FGS在石化装置中的应用分析及其海外应用实例

赵恺 张睿涵 王一斌

1中国昆仑工程有限公司

2大庆油田信息技术公司北京分公司

3中国石油工程建设有限公司

石油化工装置由于其生产介质和流程的特殊性，火灾、毒害、爆炸等危险性较大，可能危害到人身和财产安全，故探测、报警、防范、处置事故的控制系统显得至关重要。在国内，该控制系统主要由火灾自动报警系统（Fire Alarm System，以下简称FAS）和可燃有毒气体检测系统（Gas Detection System，以下简称GDS）组成，有时也包括消防控制系统（Fire Fighting System）[1]。这两个系统在国内大部分工程公司的分工中，前者属于电信专业（未单独设置电信专业的由电气专业负责），后者属于自控专业，两者一般是独立的（偶尔可能设置GDS到FAS的报警信号）[2]。

1 FGS在国内的应用现状

FGS（Fire and Gas System，火气系统）将FAS和GDS 二者结合起来，统一在一个系统内进行管理，这在一定程度上提高了安全性。因国内大部分工厂FAS设置在消防控制室，GDS设置在中心控制室，发生紧急情况时难以快速有效地沟通；若组成FGS 将有助于紧急处理，将危险消灭在萌芽状态，防止事故扩大。

但FGS在国内始终未得到广泛应用，这既与上文提到的设计习惯有关，也与国内的设计、制造和验收规范有关[3]。以FAS 为例，从火灾自动报警控制器开始主要考虑是一套面向民用的、经济的、封闭的、可靠性相对较低的系统，由单片机加总线制结构组成，这对于我国目前的国情推广FAS是有利的。为了保证制造质量，国内的FAS厂商和消防监管部门只认可这一种产品。但这种产品并不非常适合一些要求更高的工业场所，而高级架构的火灾报警产品既无人生产，又难以取得CCCF认证，更难以通过消防验收。

在GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》中这种过渡性的体现尤为明显。在第8章可燃气体探测报警系统（2013 版新增）中仍将其作为一个子系统考虑，在条文中也未体现出对其足够的重视；在第12 章第2 节中对于油罐区一笔带过，其他条文大多是针对建筑物，对于构筑物为主的工业场所说明较少[4]。即使FAS 系统接纳了相对有所关联的可燃气体检测，但其也很难参与到工艺专业的联动中；另一方面，有毒气体检测无法从逻辑上并入FAS，因为其与火灾并无关系。因此，想要在国内推动FGS的发展，需要FAS体系进行改革或监管部门具有更高的包容性才行。

2 FGS在海外的应用实例

虽然FGS 在国内应用较少，但在海外应用较多，在一些国家甚至必须配置[5]。FGS 从形式上也不尽相同，主要有三种：火灾报警与气体报警分开的FGS；基于火灾报警的FGS；基于安全PLC 的FGS。三种方案的优缺点已经有过很多详细的论述，不再赘述[6]。本次应用实例为FGS 用于东南亚某岛国大型石化装置中的罐区部分。当地政府同意建筑物内使用符合中国国标的FAS，装置区和罐区现场使用基于安全PLC（可编程控制器）的FGS，下面就该罐区的FGS设计进行介绍。

2.1 FGS系统架构

FGS 系统采用了类似SIS-ESD 系统的控制方案，独立设置，可由SIS（安全仪表系统）供货商供货，UPS 电源、控制器、通信均为冗余性架构[7]。控制器放置在现场抗爆机柜室内，设有工程师站，操作员站设置在全厂中心控制室，可声光报警，并在消防控制中心、消防站等部位设置显示屏，便于第一时间了解情况。因为罐区较大，点数近3 000 点，拆分为3 套FGS 控制器。在设计分工方面，现场气体探测器及电缆由自控专业负责；现场与火灾相关的报警及联动设备由电信专业负责；系统部分由于可燃有毒气体检测占比较小，总体由电信专业负责，自控专业配合。

2.2 FGS输入设备

该罐区有储罐140个，总罐容积为240×104m3，包含10×104m3外浮顶罐、内浮顶罐、球罐等多种罐型，储存原油、成品油等介质。现场FGS设备主要参照国内标准设置，如GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》，GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》，GB 50074—2014《石油库设计规范》 等。输入设备均采用1对1硬线DI接入系统，主要输入设备及其设置特点包括：

（1）现场隔爆型手动报警按钮设置在罐组检修路边，与国内的主要区别是采用多线型设备，无地址，送出常闭干接点。为了节约点数和电缆，选用不带回灯的设备，依靠声光报警器实现类似回灯功能，采用2芯电缆；24 V DI检测回路要考虑检测距离，与距控制器最远的设备约1 km。

（2）球罐区采用防爆红外火焰探测器，监视状态工作电流不大于15 mA，报警状态工作电流不大于35 mA。从FGS 机柜内取DC 24 V 电力进行供电，送出报警信号和故障信号（干接点）至FGS，采用1根电源、1根信号硬线。

（3）外浮顶罐采用光纤光栅感温探测系统，光栅感温探测器和连接光缆安装在浮船二次密封上。每罐设置1台主机，在机柜室的机柜内，每台主机向FGS送出数组报警信号和一组公共故障信号（干接点），采用硬线连接。

（4）可燃、有毒气体检测器自带声光，从光色上与声光报警器进行区分，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。因为FGS架构与ESD（紧急停车系统）类似，可燃、有毒检测器按自控专业常规设置即可[8]。

2.3 FGS联动设备和系统

联动的阀门及机泵只考虑远程开启，现场手动关闭，主要联动的设备和系统包括：

（1）防爆声光报警器。设置在罐组检修路边，与国内区别是采用多线型设备，无地址，通电报警。为了节约点数和电缆，选用单色型，考虑到声光报警器的工作功率在10～30 W之间，综合电缆长度为1 km，选用AC 220 V 设备，采用DO 点串接AC 220 V电源、2芯电缆硬线。

（2）联动罐组水喷淋系统。水喷淋系统采用雨淋阀组控制，需开启时开启电磁阀即可，考虑到功率和距离，电磁阀采用AC 220 V 设备，配置同上。收集雨淋阀组压力开关的反馈信号，考虑到工作时有人在现场，为节省点数和电缆，应用1套数据采集系统，每组数据采集单元满配可收集32 个DI 点，基本满足1 个罐组使用，4 个单元成环后再与FGS通信。

（3）联动罐组泡沫系统。泡沫系统末端采用雨淋阀组控制，控制和反馈与水喷淋系统相同。泡沫站中的泡沫制备设备为带PLC的控制柜，需接入设备的启动、运行、故障、手/自动、液位等信号，还需接入进出设备的干管电动阀信号，分配至各罐组的支管电动阀的开阀信号（以上均采用硬线），以及用数据采集单元收集各电动阀的阀位、故障、就地远程信号，同时还需要监控进、出口的压力信号。

（4）联动消防水泵和泡沫消防水泵系统。水喷淋和泡沫系统均由消防加压泵站供水。国内消防水泵设计一般为PLC成套供货，由PLC负责各泵之间的连锁控制，现场设置FGS可由FGS直接控制，节省了1 套PLC。联动消防水泵采用稳高压系统，稳压泵组自带控制柜，由FGS监视其工作状态；电动消防水泵由FGS控制其启动并监视其工作状态，柴油消防水泵自带控制柜，由FGS控制其启动并监视其工作状态；另外，还需要监控消防水罐的液位与出线干管的压力。泡沫消防水泵采用干式系统，其余部分与消防水泵类似。

（5）联动抗爆机柜室的暖通系统。抗爆机柜室属于建筑物，其联动包括室内FAS的联动以及涉及到室外可燃气体报警的FGS联动。FGS部分包括进风口附近可燃气体报警器的报警信号，联动关闭新风机组、新风空调、电动气密阀、排风机、进风机等，并监视各设备的反馈信号，以保证可燃气体不侵入抗爆建筑物内。

（6）FGS 还可根据需要与DCS、ESD、FAS、电视监视系统、扩音对讲系统等联系[9]。

2.4 FGS组态

因储罐较多，操作员站数量较少，FGS组态采用三层结构形式：第一层为正常待机时，画面为对应罐区的总图；第二层为发生事故时，画面对应罐组的小总图；第三层为对应罐的PID图。联动采用手动和自动相结合的方式：对于声光报警、水喷淋等不造成经济损失的联动，以自动为主，手动为辅；对于泡沫喷淋等易因误报造成经济损失的联动，以人工确认后手动控制为主，自动为辅。

因单罐联动时涉及到的设备较多，包括消防水泵、水喷淋雨淋阀、泡沫消防水泵、泡沫设备、泡沫电动阀、泡沫雨淋阀，以及相邻罐的水喷淋设备等，为避免误操作，在第二层画面上整合为少数几个按钮，如选择对某罐开启泡沫设备，则一键开启流程上所有需开启的设备，以满足及时启动的需要；在第三层画面上也可以对各单体设备进行单独控制和监视。报警设备的逻辑可以参照现行火警规范进行设计，对于消防泵组则按工艺专业提出的时间间隔和压力反馈进行设计。

3 结束语

FGS在应对石化装置中不可预见的火灾和气体泄漏时能体现出强大的可靠性，相对于FAS模块式输入和输出信号更加包容，终端更加简单，多线式的架构进一步降低了其故障率，在操作侧可以一步到位、统控全局。此外，针对FGS已经有一套较为完整的评价体系供HAZOP分析[10]。不过，FGS也存在投资较高、部分设备选型特殊的缺点，相信随着我国科学技术的进一步发展，FGS会在工业场所得到更加广泛的应用，并与国际逐渐接轨，成为先进、完整的自动化控制系统中不可或缺的一部分。