基于遮挡率优化算法的火气系统布点设计与评估技术

王闻博，巫前进，马云鹂

（1.湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 524057；2.数字流动（苏州）安全科技有限公司，江苏 苏州 215101；3.梅思安（中国）安全设备有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

火灾及气体监测报警系统（Fire and Gas system，FGS）简称火气系统，一般部署在石油石化、天然气和其他过程工业生产设施和装置区域中，用于实时监测可燃气体、有毒气体泄漏及火灾风险，并兼具报警和消防、保护功能，有时也称为安全监测系统。从功能安全保护层的范畴来看，属于减灾保护层安全仪表系统（SIS），与预防保护层安全仪表系统（如紧急停车系统）相比，影响安全监测系统有效性的因素更多，也更为复杂。火气系统除了产品选型、系统架构以及安全完整性等级能力外，现场探测设备的数量、安装位置和方向等因素都会对火气系统的有效性造成直接影响[9]。

图1 采用点模型的火焰检测示意图Fig.1 Flame detection demonstration using point model

火气系统有效发挥其预警和风险减缓作用，其前提是必须能够高度准确、可靠地识别有毒气体、可燃性气体泄漏以及火灾风险的发生，并能够提供尽可能高的检测覆盖率。火气系统布点方案的优劣直接决定了安全监测系统的有效性，对于整个工艺装置区域的安全运行以及防灾减灾有效性，其重要性不言而喻[6]。

1 火气系统布点设计中的火焰检测模型

火气检测系统布点设计与评估优化技术是一种性能化的设计、评估技术。该技术基于IEC和ISA国际标准和规范，通过评估系统建模和分析计算，评估当前设施存在的安全风险和火气系统检测覆盖率，并通过布点评估、优化，具体建议如何有效地降低风险等级，帮助工程设计人员和用户快速选择、调整最佳方案，进而提升系统的整体安全等级。目前，全球知名能源公司和工程设计公司（例如SHELL，BP，TOTAL，Chevron，Fluor，HYUNDAI等 ） 均广泛使用性能化火气系统布点设计与评估方法以及相关软件[9]。

火气系统布点设计和评估中，火焰探测器检测覆盖率的计算普遍采用基于几何算法的空间分析方法。因为覆盖率的计算是按照有效“点”的数量与总的点数量的比值，该模式也被称为“点模型”。采用点模型的覆盖率计算公式为：

式（1）中：NV以视距直线（Line of sight）的方式到达既定参考面的点的数量；NT以圆锥体形式，以最小包络既定参考面为原则，总的点数量。参考面，一般为待评估区域内指定标高的水平面。

点模型的优势是比较简单，易于理解和执行，但是缺点也比较明显。当火焰位于一些小规模的遮挡物之后，但并非完全遮挡时，布点分析软件会误认为火焰探测器无法检测到该火焰。实际上，火焰并非呈点状存在，而是以有限体积存在的羽流。如果在火焰与探测器之间存在小的物体或非连续遮挡，该火焰对于探测器来说部分可见，尚需进一步结合燃烧物质的特点（热辐射量），才能准确地判断该火焰是否能够被检测到[11]。

2 火焰探测器遮挡率分析

火羽流的复杂性，使得有效遮挡率的定义和计算变得非常重要。究竟什么形式的遮挡，以及多大面积和比例的遮挡会造成火焰探测器完全无法检测到火焰，本章节以定量的方法对遮挡率进行定量分析和描述。

火焰探测器的遮挡率计算，一般有两种方法，分别是空间几何法和面积法。

①空间几何法，采用高度比值，有效遮挡率计算公式为：

式（2）中：I为遮挡部分的高度，可根据测试环境和条件实地测量得到；L为火焰高度，参考《SFPE消防工程手册》[10]，火焰高度的计算公式为：

式（3）中：D为火焰直径，单位：m。实际计算中，可取火盆尺寸；Q为总热释放速率，在完全燃烧且稳态模式下，以模拟与实验结合方式确定。

对于侧边型、纵向格栅型、水平格栅型及网格格栅型，为了计算的便利性，火焰探测遮挡率OG分别取保守估值50%，50%，50%，75%。

②面积法，采用面积比值，有效遮挡率计算公式为：

式（4）中：a为未被遮挡的火焰面积；A为全部的火焰面积。

图2 火焰检测遮挡实验模型Fig.2 Flame detection obstruction ratio test scheme

图4 使用面积法不同遮挡模式的火焰测试结果Fig.4 Test result of different obstruction mode using flame area rule

未被遮挡的火焰面积a，可按照分别不小于RGB（245，130，50）且未被遮挡的面积进行计算[5,8]。为了确保火焰检测面积的准确性，按照每秒30帧率且持续20s进行取样。

全部的火焰面积A，可采用《SFPE消防工程手册》[10]推荐的经验公式：

式（5）中：A为全部的火焰面积，单位：m2；Q平均热释放速率，单位：kW。

3 红外热辐射与遮挡模型实验

3.1 实验条件与模型

实验条件：

◇ 室外，常温环境，湿度约20%。

◇ 数字照相机，用于测量在特定安装位置，能够检测到的火焰面积。

◇ 光谱辐射计（波长为4.5µm），用于测量在特定安装位置，能够接收到的红外热辐射强度。

3.2 实验场景和内容

将正庚烷作为燃烧物质，配合不同尺寸的火盆，形成实验所需要的火焰测试源见表1。

表1 火焰测试源分类Table 1 Fire source category

并采用7种遮挡模式如图3所示。

图3 7种遮挡模式下的火焰检测实验Fig.3 7 cases of obstruction mode for flame detection test

3.3 实验结果与小结

当使用面积法评估遮挡率时，尽管存在不同的遮挡模式，光谱辐射计接收到的红外热辐射能量与遮挡率呈现出较为明显的线性。

当使用空间几何法评估遮挡率时，线性度相对来说稍差一些，但是红外热辐射能量与遮挡率也存在一定程度的相关性。

表2 火焰探测器性能测试结果Table 2 Flame detector performance test result

如果将不同遮挡模式进行细分，会发现上部型的红外热辐射能量高于平均水平，而下部型的情况正好相反。造成这一结果的主要原因，是物质燃烧产生的火焰的固有属性。通常火焰的根部更加稳定且持续，而火焰顶部会出现断续、跳跃的情况，所以当存在上部遮挡时，火焰探测器实际接收到的红外热辐射能量偏高。对测试结果小结如下：

图5 使用空间几何法不同遮挡模式的火焰测试结果Fig.5 Test result of different obstruction mode using geometrical rule

◇ 在相同遮挡率下，上部型遮挡比下部型遮挡具备更高的红外热辐射能量。

◇ 红外热辐射能量与遮挡率有线性相关性，当火焰形状能够被模拟时，红外热辐射能量能够被精确预测。

◇ 即使火焰形状无法模拟，也可以根据火焰与遮挡物的空间几何关系粗略估算红外热辐射能量。

4 基于红外热辐射的火焰探测器性能实验

继续采用前述章节中的实验条件和模型，但是采用3种不同规格型号火焰探测器（A，B，C）进行实测。根据测试结果可以发现：不同的火焰探测器，其实验结果与产品数据表所宣称的规格并不完全一致。例如，对于火焰探测器B和C，产品数据表宣称：对于30 m的检测距离，需要的红外辐射能量值为40 kW，而从测试结果来看，需要的最低红外辐射能量值约为10 kW。

表（2）中，“X”表示在该种测试场景及遮挡模式下，火焰未被检测到；“√”表示能够检测到；数值表示火焰探测器处接收到的辐射能，单位：kW；阴影则表示实际接收到的辐射能低于火焰探测器所宣称的所需最小辐射能。

实际上，除了产品本身的设计之外，影响火焰探测器检测性能最关键的因素是火焰探测器能够接收到的红外辐射能量值，而遮挡类型、遮挡比率是需要适当考虑的因素之一。部分火焰探测器拥有比所宣称的技术规格更好的性能，主要原因是在部分遮挡模式及遮挡率条件下，能够检测更小体积的火焰，只要其红外辐射能量值足够大。

由InsightNumerics公司研发的火气系统布点设计与评估软件Detect3D，针对部分遮挡模型下，火焰检测结果不精确的问题进行了深入分析和优化，创新性地提出盒模型（Box model）的概念，并将本文实验成果应用到该软件中。

5 FGS火气系统布点设计和评估优化工具Detect3D

Detect3D是由InsightNumerics公司研发的火气系统布点设计与评估优化软件，具有如下技术特点：

1）更高效，更经济的火气系统布点设计与评估工具

◇ 大幅缩减火气系统布点设计与评估周期，典型项目一周即可完成。

◇ 在保证同等覆盖率性能的前提下，探测器数量平均可优化减少约30%。

◇ 业内领先的CFD仿真与分析计算能力，可同时模拟上千种场景，更加精准的风险分布和检测覆盖率计算。

◇ 无缝兼容主流CAD/3D工程设计软件，可直接导入PDMS，MICROSTATION，AUTOCAD，NAVISWORKS等软件图纸。

2）人性化设计，易于使用

◇ 探测器覆盖有效性权重排名功能，可快速优化布点方案，删减无效和低效探测器。

◇ 简洁有逻辑性的树形导航界面，符合ISA 84/GB布点有效性评估的工作流程。

◇ “定点指向”功能，可快速部署和调整探测器安装位置、角度，大幅节省工程设计时间。

3）项目信息安全可控

◇ 所有的输入、计算分析和优化均在本地完成。

◇ 所有项目信息、设计文件、施工图纸等技术资料本地保存，机密信息不外泄。

图6 火焰探测器检测覆盖率示例Fig.6 Flame detector coverage demonstration

◇ 经过培训，用户可快速掌握并独立使用，不依赖第三方。

6 结束语

在石油石化、天然气、化工等领域，构建安全、可靠的火气系统对于保护各类生产设施和装置非常重要。在火气系统中，除了选择高性能的火气探头以及必要的冗余架构之外，火气探头的布点有效性也必须给予充分的关注，否则火气系统无法有效地发挥其作为保护层的目的。

只要被接收的红外热辐射强度足够大，即使存在部分遮挡，火焰依然能够被检测到。Detect3D采用创新的盒模型，解决了在不同遮挡场景下，检测动态火焰的准确性问题，并将遮挡模型中的上部型与下部型对于遮挡率、红外热辐射强度的影响纳入其优化范围，使该软件成为业内为数不多的能够解决这一技术难题的火气探头布点设计与评估工具。同时，大量工程实践已证明Detect3D先进的算法和强大的评估、优化能力。