液化天然气接收站火灾自动报警系统的设计

王乃民，陈健，陈晓旭，马国印，赵展铭

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

液化天然气(LNG)接收站主要包括： LNG接卸、储存，蒸发气(BOG)回收处理，LNG低压槽车外输，LNG加压气化管道外输及相关的公用工程、辅助工程等设施。LNG的主要成分是甲烷(CH4)，一旦发生泄漏，遇火源就可能发生火灾事故，产生严重后果。

随着国家和各行业对安全生产越来越重视，LNG接收站需要一个安全、准确、快速及时、性能稳定的火灾自动报警系统和气体检测报警系统来监测现场的危险因素，以保障LNG接收站工作人员和设备安全，从而满足安全生产要求[1]。

火灾自动报警系统和气体检测报警系统是针对LNG接收站火灾和气体探测的安全管理系统，通过各种火焰和可燃气体探测器对现场连续在线监测，能够迅速检测到起火、易燃气体泄漏和液化天然气溢出，并根据采集的数据进行计算和判断，采取相应措施来控制火灾和气体泄漏的发生或进一步蔓延，同时根据事故发生的严重程度来确定报警和消防设备控制器的输出等级，最大化保护现场人员和设备安全，降低对环境的破坏[2-3]。

根据GB/T 21109《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》对过程工业安全防护层的定义，火灾自动报警系统和气体检测报警系统属于减灾层内的保护系统[4]。在中国海洋石油和国外石化项目中，火灾自动报警系统和气体检测报警系统通常以安全型PLC作为核心，将各类火灾探测器、可燃气体探测器、消防联动控制的执行元件等均接入系统中[4]，大多数火灾自动报警系统和气体检测报警系统使用经安全认证的PLC。

近年来，由于中国加强了对消防产品市场准入制度的推行力度，国内开始实行强制性消防产品认证，其中，火灾探测器、手动火灾报警按钮、火灾报警控制器等消防产品必须取得CCCF认证。

1 火灾自动报警系统构成

1.1 安全型PLC与火灾报警控制器相结合的结构

为满足国内安全消防认证要求，同时兼顾系统的安全可靠性，LNG接收站的火灾自动报警系统(FAS)通常采用安全型PLC和火灾报警控制器相结合的结构，系统结构如图1所示，接收站装置区和建筑物内消防设施分别由安全型PLC和火灾报警控制器驱动控制，控制逻辑如下：

1)建筑物内火灾报警控制器(联动型)接收建筑物内火灾探测器、手动火灾报警按钮等的总线型报警信号，根据设定的控制逻辑向各相关的受控设备发出联动控制信号，并接受相关设备的联动反馈信号。消防水泵、防烟和排烟风机的控制设备，除采用联动控制方式外，在消防控制室设置手动直接控制装置。火灾报警控制器通过RS-485通信接入全厂火灾自动报警系统和气体检测报警系统。

2)装置区火灾报警控制器接收建筑物外的火焰探测器、手动火灾报警按钮等的总线型报警信号，通过RS-485总线发送报警信号至安全型PLC。安全型PLC接收装置区火焰探测器和火灾报警控制器的报警信号(硬线信号)，并根据设定的逻辑启动装置区的消防设施。

3)可燃气体探测系统接收厂区可燃气体探测器、低温泄漏检测器报警，根据表决逻辑启动可燃气体泄漏声光报警设备，并通过RS-485通信方式把二级报警信息发送至火灾报警控制器。

该FAS的结构适用于复杂控制逻辑的工业领域，其优点是可靠性高、可用性强，监控范围广，但是一次性投资成本较高。

图1 安全型PLC与火灾报警控制器相结合的FAS结构示意

1.2 火灾报警控制器独立结构

在安全可靠性要求不高的工况下，为节约投资成本，全厂火灾报警系统采用联动型火灾报警控制器的独立结构，结构如图2所示。

1)联动型火灾报警控制器接收建筑物内火灾探测器、手动火灾报警按钮、厂区火焰检测器、手动报警等的总线型报警信号，根据设定的逻辑联动全厂火灾声光报警设备和消防设施，并接受受控设备的联动反馈信号。消防水泵、防烟和排烟风机的控制设备，除采用联动控制方式外，在消防控制室设置手动直接控制装置。

2)GDS接收厂区可燃气体探测器、低温泄漏检测器报警信号(硬线)，根据表决逻辑启动可燃气体泄漏声光报警设备(硬线)，并通过RS-485总线把二级报警信号发送给联动型火灾报警控制器。

该独立结构的联动型火灾报警控制器投资成本低、可靠性差，需要人工干预，适用于民用建筑和简单逻辑控制的工业领域。

以上2种常用的火灾自动报警系统结构，具有各自的优缺点和适用性，在实际设计过程中，应根据项目整体要求合理选择。

图2 火灾报警控制器独立结构示意

2 LNG接收站的火灾自动报警系统设计要求

为了让FAS更准确地监测LNG接收站的火灾状况，在总体设计过程中，需要遵循以下设计要求。

2.1 安全型PLC

遵循的基本原则是把接收站或接收站特定区域维持在一个安全的状态下，把LNG输送、存储过程中可能造成的破坏影响降到最低。系统的设计应尽可能遵循故障安全原则，原则如下：

1)支持整个接收站火灾和气体检查和保护的需求，响应速度在任何情况下都不应受到影响。

2)经过评估，所采用的安全型PLC的安全完整性等级应达到SIL3。

3)采用“三重化”或“四重化”中央逻辑控制器模块的冗余容错技术。

4)采取冗余结构，即使在有一个关键设备失效的情况下，安全型PLC能够连续无干扰运行，控制器、所有输入/输出模块、通信网络、电源模块均采用1∶1冗余配置。

5)具有时序控制、计算、脉冲调幅、积算、数据键入、操作、通信等功能。

6)能诊断和显示系统的全部部件故障，并通过串行通信接口在操作站上显示。

7)采用冗余和容错的通信方式。

8)与DCS通信接口采用冗余配置，带自诊断功能，在操作站上能显示运行的状态。

9)与FAS相连的现场设备应具有来自于FAS的回路电源，并对现场电路进行必要的保护。

10)具有高可维护性。在不关闭系统的情况下，系统应能在线修复、替换和升级。

11)所有输入输出回路都应采取过流、过压以及防雷保护。所有元件或组件不应对其他元件产生电磁干扰，同时能够经受外部一定强度的电磁干扰影响。

2.2 火灾报警控制器

为确保接收站消防的安全，选配的火灾报警控制器必须保证性能可靠，并取得中国消防产品质量CCCF认证。整体设计应符合当地消防机构的要求，遵循原则如下：

1)应采用基于固态电子元件和微处理器的模块化结构。应持续监测、控制、报告和显示运行状态，包括： 消防设备、固定灭火系统和FAS的故障状况。

2)可在现场配置、编程和编辑，并允许扩展更多的回路卡。

3)全部软件存储在火灾报警控制器内的存储器中，初级和次级电源掉电不应造成存储器中指令和记录的擦除。

4)应能监测所有控制线、探测器和其他现场设备的进出线，当线路发生故障，应自动报警，该警报应与其他类型报警区分开。

5)由交流220 V供电，此外，还应提供免维护电池组和充电器，为系统提供24 V直流电源，蓄电池组的容量应保证火灾自动报警及联动控制系统在火灾状态同时工作负荷条件下连续工作3 h以上。

6)应具有液晶显示器，并应背光设置以增强可视性。

7)应具备功能： 设置事件日期，LED 测试，警报，故障、安全、监控和异常情况列表，启用或禁用单个监视点、激活或禁用单个控制点，更改操作员访问密码和级别，启用步行测试、运行检测程序，显示软件版本级别、历史记录、板卡状态、点列表等。

8)应配有联动控制盘，至少不低于32路多线或总线控制功能，既可以作为总线盘间接控制现场设备，也可以作为多线盘直接控制现场设备。联动控制盘具备按键保护、现场信息上传、线路故障检测以及输出线路过流保护等功能。多线盘的每一路都具有最大2 A的驱动能力，并具备过流保护功能。火灾报警控制器瘫痪的状态下，联动控制盘能独立使用启动现场消防灭火设备。

9)应配置足够数量的RS-232/485接口。

10)考虑防雷保护措施，各类避雷器由FAS配套提供。

3 报警设备选型

现场设备的选型关系着系统是否能够准确运行，输入设备有火焰探测器、手动火灾报警按钮，输出设备有火灾声光报警器、消防联动设备。

依据文献[5]，火焰探测器、手动火灾报警按钮等消防产品必须取得CCCF认证，另外，在CNCA-C18-01—2020《强制性产品认证实施规则 火灾报警产品》中也规定了火灾报警产品的认证[6]。现场常用火气探测/报警设备工作原理、技术要求和布置原则见表1所列。

表1 常用火气探测/报警设备工作原理、技术要求和布置原则

4 结束语

目前国内在建和已投产的LNG接收站项目中，两种结构的火灾报警和气体探测系统都有应用，根据项目实际需要选择合理的系统结构。以安全型PLC和火灾报警控制器相结合的FAS有利于提高系统整体安全可靠性，而以火灾报警控制器独立控制的系统结构，更适用于控制逻辑简单或项目规模较小的项目。如今后安全型PLC取得CCCF认证，LNG接收站火灾自动报警系统将会变得更为简单、安全可靠，并进一步降低投资成本。