火灾报警和气体检测系统设计探讨

吕 岩，王 渤

（中科合成油工程股份有限公司，北京101407）

“十一五”到“十三五”期间，中国煤化工产业得到了长足发展，全国建成了多个大型煤制油、煤制烯烃项目。煤化工及化工行业中间产品及成品大多为易燃、易爆、有毒物质，复杂的生产过程中有大量高温、高压设备，现场可能出现泄漏、火灾等安全事故。随着危险化学品“两重点、一重大”安全监管工作的推广，国家和企业对安全生产越来越重视，相关标准的要求不断提高，如何科学合理地设计火灾自动报警系统（FAS），气体检测系统（GDS）需要自控工程技术人员不断学习和探索。

1 国内现行FAS和GDS设计

FAS和GDS的设计相对独立。在大型煤化工项目中2个系统分属消防和气防，设计和验收规范不同，在设计领域，很多单位分别将FAS和GDS的设计工作归属不同专业。

1.1 火灾自动报警系统

FAS设计遵循GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》[1]、GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[2]和GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》[3]等。以上标准中的强制性条款应严格执行。

1.1.1 系统配置

FAS可对全厂火灾实现监测、显示、报警、联动消防设备。一般系统由火灾探测器、手动报警按钮、区域火警控制器、图形显示装置、应急广播、火警电话及火警联动设备等组成。系统采用标准消防组网设备，接入FAS的各种探测器为地址编码式，能够做到自动识别、自动编码。

罐区内设置火焰探测器以及火灾报警的手动报警按钮等，罐区外消防水管线和泡沫液管线上均设消防阀。当发生火灾时，探测器或警报器将报警信号传送至FAS，经人工确认后，通过手动或自动联锁启动消防泵，并自动打开消防水罐、泡沫罐出口的雨淋阀和对应罐的控制阀进行喷淋灭火。

1.1.2 联动设计

火警控制器触发火灾报警后，联动控制器应能按设定的控制逻辑发出联动信号，用于启动消防设备或触发其他消防保护系统，联动反馈状态信号应在火警控制器上显示，联动控制器应具有手动联动和自动联动功能。自动触发消防联动的火警检测输入信号应至少采用“2oo2”触发判断逻辑。消防水泵、防排烟风机、消防补风机除自动联动控制外，还应在消防控制室设置手动联动措施，可以独立运行操作。

FAS与现场消防设备进行联动控制，对于控制室等建筑，FAS需与空调系统、防火卷帘门等防火系统进行联锁。装置区内FAS与现场的自动喷水灭火、泡沫灭火和气体灭火系统进行联动。GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》[1]在面向民用建筑的基础上，增加了电气火灾、大型储罐、大空间等工业方面的范围。

1.1.3 供 电

主电源采用消防电源。备用电源可根据具体情况配置，采用火灾报警控制器和消防联动控制器自带的蓄电池电源或消防设备应急电源。

1.2 气体检测系统

GDS设计遵循GB 50493—2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》[4]、GB 12358—2006《作业环境气体检测报警仪通用技术要求》[5]、GB 15322—2003《可燃气体探测器》[6]等有关规范，以及原安监总局发布的AQ 3036—2010《危险化学品重大危险源 罐区现场安全监控装备设置规范》[7]等规定。

GDS用于工艺生产装置、公用工程装置、厂外工程设施的危险气体检测，工艺过程联锁和火灾预警，工艺介质的泄漏监控及相应的联锁。当GDS仅用于火灾预警时属于消防系统，当用于过程检测联锁时，其功能属于生产过程控制或安全仪表系统，用于生产过程时报警信号应接入消防控制室，在火灾报警控制器显示相应信息。

1.2.1 系统配置

GDS设计可以采用如下方式。

1)显示报警设备可采用可编程逻辑控制器（PLC）、盘装报警控制器等硬件，需具备显示、存储可燃气体和有毒气体检测信号及报警信息等功能。

2)当可燃气体和有毒气体检测信号参与消防联动控制时，检测信号需独立设置并送至消防联动控制设备，也可先引至具有CCCF认证的盘装报警控制器，然后再输出至消防联动控制设备。

3)当可燃气体和有毒气体检测信号参与安全联锁时，检测信号应独立设置并送至SIS，相当于GDS需要有SIL等级认证。

目前，煤化工装置一般规模较大，气体检测的点数较多，采用盘装表的方式不多，多采用GDS。1个或几个单元的探测器接入相应的现场机柜间的机柜进行逻辑运算处理，发出报警及联锁信号至现场设备。机柜间的信号通过光缆接至中心控制室，在相应操作站指示。

为了性能更可靠，目前大型项目的GDS通常选用基于SIL 2或SIL 3认证的SIS为框架，独立设置并要求有CCCF的消防认证。

1.2.2 联锁设计

GDS功能需确定是过程控制还是消防联动，如果是过程级，根据相应造成危害的程度确认是否为安全联锁；如果是安全级，需确定联锁的SIL等级，按照该等级构成回路。设计前期需进行安全评估，评估结果作为GDS联锁等级的设计依据。

1.2.3 供 电

一般采用UPS供电，电源为一级用电负荷中特别重要负荷。

2 国外通行火灾报警和气体检测系统设计

国外特别是欧美项目通常将火灾报警和气体检测系统作为一个系统，即火气系统FGS（Fire and gas system）。

2.1 系统架构

FAS通常遵循美国防火协会标准NFPA 72—2010 National Fire Alar m and Signaling Code[8]，其中规定了FAS及其部件的应用、安装、性能、维修等，但未包括气体探测系统。

ISA TR84.00.07—2010 Guidence on the Eval uation of Fire，Combustible Gas and Toxic Gas System Effectiveness[10]提出了FGS在设计阶段的生命周期和评估流程，并且明确强调了影响FGS有效性的三要素：探测器覆盖率（detector coverage）、FGS 的 安 全 可 用 性 （FGS safety availability）以及减灾有效性（mitigation effectiveness）。该标准建议将FGS有效性评估的三要素通过事件树方法ETA（event tree analysis）进行分析，用加权平均结果定量分析FGS的有效性，火气系统有效性模型如图1所示。这与IEC 61511中的故障树分析FTA（fault tree analysis）计算得出系统的失效率的方法类似。欧洲EN54系列标准Fire Detection and Fire Alar m Systems-Part 2：Control and Indicating Equip ment，BS5839—2013 Fire Detection and Fire Alar m Systems for Buil dings[11]等也有类似方法表述。

图1 火气系统有效性模型示意

2.2 系统配置

FGS是技术先进的、完整的安全监控系统，能够做到事前预防、事中处理、事后查询分析的功能，系统框架如图2所示。FGS通过各种现场设备对现场进行连续的在线监控，及时发现火灾和存在的火灾隐情并采取果断的措施来控制火灾的发生和进一步蔓延，以达到保护人员和设施的目的。一般情况下，FGS都连接广播系统，在火灾发生时，广播系统将立即启动火灾警报，进入火灾应急预案。应急指挥人员将通过FGS工作站确定火灾发生的地点，以指导灭火队尽快赶赴现场。当FGS连接相应的紧急关断系统时，在火灾发生时消防联动将根据FGS的报警等级发出关断指令，该系统需要SIL等级。

2.3 系统评估

在设计过程中，不仅要关注具有安全仪表功能SIF的SIL等级，同时探头探测覆盖率也是FGS设计时重要的考虑因素。

ISA采用火气系统的安全有效性SA（safety availability）而没有采用SIL的概念。它试图强调FGS的功能回路的平均失效概率PFDavg并不能完全表征SIL，SIL相当于风险降低能力。

FGS保护装置区域的安全，防范和减缓有毒有害气体和可燃气体泄漏，导致的爆炸，及带来的风险和事故隐患。FGS可靠性要求非常高，一旦失效会导致事故进一步蔓延，后果等级严重升级。FGS是针对火灾和气体探测的安全管理系统，通过对装置现场的消防按钮、烟气、火、可燃气体、有毒气体的检测信号的采集，经过系统逻辑运算输出进行生产过程控制的处理，也可以控制报警灯、报警铃、雨淋阀、泡沫阀、轴流风机以及空调系统的新风入口阀等。

图2 系统框架示意

FGS对系统的硬件有认证要求，对组态软件及编程有要求，对操作、管理团队也有相关要求，才能满足SIS的全生命周期管理要求。

2.4 供 电

FGS配置交流电源和蓄电池备用电源，符合NFPA72—2010的相关规定。主电源应采用消防电源，备用电源可根据具体情况配置，采用火灾报警控制器和消防联动控制器自带的蓄电池电源或消防设备应急电源。

3 设计问题分析

3.1 火气系统

目前国内设计验收规范体系中，FAS和GDS独立设置，根据GB 50116—2013[1]中的相关规定，用于生产过程控制的GDS可按GB 50493—2009[4]中的相关规定进行设置，其报警信号应能接入消防控制室，以保证消防救援时能及时获取相关信息。

3.2 安全性

FGS功能回路与SIS的SIF不同点如下：

1)SIS中测量工艺参数的变送器是直接测量；火灾与气体检测器是间接测量，检测设备和管道的介质泄漏，而且探测器存在探测盲区。

2)SIS的最终执行元件是切断阀等，只要基本技术参数满足工艺要求，安全有效性是确定的。

3)FAS系统的最终执行元件是消防喷淋系统、风机风闸、警灯警铃等，安全有效性水平存在很大的不确定性。

4)SIF中PFDavg直接对应着风险降低能力（RRF）或者SIL等级。FGS功能回路计算得出的PFDavg低，意味着直接的风险降低能力高。

3.3 联锁与联动

当火灾、气体检测联锁设计时，由可燃气体报警控制器将可燃气体的报警信号接入FAS，因而要分清楚工艺联锁与消防联动。消防系统包含自动喷水灭火系统、FAS、防排烟系统、消防给水系统、气体灭火系统、消火栓系统、灭火器、应急照明和疏散指示、防火门和防火卷帘等九大子系统。

GDS的火灾监控仅用于工艺过程中有联锁要求的火灾监控，而FAS用于与消防相关的火灾监测和联动。例如：压缩机厂房内的火焰监测及对暖通设备和建筑天窗的联动应属于FAS，装置中工艺过程的火焰监测联锁相应工艺设备及流程停车属于GDS，而联动干粉系统属于FAS。对于这种需要对2套系统分别进行联锁和联动的探测器，应有两路信号输出，可由探测器本体输出两路硬接线，也可由探测器接至机柜室内的信号分离器，分出两路信号硬接线分别接入GDS和FAS。

3.4 相关标准

在自控设计中，SIS设计遵循GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》[14]，GB/T 20438—2006《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》[15]等同于IEC 61508，GB/T 21109—2007《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》[16]等同于IEC61511—2003和ISA-TR 84.00.02—2002等。在IEC 61511-1—2003的3.2.38条中提出火灾或气体泄漏属于减灾层。

国内没有FAS的相关标准，可参考NFPA72 2010，ISA TR84.00.07 2010，EN54等国外标准，亦可参考自控设计规范。

4 设计展望

现有FAS和GDS设计偏重于满足国内现行规范的常规功能性指标要求，对覆盖率、可靠性、有效性三方面没有进行整体分析和评估。随着与国际接轨的进行，一些规范的更新，相应的有效性评估技术和方法也将在国内的工程实践中逐步应用，可以对全厂FGS的准确执行能力进行量化及评估。FGS设计前期需进行SIL等级整体评估后确认是否设计联锁及如何设计联锁。全生命周期的确定中，FAS和GDS的安全评估是非常必要的。

可以通过ISA TR84.00.07—2010提供的说明和评价火灾、可燃及有毒气体系统的布点设计效果的方法，涉及探测器测量范围、数量、安装位置和角度等设计参数，确定所需的探头类型和消防设备。针对可燃性/有毒性辨识潜在的泄漏源，确定与这些泄漏源相关联的危险。危险事件发生的越频繁，要求FGS及其相关消防等设施的安全有效性越高。确定与这些场景相关联的风险，将辨识出的未减小的风险与预先定义的可接受风险目标相比较；辨识FGS风险降低要求，包括系统的安全有效性以及探头覆盖率目标，这将影响到FGS的设备选型、探头的表决机制、探头的安装位置以及测试和维护规程，这些内容是设计火灾及气体检测系统的基础。

5 结束语

在煤化工项目中，企业面临的主要威胁就是火灾与可燃性气体的爆炸以及有毒气体的泄漏，设计出准确、安全、可靠的监测系统是非常重要的。随着“以人为本”的安全理念不断深入，越来越多的企业重视安全生产，对FGS的要求也越来越严格，保护现场人员和设施、能够预防及对已发生的事故进行及时的反应，把事故损失降到最低，达到最好的经济效益，也是设计人员的重要责任。