論石油化工企業中火氣系統的應用

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，極易發生火災或爆炸事故，并容易使災害蔓延。

F&GS，俗稱火氣系統，根據IEC規范可定義為執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，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的標配。鑒于中國國情，F&GS尚未在國內石化企業推廣使用。

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，安全系統能夠執行所規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，應由業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；所有I/O卡件應具有短路和斷路監測功能，故障報警。

1.3 獨立性原則

IEC規范定義了過程工業為防止發生事故設置的層層防護措施，F&GS與ESD，DCS等系統屬于不同的防護層，這就要求F&GS應盡量獨立設置，以免系統合建發生故障造成多個防護層同時失效的情況發生。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、冗余的網絡。

2 F&GS設計方案

2.1 F&GS網絡結構設計

以哈薩克斯坦某煉廠為例，F&GS為三層結構，火氣系統網絡結構如圖1所示。

圖1 火氣系統網絡結構示意

1)現場檢測與執行層。包含現場儀表、執行設備，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火氣報警的監控，火災集中報警控制盤進行全廠建筑物火氣報警的監控。

2.2 F&GS邏輯控制器

F&GS邏輯控制器是實現系統功能的核心部件，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、數據通信、編程、軟硬件診斷等。邏輯控制器的系統硬件、軟件配置及功能應與裝置規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/閉狀態反饋等干節點信號；DO卡件用于驅動聲光報警器、執行器等設備，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場情況的監視與操作。對于安全聯鎖，還需要設輔助操作臺，設置硬啟動開關。

2.5 F&GS與其他系統之間的通信、聯鎖和報警

F&GS與其他系統之間的通信、聯鎖和報警關系如圖2所示。

圖2 F&GS與其他系統之間的通信、聯鎖和報警關系示意

F&GS與其他系統之間的通信、聯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。

3)向SIS發出開關量信號，啟動消防水系統，由SIS完成。

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

5)火災時發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進行串行通信，實時顯示泡沫系統的運行狀態。

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

7)向電視監視系統發出開關量報警信號，聯動事故區域附近的攝像機轉向預置位置。

2.6 系統軟件

組態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 系統擴展與余量

應為系統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： 現場火氣的檢測及多級報警、啟動消防聯動設備、啟動廣播進行疏散指揮、聯動視頻系統進行事故確認等。F&GS對于消防聯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鎖的觸發信號。

3 F&GS在國內石化企業應用前景展望

3.1 國內常用火氣監控方案介紹

與國外石化企業中廣泛應用的F&GS監控方案不同，國內石化企業火氣監控方案一般是選用以傳統火災報警控制器為核心搭建的火災報警系統，以氣體探測系統為核心搭建的可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統。采用該方案的主要原因： 目前國內消防規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；安監總管三116號文件要求可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統與基本過程控制系統完全獨立。

3.2 傳統火災報警系統應用存在的問題

傳統火災報警系統在工業場所的應用主要存在以下問題：

1)可用性差。傳統火災報警系統可用性差，一般CPU、模塊、通信網絡均不可熱冗余配置，若發生系統故障將導致數小時乃至數日系統難以恢復。

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

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

4)邏輯功能差。工業火災監控需要連接的探測設備和聯動執行設備多，聯鎖邏輯復雜。傳統火災報警系統編程功能不靈活，且僅能以外接模塊組合應對。根據以往工程經驗，采用傳統火災報警控制系統，每遇到聯鎖關系較復雜的單元現場調試都非常困難，問題頻出，設計、施工、業主各方都比較頭疼。

5)開放性差。傳統火災報警系統開放性差，不同品牌之間、不同系統之間難以兼容。石化企業分階段建設，不同階段建設的裝置，因產品招標經常采用不同品牌的設備，造成難以在統一的監控平臺上集中管理。

6)管理維護工作量大。傳統火災報警系統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，從而造成系統故障點多，施工、管理、維護不便。

3.3 F&GS應用預測

相比傳統火災報警系統，F&GS雖然價格較高，但可靠性和可用性高，滿足石化行業的需求特點；接口形式多，適應性強，滿足檢測與執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，可互聯互通，滿足消防系統一體化、自動化、智能化及遠程監控的要求；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。可以預見未來F&GS在國內石化企業推廣應用的前景是比較廣闊的。

目前，F&GS在國內推廣的主要困難是技術標準問題，火災報警系統要取得CCCF認證才能在國內市場上應用。根據國內目前消防產品標準，F&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。目前，F&GS雖尚未在國內石化行業大規模推廣應用，但已經顯示出良好的應用前景。相信伴隨著改革開放進程的加快，工業領域的火氣監控方案也會逐步與國際接軌，更好地為中國石油石化行業保駕護航。