石油化工企业重点防火区域智能消防设计

贾卫国

(万华化学集团有限公司 山东烟台 265500)

0 引言

近年来，随着化学工业的发展，石化企业火灾事故、爆炸事故也呈逐年上升趋势，惨剧历历在目：2019年3月，江苏天嘉宜化工有限公司由于危险品自燃引起的爆炸事故；2019年4月，伊东集团东兴化工有限责任公司PVC车间发生爆燃事故；2019年7月，河南能源化工集团义马气化厂空气分离车间发生爆炸事故等，每次事故都伴随着重大伤亡和经济损失。

在对火灾事故进行分析后不难发现，企业消防管理水平落后是一个重要原因。目前国内石化企业的主要消防手段靠人力被动灭火，主要灭火设备仍是消火栓和手动的固定消防炮等[1]，这种只能依靠人工发现、人工灭火的消防手段，在真正发生火灾时往往会错过扑灭火灾的最佳时机，并且会给现场扑救人员带来巨大的安全风险。由此可见，实现智能化的消防技术手段，提高企业消防管理水平，降低火灾安全事故的发生是发展趋势和必由之路。虽然文献[2]中有提到图像型火灾探测系统等新技术，但其整体思路仍是传统消防设备的思路，没有在系统层面上提高到“智慧消防”的思路。

随着消防行业的技术积累和创新，“智慧消防”被提到了战略高度。2017年10月公安部消防局发布了《关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见》(公消[2017]297号文)， 2019年5月中共中央办公厅、国务院办公厅发布了《关于深化消防执法改革的意见》(厅字[2019]34号文)指出：完善“互联网+监管”执法工作机制，运用物联网和大数据技术，全时段、可视化监测消防安全状况，实时化、智能化评估消防安全风险，实现差异化精准监管。

1 石化企业消防现状分析

石化企业典型的重点防火区域有储罐区、生产装置区等，通过大量考察和市场调研发现，大多数石化企业普遍存在以下问题：①火灾报警手段落后；②灭火手段依赖现场操作人员；③信息孤岛化。企业内每个生产事业部或办公区相对独立，都有自己的消防系统，并分散独立运行，造成信息孤岛现象，监管困难。

1.1 储罐区消防现状分析

石化企业的储罐储存的都是化工原料、中间品或化工成品，大多数都属于甲、乙类储罐，具有易燃易爆、有毒有害的危险。

储罐区的火灾特点是：火灾发生猛烈迅速、破坏性大、常伴有有毒有害物质。储罐区通常存在以下消防隐患和缺陷：

(1)缺乏有效的火灾自动报警手段，靠安防监控和值班巡查难免有疏忽大意的时候，特别是夜班执勤期间。

(2)从发现火情、确认火情、出警到指挥灭火，全程靠人工，步骤太多耽误时间，容易错过消灭初期火灾的黄金3～5 min。

(3)储罐火灾发展迅速，有爆炸危险，没有有效的远程灭火手段，初期靠消火栓和手动炮灭火，需人员冲锋靠近现场，非常危险。

(4)有的企业储罐内部泡沫灭火系统为防止泄漏/雾喷，平常处在关闭状态，存在火灾时启用不及时的风险，既不符合规范要求，又只能对储罐内部起火有作用。

(5)有的储罐外壁有自动喷淋系统，主要作用是为储罐降温，使储罐内的化学品保持在正常的温度范围。火灾时也可以启用，但是需要手动启动，存在启用不及时的风险，且其系统压力低、流量小，很难对火灾起到压制作用。

1.2 生产装置区消防现状

生产装置区都是集成的工艺管线路和反应设备，特点是高大密集，基本都是露天布置，是化学工业生产中最核心的一环，由于其设备管线的复杂性，易燃易爆、有毒有害、泄漏危险等所有化工隐患都有可能存在，是化工企业最危险的消防重点区域之一。装置区普遍存在以下消防隐患和缺陷：

(1)没有有效的火灾自动报警手段，装置管线的复杂性又加大了监控和巡查的难度，靠安防监控和值班巡查难免有疏忽大意的时候，特别是夜班执勤期间。

(2)装置区常伴有冷凝水和蒸汽的释放，对危险气体泄漏的检查又是一个考验。

(3)装置区的火灾具有不确定性，任何设备、阀门、管线都有可能引起火灾，如果是内部火灾，就存在遮挡风险，火灾初期不易被巡查发现，耽误黄金救火时间。

(4)没有有效的远程灭火手段，初期靠消火栓、灭火器和手动炮灭火，需人员靠近或进入装置区。

2 智能火灾探测系统设计

2.1 图像型火灾探测系统的特点

(1)可视化。既能探火又能探烟，还具备安防监控功能，自动保存视频录像，可作为火灾原因分析的重要材料。

(2)探测距离远，精准定位，响应快。探测距离可以达到100 m以上，报警时间不超过20 s[3]，并可确定火源坐标，误差不超过0.1 m，可与智能消防炮系统的空间坐标共享，实现探、灭一体。

(3)适应全天候环境。由于探测原理的先进性，图像火灾探测器适应阴、晴、雨、雪等各种天气，不受灰尘、发热、风以及各种光线的干扰，能真正意义上使用在各种场景。

(4)人工智能图像识别。通过对火焰/烟雾的动态外形、燃烧特性、辐射光谱的采集，运用多特征融合烟雾识别算法、多波段图像融合算法实现火灾烟雾的准确识别。

(5)物联网技术。系统具有专业的物联网协议和对接接口，能与智能消防炮系统和消防云平台联网，实现广泛的深度对接应用，契合当前正在进行的消防信息化建设，如图1所示。

图1 智能图像探测定位灭火系统

2.2 图像火灾探测器的应用

图像火灾探测系统的前端核心探测设备为图像型火灾探测器，其不同型号对应的探测视窗角度和探测距离是不一样的，安装选型时遵循因地制宜的原则成对安装，使探测视窗形成交叉，以保证监控无死角。具体场景的布置方法如下所述：

(1)储罐区，为爆炸危险区域，应选择具有防爆功能的图像型火灾探测器，再根据罐区的面积和每个储罐的大小确定具体型号和数量。一般将探测器安装在罐区外围绿化带上，距离罐体不小于15 m，通过塔/架/杆等高空安装，俯视罐区，实现对罐区监控的全覆盖。布置图示例如图2。

图2 罐区图像火灾探测器布置示例

(2)生产装置区，化工企业的生产装置区也为爆炸危险区域，应选择具有防爆功能的图像型火灾探测器，再根据装置区的大小、高度、层数等信息确定具体型号和数量。有两种安装方案：将探测器安装在装置区的四周高处，可以实现全局监控；将探测器安装在装置区内部钢结构上，避免设备管线间的遮挡，可以实现高危部位的重点监控。

3 智能灭火系统设计

智能消防炮灭火系统，利用红外线、紫外线或者视频图像进行火源识别和定位，通过图像的三维重构及建立灭火介质的射流数学模型，实现全自动的火灾发现和扑灭，具有自动化程度高，射流精准，高效灭火的特点，能很好地应用在石油化工企业这种高危场所。

3.1 智能消防炮灭火系统的特点

(1)射流精准，高效灭火：凭借精确的数学模型和定位技术，高精度火源定位，直接对着火区域进行扑救，具有灭火效率高，最大程度减小对非火灾区域造成的损失的优点。

(2)自动化和可视化控制模式相结合：智能消防既可实现在无人干预的情况自动报警、自动寻火、自动灭火的功能，也可以借助安装设备上的摄像头进行远程人工操纵灭火，工作人员不必近距离冒险接近火场，就能在起火初期扑灭火源,在时间上和安全上有了保证。

(3)物联网技术：智能消防炮与物联网技术相结合，与智能图像火灾探测系统、消防水系统等组成消防物联网，通过云平台实现多点的远程集中监控和指挥，提高消防信息化管理的水平。结合最新的5G通讯技术，还能实现低延时的现场视频预览以及远程控制灭火。

3.2 智能消防炮的应用

根据规范[4-6]，化工企业的甲、乙类厂房、仓库、罐区、装置区等危险区域应使用防爆消防水炮/泡沫炮[7]，丙类厂房、仓库等区域应使用普通消防水炮/泡沫炮。自动消防炮适合安装在高处，视野好，有利于全自动功能的发挥，向下方射流效果最好；但是由于各种原因现场没有条件架高安装时，可以选择布置电控消防炮，其可以安装在地面以上，运用远程/遥控控制实现灭火功能。

由于智能消防炮的射流特点，在石化场景不止能起到灭火的作用，还有稀释、隔离、降温等作用，是石化场景消防的多面手。例如液化石油气储罐火灾，液化石油气的特性是易燃易爆，受热极易膨胀，而且起火后浓烟滚滚。当储罐A发生火灾时，其附近的智能消防炮立即对储罐A射流灭火，这时储罐A旁边的储罐B也处在危险中，为了防止火灾蔓延，储罐B附近的智能消防炮开始向储罐B靠近储罐A的一侧射流，这样储罐B附近的消防炮就起到了隔离火灾和罐体降温的功能，以其超大流量、喷水雾/水柱自由调节、喷水落点自由调节的强大能力，是对罐体自动喷淋降温系统的补充和加强。具体场景的升级改造方案如下所述：

(1)储罐区。老的储罐区一般布置的是手动炮，都是地面安装形式，有现成的消防供水管路，按照前文的分析需要改造升级，有3个可行性方案：一是淘汰原手动炮，在原手动炮位置安装同规格的电控泡沫炮，供水管路沿用，其现场控制箱靠近路边安装，方便操作；二是原手动炮保持，在旁边加一路消防支管安装同规格的电控泡沫炮，互不干涉，供水管路沿用，其现场控制箱靠近路边安装，方便操作；三是在原手动炮旁边设计钢结构消防炮塔，炮塔高度要超过罐高，架空安装自动泡沫炮, 现场设备都应该是防爆型。3个方案成本逐次递增，可靠性也逐次递增，尤其是高架的自动泡沫炮，不仅能够自动灭火，而且可减少由于罐体阻挡而造成的喷射盲区，减少消防炮布置的数量。

(2)生产装置区，情况与储罐区类同，同样是上述3个方案，将消防炮布置在装置区的四周地面或装置区管廊钢结构上方，现场设备都应该是防爆型。

4 消防云平台设计

消防云平台，是利用物联网、地理信息、NFC/RFID、云计算、视频AI等技术手段，将企业内的所有消防子系统：“消防炮灭火系统”、“图像火灾探测系统”、“火灾自动报警系统”等消防设施组合成一个统一的系统。利用消防云平台可打通消防的信息孤岛，实现数据共享、业务联动。

云平台可以实时接收、显示、处理联网单元的报警信息和消防设施的运行状态信息，并能向城市消防通讯指挥系统、安全监督管理部门传送火灾报警信息、消防设施运行状态信息及重点单元消防安全管理信息。从而提高企业火灾报警的及时性和可靠性；对消防设施的故障信息进行及时处理，提高建筑消防设施的完好率；对消防重点区域的消防安全管理状况和消防安全重点部位进行监控。通过手机APP，企业消防管理人员、消防值班人员和相关领导都能随时随地了解企业的消防情况，及时处置设备报警、故障等隐患，提升决策的效率，是实现安全生产治理体系和治理能力现代化的一个重要的技术手段。系统拓扑如图3所示：

图3 消防云平台拓扑

消防云平台的组成主要有：云服务器、用户信息传输装置、消防物联网平台管理软件、物联网手机APP等。

(1)云服务器，是平台数据信息交互和存储核心，承担接收、处理分析、发送信息的重任。布置在企业应急管理指挥中心，通过无线网络与系统其他设备通讯。

(2)用户信息传输装置[8]，通过RS232/RS485/CAN等通讯方式对接火灾报警控制系统，及时获取联网单元火灾自动报警系统的报警信息及运行状态信息，上传至云平台。布置在每个火灾自动报警控制器主机的旁边，通过无线网络与云平台通讯。

(3)消防物联网平台管理软件，提供组织管理、单位管理、用户管理、GIS配置、平面图管理、API配置等配置管理功能；提供报警中心、状态监测、统计分析、地图应用等功能，满足基础的消防物联应用。安装在云服务器上，可以接入大屏显示。

(4)物联网手机APP，支持报警查看/处理、故障查询/处理等功能。

5 结论与展望

通过对石油化工企业重点防火区域消防的分析和智能消防系统的介绍，可以看出由智能消防炮灭火系统、智能图像型火灾探测系统和消防云平台组成的一整套解决方案，实现早发现、早扑灭和科学管理的目标，是石化企业消防升级的一个科学的选择。

随着技术发展，可以预见，消防物联网技术将会与大数据技术、AI技术、5G通讯技术、区块链技术等紧密结合，实现可靠授权、云端监控、云端分析、云端控制灭火的全新的信息化和智能化平台，为石化行业的消防安全提供更可靠的保障。