火气系统设计探讨

黄志清

(中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223)

火气系统FGS(fire alarm and gas detector system)包含火灾自动报警系统和可燃气体和有毒气体检测系统(GDS)。安监总管三(2014)116号文件发布前，化工装置GDS的设计通常是根据GB 50493―2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》，在DCS中设置独立的I/O卡件实现GDS的功能；而火灾报警由火灾自动报警系统实现。该文件发布后，指明化工装置安全仪表系统(SIS)，包括安全联锁系统，紧急停车系统(ESD)，GDS等，应严格按照相关规范设计GDS。为确保其功能，相关系统应独立于基本过程控制系统(BPCS)，根本原因是FGS，BPCS，SIS处于不同的保护层，即FGS属于减轻保护层，BPCS和SIS属于预防保护层。FGS应能在BPCS和SIS保护失效的情况下，降低危险事件产生的危害后果的严重程度。

按照目前发布的文件和规范， GDS独立设置是必须严格执行的。FGS的功能安全可达到IEC 61508的 SIL3等级，并获得了国家消防安全资格认证(CCCF)，完全符合国家法律和规范要求，是未来的发展趋势。目前，国际上的大项目一般都会设置独立的FGS，从而与SIS一起构成一体化的工厂综合安全系统。

1 火气系统基本构成

FGS由传感器、逻辑控制器和最终元件等组成，用于探测可燃气体、有毒气体或火灾报警。一旦出现异常状态，可提供状态报警、执行预定动作，或将工艺过程置于安全状态，减轻危险事件的后果。传感器包括气体检测器、火焰探测器、感烟火灾探测器、感温火灾探测器以及手动火灾报警按钮等；逻辑系统一般为安全型可编程序控制器(PLC)；最终元件可能是声光报警器、公共广播报警系统(PA/GA)、喷淋系统、灭火系统，甚至工艺装置联锁停车。FGS基本构成如图1所示。

图1 FGS基本构成示意

2 火气系统工程设计

2.1 设计方法

目前国内绝大多数设计单位的专业分工是： GDS由仪表专业人员设计，火灾自动报警系统由电信专业人员设计。以下根据某液化天然气接收站项目工程设计经验提供一种设计方法。

1) 装置机柜间、综合控制楼、变电所、办公楼等建筑物的火灾报警设施，由电信专业以建筑物火灾自动报警系统控制器为核心进行设计，各个火灾自动报警系统控制器通过光纤联网，构成1个相对独立的网络化火灾自动报警系统。整个火灾自动报警系统的主要信号以数据通信方式或硬接线方式传送给FGS。

2) 现场消防设备包括手动报警按钮、火焰探头及灭火系统等的施工图纸由电信专业负责设计，电缆表作为FGS组态的输入文件。

3) 仪表专业除了负责GDS的设计外，还需负责FGS组态文件如I/O表、报警联锁值一览表、联锁系统逻辑图等的设计，其中消防部分的I/O点和相关报警联锁信息由电信专业提供，以融合两个专业的文件，方便FGS厂商组态。

2.2 输入设备的设计

FGS的输入设备主要包括气体检测器、火焰探测器、低温探测器(RTD)、压力开关、手动火灾报警按钮等。

1) 气体检测器。设计主要依据GB 50493—2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》，实现对工艺装置和储运设施可能存在可燃或有毒气体泄漏的地方进行实时、连续的监测。另外控制室、机柜间、变配电所的空调引风口、电缆沟和电缆桥架进入建筑物房间的开洞处等可燃气体和有毒气体有可能进入建筑物的地方，宜设置检测器[1]。气体检测器的设计应根据现场设备布置、气体泄漏发生的可能性、气体的特性以及现场环境等情况确定。气体检测器技术要求和试验方法应遵循GB 12358—2006《作业场所环境气体检测报警仪通用技术要求》。

2) 火焰探测器。目前应用较为广泛的火焰探测器是三频红外火焰探测器和紫外红外复合火焰探测器，具有较高的抗干扰能力和较远的探测距离。火焰探测器的技术要求和试验方法等应遵循GB 15631—2008《特种火灾探测器》，安装设置可参照GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》，应符合下列规定：

a) 应考虑探测器的探测视角及最大探测距离，可通过选择探测距离长、火灾报警响应时间短的火焰探测器，满足保护面积要求和报警时间要求。

b) 探测器的探测视角内不应存在遮挡物。

c) 应避免光源直接照射在火焰探测器的探测窗口。

d) 单波段的火焰探测器不应设置在平时有阳光、白炽灯等光源直接或间接照射的场所。

3) 手动火灾报警按钮。设置可参照GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》进行，即每个防灾分区至少应设置1个手动报警按钮。1个防火分区内的任何位置到最邻近的手动报警按钮的步行距离不应大于30 m。手动报警按钮宜设置在主要道路的交界处、工艺装置区的主要出入口、临近易燃设备和主要工艺设备、设备控制操作点处，应设置在明显和便于操作的部位。当采用壁挂方式安装时，其底边距所在地面高度宜为1.3～1.5 m，且应有明显的标志。

4) 低温探测器。低温探测器在液化天然气接收站中用于探测液化天然气的泄漏，一般安装在可能存在泄漏区域的低点，如排液沟底部和积液池底部。一般采用“2oo3”结构，当检测到危险时触发相应的泡沫灭火系统。

5) 压力开关。压力开关是消防喷淋系统中的主要部件，安装在消防喷淋系统的湿式报警阀中，当消防喷淋管道的压力小于供水端压力时，压力开关会自动动作，FGS检测到压力低开关信号后，联锁启动消防喷淋泵进行加压。

2.3 输出设备的设计

FGS的输出设备主要包括声光报警器、消防联动设备以及PA/GA和工业电视监测(CCTV)等，以下主要介绍声光报警器的设计。

现场声光报警器应就近设置在探测器所在的区域，安装在操作人员易看到和易听到的地方，如出入口，框架楼梯口等，安装高度应距所在地面2.2 m以上。现场声光报警器技术要求没有相关规范可遵循，基于工程经验和产品样本资料，一般要求蜂鸣器声压等级宜大于105 dB，闪光灯瓦数宜不低于20 W。当探测到烟、热、火焰危险时，蜂鸣器响并发出红色闪烁；当探测到可燃有毒气体时，蜂鸣器响并发出蓝色闪烁；当氧气探测器发生报警时，蜂鸣器响并发出黄色闪烁。

2.4 控制系统设计

2.4.1故障安全模式

FGS和ESD之间存在明显的区别，即FGS正常状态是不带电的，得电时才执行动作。因为ESD是将工艺装置置于安全状态，意味着停止生产过程，一般被设计成故障安全模式。而FGS的误动作有可能损害某些设备单元甚至可能造成人员伤亡，例如控制室的Halon或CO2喷淋系统，如果没有预警突然泄放，将导致操作人员处于危险之中，所以FGS一般被设计为非故障安全模式，即当FGS发生系统功能故障、供电故障及检测回路故障时，除发出故障报警外，一般不能触发报警装置和消防联动设备。

2.4.2控制系统配置要点

FGS的安全等级应取得IEC 61508 SIL3以上认证，具有完备的冗余、自诊断及容错技术，所有设备和部件采用双重或三重化、容错结构。

1) 数字量输入信号的处理。数字量输入回路结构如图2所示，由于FGS是非故障安全模式，数字量输入如手动火灾报警按钮、压力开关等，正常时均处于断开位置，报警时才会闭合,以防止回路故障产生误动作。为了保证上述触点信号在危险事件发生时能正常动作并触发报警和联锁，所有数字量输入应进行在线监测，通常做法是将开关触点与一定阻值的电阻串、并联后引入模拟量输入卡，一般R2的阻值是R1的数倍，如ABB系统，R1阻值为2.7 kΩ，R2阻值为10 kΩ，以明显区分电流大小。然后在逻辑中对输入电流进行判断，以此来判断回路的正常、报警、短路和断路的状态，并给出相应的报警信息。

2) 数字量输出。FGS中的数字量输出包括声光报警器、电磁阀等信号，正常时上述设备均处于不带电状态，为了保证其在要求触发时能正常动作，系统采用的数字量输出卡件应能对输出回路进行在线监测，以判断回路是否处于健康状态，输出回路负载的失效将会触发相应的系统报警，并给出对应的故障通道。

图2 数字量输入回路结构示意

3) 系统报警。FGS应能够提供全面的系统故障自诊断功能和较强的容错能力，系统中的任何故障，如系统故障、供电故障、回路故障等，均应能被实时监控，并发出声光报警；完备的自诊断和故障报警功能是FGS保证功能安全的重要保障。

4) 人机接口。人机接口包括FGS的操作站和辅操台上的监控设备等，安装在中心控制室的控制台上。一般在辅操台上安装有与FGS硬接线连接的开关或按钮等设备，用于手动启动各种消防联动设备。另外，应在操作室适当位置安装1个火灾报警控制盘来指示各防火分区和现场设备的工作状态，危险发生时发出声光警报，提醒操作人员，并可手动启动相关消防联动设备。同时，为了辅助安全撤离和消防救援可在控制台上安装1台风速风向显示器，风速风向仪一般安装在中心控制室楼顶。

3 结束语

目前国内在建、已建的大型石化项目，消防报警系统的设计大部分还是采用相互独立的GDS和火灾自动报警系统，其设计分工明确，管理简单，便于消防验收。但随着企业消防和安全设计理念与国际的逐渐接轨，FGS将被更广泛的应用。

参考文献：

[1] 文科武,李苏秦,罗明,等.GB 50493—2009 石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].北京： 中国计划出版社,2009.

[2] 丁宏军,张颖琮,刘凯,等.GB 50116—2013 火灾自动报警系统设计规范[S].北京： 中国计划出版社,2013.

[3] 李苏秦,胡晨,董继军,等.GB 50160—2008 石油化工企业设计防火规范[S].北京： 中国计划出版社,2009.

[4] 杜兰萍,马恒,倪照鹏,等.GB 50016—2014 建筑设计防火规范[S].北京： 中国计划出版社,2014.

[5] National Fire Protection Association．NFPA-72 National Fire Alarm and Signaling Code[S].Quincy： NFPA, 2010.

[6] IEC.IEC 61511—2003 Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector[S]. Geneva： IEC, 2003.

[7] 徐永汉.火气系统在石化企业的应用策略[J].石油化工自动化,2011,47(06)： 22-24.

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[9] 赵建伟，张剑. 石化企业火气系统设计探讨[J].石油化工自动化,2016,52(03)： 24-27.

[10] 李浩然,宋晓熹,白露.浅析LNG接收站FGS设计[J].燃料与化工,2015,46(04)： 62-65.