大型石化罐區(qū)火氣系統(tǒng)及消防聯(lián)動的設(shè)計

以往國內(nèi)中小型石化企業(yè)罐區(qū)的消防設(shè)計主要是火災自動報警信號、火災手動報警信號上傳至集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）或消防控制中心主控器實現(xiàn)消防聯(lián)動控制。也有一些項目消防設(shè)計采用火災報警信號進DCS系統(tǒng)獨立的卡件[1]，再送到火災自動報警盤后，由消防控制中心主控器實現(xiàn)消防聯(lián)動控制。對于中小型石化罐區(qū)消防規(guī)模和設(shè)施相對較少，消防聯(lián)動控制（包括啟動消防水泵，消防泡沫泵，打開消防閥門等）上述方式是可行的。有些小項目甚至僅采用遠程手動和現(xiàn)場手動的消防方式，基本上就可以滿足消防要求。但無論上述哪種設(shè)計方式都有不足之處。

其一，當罐區(qū)發(fā)生火災時，操作人員必須在消防控制室或是現(xiàn)場逐個打開消防泵，消防閥等，所需的時間一般都會超過消防規(guī)范要求的發(fā)生火災時5分鐘內(nèi)進行滅火的時間要求。在緊急情況下操作人員慌亂，甚至不知所措，加之消防過程的繁雜，人為的誤操作等耽誤了滅火的最佳時機，給企業(yè)和國家?guī)砹司薮蟮膿p失。所以在設(shè)計中一定要保證消防操作的可靠和便捷。

其二，以往的一些設(shè)計中消防聯(lián)動設(shè)施的控制是由DCS或PLC系統(tǒng)實現(xiàn)，但DCS或PLC系統(tǒng)UPS電源設(shè)置原則是在工廠電源中斷后，后備電源保證繼續(xù)維持30分鐘的供電。而一般情況下火災自動報警盤的蓄電池后備電源應保證火災自動報警系統(tǒng)及聯(lián)動消防在火災狀態(tài)工作負荷條件下連續(xù)工作3小時以上[2]。所以當工廠供電中斷后30分鐘~3小時之間，從設(shè)計的角度講DCS系統(tǒng)將無法報警和聯(lián)動，此時火災自動報警盤檢測到火災隱患，發(fā)出火災自動報警信號，DCS系統(tǒng)聯(lián)動控制的消防設(shè)施由于電源中斷將不能動作，此種情況下火災自動報警和消防聯(lián)動不能密切配合，只能人工現(xiàn)場手動進行滅火，同樣會耽誤滅火的最佳時機。所以目前大型罐區(qū)的火災自動報警及消防聯(lián)動控制大多采用火氣系統(tǒng)實現(xiàn)，充分考慮到消防聯(lián)動和電源設(shè)置的要求，達到全廠火災及可燃氣體報警和消防控制整體一體化。

本項目設(shè)計中，充分考慮了工廠規(guī)模和系統(tǒng)電源的配置，根據(jù)項目設(shè)計中規(guī)范要求、項目規(guī)模、兼顧投資要求，整個罐區(qū)火災及可燃氣體報警和消防聯(lián)動采用獨立的火氣系統(tǒng)完成。

本項目共有10萬立原油儲罐22座；5萬立、3萬立原油儲罐以及其他成品油罐和化工品儲罐共46座，總庫容368萬立。本項目設(shè)置1個中心控制室，5個現(xiàn)場機柜室，1個現(xiàn)場控制室。FGS系統(tǒng)的火災自動報警和消防聯(lián)動操作在中心控制室實現(xiàn)。5個現(xiàn)場機柜室設(shè)置FGS系統(tǒng)遠程控制站，信號采用冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至中心控制室FGS系統(tǒng)。現(xiàn)場控制室可實現(xiàn)本區(qū)域火災自動報警和消防操作，信號采用冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至中心控制室FGS系統(tǒng)。中心控制室FGS系統(tǒng)操作站可實現(xiàn)全廠的消防報警監(jiān)控和操作。

易燃易爆工廠正常運行時，基本的控制及保護采用DCS、SIS（或ESD）系統(tǒng)實現(xiàn)。當基本的控制不能控制非正常狀態(tài)工況時，SIS和ESD將自動執(zhí)行保護動作，完成泄壓設(shè)備保護，工廠緊急疏散。

為保證每個層面對可燃氣體泄漏，火災發(fā)生的可靠、及時檢測和保護，必須選用安全性高，可靠性好，可用率高，誤動作少的控制系統(tǒng)，而火氣系統(tǒng)是目前對整個生產(chǎn)火災報警和消防聯(lián)動最可靠的保證。

由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化程度越來越高，安全管理也需要及時、準確掌握各種和安全有關(guān)的信息，F(xiàn)GS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和管理有較強的優(yōu)勢。

FGS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的火災自動報警方式比較見表1。

表1 FGS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的火災自動報警方式比較表

Table 1 FGS system compared with traditional methods of automatic fire alarm table

FGS系統(tǒng)是目前大型石化企業(yè)火災自動報警和消防控制常用的集成系統(tǒng)，是保證工廠安全運行且獨立于緊急停車系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)）、DCS系統(tǒng)設(shè)置的安全防護層。根據(jù)IEC對安全儀表的定義，為防止過程工業(yè)中事故的發(fā)生，過程工業(yè)設(shè)計采用了多重防護層或安全措施（圖1），由內(nèi)向外安全等級是逐漸增強的。FGS系統(tǒng)是過程工業(yè)的安全防護層中的一個獨立防護層，屬于圖中的安全控制層。

圖1 工業(yè)安全設(shè)計多重防護層

Fig.1 Industrial safety design multiple protection layers

整個防護層分為3個區(qū)[3,4]，基礎(chǔ)控制層以內(nèi)屬于正常工況區(qū)，是正常工作的層面，一般由控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）控制和聯(lián)鎖停車實現(xiàn)。安全控制層和報警、操作員介入層屬于非正常工況區(qū)，是危險預防有效層面，一般由安全統(tǒng)（ESD系統(tǒng)、FGS系統(tǒng)）控制、停車或消防動作。積極防護層以外屬于災難發(fā)生區(qū)，是減輕災害的有效層面，一般是安全防護層動作后仍不能避免或降低災難的損害，積極防護層將動作安全閥起跳，爆破片破裂，防止裝置爆炸；最終積極響應層進行人員撤離，社會救援，火災搶救，環(huán)境保護隔離等措施。

FGS系統(tǒng)是用于火災以及氣體檢測、控制的安全儀表系統(tǒng)，屬于上述的安全控制層。其特征是具有：整體安全性、獨立性和故障安全性。

FGS系統(tǒng)應根據(jù)其保護的對象所需的安全整體性等級（SIL）來確定其安全等級。根據(jù)IEC61508的要求安全整體性是指在一段固定的時間內(nèi)，在所有條件固定的情況下，安全系統(tǒng)達到所需安全功能的可能性，安全整體性分為硬件安全整體性和系統(tǒng)安全整體性要求兩方面。硬件安全整體性要求硬件設(shè)計時必須采用冗余的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)安全整體性設(shè)計時要求參考PFDaverage值（平均故障可能性）和PDFperhour值（每小時危險故障可能性）[6]。FGS系統(tǒng)一般要求SIL2；SIL2規(guī)定PFDaverage值為10-3~10-2，PDFperhour值為10-7~10-6。也有一些大型的裝置或石油化工罐區(qū)采用SIL3；SIL3規(guī)定PFDaverage值為10-4~10-3，PDFperhour值為10-8~10-7。本項目FGS系統(tǒng)安全整體性等級要達到SIL2要求。

根據(jù)項目運行的特征，F(xiàn)GS系統(tǒng)應獨立于DCS控制系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)、第三方控制系統(tǒng)設(shè)置，可以降低不同系統(tǒng)同時失效對生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響的概率。FGS系統(tǒng)采用獨立的電源、獨立的控制器、獨立的串行通訊、獨立的檢測變送元件、獨立的執(zhí)行元件。在項目運行過程中即使其他系統(tǒng)都失效，F(xiàn)GS系統(tǒng)也可獨立地正常工作，實現(xiàn)火災自動報警和消防控制。

本項目FGS系統(tǒng)在中心控制室、現(xiàn)場機柜室、現(xiàn)場控制室分別設(shè)置獨立的UPS電源和控制器；中心控制室、現(xiàn)場機柜室、現(xiàn)場控制室的FGS系統(tǒng)可以獨立于其他系統(tǒng)運行。

本項目FGS系統(tǒng)供電采用獨立的回路，UPS電源后備時間為8小時，確保全廠生產(chǎn)停車時也可實現(xiàn)火災自動報警和消防控制[7]。

FGS系統(tǒng)應采用故障安全型設(shè)計，主要是微處理器，I/O卡件，以保證整個系統(tǒng)的安全整體性。

現(xiàn)場檢測元件掉電、故障時輸出狀態(tài)與聯(lián)鎖狀態(tài)一致。

FGS系統(tǒng)應采用冗余的電源、冗余的控制器、冗余的I/O卡件、冗余的網(wǎng)絡(luò)連接。

在現(xiàn)場關(guān)鍵的位置設(shè)置3個檢測器，經(jīng)邏輯“或門”發(fā)出信號，進行3取2邏輯聯(lián)鎖動作。

FGS系統(tǒng)消防聯(lián)動信號連接采用硬線形式。現(xiàn)場光纖光柵感溫探測器經(jīng)主機報警后，報警信號經(jīng)硬線連接形式送至FGS系統(tǒng)。現(xiàn)場消防電動閥開閥信號由FGS系統(tǒng)發(fā)出經(jīng)硬線送至電動閥執(zhí)行機構(gòu)。現(xiàn)場火災手動報警按鈕報警信號采用硬線連接形式送至FGS系統(tǒng)，采用點對點式報警聯(lián)鎖方式。

本項目采用冗余、容錯結(jié)構(gòu)的故障安全型控制系統(tǒng)，安全等級達到SIL2，并符合國家消防安全資格認證（CCCF認證）[5]。控制系統(tǒng)還包括冗余電源模塊，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、各種隔離柵、工程師站、操作站、機柜、現(xiàn)場設(shè)備等。系

統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。

圖2 FGS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 FGS system chart

1）主要有催化燃燒式或紅外式可燃氣體檢測器，三線制4~20mA信號。

2）消防水管道壓力變送器，4~20mA疊加HART信號。

1）火焰探測器信號為數(shù)字量輸入。采用雙探頭火焰檢測器，探測信號來自紅外或紫外檢測器，紅、紫外兩種光譜同時被探測到，說明現(xiàn)場發(fā)生了火災（發(fā)生火災時兩種光譜都會出現(xiàn)）。這樣做可以防止現(xiàn)場單獨的紅外或紫外光產(chǎn)生的誤報警（閃電、或是電弧）。

2）光纖光柵感溫探測器信號為數(shù)字量輸入，可尋址式光纖光柵信號經(jīng)光纖光柵主機轉(zhuǎn)換后輸出接點信號（表示溫度異常的儲罐）。

3）火災手動報警按鈕信號為數(shù)字量輸入。采用單點式的手動報警按鈕，按鈕閉合輸出接點信號。

4）聯(lián)鎖開泵信號為數(shù)字量輸出，送消防水泵控制柜。聯(lián)鎖開閥信號（優(yōu)先）為數(shù)字量輸出，送消防水閥強制開閥。

火災自動報警盤通訊信號送至FGS系統(tǒng)，通訊協(xié)議及接口采用MODBUS RTU RS485。

現(xiàn)場檢測信號主要有溫度、壓力、液位、可燃氣體泄露檢測報警信號以及火災自動報警信號等，現(xiàn)場設(shè)備主要有可燃氣體檢測器，感溫光纖光柵檢測器，火焰探測器，火災手動報警按鈕，公共聲光報警器，電動消防閥，消防泡沫泵，消防水泵等，建筑物內(nèi)設(shè)置感溫、感煙探測器，自動噴淋降溫設(shè)備，手動火災自動報警按鈕等。第三方系統(tǒng)主要包括消防泡沫供水泵PLC系統(tǒng)，消防水泵PLC系統(tǒng)等。

泡沫供水泵自帶PLC控制系統(tǒng)，火災自動報警信號傳至泡沫供水泵就地控制柜，就地控制柜立即將信號傳至高壓柜，啟動泡沫供水主泵，泡沫供水主泵（包括備用泵）逐一自動啟動。每臺消防泵的啟動應設(shè)置5～10秒的間隔。

如果消防主泵出現(xiàn)故障，10秒鐘后自動啟動備用消防泵；消防泡沫供水泵的狀態(tài)信號除能在就地控制柜顯示外，還能在中心控制室內(nèi)的FGS系統(tǒng)顯示；中心控制室FGS系統(tǒng)輔操臺設(shè)置消防泵的遠程手動啟動按鈕。

消防水泵站的高壓消防泵，穩(wěn)壓泵，柴油消防泵采用自帶的PLC系統(tǒng)實現(xiàn)順序控制，根據(jù)火災自動報警信號啟動消防泵，并在高壓消防泵和穩(wěn)壓泵故障時，自動切換至柴油消防泵消防。根據(jù)消防水用量的變化，自動啟動消防水泵，保證消防水管道出口壓力恒定，確保消防水用量充足。正常工況下管網(wǎng)壓力控制在0.80MPa，當管網(wǎng)壓力下降至0.70MPa及以下時，自動啟動穩(wěn)壓泵，管網(wǎng)壓力上升至0.85MPa時，延時15秒，穩(wěn)壓泵自動停止工作。兩臺穩(wěn)壓泵一用一備，輪流工作，自動切換。當消防水管網(wǎng)的壓力下降到0.65MPa及以下或接到火災自動報警信號時，將管網(wǎng)壓力傳至就地PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)立即將信號傳至高壓柜，依次啟動消防主泵（柴油泵）延時10秒鐘，如果消防主泵出現(xiàn)故障，10秒鐘后自動啟動備用消防泵（電動泵）；消防水泵的狀態(tài)信號除能在就地控制柜顯示外，還能在中心控制室內(nèi)的FGS系統(tǒng)顯示；中心控制室FGS系統(tǒng)輔操臺設(shè)置消防泵的遠程手動啟動按鈕。

現(xiàn)場火災自動報警信號上傳FGS系統(tǒng)，控制室操作人員確認火災自動報警信號是否真實，并確認火災位置，若有火災發(fā)生，控制室操作人員按動相應一鍵式消防按鈕，進行滅火，并同時啟動火災廣播、報警器，保證現(xiàn)場人員撤離，消防人員介入。

按動消防按鈕有以下聯(lián)動動作：

1）打開消防水電動閥/消防泡沫水閥，開閥后消防管網(wǎng)的壓力下降，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定值后，消防水泵/泡沫站PLC聯(lián)鎖自動開啟消防水泵/泡沫泵，若此時管網(wǎng)壓力仍下降，開啟穩(wěn)壓泵保證管網(wǎng)壓力在一定范圍內(nèi)，保證足夠的水量/泡沫量滅火。在消防過程中消防高壓泵、穩(wěn)壓泵故障，由消防水泵PLC程控啟動消防柴油機泵，確保消防及時、連續(xù)、可靠。

2）原油儲罐發(fā)生火災時，控制室操作人員按動相應儲罐的一鍵式消防按鈕，著火儲罐所有消防水閥打開，相鄰的儲罐靠近火災側(cè)的消防水閥打開。對于汽油、柴油、航煤儲罐發(fā)生火災時，控制室操作人員按動相應一鍵式消防按鈕，著火儲罐所有消防水閥打開，著火儲罐相鄰的儲罐的消防水閥打開。

3）消防信號上傳到FGS系統(tǒng)，聯(lián)鎖關(guān)閉發(fā)生火災儲罐所在罐組的界區(qū)閥，確保火災隔離，防止蔓延。

現(xiàn)場消防設(shè)備都設(shè)有遠程遙控按鈕，若消防按鈕按下后聯(lián)動動作沒有執(zhí)行，控制室迅速進行人工干預，遠程手動開閥，啟泵。

當遠程操作都失靈時，及時通知消防人員現(xiàn)場手動開閥，現(xiàn)場啟動消防泵進行滅火。

在石油化工易燃易爆項目中，火災自動報警及消防聯(lián)動控制系統(tǒng)是生產(chǎn)安全的重要保障。近年來隨著項目的大型化，消防的重要性更加凸顯，消防的設(shè)計理念和技術(shù)也在不斷地提升。傳統(tǒng)的火災自動報警及聯(lián)動系統(tǒng)正在逐步演變?yōu)橐訤GS（安全型控制系統(tǒng)）為主體的火災自動報警和消防聯(lián)動的一體化系統(tǒng)。