火氣系統布點優化技術在電廠安全監測系統中的應用

李麟, 馬云鸝

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000 2.梅思安(中國)安全設備有限公司，江蘇 蘇州 215000)

火災及氣體監測報警系統(FGS)，簡稱火氣系統，在某些行業被應用于工業設施和裝置區域中，用于監測火焰和可燃氣體、有毒氣體泄漏并具備報警和消防、保護功能。從功能安全保護層來看，屬于減災保護層，與安全儀表系統(如緊急停車系統)相比，影響FGS有效性的因素更多，也更為復雜。除自身的安全完整性外，現場探測設備的數量、布局和安裝位置，輸出響應后消防、噴淋等災難抑制措施的有效性，人員應急響應能力等因素都會對FGS的有效性造成影響。

FGS可有效發揮預警和風險減緩的作用，其前提是必須能夠高度準確、可靠地識別有毒氣體、可燃性氣體泄漏，預防火災風險的發生，并且能夠提供盡可能高的檢測覆蓋率，因此，布點方案決定了FGS的有效性，這對于整個工藝裝置區域的安全運行，以及防災減災有效性，其重要性不言而喻。

1 安全監測有效性評估的必要性

一般設計單位或者用戶會根據現有的技術標準或規范、通行的做法和歷史項目實施經驗，進行FGS的布點設計。雖然這些方法被普遍使用，但是由于沒有充分考慮復雜的氣體擴散模型和泄漏場景、風力和風向因素，以及裝置內設備擁塞程度和設施的遮擋情況，從而無法提供一種系統化的檢測有效性衡量方法，以及易于識別和評估的安全風險值；如果作業場所和裝置區采用不同的氣體或火焰檢測儀表部署方案，安全風險會出現怎樣的變化？現有的方案是否能夠減少布點數量并能保證同等甚至更高的檢測覆蓋率？如何識別系統安全風險，優化設計，是需要重點解決的問題。

為了能夠有效評估FGS的有效性，需要引入安全監測有效性的概念。安全監測有效性就是通過覆蓋率計算得出有效性的量化結果，一般以探測覆蓋率來表征。此時，需要考慮所選擇的檢測技術是否適合現場工況以及工藝過程，探測器性能參數是否滿足減緩事故后果的要求，比如探測器的靈敏度是否足夠高，反應速度是否足夠迅速等，以及最重要的探測器的布置位置在多大程度上能夠保證當危險發生時能夠被及時地探測到。

2 性能化火氣系統布點設計與評估方法

FGS的設計方法一般分為兩類，技術規范型設計和性能評估型設計。技術規范型設計通常依照技術標準或設計規范，是非常高效的設計手段，此時無需考慮系統的失效風險，也不用評估檢測覆蓋率。

然而，在一些存在較高安全風險，或者工藝流程較為復雜的裝置和環境中，除了技術規范型設計，有必要采用基于性能化的設計和評估方法，動態衡量FGS的有效性并提供易于識別和評估的安全風險評估值。

為了計算探測覆蓋率，需要采用布點分析技術。ISA-TR 84.00.07： 2018提供了兩種不同的評估技術，第一種稱為空間分析法，另一種稱為場景分析法。空間分析法采用的是幾何算法，典型如火焰探測器，通過計算其所能照射的錐體范圍得到覆蓋率；而對氣體探測器，則選擇覆蓋半徑來計算覆蓋率。空間分析法的優點是計算量較小，比較容易執行；缺點是有效覆蓋半徑小，通常需要布置更多的探測器來達到比較好的覆蓋效果。場景分析法的特點是側重于對氣體探測器的設計布置分析，需要考慮泄漏場景、風力和風向等因素，故而計算量較大，實際執行時會有一定的挑戰性。其優點是精確度高，直接針對目標氣體，優化后的探測器布置方案，包括探測器數量和部署位置都會更貼近于實際工況，尤其是采用計算流體動力學(CFD)算法的設計與評估軟件工具，可模擬特定場景下氣體泄漏產生的氣云團。目前，對于氣體探測器來說，場景分析法是業界先進的評估技術。兩種辦法分別適用于不同的場景，有時候亦可以互為補充。

3 性能化火氣系統設計與評估流程

性能化FGS布點設計與評估方法基于IEC和ISA國際標準和規范，通過評估系統建模和分析計算，評估當前設施存在的安全風險和FGS檢測覆蓋率，并通過布點優化，具體建議如何有效地降低風險等級，幫助工程設計人員和用戶快速選擇最佳方案，最終提高整體的系統安全等級。性能化FGS設計與優化流程如圖1所示。FGS設計與評估分為以下三個階段。

1)第一階段為風險分析階段。該部分需要定義出涉及的危險區域，風險場景，風險發生導致的后果,風險發生的頻率，以及評估結果不對所涉及的風險進行減緩，所造成的后果。

2)第二階段為性能要求及設計階段。需要根據第一階段的分析結論，確定FGS的性能要求。基于性能要求可以進一步制定出概念性設計，但概念性設計僅為初步設計，是否能夠滿足所需要的性能要求，需要通過計算來驗證。

3)第三階段為驗證階段。探測器檢測覆蓋率、安全可用性、動作有效性三部分來執行，分別對應于FGS性能三要素。綜合評估結果，最終可以判斷所設計的FGS是否能夠滿足第二階段定義的性能要求。

圖1 性能化FGS設計與優化流程示意

目前，全球知名能源公司和工程公司均廣泛使用性能化FGS布點設計與評估方法以及相關軟件。該方法特點如下：

1)采用領先的場景檢測覆蓋分析模型。不同于常規的空間幾何檢測覆蓋分析，場景模式可以識別真正的安全風險，最大程度幫助客戶達成安全和成本的最佳平衡。

2)采用CFD軟件。對氣體泄漏、擴散按照流體力學方程式進行精確的模擬，而非劃定范圍或規定最大允許距離進行部署，或者不考慮遮擋物而僅簡單地計算爆炸性氣體云團的大小。

3)無縫兼容主流CAD/3D工程設計軟件。例如PDMS,Microstation,SmartPlant 3D,AutoCAD等，可直接導入圖紙，實現全立體3D覆蓋率與殘留風險分析，包括氣體泄漏空間范圍，探測器檢測立體視角，障礙物設施類型和位置，障礙物設施遮擋效果等。

4)提高工程設計效率。采用計算機軟件模擬的方式，多個氣體擴散分析場景可并行開展，分析與設計工作更加高效和準確；當面臨工程設計變更時，可以通過快速對比的方式漸進地修改并獲得評估結果，縮短設計周期，提高設計效率。

經過性能化的FGS設計與評估，用戶獲得的評估報告中的內容包括： 2D或3D氣體和火災檢測覆蓋圖；FGS當前檢測覆蓋率對比分析；建議的檢測儀表部署位置方案；建議的部署數量；執行該方案后的檢測覆蓋率，以及預計的剩余風險大小值。

4 應用案例

香港電力集團公司兩處燃氣接收站內FGS的有效性需要評估，性能化FGS用于實時監測發電廠內16個燃氣撬塊所在區域內，可能發生的火災和爆炸風險。該系統性能化覆蓋有效性評估及后續的設計，能夠建立量化的評估體系，有助于客戶更直觀和理性地分析、判斷，確保該系統更加安全和經濟，有效減緩火災和氣體泄漏危害的后果，流程如下：

1)風險分析(略)。

2)確定性能目標。燃氣接收站檢測覆蓋性能目標見表1所列。

表1 燃氣接收站檢測覆蓋性能目標

3)危險區域分級(略)。

4)泄漏場景定義。通過定量的火焰燃燒模擬和氣體擴散模擬分析，對火災和可燃氣體爆炸性危險分類和評價。氣體擴散模型被用來描述較為顯著的可燃性氣體泄漏，泄漏孔徑直徑為5 mm，基于現場特定工況，裝置內壓力、溫度等具體的參數見表2所列。這些分析將有助于確定該公司燃氣接收站內的固有風險，以及建議的火氣探測器初步布置方案。同時，評估了一系列危險事件和場景，包括小型泄漏和中大型泄漏場景。

表2 燃氣接收站可燃氣體的參數

5)流體力學算法氣體擴散模擬。氣體擴散模擬中，已考慮了環境相關的因素，如裝置所在位置的常年風向和風力的分布，以及泄漏源本身的特點，即不同的設備、部件，具有不同的失效頻率。采用CFD流體力學模擬軟件，可以得到針對上述泄漏場景的氣體擴散參數見表3所列。

表3 模擬軟件中氣體泄漏擴散參數

6)覆蓋有效性評估。該案例中，除了火焰(火災)探測器以外，還需要評估和計算可燃氣體探測器的覆蓋率，為了取得更加準確的覆蓋有效性評估，采用了Kenexis公司的軟件工具Effigy,該軟件可結合CFD模擬技術，預測特定場景下氣體泄漏時產生的氣云團，并與氣體探測器的布置方案進行對比，從而得出氣體探測器的覆蓋率。除了構筑物平面布局、遮擋外，危險源特性(泄漏頻率)、工藝條件(組分、壓力、溫度)、現場氣象條件(風力與風向)、空氣擾動和穩定性、內部空間擁擠程度等因素均需要綜合考慮。

7)布點方案與優化建議。為了滿足覆蓋有效性的性能要求，梅思安公司建議在兩處區域共部署21個火焰探測器和58個可燃氣體探測器，以實現80%覆蓋率(B級)和60%覆蓋率(C級)。FGS覆蓋有效性分析見表4所列。

表4 兩處區域FGS覆蓋有效性分析

經過評估，建議在不低于2.6 m的高度安裝火焰探測器，朝北和朝東的火焰探測器采用45°下傾角，朝南和朝西的火焰探測器采用20°下傾角，以盡量避免或減少附近構筑物可能帶來的誤報警。任一只火焰探測器報警，將觸發明顯的火災聲光報警，并將相關信號(如火災位置信息等)提供給火災自動報警系統，或中心控制系統。

同時，建議可燃氣體探測器安裝高度為1.5 m。任一只探測器報警(如大于10%LEL)，將觸發明顯的火災聲光報警，并將火災位置、可燃氣體氣體泄漏濃度信息等相關信號提供給FGS，或中心控制系統。

5 結束語

FGS作為石油化工、天然氣生產、裝卸、儲運等裝置現場重要的安全保護層，其功能有效性越來越受到重視。通過性能化FGS設計和評估方法，采用領先的場景檢測覆蓋分析模型，以及CFD軟件技術，對氣體泄漏、擴散按照流體動力學模型模擬，定量分析FGS的檢測覆蓋有效性和風險減緩能力，在確保相關裝置和設施安全運行的前提下，可提高設計效率，縮短設計周期，給工程設計人員以及用戶提供了可量化、可視化的風險評估手段。