浅析海上平台火气系统

张 超

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

火气控制系统是用于监控火灾、可燃气及毒气泄漏事故，并兼备报警和一定灭火功能的安全控制系统。其主要实现对工艺装置、公用工程、油品储运、建筑设施等危险环境的可燃气体、有毒气体及火灾的检测与报警，甚至必要的消防联动功能，简称FGS。

首先，建立基本过程控制系统对过程对象的控制，如DCS等。它的外层是安全防护层，其中安全仪表控制系统即ESD系统，是由传感器、逻辑运算单元和最终控制元件组成的控制系统，用于生产过程中预定条件受动冲击时，自动将其置于安全状态。通过这些预定条件，包括压力高限、温度高限等参数，使安全仪表能够监测出潜在的危险工艺状态。通过组态的联锁逻辑控制现场电磁阀等的切断或导通，保护工业设备和人员的安全。下一层是减灾层，它也包括安全仪表系统即火灾和可燃气安全控制系统，是更高一层的保护。两者的区别是ESD是对工艺过程的一种保护，而FGS是对整个现场的保护，包括生产设备，FGS最重要的是保护人员安全，在危险发生时力争把危险降到最小化。再外层的就是消防等紧急响应系统。

1 火气探测系统构成

火气控制系统由火气探测设备、现场探/报警设备组成，与消防、紧急关断（ESD)、报警（包括PAGA)、HVAC等系统有接口。基本硬件有：盘柜（控制器、卡件、通讯接口）、电源、操作站、工程师站、火灾盘、可寻址盘。当现场的探测设备探测到火情或可燃气体时，位于中控室的火气控制系统连续监控这些现场设备，并采集这些火气信号，送到火气控制系统的逻辑单元，通过预先设置的逻辑关系进行处理，再通过与报警系统、应急关断系统、消防系统和HVAC等系统的接口，实现相应的报警、关断、消防和控制功能[1]。

软件组成：组态及控制系统各种软件；现场设备：探头安装、风机风闸安装组合；现场的火气探测及报警设备包括火焰探测器、热探测器、烟雾探测器、可燃气体探测器、手动报警站、手动CO2释放站、蜂鸣报警器、平台状态灯等；供电要求：交流电220V±%，110V±10%；直流电：24V-5%～24V±10%；频率及波形：频率力（50±1）H2，波形为正波正弦波，波形失真小于10%。

2 火气探测器工作原理

火灾与可燃气报警系统的目的是及时准确地探测到可能发生或已经发生的火情和可燃气体泄漏事故，以便通过火气控制系统或火灾控制盘采取一系列的安全措施，如报警、关断、消防，来保持平台人员和设施安全。

当现场的探测设备探测到火情或可燃气体时，位于中控室的火气控制系统连续监控这些现场设备，采集这些火气信号并送到火气控制系统的逻辑单元，通过预先设定的逻辑关系进行处理，再通过与报警系统、应急关断系统、消防系统和HVAC的接口，实现相应的报警、关断、消防和控制功能。

火气控制系统的框架如图1、图2所示[2]。

图1 非寻址型火气系统Fig.1 Non-addressable fire and gas system

图2 可寻址型的火气系统Fig.2 Addressable fire and gas system

3 火气探测器分类及其应用

现场探测设备的选择，关系整个系统准确有效的运行。目前生产厂家众多，产品五花八门，要想选择可靠性高、稳定性好的产品，首先要从原理上做好选型。现场探测设备具有举足轻重的作用，这些产品的质量直接关系到整个系统的运行，以下重点介绍可燃气体探测器和火焰探测器。

1）可燃气探测器

对可燃气的检测可分为化学法（催化燃烧传感器）、半导体气敏传感器法。物理方式可分为红外线检测法、超声式传感器法。对近几十年的应用情况分析，半导体气敏传感器因受外部温差交叉反应等因素的影响，其稳定性不可靠，故在复杂工况条件下不做选用，一般用于密闭空间、实验室等相对单一稳定的工况。催化燃烧传感器技术成熟、价格低廉，已广泛应用。一般使用寿命3～5年，但因其传感器易中毒，如现场存有高浓度硫化氢（H2S）、卤族元素，对其使用寿命产生影响。在日常维护工作中存在量大、零点漂移的现象，每年需定期标定校准。随着技术的成熟，应用红外原理进行检测可燃气的技术优势、性价比的提升，已被越来越多的用户所采用。红外传感器分为点式和开路式，它们都是利用气体对红外线吸收的原理来工作，可燃气体的浓度越高，红外线被吸收的越多。开路式气体探测器与点式的不同在于，它有发射源和接收器两个传感元件。可燃气体的浓度通过比较，是否有可燃气体存在情况下（即标准传感元件）所接收到的红外线辐射能的值来确定。使用寿命5年～10年，有的厂家质保期为5年，探头具有自动校准功能，基本免维护。

2）火焰探测器

海上油气生产设施可能会发生3类火灾：

A类——木材、纸张、布匹、建筑材料及其他可燃物质的火灾。

B类——易燃或可燃液体或气体的火灾，如原油、凝析油、天然气等。

C类——供电电气设备上发生的火灾。

火灾的发展一般经历4个阶段，即起始阶段、引燃阶段、火焰阶段和发热阶段。火灾的每一个渐进阶段都会增加相应的危险，且可用不同的火灾探测技术设备加以识别。根据火灾的分类及火灾的不同阶段，针对不同的目的，火灾探测器可选用以下设备。

◆ 紫外火焰探测器

◇ 优点：对所有的火源都可以检测，响应时间快，通常可以在两个毫秒内探测到，所以可以做到及早的预警作用。

◇ 缺点：对太阳辐射、电弧焊接、X射线、伽玛射线会产生误报警。

◇ 应用场所：适用于需要及早发现火源的地方，如军火库；尽量安装在室内。

◆ 单频红外火焰探测器

◇ 优点：可探测燃烧后产生CO2的火源；对燃烧时产生烟及蒸汽的火源可以探测；对闪电、电火花不会产生误报警。

◇ 缺点：对燃烧产生硫化物的火源不能探测；对水、冰易引发故障。

◇ 应用场所：要考虑其特点是否可以满足现场的环境要求，比如在雨水、冰雪多的地方，不宜安装此类型的探测器。

◆ 紫外红外复合型火焰探测器

◇ 优点：将单频和紫外火焰探测器的所有优点集于一身，具有迅捷的响应时间。

◇ 缺点：将单频和紫外红外探测器的所有缺点集于一身。

◇ 应用场所：适其特点对应安装。

◆ 三频（多频）火焰探测器

◇ 优点：最大限度降低误报警，探测范围增加，对所有的火源都可探测；克服了以上3种火焰探测器的缺点。

◇ 应用场所：可以放置到绝大多数场所。

如图3光谱图所示，可以看出每种光线的波长不同[3]。

图3 光谱图Fig.3 Spectrogram

目前从技术层面上来讲，多频谱红外火焰探测器是最为成熟的产品，其原因如下：探测范围大大增加，是其它类型火焰探测器的2倍～3倍，误报警率大大降低，不易受外界干扰。

4 结束语

火气控制系统的安全等级通常以整个系统的安全等级以及外围的检测设备来设定。安全等级可划分为SIL1，SIL2，SIL3和SIL4。目前火气控制系统已经可以达到SIL2，而外围的安全检测设备如火焰探测器、可燃气体探测器、毒性气体探测器都可以满足SIL2的要求，但烟感探测器、温感探测器不能达到SIL的要求。所以严格意义上说，火气控制系统不能设置为SIL等级。如果将火灾盘及烟感探测器、温感探测器等相关的外围设备剔除，那么这个系统（控制系统和外围设备）就可以达到SIL等级。如果控制系统为SIL3，而外围的检测设备为SIL2，那么整个系统依然是SIL2。从目前来看，SIL2基本上可以满足市场的需求。

对于SIL2，有一点还要说明一下：很多制造厂商都说自己的产品可以达到SIL的要求，但且不说是拿到的测试报告还是完整的证书，因为证书和测试报告是有本质的区别的。每个产品都附有安全手册，其中会有维护提示，也就是说多长时间需要对产品进行维护才能满足SIL其安全等级的要求，但往往被忽略了。通常是一年维护一次。比如，要满足SIL2的要求需要每年对产品维护一次，要满足SIL3的要求需要每3个月对产品维护一次，这对用户来说太过繁琐，工作量会大大增加，成本也会增加不少。