油气站场自动控制系统火气探测覆盖率分析

李模刚 陈忱 杨伟 刘昳蓉 鲁毅

1大庆恒安评价检测有限公司

2北京中油建设项目劳动安全卫生预评价有限公司

3北京风控工程技术股份有限公司

油气站场火气探测（FGS）系统作为保证安全生产的一项重要技术措施，在可燃与有毒物质泄漏事故的早期管控中起着至关重要的作用。在检索国内油田相关规范要求的基础上，借鉴了国外油气站场火气探测设计流程，介绍油气站场自动控制系统火气探测覆盖率、系统可靠性分析在设计阶段中的应用过程，通过软件评估和风险定量评估等敏感性分析，优化了火气探测器的布置，使事故风险降至可接受程度。

1 国内油气站场火气探测规范要求

油气站场火灾安全的一个重要理念是在泄漏或火灾发生的早期阶段尽早发现，并及时警告操作与消防人员采取措施，或系统自动进行关断喷淋等。泄漏或火灾可以由现场人员发现或依靠各类检测器探头发现。典型的检测器探头可以分为以下几类：可燃气体检测器探头、温度或火焰检测器探头、有毒气体检测器探头、烟雾检测器探头[1]。油气站场火气探测设置主要依据GB 50183、GB 50350、GB 50116和GB 50493等规范（表1）。

表1 油气站场火气探测主要规范内容Tab.1 Main specification contents of FGS in oil and gas stations

上述国内规范中仅对检测器的检测范围及检测器的安装位置提出了原则性的要求，在实际的工程项目中，经常会遇到以下问题：检测器探头应该布置在什么地方，装多少检测器才能有效检测泄漏、火灾等事故工况，检测器是否应自动触发工艺装置的联锁关断，如何避免检测器探头的误报概率等。

另外，在检测器报警后的人员响应过程中，通常会要求在确认火灾或确认泄漏后进行工艺装置关断，但如何进行确认成为应急管理中的难题。一旦有毒气体或可燃气体大量泄漏，人员无法进行现场确认，工艺装置的关断权限应确定现场负责人，如果权限不足可能造成关断延误，导致事故扩大，危及人员生命安全。

2 设计流程与应急响应

根据多个国外油气站场建设项目的实施经验，参考IEC61511[6]的生命周期管理要求，国外火气探测系统设计工作流程归纳如下：

（1）定义火气探测系统的设计原则，确定风险削减能力要求。

（2）对检测区域的划分，各个区域内的风险场景辨识。

（3）各个区域内的火灾与泄漏场景的定性、定量评估。

（4）根据风险辨识与评估的内容，确认区域的火灾及泄漏频率。

（5）依据火灾及泄漏频率、工程标准等对火气探测的覆盖率、功能性与可靠性做出要求。

（6）进行初步工程设计，明确各个区域的仪表选型、安装位置要求、关断或报警动作要求，并编制火气探测系统的因果图。

（7）进行火气探测覆盖率分析，优化检测器探头位置。必要时进行火气探测系统可靠性分析，对其可靠性进行强化。

火气探测主要包括火焰探测和可燃气体/有毒气体检测。油气站场火焰探测覆盖率取决于火灾发生的可能性，火灾发生频率越高的区域，其对应的火焰检测覆盖率越高，即FGS的风险削减能力要求越高。

火灾发生频率可以通过QRA定量风险评估的计算得到。QRA的计算结果不仅用于厂内、厂外间距的确定，同时可用于确定FGS检测器覆盖率，确定防火涂料要求与实施范围，消防水喷淋用量计算和建筑物的抗爆计算等[7]。火焰检测覆盖率具体要求见表2。

表2 火焰检测覆盖率要求Tab.2 Requirement of flame detection coverage rate

可燃气体检测的主要目标是尽可能早地检测可燃气体的释放和积累，以便能够将泄漏源隔离，最大限度地减小释放尺寸、点火的可能性和对设施的损坏[8]。

可燃气体检测覆盖率取决于评估的空间类型，检测的覆盖率要求如表3所示。

表3 可燃气体检测覆盖率要求Tab.3 Requirement of combustible gas detection coverage rate

3 火气探测覆盖率分析软件

火气探测覆盖率的分析软件目前主要为国外软件，国内仅有FGS suite等少数自主开发的评估软件。这些软件的特点是以图形分析的手段，用不同颜色标注了探头的覆盖范围，能够以图形和数据两种方式展示计算分析结果，并考虑了遮挡、探头性能参数等输入条件。

图1 火焰检测区域覆盖Fig.1 Flame detection area coverage

火焰探测覆盖区域通常以颜色区域划分，图1显示了两个火焰探测器的重叠覆盖。其中绿色区域表示由2个以上的探测器监测的火灾区域；蓝色区域表示由1个探测器检测的区域；红色区域表示没有被检测到的盲区。

可燃气体检测覆盖区域通常以颜色区域划分，图2显示了2个可燃气体探测器的重叠覆盖。其中绿色区域表示由2个以上的探测器监测的可燃气体扩散区域；蓝色区域表示由1个探测器检测的区域；红色区域表示没有被检测到的盲区。

图2 可燃气体检测区域覆盖Fig.2 Combustible gas detection area coverage

4 典型火气探测覆盖率的分析结果

在天然气压缩机区域案例中，可见火气探测覆盖率模拟计算后的探头布置差异。

在原设计图3中，优化前压缩机区域设有2台（套）开路式可燃气探测器，2台紫外红外双波段火焰探测器，1台点式可燃气体检测报警探头，以及MAC手动报警装置。

1ooN火焰探头的覆盖率已经超过90%，满足这一区域的覆盖率要求，且检测器探头的安装高度不受遮挡。

图3 压缩机区域的火焰与可燃气体检测Fig.3 Flame and combustible gas detection of compressor area

因压缩机厂房的存在，这一区域不能完全归入开放空间，且可燃气体探头的1ooN的覆盖率未达到80%。

经多个方案优化后，在压缩机区域不增加可燃气体检测器布置的情况下，通过调整可燃气体检测器的布置位置，提高了压缩机区域的检测覆盖率。

特别是经定量风险评估计算（可燃气体泄漏其LEL爆炸下限浓度的扩散范围），可燃气体有可能到达配电室区域，即进入非防爆区域。因此在配电室的正压通风进风口处设置点式可燃气体检测器，触发正压通风停机，并关闭入口导叶，避免可燃气体泄漏后进入配电室。

5 结束语

通过对自动控制系统火气探测覆盖率分析与优化可以提高检测火灾、气体泄漏的可靠度，更好地控制泄漏造成的事故风险。通过量化分析确定火焰与气体检测仪表的最佳类型、数量、布点位置，提供FGS布点优化方案，能够有效地提高油气站场安全等级并优化资源配置。

本文探讨了火气探测覆盖率的分析方法及应用案例。覆盖率是火气探测系统可靠性的一个重要因素，为了能够确保系统的可靠性，还需要从硬件失效频率、系统冗余、检测与校验周期等多因素着手，提高火气探测系统布置的可靠性。