液化天然氣接收站火災自動報警系統的設計

王乃民，陳健，陳曉旭，馬國印，趙展銘

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

液化天然氣(LNG)接收站主要包括： LNG接卸、儲存，蒸發氣(BOG)回收處理，LNG低壓槽車外輸，LNG加壓氣化管道外輸及相關的公用工程、輔助工程等設施。LNG的主要成分是甲烷(CH4)，一旦發生泄漏，遇火源就可能發生火災事故，產生嚴重后果。

隨著國家和各行業對安全生產越來越重視，LNG接收站需要一個安全、準確、快速及時、性能穩定的火災自動報警系統和氣體檢測報警系統來監測現場的危險因素，以保障LNG接收站工作人員和設備安全，從而滿足安全生產要求[1]。

火災自動報警系統和氣體檢測報警系統是針對LNG接收站火災和氣體探測的安全管理系統，通過各種火焰和可燃氣體探測器對現場連續在線監測，能夠迅速檢測到起火、易燃氣體泄漏和液化天然氣溢出，并根據采集的數據進行計算和判斷，采取相應措施來控制火災和氣體泄漏的發生或進一步蔓延，同時根據事故發生的嚴重程度來確定報警和消防設備控制器的輸出等級，最大化保護現場人員和設備安全，降低對環境的破壞[2-3]。

根據GB/T 21109《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》對過程工業安全防護層的定義，火災自動報警系統和氣體檢測報警系統屬于減災層內的保護系統[4]。在中國海洋石油和國外石化項目中，火災自動報警系統和氣體檢測報警系統通常以安全型PLC作為核心，將各類火災探測器、可燃氣體探測器、消防聯動控制的執行元件等均接入系統中[4]，大多數火災自動報警系統和氣體檢測報警系統使用經安全認證的PLC。

近年來，由于中國加強了對消防產品市場準入制度的推行力度，國內開始實行強制性消防產品認證，其中，火災探測器、手動火災報警按鈕、火災報警控制器等消防產品必須取得CCCF認證。

1 火災自動報警系統構成

1.1 安全型PLC與火災報警控制器相結合的結構

為滿足國內安全消防認證要求，同時兼顧系統的安全可靠性，LNG接收站的火災自動報警系統(FAS)通常采用安全型PLC和火災報警控制器相結合的結構，系統結構如圖1所示，接收站裝置區和建筑物內消防設施分別由安全型PLC和火災報警控制器驅動控制，控制邏輯如下：

1)建筑物內火災報警控制器(聯動型)接收建筑物內火災探測器、手動火災報警按鈕等的總線型報警信號，根據設定的控制邏輯向各相關的受控設備發出聯動控制信號，并接受相關設備的聯動反饋信號。消防水泵、防煙和排煙風機的控制設備，除采用聯動控制方式外，在消防控制室設置手動直接控制裝置。火災報警控制器通過RS-485通信接入全廠火災自動報警系統和氣體檢測報警系統。

2)裝置區火災報警控制器接收建筑物外的火焰探測器、手動火災報警按鈕等的總線型報警信號，通過RS-485總線發送報警信號至安全型PLC。安全型PLC接收裝置區火焰探測器和火災報警控制器的報警信號(硬線信號)，并根據設定的邏輯啟動裝置區的消防設施。

3)可燃氣體探測系統接收廠區可燃氣體探測器、低溫泄漏檢測器報警，根據表決邏輯啟動可燃氣體泄漏聲光報警設備，并通過RS-485通信方式把二級報警信息發送至火災報警控制器。

該FAS的結構適用于復雜控制邏輯的工業領域，其優點是可靠性高、可用性強，監控范圍廣，但是一次性投資成本較高。

圖1 安全型PLC與火災報警控制器相結合的FAS結構示意

1.2 火災報警控制器獨立結構

在安全可靠性要求不高的工況下，為節約投資成本，全廠火災報警系統采用聯動型火災報警控制器的獨立結構，結構如圖2所示。

1)聯動型火災報警控制器接收建筑物內火災探測器、手動火災報警按鈕、廠區火焰檢測器、手動報警等的總線型報警信號，根據設定的邏輯聯動全廠火災聲光報警設備和消防設施，并接受受控設備的聯動反饋信號。消防水泵、防煙和排煙風機的控制設備，除采用聯動控制方式外，在消防控制室設置手動直接控制裝置。

2)GDS接收廠區可燃氣體探測器、低溫泄漏檢測器報警信號(硬線)，根據表決邏輯啟動可燃氣體泄漏聲光報警設備(硬線)，并通過RS-485總線把二級報警信號發送給聯動型火災報警控制器。

該獨立結構的聯動型火災報警控制器投資成本低、可靠性差，需要人工干預，適用于民用建筑和簡單邏輯控制的工業領域。

以上2種常用的火災自動報警系統結構，具有各自的優缺點和適用性，在實際設計過程中，應根據項目整體要求合理選擇。

圖2 火災報警控制器獨立結構示意

2 LNG接收站的火災自動報警系統設計要求

為了讓FAS更準確地監測LNG接收站的火災狀況，在總體設計過程中，需要遵循以下設計要求。

2.1 安全型PLC

遵循的基本原則是把接收站或接收站特定區域維持在一個安全的狀態下，把LNG輸送、存儲過程中可能造成的破壞影響降到最低。系統的設計應盡可能遵循故障安全原則，原則如下：

1)支持整個接收站火災和氣體檢查和保護的需求，響應速度在任何情況下都不應受到影響。

2)經過評估，所采用的安全型PLC的安全完整性等級應達到SIL3。

3)采用“三重化”或“四重化”中央邏輯控制器模塊的冗余容錯技術。

4)采取冗余結構，即使在有一個關鍵設備失效的情況下，安全型PLC能夠連續無干擾運行，控制器、所有輸入/輸出模塊、通信網絡、電源模塊均采用1∶1冗余配置。

5)具有時序控制、計算、脈沖調幅、積算、數據鍵入、操作、通信等功能。

6)能診斷和顯示系統的全部部件故障，并通過串行通信接口在操作站上顯示。

7)采用冗余和容錯的通信方式。

8)與DCS通信接口采用冗余配置，帶自診斷功能，在操作站上能顯示運行的狀態。

9)與FAS相連的現場設備應具有來自于FAS的回路電源，并對現場電路進行必要的保護。

10)具有高可維護性。在不關閉系統的情況下，系統應能在線修復、替換和升級。

11)所有輸入輸出回路都應采取過流、過壓以及防雷保護。所有元件或組件不應對其他元件產生電磁干擾，同時能夠經受外部一定強度的電磁干擾影響。

2.2 火災報警控制器

為確保接收站消防的安全，選配的火災報警控制器必須保證性能可靠，并取得中國消防產品質量CCCF認證。整體設計應符合當地消防機構的要求，遵循原則如下：

1)應采用基于固態電子元件和微處理器的模塊化結構。應持續監測、控制、報告和顯示運行狀態，包括： 消防設備、固定滅火系統和FAS的故障狀況。

2)可在現場配置、編程和編輯，并允許擴展更多的回路卡。

3)全部軟件存儲在火災報警控制器內的存儲器中，初級和次級電源掉電不應造成存儲器中指令和記錄的擦除。

4)應能監測所有控制線、探測器和其他現場設備的進出線，當線路發生故障，應自動報警，該警報應與其他類型報警區分開。

5)由交流220 V供電，此外，還應提供免維護電池組和充電器，為系統提供24 V直流電源，蓄電池組的容量應保證火災自動報警及聯動控制系統在火災狀態同時工作負荷條件下連續工作3 h以上。

6)應具有液晶顯示器，并應背光設置以增強可視性。

7)應具備功能： 設置事件日期，LED 測試，警報，故障、安全、監控和異常情況列表，啟用或禁用單個監視點、激活或禁用單個控制點，更改操作員訪問密碼和級別，啟用步行測試、運行檢測程序，顯示軟件版本級別、歷史記錄、板卡狀態、點列表等。

8)應配有聯動控制盤，至少不低于32路多線或總線控制功能，既可以作為總線盤間接控制現場設備，也可以作為多線盤直接控制現場設備。聯動控制盤具備按鍵保護、現場信息上傳、線路故障檢測以及輸出線路過流保護等功能。多線盤的每一路都具有最大2 A的驅動能力，并具備過流保護功能。火災報警控制器癱瘓的狀態下，聯動控制盤能獨立使用啟動現場消防滅火設備。

9)應配置足夠數量的RS-232/485接口。

10)考慮防雷保護措施，各類避雷器由FAS配套提供。

3 報警設備選型

現場設備的選型關系著系統是否能夠準確運行，輸入設備有火焰探測器、手動火災報警按鈕，輸出設備有火災聲光報警器、消防聯動設備。

依據文獻[5]，火焰探測器、手動火災報警按鈕等消防產品必須取得CCCF認證，另外，在CNCA-C18-01—2020《強制性產品認證實施規則 火災報警產品》中也規定了火災報警產品的認證[6]。現場常用火氣探測/報警設備工作原理、技術要求和布置原則見表1所列。

表1 常用火氣探測/報警設備工作原理、技術要求和布置原則

4 結束語

目前國內在建和已投產的LNG接收站項目中，兩種結構的火災報警和氣體探測系統都有應用，根據項目實際需要選擇合理的系統結構。以安全型PLC和火災報警控制器相結合的FAS有利于提高系統整體安全可靠性，而以火災報警控制器獨立控制的系統結構，更適用于控制邏輯簡單或項目規模較小的項目。如今后安全型PLC取得CCCF認證，LNG接收站火災自動報警系統將會變得更為簡單、安全可靠，并進一步降低投資成本。