FGS在伊朗甲醇项目中的应用

赵荣昌，马国强

(中国天辰工程有限公司，天津300400)

FGS在伊朗甲醇项目中的应用

赵荣昌，马国强

(中国天辰工程有限公司，天津300400)

火气系统(FGS)是火灾报警系统和气体检测系统的集成，用于监控火灾和可燃有毒气体泄漏，并具备事故报警和一定灭火功能，是石化装置防火安全网络的重要组成部分。介绍了FGS的技术特点和组成，与传统火灾报警和气体检测系统进行了比较，简要分析了FGS和紧急停车系统的区别，并结合工程设计实例阐述了FGS的应用情况，详细介绍了伊朗某甲醇项目中FGS的主要功能、基本构成、设计方案，以及检测器、报警器、控制逻辑的设置等工程问题。

火灾报警 气体检测 火气系统 安全防护层 紧急停车系统

在石化生产中，经常面临着火灾、气体泄漏甚至爆炸等安全问题，直接威胁到人身健康和生产装置的安全。随着国家和各行业对安全生产越来越重视，为了保证人员和设备的安全，保护环境，需要一个及时、准确、可靠的控制系统对现场危险因素进行检测和控制，将可能的事故消除在萌芽状态，将已发生的事故损失最小化。因此，兼具火灾报警和气体检测的火气系统FGS(fire and gas system)得到了越来越多的应用和发展，如十几年前投产的上海赛科石化项目就是典型的火气一体化案例；FGS发展较早的油气行业海上平台项目也沿用了国际做法，从前期设计阶段到项目实施，都将火灾报警和气体检测作为一个整体的系统考虑[1-3]。

FGS是用于监控火灾和可燃有毒气体泄漏事故，并具备事故报警和一定灭火功能的系统[1]。FGS在国外的石化装置中是标准配置，但在国内的应用还不广泛，主要原因有[4]:

1) 按照国内工程公司传统的专业分工，火灾报警系统(FAS)由电信或电气专业设计，气体检测系统(GDS)由自控专业设计，2个系统的设计相互独立，工程设计人员对FGS的认识不够深入。

2) FAS和GDS的设计和验收规范不同，国内相关行业和部门没有统一明确的标准和要求。根据行业设计惯例，一般在生产区设置GDS，而FAS覆盖面较广，通常办公区和生产区均要求设置。

3) 在石化生产企业，GDS由工艺操作人员管理，FAS由专职人员或电气专业人员管理，最终用户对FGS还没有清晰的概念。

1 FGS的结构形式

ISA将FGS定义为1套应用于工业领域的自动化系统, 用来探测过程控制中原料的损失，或者直接通过计量现场所存在的泄漏物的量，如气体体积分数、烟雾、热辐射、火焰光来探测轻微的或严重的直至灾难性的泄漏事件，并采取合适的措施来减缓泄漏事件可能产生的后果[5]。

FGS可及时检测出所保护区域范围内可能出现的火灾和气体泄漏，迅速做出判断，采取正确措施以确保人员、设备和周围环境的安全。从最初的FAS和GDS分开设置，到如今发展成1个独立于DCS紧急停车系统(ESD)的安全保护系统，FGS几种结构形式[4]及优缺点见表1所列。

表1 FGS的结构形式和优缺点

基于安全PLC的FGS有如下结构:

1) 安全控制系统。控制器、电源、通信采用三重化冗余容错结构(TMR)。具有完善的自诊断测试功能，包括控制器、I/O模块、电源和系统软件，并支持卡件热插拔和在线程序修改下装。控制系统安全等级满足要求，达到SIL2及以上。

2) 检测单元。气体检测:可燃气体、有毒气体检测等；火灾探测:火焰、温度及烟雾探测等。

3) 联动输出单元。声光报警设备、自动喷水灭火系统、气体灭火系统、消防泡沫灭火系统等。

4) 辅助单元。工业电视系统，广播对讲系统等。

2 FGS设计的几个问题

2.1 FGS的独立性

根据IEC 61511对于过程工业中工厂安全保护防灾结构体系的分层描述原则[6]，在工艺流程的基本控制系统(BPCS)之外，存在着预防和减灾2个安全防护层级。工厂安全保护防灾结构如图1所示，其中，ESD负责对整个装置的生产安全变量进行监控，在事故状态下实现装置的安全停车。下一层是减灾层，即FGS。ESD是对工艺流程的一种保护，而FGS则是对整个厂区的保护，以维护设备、人员、建筑物和周围环境的安全为目的。因此，FGS的防护层级是高于DCS和ESD，当上述2个系统失效时，FGS仍然能够对火灾和气体泄漏进行检测，并驱动消防灭火设备，指导人员逃生。因此FGS是独立于DCS和ESD之外的防护层，应该独立设置[3]。

2.2 FGS的故障和非故障安全性

FGS从系统结构上来说，和ESD一样具有安全功能，是安全仪表系统(SIS)的一个重要应用领域。但国际上也有学者反对将FGS纳入SIS，因为FGS除了依赖于系统软件、硬件的性能，还特别依赖于各类探测器布置的合理性。比如，即使FGS的安全功能完全符合要求，但若探测器设置位置不合理、设置数量不够，或者探测器被遮挡等，都会影响系统的性能。所以探测器的有效探测区域对于系统性能的保证具有重要影响[7-8]。

图1 工厂安全保护防灾结构体系示意

FGS和ESD的区别:

1) ESD的目标是降低危险发生的频率；FGS则是减轻危险造成的后果。

2) FGS不同于传统的故障安全型ESD，没有绝对的安全受控状态，是一种动态的连续监测过程。FGS的逻辑控制器操作处于断电(de-energized)状态，ESD操作在通电(energized)状态。因此要求FGS输出信号为非故障安全性，以防止设备在故障时自动触发报警和联锁。同时输入输出信号应至少具有短路和断路等回路检测功能[3]。

3 FGS的应用案例

伊朗甲醇项目中FGS以TOPSOE火气系统规格书为依据，采用Rockwell具有TMR的ICS Triplex Trusted系统为核心设备，安全等级为SIL3。在装置区设置各类气体检测器、火灾探测器、手动报警按钮、声光报警器；在建筑物设置气体检测器和对应的声光报警器，这些仪表设备均为非寻址式。建筑物的火灾探测器、烟雾报警器、温度报警器、手动报警按钮及对应的声光报警器等均采用寻址式设备，接入火灾报警控制系统(FACP)。

该FGS遵循了IPS伊朗国家石油标准和国际通用的关于FAS和GDS的标准规范，并独立于现场总线控制系统(FCS)和ESD，具有以下功能[9-10]:

1) 通过可燃、有毒气体检测器连续探测并早期发现可能泄漏和积聚的可燃气体或有毒气体。

2) 通过火灾探测器连续探测并早期发现可能出现的火焰或存在的火灾。

3) 执行控制和联锁逻辑功能，控制雨淋阀、泡沫阀及暖通空调系统(HVAC)的新风入口阀等设备。

4) 设置声光报警器，通过不同的颜色和声音提醒现场危险区域的操作人员。

5) 设置操作站，火灾及气体报警模拟(MIMIC)盘，直观显示报警发生的类型和所在区域。

6) 通过硬接线或通信方式，将相关的I/O状态、仪表和设备的报警及故障信号送到FCS。

7) 提供事件顺序记录报告。

系统构成如图2所示。

整个厂区有3个建筑物:控制室、MCC和化验楼，其余为生产装置区。根据项目设计方案，全厂区的防火灭火安全网络由两部分组成：一部分是FGS，侧重对工艺装置的保护；另一部分是FACP，侧重对3个建筑物的保护。对于FACP部分，本文不做讨论。

FGS包含3个层次:检测部分、控制部分、响应部分。

图2 甲醇项目中FGS构成示意

3.1 检测部分

在装置区可能存在CO，H2，CH4，CH3OH等有毒可燃气体的泄漏及火灾发生，气体可能扩散到建筑物内。根据项目的生产特点和物料特性，该系统选用了可燃、有毒气体检测器，火焰探测器，感温电缆及手动报警按钮等现场检测报警设备。

3.1.1可燃气体检测器

1) 在装置区设置红外吸收式可燃气体检测器，用于检测CH4，CH3OH等碳氢化合物组成的可燃性气体。

2) 在装置区、建筑物电池间等区域设置催化燃烧式可燃气体探测器，用于检测H2。

3) 建筑物HVAC风机入口处设置红外吸收式可燃气体检测器，用于检测可能进入室内的CH4。

可燃气体检测器设置20%LEL和40%LEL两级报警。

3.1.2有毒气体检测器

在装置区、建筑物HVAC风机入口处设置电化学式有毒气体检测器，用于检测CO。有毒气体检测器设置3×10-5和1×10-4两级报警。

3.1.3火焰探测器

采用红外/紫外(UV/IR)火焰探测器探测装置区可能存在的火灾，UV/IR能有效探测出火焰而不受可见光和红外线辐射的影响，特别适用于火灾初期不产生烟雾的场所。当探测器检测到火焰中对应频率的波长时，触发报警。

3.1.4感温电缆

采用差定温型感温电缆探测装置区甲醇储罐的温度，当储罐温度或其升温速率超过设定值，则认为有火灾发生并进行报警。

3.1.5手动报警按钮

在通道、楼梯出口以及设计的疏散路线上安装手动报警按钮，当发现火灾时敲碎玻璃盖，触发控制室和相应区域的声光报警。按照设计要求，手动报警按钮需具有在线监测功能。

3.2 控制部分

采用ICS Triplex Trusted系统，符合IEC 61508 SIL3标准，并获得TÜV AK6等级认证，控制器冗余，通信卡冗余，并采用双路110 V UPS供电，系统可靠性高。

3.2.1硬 件

1) 机柜。整个系统I/O点数约为500个，设置1个控制柜，4个辅助柜，布置在机柜间。

2) 操作站。设1个工程师站，1个操作员站，分别布置工程师室和操作员室。

3) MIMIC盘。在操作员室设置MIMIC盘，盘上包含了所有FGS分区的各类火灾，可燃、有毒气体检测器等报警信息，并设置测试按钮、确认按钮、警笛和闪光报警灯等。它能直观显示各个区域的火灾和气体检测报警信息的实时状态，提醒操作人员注意。

3.2.2软 件

1) 软件组态。采用IEC1131-TOOLSET进行组态编程。根据工艺特点，将全厂划分成若干个防护区域，以便于FGS的检测、报警和联锁动作的设计与实施。在某个区域内检测到气体泄漏或火灾信号时，操作人员能根据操作员站的画面和MIMIC盘上的信号灯，快速判断并准确定位异常情况发生的区域。

2) 控制逻辑。FGS的I/O结构与ESD类似，但与ESD逻辑不同:在正常状况下，系统的输入输出信号均处于“断开”和“不得电状态”。故输入到FGS中的逻辑“0”为正常信号，逻辑“1”为报警状态，因此要求所有现场回路具有回路检测功能，以便及时发现回路中的故障并进行处理和恢复，保证各种仪表设备在需要时能正常工作[11]。

部分控制逻辑简述如下:

a) 建筑物HVAC风机入口处，可燃气体检测采用“2oo3”逻辑。一级报警不动作，二级报警经过“2oo3”表决逻辑后，将联锁信号传递给HVAC系统，执行相应的保护动作。

b) 火焰探测采用“2oo2”逻辑，只有当2个火焰探测器同时探测到目标区域的火灾时，才会报警并触发消防灭火系统。

c) 装置区的气体检测采用“1ooN”逻辑，当检测到气体泄漏时，发出声光报警，提示现场工作人员注意并及时采取相应的措施。

d) 罐区的温度监控采用“1ooN”逻辑，当储罐温度超过设定值或者升温速率超过设定值，则认为有火灾发生并进行报警，触发消防灭火系统。

3) 通信。FGS通过冗余的串行通信Modbus RS-485与FCS，FACP和HVAC系统进行通信，部分重要信号采用硬接线连接。

3.3 响应部分

3.3.1声光报警器

各类检测器本体上均不配置声光报警器，而是在各个区域设置集中报警器。通过不同的声音和颜色报警使操作人员能确认不同的危险类型，及时准确地采取应对措施。按照IPS伊朗国家石油标准[12]，声光报警的设置见表2所列。

表2 FGS声光报警器的设置要求

3.3.2消防灭火系统

装置区设有自动喷水灭火系统和泡沫灭火系统。在FGS检测到现场的火灾信号之后，经过逻辑运算，联锁启动消防灭火系统。根据设计要求，雨淋阀、泡沫阀等采用正常时失电形式。

3.3.3HVAC系统

建筑物设有HVAC系统，当FGS检测到火灾或者可燃有毒气体的信号时，经过逻辑运算，联锁HVAC系统，控制防火阀、新风入口阀等设备。

4 结束语

火灾和气体泄漏是石化装置的特点造成的，具有不可预见性，FGS能预防安全事故的发生，防止灾害扩大，保护人身和设备的安全，保护环境。正如早期的ESD是从DCS分离出来自成系统一样，随着生产装置规模的扩大，对系统控制功能要求的提高，可燃有毒气体、火灾、烟雾等现场信号与手动报警按钮、声光报警器等设备也逐渐从DCS和FACP中分离出来，共同组成独立的FGS，使DCS专用于正常生产时的控制，异常情况处理采用ESD，而火灾报警和气体检测由FGS来完成，从而组成一套功能强大完整的自动化控制系统[13]。

该项目FGS以安全型PLC为核心，将FAS和GDS进行集成设计，并与FCS/FACP/HVAC等系统联合，构成了完整的防火灭火安全网络，这种将相关系统和资源融合于一体的设计思路，具有统观全局，完善配置，协调各种安全措施的优越性[10]。

[1] 刘宇,康宝林,路通.浅谈海上平台火气系统的检测与诊断技术[J].仪器仪表标准化与计量,2015(06):28-31.

[2] Rex Sun.安全及环保需求促中国工业火灾和气体探测器市场稳健增长[J].可编程控制器与工厂自动化,2013 (05):31.

[3] 李季.火气系统在海上油气田的应用研究[J].仪器仪表用户,2014 (04):43-45.

[4] 徐永汉.火气系统在石化企业的应用策略[J].石油化工自动化, 2011,47(06):22-24.

[5] ISA.Guidance on the Evaluation of Fire, Combustible Gas and Toxic Gas System Effectiveness[S].North Carolina:ISA,2010.

[6] 彭瑜.过程工业控制系统及其软件的功能安全[J].自动化博览, 2010，27(12):40-46.

[7] 徐伟华.火/气探测系统与安全仪表技术[J].自动化博览,2011 (s1):16-18.

[8] Mariotti E, Padova AD, Barbaresi T, et al.Development of Improved Strategies for the Lay-out of Fire and Gas Detectors [J].Chemical Engineering Transactions,2014,36:283-288.

[9] 李素香.火灾和气体报警系统(FGS)在化工装置中的应用[J].化工与医药工程,2005，26(04):28-31.

[10] 孙金玲.国际工程中心处理站火气系统的设计与实现[J].化工自动化及仪表,2013，40(08):1053-1056.

[11] 张亦林.火气系统在石化装置中的应用[J].石油化工自动化,2012，48 (02):11-15.

[12] IPS.General Standard for Instruments of Fire and Gas Detection Equipment[S].Iran:IPS,2010.

[13] 叶威威.FGS在煤气化项目中的应用[J].石油化工自动化,2007，43(05):59-62.

ApplicationofFGSforMethanolPlantinIran

Zhao Rongchang, Ma Guoqiang

(China Tianchen Engineering Corporation, Tianjin，300400, China)

Fire and gas system(FGS) is an integration system of fire alarming system(FAS) and gas detection system (GDS).In addition to monitoring fire and combustible and toxic gas leaking,the system is also provided with accident alarming and fire extinguishing function.It is an important part of safety system in petrochemical plant fire prevention.Technical features and composition of FGS is introduced.Traditional FAS and GDS are compared.Difference between FGS and emergency shutdown device is discussed briefly.Combined with practical case, the application of FGS is expounded.Main function, basic composition, design scheme, and engineering difficulties on setting of detector, alertor,and control logic are expounded in detail with the engineering project in Iranian methanol plant.

fire alarm; gas detection; fire and gas system; safety protection layer; emergency shutdown device

稿件收到日期：2017-09-12，修改稿收到日期2017-10-21。

赵荣昌(1986—)，男，广西崇左人， 2012年毕业于北京化工大学控制科学与控制工程专业，获硕士学位，现就职于中国天辰工程有限公司，从事仪表工程设计工作，任工程师。

TP273

B

1007-7324(2017)06-0007-05