS的保護效率不高。所以應從提升探測器覆蓋率角度對系統(tǒng)進行優(yōu)化。

在不增加探測設備的前提下，通過探測器安裝位置微調，便可起到較好的系統(tǒng)優(yōu)化效果。經重新模擬計算，將探測器安裝高度提升1m 后，探測器覆蓋率會得到明顯提升。優(yōu)化后，雙探測器覆蓋率可上升至71.6%、76.8%和60.6%，FGS自動響應模式將發(fā)揮主要作用，風險抑制效率可提升至71.6%、75.7%和59.8%。

5 結束語

在實際應用中，現場探測設備的安裝與布局往往是影響火氣系統(tǒng)安全績效的最主要因素。通過對探測器覆蓋率的定量評估及合理優(yōu)化，可以很大程度的改善火氣系統(tǒng)安全完整性水平。