火气系统论述

　　收稿日期 : 2008 205 228。 作者简介 : 刘景辉 (1975 —) ,男 ,吉林松原人 ,1998 年毕业于 北京石油化工学院工业自动化专业 ,现在中国石油股份有限公司 大连石化分公司工作 ,任工程师 ,已发表论文 2 篇。 火气系统论述 刘景辉 ,李俊丽 (中国石油股份有限公司 大连石化分公司 ,辽宁 大连 　116032) 　　摘要 : 火灾消防、可燃气体及有毒气体监测保护系统在工厂安全生产的每个保护层面都起到至关重要的地位。为了保证 在每个层面对可燃气体、毒气泄漏或火灾发生的可靠、及时的监测和保护 ,必须选用安全性高、可靠性好、可用率高、误动作少 , 具备安全等级为 SIL3 级的控制系统。系统的设计应遵从 : 回路线路检测原则、集中与分散相结合原则、不同报警的动作采取 不同判定原则。F &GS 由 PLC 和各种检测器等设备的硬件和应用软件及逻辑组态文件的软件组成。 关键词 : 火气系统 ;可编程序控制器 ;检测器 ;保护层面 ;安全级别 中图分类号 : TP273 　　　　文献标识码 : B 　　　　文章编号 : 1007 27324 (2008) 05 20021 204 Discussion about F &GS Liu Jinghui , Li J unli (Dalian Pet rochemical Company Pet roChina , Dalian , 116032 , China) Abstract : The fire fighting , monitoring system of combustible gas and toxic gas plays very important role at every factory protection layer . To be sure to p rovide reliable , fast monitor and protection when fire starting , combustion gas and toxic gas leakiness , t he cont rol system with safety grade SIL3 , which has high security , high reliability , high usable , ness and less error action , should be selected. System design should follow following codes : detecting circuit p rinciple , concent rative and dist ribute p rinciple and different adjust ment rule for different alarm action. F &GS is composed by hardware , application sof tware and sof tware of logic configuration of PL C and various detectors. Keywords : F &GS ; PL C ;detector ; p rotection layer ; safety level 1 　引 　言 火灾消防、可燃气体及有毒气体监测保护系统 ( F &GS)作为装置控制系统中一个重要的子系统 , 主要用来实现对工艺装置、公用工程、油品储运、建 筑设施等危险环境的可燃气体、有毒气体及火灾的 监测、报警甚至必要时的消防联动功能。 随着国家和企业的发展 ,关心和保护企业员工 的安全已被放在第一位 ,这也是与国际接轨的 标志之一 ;因为国际规范中对危险场合和安全系统 的等级定义划分主要依据对雇员人身安全的危险 程度来进行的。F &GS 与职工安全、环境安全和 工厂设备安全密切相关 ,它能在最快的时间监测到 危险情况的发生 ,并及时采取包括声光报警、远程 通讯报警及消防联动等一系列动作进而实现最大 限度的消防及防毒保护。 2 　设置 F &GS 的必要性 2. 1 　人员、环境及装置安全性的需要 在装置正常运行时 ,一个现代化工厂的典型保 护层面包括 : 基本过程控制系统 (BPCS) ,基本控 制 ,过程报警和操作员监控 ;发生较危险的过程报 警 ,要求操作员手动调整 ; SIS 或者 ESD 保护 ,当 BPCS 不能控制非正常工况时 ,SIS 或 ESD 将自动 执行正确的保护动作 ,如当反应器发生飞温报警 时 ,SIS 自动停进料泵 ;安全释放设备 ,如安全阀、 爆破片 ,当发生严重超压时 ,提供物理保护 ;位于装 置或储罐周围的围堰 ,作用是防止液体外溢 ;装置 或全厂紧急疏散。如图 1 所示。 从保护层面图和实际应用分析 , F &GS 在每 个层面都起到至关重要的地位[1 ] 。比如 : 在装置 正常运行时可能会有可燃气体、毒气泄漏或火灾发 生 ;在 BPCS 可控制范围内 ,可能会有可燃气体、毒 气泄漏或火灾发生 ;当 SIS 或 ESD 动作时可能会 有可燃气体、毒气泄漏或火灾发生 ;当安全释放设 工程设计及标准 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　石 　油 　化 　工 　自 　动 　化 , 2008 , 5 ∶21AU TOMA TION IN PETRO2CH EMICAL INDUSTR Y 备动作时 ,可燃气体、毒气泄漏或火灾发生的概率 会更高。 图 1 　一个现代化工厂的典型保护层面 为了保证在每个层面对可燃气体、毒气泄漏或 火灾发生的可靠、及时的监测和保护 ,必须选用安 全性高、可靠性好、可用率高、误动作少的控制系 统 ,对于这些要求 ,普通的控制系统不能满足。 2. 2 　传统的报警方式已经不能适应大信息量的 需求 中国在 2000 年以前主要基于盘装仪表的方 式 ,现场探头信号直接连入火灾报警盘 ,报警盘上 有报警灯显示 ,有蜂鸣器 ,还有记录仪等。报警盘 往往独立设置在中控室的某一位置。可燃气体或 有毒气体检测信号则或通过盘装仪表或进入 DCS 进行显示和报警。由于传统火灾系统可靠性指标 的限制 ,因此一般不会连接相应的消防联动功能。 表 1 比较了传统的火灾报警系统与 F &GS的差异。 表 1 　传统方式与现代方式的技术特点比较 内 　容 传统盘式报警 F &GS 灵活性 　 　固定 ,不能随参数 变化而改变 　可编程式 ,随时调 整参数 简便性 　 　 　 　大量的硬接线 ,多 个盘面显示方式 　 　 　简单的计算机画面 显示 ,高可靠性的硬 件系统把大量的信息 集中在一起 可用性 　 　无容错能力 ,可用 率低 ,误动作多 　有容错能力 ,可用 率大大提高 可靠性 无冗余 ,可靠性差 三冗余 ,可靠性高 续 　表 　1 内 　容 传统盘式报警 F &GS 通讯 　 　不能与 DCS 或其 他计算机系统通讯 　可与 DCS 或其他 计算机系统通讯 安装 复杂、困难、工作量大 简单、容易、快捷 维修 　 大量频繁的维修工作 　 　有自诊断功能 ,降 低了维修难度 寿命 寿命短 寿命长 安全认证 　 没有 　 有 , SIL3 级 ( 德 国 TUV6 级) 　　F &GS 的技术特点如下。 a) 能根据客户的系统安全运行等级选定相应 的 PL C 主机 ,如可以达到 SIL2 , SIL3 等级 ,以确 保适应各种不同的工业场所需要。 b) 采用 PL C 可以把检测火焰、烟感、温感、毒 气、可燃气体的所有仪表以及现场手动报警等的信 号 ,根据各个生产装置的安全设计思想进行逻辑组 合 ,并且可以设计成各种不同的逻辑互控程序与 ESD ,DCS 等相互连接。 c) 火气控制系统可以方便地实现各种逻辑互 锁功能 ,并在以后的运行中根据工艺的改变而在不 增加硬件的情况下 ,通过改变逻辑程序而改变互锁 和各种输出控制功能。 d) 通过 PL C 的以太网输出模块可以方便地 实现与其他远程控制、监控系统相连实现整个工厂 或大区域的安全实时监控。 e) 由于 PL C 具有很高的抗干扰能力 ,所以可 靠性也很高。同时在日后工艺改变时要增加和扩 容现有的监控结构也非常方便。 3 　F &GS 安全度等级的选择 1996 年美国仪表协会完成了第一个关于安全 仪表系统功能安全的美国标准 ———ISA , S84. 01。 同时 ,国际电工委员会 ( IEC) 也正在制定安全系统 的国际标准 ,并于 2000 年完成了 IEC61508 标 准[ 2 ] 。此后在 2003 年 IEC 完成了应用于化工行 业的安全系统功能安全标准 IEC61511。英国已经 采用该标准 ;欧盟、美国正准备采用此标准为强制 标准 ;东南亚其他一些国家已经准备采用此标准进 行安全管理。安全系统的定量评定标准及方法已 经在壳牌等世界著名石化公司得到应用 ,并取得很 好的效果。中国也正准备推出符合 IEC61508 的 安全系统功能安全的国家标准。 以上标准中都采用了安全度等级 ( SIL ) 的概 念。它是安全系统的核心 ,安全系统的设计、安装、 22 石油化工自动化　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2008 年 检验评估、维护都是围绕着 SIL 来进行的。SIL 是 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 ,即在要求安全系统动作时 其功能失效概率的倒数。SIL 代表着安全系统使 过程风险降低的数量级。假如一个安全仪表系统 的 SIL 为 2 ,就意味着它能使一个意外事故发生的 频率降低至少两个数量级。由于风险是事故后果 与事故发生概率的乘积 ,因此它也代表着风险从整 体上降低了 2 个数量级。表 2 是 SIL 安全功能的 概率。 表 2 　SIL 安全功能的概率 SIL 平均“要求时失效”概率 / (次 ·年 - 1 ) 风险降低因子 SIL4 10 - 4～ 10 - 5 10 000～100 000 SIL3 10 - 3～ 10 - 4 1 000～10 000 SIL2 10 - 2～ 10 - 3 100～1 000 SIL1 10 - 1～ 10 - 2 10～100 　　从表 2 中可以比较安全性技术指标的差别 : SIL2 级的故障概率为 0. 001～ 0. 01 ,可靠性为 99 %～ 99. 9 % ; 而 SIL3 的故障率为 0. 000 1 ～ 0. 001 ,可靠性为 99. 9 %～99. 99 %。相应的 PL C 系统硬件结构的差别 : SIL2 系统采用的是双 CPU ,单 I/ O 卡件的结构 ,系统不能完全冗余 ;一旦 某个 I/ O 卡件出现故障 ,就可能会导致系统失效 ;对 装置安全生产起不到完全保护作用 ;SIL3 级系统由 于具有冗余或容错结构 ,因此即使出现故障也能保 证系统正常运行 ,并具有良好的易维护特点。 在目前的控制系统应用中 ,一般可分为 3 个层 次 ,即过程控制系统 (DCS) ,装置紧急联锁或关断 系统 ( ESD) ,以及 F &GS ;其中 F &GS 从安全等级 而言处于最上层 ,实践 F &GS 在图 1 每个层 面都起到至关重要的地位 ,因此也应选用相对最高 的安全等级要求 ,即 SIL3 级。 国际项目的设计经验 , 在包括 EXXION , SH ELL , BP 及 BASF 等国际大型石油和化工公 司的项目中 , F &GS 设计和采用的安全等级都是 SIL3 级。目前国内几个大的中外合资石油化工项 目 ,例如 ,南海石化项目 ,扬子2巴斯夫一体化石化 项目 ,上海赛科乙烯项目等 ,均采用了 SIL3 级 的 F &GS。 4 　设计原则 4. 1 　回路线路检测 系统的设计全部实现线路检测功能[ 3 ] ,线路的 断路、短路故障都可以在操作台上进行报警。对于 模拟量输入 ,可以通过毫安信号的高低来检测。在 设计上采用了末端电阻的方式来检测线路故障状 态的存在。 4. 2 　集中与分散的结合 场区内开阔的空间以可燃气体、硫化氢气 体、火焰探测为主 ,辅助手动和易熔塞回路 ,由 F &GS 直接进行监测控制。对于密闭建筑物内 的空间以温度、烟雾为主 ,辅助手动和气体探测 , 每个防火分区内分别设置了分散独立的消防监 测控制系统。该独立系统与 F &GS 之间用硬线 传输有限的报警和控制信号 ,大大减少了 F &GS 的规模。 4. 3 　系统动作的判定原则 F &GS 既要保护设备和人身安全 ,又涉及全 厂部分设备关断 ,因此可靠性和可信性是同等重 要的 [ 4 ] 。为了提高火气系统可信度 ,减少误动 作 ,对于不同的探测回路设计相应的判断原则。 烟雾探测回路 : 如果单个探测器探测到危险存在 时系统只报警 ,如果 2 个或 2 个以上探测器探测 到危险存在时 ,启动消防动作并报警。温度探测 器 : 1 个或 1 个以上的探测器探测到危险存在 ,立 即启动消防动作并报警。可燃气体探测器 : 如果 单个探测器探测达到 20 %或 50 %L . E. L ,系统报 警 ,如果 2 个或 2 个以上探测器探测达到 50 % L . E. L 时 ,立即启动消防动作并报警。硫化氢探测 器 : 如果单个探测器探测达到 10μL/ L 或20μL/ L 时系统报警 ,如果 2 个或 2 个以上探测器探测达到 20μL/ L 时 ,立即启动消防动作并报警。其他探测 回路如手动报警按钮、气动回路等也有各自的判断 原则。 F &GS 在操作员控制台上还设置了消防手动 控制矩阵盘、消防泵手动控制盘和消防分区模拟显 示盘。模拟盘用不同颜色的灯显示各个消防分区 的危险状态 ,矩阵盘用于紧急情况下消防设备的手 动启动。它的手动启动信号不但要送入 F &GS 的 消防逻辑 ,还同时直接控制现场的关键消防设备。 消防泵盘的功能与矩阵盘类似 ,用于紧急情况下对 消防泵的直接控制。消防矩阵盘和消防泵盘的手 动控制可以依赖于 F &GS , 也可以不依赖于 F &GS 而独立起到必要的保护作用。 5 　F &GS 的组成 F &GS 硬件包括 PL C 和各种检测器等设备 , 如图 2 所示 ;软件包括应用软件和逻辑组态文件 等。消防检测和灭火逻辑详见图 3 所示。 32第 5 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　刘景辉等. 火气系统论述 图 2 　F &GS 典型组成 图 3 　典型消防检测和灭火逻辑 6 　结束语 随着安全技术的发展和人员、环境保护意 识的提高 ,传统的盘装表报警的形式将不能适应 要求 ,必然会被安全性高、可靠性好、可用率高、 误动作少、满足 SIL3 安全级别的 F &GS 所取代。 虽然一次性投资稍高些 ,但对于整个工厂的安全 保护将有很大的提升 ,选用真正意义的 F &GS 才 符合今后工厂走健康、安全、环保发展道路的 要求。 参考文献 : 1 　NFPA 72 22007 ,National Fire Alarm Code 2 　IEC 61508 / SIL 2 3 , Functional Safety of Elect rical/ elect ronic/ programmable Elect ronic Safety2related Systems 3 　DIN 19250/ A K6 , Cont rol Technology , Fundamental Safety Aspect s To Be Considered for Measurement and Cont rol Equipment 4 　黄珊珊. 石油化工装置可燃气体和有毒气体报警系统设计体 会. 石油化工自动化 ,2007 , (5) : 17～19 百通 Thermax 电缆冲出宇宙 2007 年 8 月 4 日 ,Delta II火箭从佛罗里达州空军基地发射 ,火箭上载有凤凰号登陆舱 ( Phoenix Lander) 。登陆舱上布 有百通 Thermax 无缝导线与电缆产品。这是用聚酰亚胺薄膜和无缝 PTFE 胶带制造的组合产品 ,因为这些材料具有优异 的耐电弧追踪性能和操作性能。 凤凰号于 2008 年 5 月 25 日在火星附近准确着陆。 美国国家航空和宇宙航行局 (NASA)正在准备购买一整套 Thermax 导线和电缆 ,用于 J UNO ,这是对木星登陆计 划的探索。 美国百通有限公司 42 石油化工自动化　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2008 年