油田中心处理站火灾和气体监测报警系统设计

20世纪中期，随着现代化工业的不断发展，很多工业企业，尤其是石化、电力及冶金等行业，越来越向规模化、集约化和连续性的方向发展。

由于这些行业普遍具有生产介质高温高压、易燃易爆、有毒有害、技术密集和连续生产的特点，-旦设备、管线发生泄漏，造成火灾爆炸事故，救援困难，后果极为严重。在中国，每年由于安全生产事故造成人员伤亡和财产的巨大损失，仅2002年全国发生各类事故 107万起，死亡人数超过 10万，经济损失超过 1 500亿元，安全生产形势非常严峻 。

伊朗雅达瓦兰油田是世界上还未开发的特大油田之-，已探明石油储量约 32亿桶，天然气储量约 800亿 m ，预计每日的石油产量可以达到30万桶。瓦兰油 田由 Kushk和 Hossenienh两个独立的区块组成 ，主要地面设施包括 ：两 座集油站、-座中心处理站、3条油气外输线和-条新鲜水管线组成。而 中心处理站是对从 Kushk和Hosenienh两个区块所有油井采出来 的原油(包括轻油和重油)、天然气和水进行集中处理的生产场所，是进行油气水三相分离、原油脱水脱硫脱盐处理 、天然气脱水脱油处理 、污水脱油处理以及进行商品原油的外输等多个系统的综合性生产工艺流程枢纽，是典型的高温高压、易燃易爆、有毒有害场所。由此可见，为伊朗雅达瓦兰油田中心处理站的工业生产过程配置火灾和气体监测报警系统(Fire&Gas Detection Alarm System，FGS)，简称火气系统 ，预防灾害的发生 ，防止灾害的扩大和蔓延 ，显得非常重要。

1 FGS功能及设计原则FGS-般由传感器、逻辑控制器和最终执行单元3部分组成，属于安全仪表系统(Safety In。

strument System，SIS)的范畴。传感器部分包括火灾探测器、气体探测器和手动报警操作按钮。火灾探测器主要有火焰探测器 、感温探测器和感烟探测器；气体探测器主要有可燃气体探测器和有毒气体探测器。逻辑控制器是分析和运算从传感器检测到的信号，同时对信号回路的线路状态的好坏进行判断，将运算结果发送到相关的现场执行元件或设备。现场执行元件和设备就是指执行由逻辑控制器发出指令的设备和元件，主要包括报警和消防设备，报警设备有中央控制室的模拟盘(全部防火分区的装置地图，嵌有表示不同类型报警的 LED灯，并带有不同频率声音的蜂鸣器 )、广播 系统 以及装置现场 的报警喇 叭和闪灯等；消防设备主要有喷淋冷却系统、二氧化碳释放系统及高压消防水喷射系统等。

1.1 FGS的功能FGS其实就是通过专用的传感器将伊朗雅达瓦兰油田中心处理站生产装置相关区域中的环境检测信号，如空气中可燃性气体(爆炸性气体)的浓度、有毒性气体的浓度、烟雾、火焰或手动报警收稿 日期 ：2012-03-15第 2期 吴永莉等.油 田中心处理站火灾和气体监测报警系统设计 141信号，传递到逻辑控制器，逻辑控制器提前预测即将要发生或已经发生的火灾、爆炸、中毒事故，由广播 、喇叭及灯光等执行设备发出报警 ，提醒有关操作人员进行相关操作，组织疏散和逃生；通过主控制室的人机界面 HMI(可以是 大型显示幕 墙或大型马赛克幕墙)实现远程报警，得到及时增援，从而使得可能发生的事故能在萌芽状态被发现并消除；通过预先编制的联锁逻辑自动地启动相应的消防设备、紧急关断系统(Enmergeney ShutdownSystem，ESD)输出等级，使已经发生的事故能得到及时有效的控制，使得相关人员、设备和周围环境得到有效的保护 ；通过和采暖通风与空调 系统HVAC(Heating，Ventilating and Air Conditioning)通信来关驼调的换气风机，并关闭风道上的挡板，以阻止有害气体进入操作人员所滞留的环境中；在主控制室的模拟盘上反映各个防火分区火气探测情况的状态，使工作人员能随时掌握整个站的火气探测动态。

1.2 FGS的设计原则在 FGS的设计过程中，为了更好地完成赋予FGS的功能，IEC61508和 IEC61511提供了国际通用的技术规范和参考资料。国际电工委员会IEC于 2000年发布了 IEC61508标准：电气、电子 、可编 程 电子安 全 系统 (E/E/PES)的功 能安全，该标准是综合性基础标准，主要为装置的制造商和供应商使用。2003年，IEC颁布了安全系统功能安全标准 IEC6151 1，主要针对具体的仪器仪表设计者和用户使用。在 FGS的设计中，通倡IEC61508和 IEC6151 1结合使用。在 FGS的设计过程中，-般遵循下列几点原则：a.安全可靠性原则。FGS属于 IEC定义的安全仪表系统的范畴，肩负着中心处理站在危险事故状态下的紧急响应重任，应根据伊朗雅达项目的工艺过程所需要的安全完整性等级 SIL来确定 FGS的安全等级。SIL等级越高，FGS的安全功能要求越强，FGS的 SIL等级-般为二级或者三级。根据业主基础设计文件的要求，该项目的FGS的 SIL等级为三级。石油化工项目-般不使用 SIL4等级，以避免投资过高 。

b.故障安全型原则。FGS作为安全仪表系统，它的传感器、逻辑控制器和最终执行单元都应该是故障安全型的 ]。FGS的信号系统是正常不励磁，也就是说，输入信号正常时为0”，现场的节点不接通；输出状态正常状态时为1”，即控制设备(如消防水喷淋冷却系统的电磁阀)处于加电状态。为了防止线路故障导致系统不能正常动作，FGS必须设计对输入输出线路状况好坏的判断。逻辑运算器的硬件-般都采用冗余容错功能安全的结构。

c.独立设置原则。根据多层安全模式的原理 ，把 FGS和其他诸如 ESD、PCS等系统分离设置，以降低 FGS、ESD及 PCS等系统同时失效的概率，使 FGS、ESD及 PCS等系统互不依赖，能独立发挥出各 自的完整功能。FGS的独立设置适用于系统的各个方面，比如电源、硬件、软件、通信及维护等各方面都应该具有独立性，都不应受到来自系统之外故障的影响。

d.中间环节最少原则。FGS应该被设计成- 个高效的系统，其中间环节应是最少的，旧能使用最直接的测量和最可靠的执行方式，尽量避免繁琐复杂和不必要的设计，来提高系统的可靠性。比如，在隔爆技术可以满足现场防爆要求的情况下，尽量选用隔爆技术，以避免本安技术中多出来的安全栅环节对整个系统的影响。又如，在易熔塞回路直接覆盖的地方尽量选择气动信号直接动作，避免过多的气 -电和电 -气转换环节 。

2 FGS的设计设计火气系统时必须要考虑火气系统具有正确的功能和执行正确功能的可靠程度。因此，火气系统各部分的选型、冗余结构设计非常重要。

2.1 探测器 的选型为了使 FGS能够准确地探测到险情，应当在不同场所选择最合适的探测器进行火气探测。

2。1.1 火焰探测器通过对可燃性气体或液体火焰的检测发现明火并发出火灾报警信号。-般采用 UV/IR火焰探测器 。

2.1.2 感温探测器通过对温度的检测判断是否发生火灾。-般采用定温型(易融塞回路)和温升型感温探测器。

2.1.3 感烟探测器通过对烟雾的检测从而判断火灾是否发生。-般采用光电式感烟探测器和吸气式感烟探测器。

l42 化 工 自 动 化 及 仪 表 第 4O卷2.1.4 有毒气体探测器通过检测空气中 H s的浓度来确定工作区域的安全程度，根据浓度的高低和事故的严重性决定是否关断和撤离 ，-般 H：S浓度用 0.001%o来指示；0.005%0视为警告；0.O10‰视为泄漏报警，需立即采取措施。-般采用电化学式。

2.1.5 可燃气体探测器通过物理或化学的方式检测空气中可燃气体的浓度，-般按可燃气体的爆炸下限为最大量程，即 IOOLEL，量程范围-般为 0～IOOLEL。-般 到10LEL视为警告，20LEL视为气体泄漏报警。-般采用红外吸收式探测器(分点式和对射式)和催化燃烧型探测器。

2.1.6 手动报警操作按钮通过手动触发判断险情的发生。-般采用按压式和破玻璃式手报。

所有探测器均为可寻址式，避免传统的点对点式设计造成布线的工程量和电缆成本的高昂，并且所有探测器都要满足能被安装在爆炸危险场所-级二区、爆炸性气体 IA组、引燃温度 T3级(Class 1，Zone 2，Gas Group IIA，Temperature ClassT3)区域的要求，环境防护等级达到 IP65。

2.2 探测器的布置FGS的设计 、探测器 的布置是非常重要 的内容，应该把各种原理的探测器布置在中心处理站的相关工艺生产装置附近，使 FGS能够在最短时间探测到险情。

感温探测器布置在由于温度升高可能引发火灾或爆炸的诚，如控制室，电气设备，电池间及高温下易发生爆炸的储罐区、分离器、脱水器及加热炉等诚。

火焰探测器主要布置在原油处理拈，如分离器、脱盐区、空冷器、清管器区、压缩机、计量区及真空泵等地方，而在控制室和变电站则不布置火焰探测器 。-只火焰探测器的照射范围-般是垂直 90。，水平90。，因此要根据现场的实际情况，合理地设置探测器的位置与数量，使每个可能发生火灾的地方都能被探测到。

感烟探测器-般用于梯道、走廊、控制室、逃身通道及服务处所等处。在控制室电缆聚集的地方，也要设置感烟探测器，因为这是容易发生火情的地方。另外，在变电站、中心控制室及辅助控制室等高敏感区域需要布置吸气式感烟探测器。

可燃气体探测器主要布置在容易引起泄漏和聚集的高压设备、压缩机、真空泵、反应器、储罐的密封和密封压盖处以及暖通管道进风 口处等。它分为点式和对射式，点式探测器-经安装就位，它所处的位置就固定下来，只能监视视野所及的范围；而对射式-般用于开阔的室外环境 中，能保证比点式探测器有更大的覆盖范 围。另外 ，在可能发生 H 泄漏的电池间内，还需要布置催化燃烧式的可燃气体(H )探测器。

有毒气体探测器主要探测硫化氢气体，它的布置诚与可燃气体探测器相同。

手动报警操作按钮主要用于人工指示报警源，包括工艺故障、燃气泄漏、烟雾、火情以及任何可能导致工艺故障或引起人员伤害的危险情况。

- 般设置在楼梯 口处、主逃生通道、居住处所 的走廊及控制室的出门处等。

2.3 探测器的表决逻辑FGS要保护设备 、人身的安全 ，还要涉及到全厂关断或部分关断，为了提高 FGS的可靠度，减少误动作，每种探测器都有自己的表决原则(都是 以某-防火分区为前提的)：a.感烟探测器。如果单个探测到危险存在时系统只报警，如果两个或两个以上探测器探测到危险存在时，启动消防动作、报警并触发 ESD.1紧急关断。

b.感温探测器。-个或-个以上的探测器探测到危险存在，立即启动消防动作、报警并触发ESD-1紧急关断。

c.可燃气体探测器。对于点式可燃气体探测器，如果单个探测达到20%LEL或 50%LEL系统报警，如果两个或两个 以上探测器探测达到50%LEL时，立 即启动消防动作、报警并触发ESD-2紧急关断；对于对射式可燃气体探测器，如果单对探测器探测达到 1LEL.m或 3LEL.m系统报警，如果两对或两对 以上探测器探测达到3LEL.m 时，立 即启动消防动作、报警并触发ESD.2紧急关 断；对于 H 探测 器，如果单个探测器探测达到 10%LEL或 20%LEL系统报警 ，如果两个或两个 以上探测器探测达到 20%LEL时 ，立即启动消防动作、报警并触发 ESD-2紧急关断。

d.有毒气体(H：s)探测器。如果单个探测化 工 自 动 化 及 仪 表 第 40卷断路和正常状态下线路的电阻值会有所不同，从而使得输出的数字量信号转换为模拟量信号的值在不同的范围内，从而达到线路监视的功能。

IPtIFGS R- 模拟量输入卡 检测设备 l L每 hI l： 枷 懦 图 2 SDI回路 结构FGS中执行元件的输 出包括 电磁阀、继 电器(与公共广播、ESD及 HVAC等的硬接线接口)均为开关量信号，它们是正常励磁的，也就是说正常时上述设备均处于得电状态，为了保证其在需要时能够正常动作，系统采用 SDO(Supervised Digit-al Output)卡件来驱动此类设备，SDO会定时地向现场线路发出极短的检测脉冲，检测输出线路的通断，以判断回路是否处于降状态，输出回路负载的失效将会触发相应的系统报警，并给出对应的故障通道。

整个火气系统需要实现火灾和气体检测保护，它们的逻辑为：a.防火分区内某探测器第-点输入检测信号时，Tricon控制器通过状态、声光报警信号通知操作人员。

b.防火分区内某探测器第二点输入检测信号时，若是火灾信号，系统设置为 自动状态，则 自动释放消防系统(喷淋冷却系统、高压消防水喷射系统、CO 释放系统 )灭火 ；系统设置为手动状态 ，则通过中控室矩阵盘上 的手动开关释放消防系统。

d.对于火灾输入信号，触发 ESD-1紧急关断，装置泄压排料；对于气体输入信号，触发ESD-2紧急关断 ，并将产生危险气体泄漏源的阀门关闭，装置不泄压不排料。

由于Tricon控制器三重化系统是当作-个系统进行操作的，所以编程时只需要编-套应用程序，输入输出的现场传感器和执行元件的接线也都只有-套，跟普通控制器没有什么不同，所以维护起来比较简单。

3 结束语在伊朗雅达瓦兰油田中心处理站中，FGS扮演着保护人员、环境 、设备和设备安全的角色，随着国家的发展，以人为本的科学理念不断深化，企业普遍采用降、安全与环保的管理体系(简称HSE管理体系)，中心处理站现场的安全越来越得到人们的重视，对 FGS的要求越来越严格，FGS的可靠性决定了油田中心处理站生产的安全性。

- 个可靠性好、安全性高、可用率高、误动作少，以及满足 SIL3安全等级的 FGS能够对中心处理站火灾和气体泄漏及时监测并处理，将险情做到防患于未然，发挥出真正的安全保护作用，保障中心处理站安全、稳定、长周期的运行。