论石油化工企业中火气系统的应用

于欣恺，林洪俊

(中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071)

石油化工企业既储备有大量易燃易爆气体、液体等危险化学品，又具有高温、高压工艺过程，管道多、设备多、接口多、释放源多，极易发生火灾或爆炸事故，并容易使灾害蔓延。

F&GS，俗称火气系统，根据IEC规范可定义为执行火灾及气体检测及控制等安全仪表功能的全部传感器、逻辑运算器、终端执行元件所组成的集合[1-2]。F&GS作为一种火灾及可燃、有毒气体综合性检测、报警、控制系统，具有可靠性高、实时性强、兼容性好等特点，非常适合于在炼厂这种高危场所使用，目前F&GS已是国际大型石化企业的标配。鉴于中国国情，F&GS尚未在国内石化企业推广使用。

本文将以哈萨克斯坦某炼厂F&GS的应用为例，对F&GS在国际炼厂项目中的通用解决方案做简单介绍，并对F&GS未来在国内石化企业的应用做一下展望。

1 F&GS设计原则

F&GS设计原则一般包括安全完整性原则、故障安全型原则、独立性原则、系统冗余原则等[1-2]。

1.1 安全完整性原则

IEC 61508Functionalsafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystems将安全完整性等级(SIL)划分为4级(SIL1～SIL4)。SIL指在一定时间、一定条件下，安全系统能够执行所规定的安全功能的概率[1]。SIL划分见表1所列，其中：PFD为失效概率，RRF为风险降低因子。

表1 SIL划分

F&GS的SIL定级结果是F&GS设计的重要依据，应由业主或工程承包商委托第三方进行安全完整性等级分析，作为F&GS的设计输入。

1.2 故障安全型原则

F&GS应采用基于高可靠性的故障安全型的可编程逻辑控制器(PLC)；导致F&GS部分或全部失效的多重故障应能使F&GS恢复到安全状态；所有I/O卡件应具有短路和断路监测功能，故障报警。

1.3 独立性原则

IEC规范定义了过程工业为防止发生事故设置的层层防护措施，F&GS与ESD，DCS等系统属于不同的防护层，这就要求F&GS应尽量独立设置，以免系统合建发生故障造成多个防护层同时失效的情况发生。应设置独立的传感器、独立的电缆、独立的电源、独立的控制器、独立的执行元件等。

1.4 冗余性原则

F&GS一般应采用冗余的电源、冗余的控制器、冗余的I/O卡件、冗余的网络。

2 F&GS设计方案

2.1 F&GS网络结构设计

以哈萨克斯坦某炼厂为例，F&GS为三层结构，火气系统网络结构如图1所示。

图1 火气系统网络结构示意

1)现场检测与执行层。包含现场仪表、执行设备，如： 可燃、有毒气体检测器，火灾手动报警按钮，火焰探测器，声光报警器，建筑物火灾报警盘、雨淋阀，风机等。

2)现场机柜室控制层。包括逻辑控制器、I/O卡件、供电单元和继电器等外围配套设备。在每个生产单元设置独立的F&GS控制器，火和气可共用控制器，也可采用独立的控制器。

3)中心控制室监控层。即人机界面，包括操作站、操作台、火灾集中报警控制盘等，操作站进行全厂生产区火气报警的监控，火灾集中报警控制盘进行全厂建筑物火气报警的监控。

2.2 F&GS逻辑控制器

F&GS逻辑控制器是实现系统功能的核心部件，基于带有失效安全架构的高性能PLC，应具备冗余、容错、自诊断、热拔插、可扩展、抗干扰等特性。逻辑控制器主要功能包括逻辑运算和控制、数据通信、编程、软硬件诊断等。逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

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灾手动报警按钮报警、消防阀开/闭状态反馈等干节点信号；DO卡件用于驱动声光报警器、执行器等设备，应注意负载对触点容量的要求；AI卡件用于接收火焰探测器、可燃有毒探测器的4～20 mA报警信号。

I/O卡件应采用冗余配置；卡件内通道间应相互隔离；卡件应具备线路故障监测功能；应注意输入输出信号类型、隔离要求等。

2.4 人机界面

配备操作员站用于现场情况的监视与操作。对于安全联锁，还需要设辅助操作台，设置硬启动开关。

2.5 F&GS与其他系统之间的通信、联锁和报警

F&GS与其他系统之间的通信、联锁和报警关系如图2所示。

图2 F&GS与其他系统之间的通信、联锁和报警关系示意

F&GS与其他系统之间的通信、联锁和报警关系包括如下：

1)接收建筑物的火灾报警控制盘的开关量通用报警信号。

2)向DCS发出开关量通用报警信号；与DCS进行冗余串行通信，DCS应能显示F&GS实时运行状态。

3)向SIS发出开关量信号，启动消防水系统，由SIS完成。

4)向SIS发出开关量综合报警信号，由操作人员根据现场事故情况决定是否采取紧急停车措施。

5)火灾时发出开关量信号启动泡沫比例混合装置，与泡沫比例混合装置系统进行串行通信，实时显示泡沫系统的运行状态。

6)向广播系统发出开关量报警信号，用于现场火气事故报警、紧急疏散及救援指挥广播。

7)向电视监视系统发出开关量报警信号，联动事故区域附近的摄像机转向预置位置。

2.6 系统软件

组态软件应具备在线编程、离线编程、离线仿真调试、在线修改与下装等功能。组态软件应采用满足IEC61131标准的编程语言，至少应有功能块图、结构文本编程方式。

2.7 系统扩展与余量

应为系统未来扩建预留合理的余量，建议配备最小余量见表2所列。

表2 F&GS最小余量配置 %

2.8 逻辑功能

F&GS逻辑功能主要包括： 现场火气的检测及多级报警、启动消防联动设备、启动广播进行疏散指挥、联动视频系统进行事故确认等。F&GS对于消防联锁的可靠性要求很高，因此应采取2个及以上探测器或多种探测器动作组合作为消防联锁的触发信号。

3 F&GS在国内石化企业应用前景展望

3.1 国内常用火气监控方案介绍

与国外石化企业中广泛应用的F&GS监控方案不同，国内石化企业火气监控方案一般是选用以传统火灾报警控制器为核心搭建的火灾报警系统，以气体探测系统为核心搭建的可燃气体和有毒气体检测报警系统。采用该方案的主要原因： 目前国内消防规范对于重要消防设备有专门的限制，火灾报警控制器必须具备CCCF认证，以PLC为基础的F&GS是不允许使用的；安监总管三116号文件要求可燃气体和有毒气体检测报警系统与基本过程控制系统完全独立。

3.2 传统火灾报警系统应用存在的问题

传统火灾报警系统在工业场所的应用主要存在以下问题：

1)可用性差。传统火灾报警系统可用性差，一般CPU、模块、通信网络均不可热冗余配置，若发生系统故障将导致数小时乃至数日系统难以恢复。

2)可靠性差。工业场所环境非常复杂，虽然进行了隔离、屏蔽、接地等多种综合保护措施，但根据实际使用效果来看，传统火灾报警系统还是难以避免误动作多的缺点，用户不堪其扰，经常将火灾报警系统调到手动模式或甚至关机，失去了保护作用。

3)接口能力差。工业火灾监控需连接的设备种类较多，接口类型多样，传统火灾报警系统接口信号类型少，不能接收模拟量信号，难以胜任。

4)逻辑功能差。工业火灾监控需要连接的探测设备和联动执行设备多，联锁逻辑复杂。传统火灾报警系统编程功能不灵活，且仅能以外接模块组合应对。根据以往工程经验，采用传统火灾报警控制系统，每遇到联锁关系较复杂的单元现场调试都非常困难，问题频出，设计、施工、业主各方都比较头疼。

5)开放性差。传统火灾报警系统开放性差，不同品牌之间、不同系统之间难以兼容。石化企业分阶段建设，不同阶段建设的装置，因产品招标经常采用不同品牌的设备，造成难以在统一的监控平台上集中管理。

6)管理维护工作量大。传统火灾报警系统与模块之间不是通过标准的卡槽进行插接，而是需将模块单独安装于模块箱或模块柜中，通过总线并接的方式将模块接入控制器中，集成化程度低，外接线多，从而造成系统故障点多，施工、管理、维护不便。

3.3 F&GS应用预测

相比传统火灾报警系统，F&GS虽然价格较高，但可靠性和可用性高，满足石化行业的需求特点；接口形式多，适应性强，满足检测与执行设备类型多的特点；编程灵活，逻辑、运算功能强大，满足消防控制逻辑复杂的需求；开放性好，可互联互通，满足消防系统一体化、自动化、智能化及远程监控的要求；集成度高，接线简便，故障点少，满足工程实施和日后管理维护的需要。可以预见未来F&GS在国内石化企业推广应用的前景是比较广阔的。

目前，F&GS在国内推广的主要困难是技术标准问题，火灾报警系统要取得CCCF认证才能在国内市场上应用。根据国内目前消防产品标准，F&GS要取得CCCF认证比较困难，仅有的几家取得CCCF认证的F&GS价格必然不菲。因此，建议相关管理部门应逐步改进消防产品标准。

4 结束语

本文对F&GS在国际工程中的应用做了简单介绍，希望能对同行有所启发。目前，F&GS虽尚未在国内石化行业大规模推广应用，但已经显示出良好的应用前景。相信伴随着改革开放进程的加快，工业领域的火气监控方案也会逐步与国际接轨，更好地为中国石油石化行业保驾护航。