火气系统优势分析及应用探讨_高特.pdf

20233专题研究98火灾报警及气体检测系统（以下简称“火气系统”），是一套用于实时监测、管控化工生产装置内火灾、可燃、有毒（有害）气体等报警，并根据报警联动控制警报设备及消控设施的系统。本文简述火气系统在国内外的应用情况，对系统的整体概念、特点及系统的结构及组成进行介绍，通过与传统探测方式的对比，突出其在实际应用中所具有的优势，并结合其特点及实际工程经验，对火气系统的应用进行探讨。1.火气系统应用现状概述当前，国际石油、化工项目采用并设置独立的火气系统，并与SIS系统一起，构成一体化的化工企业综合安全系统。火气系统在国外是一套技术成熟、安全可靠并且应用广泛的系统，系统解决方案的提出，往往会存在于一个项目的基础设计阶段。另外，与系统相关的安全规范（主要是制造规范）可以依据IEC标准来执行。目前，火气系统在国内的应用并不广泛，国内石油、化工项目通常采用普通的民用型火灾报警控制器，结合独立的可燃、有毒气体检测控制器，分别进行检测与报警联动。对于国内采用火气系统的石油、化工项目来说，其应用范围更多还是仅限于一些涉外或外国企业直接建设在国内的工程项目中。造成这一现象的主要原因有以下几点：一是我国目前还没有明确的、直接针对火气系统的相关强制性要求及标准规范，仅有一些针对火气系统中的两个组成部分（火灾报警系统与可燃、有毒气体探测系统）分别制定的规范与要求；二是国内一般的工程设计单位和用户（业主）对其没有清晰的概念，一般不会把它作为安全系统而进行独立设计和设置，仅采用普通的民用型火灾报警系统结合气体探测和报警来分部实施；三是在国内的工程公司（设计单位）中，电信专业与自控专业的工作范围与分工不同；四是对火警报警系统及气体探测系统的审查及验收部门不同。目前，国内石化项目对火灾及气体泄漏的检测，采用的是火灾报警系统与可燃、有毒气体检测系统分别独立设置的方式，且在保护范围上两个系统有明显的重叠，对于石化装置内消控设施的联动控制，基本都由火灾报警系统完成管控。由于火灾报警系统为总线制，其控制输出均需通过各类系统模块完成，增加了系统的故障点和不稳定性，尤其是对于重要的消防设施，明显显示出其可靠性的不足。此外，由于火灾报警系统其本身就存在有较高的误报率，进一步增加了系统的不稳定性，致使在大多数生产装置中很多本可以采用自动控制的消防设施只能采用手动控制。随着国外石化企业在国内越来越多的投资建设，我们不难发现，当前火灾报警系统与可燃、有毒气体检测系统独立设置并分别管理的方式已经逐渐与现代化化工企业对于安全生产越来越国际化、控制管理越来越集中化、一体化的需求产生了偏离，因此，火气系统的管理理念开始逐步被国内工程公司（设计院）及用户所接受。2.火气系统的结构与组成2.1 核心系统系统的核心通常由PLC逻辑控制器、UPS电源配电柜、I/O（输入/输出）模块或卡件、系统管理软件、操作工作站、显示系统、系统设备机柜、建筑物内的火灾报警控制器及网络交换机等设备组成，其核心系统通常安装在中央控制室的仪表机柜间、生产装置的仪表现场机柜间、工程师站及中央控制室操作间。2.2 探（检）测、报警单元探（检）测、报警单元由气体报警设施和火灾及事故报警设施组成。火灾及事故报警设施包括各类可燃气体探测器、有毒（害）气体探测器、生产装置内设置的火灾报警手动报警按钮、火焰探测器、感烟或感温探测器（分析小屋内用）、建筑物内的火灾报警控制器、各类火灾探测器等，探（检）测、报警单元的安装位置应根据安全生产（工艺）的需要、现行规范的要求、探测区域的事故类别和事故时的燃烧特征等进行选择。2.3 联动（控制）单元根据所在区域不同，火气系统需要联动（控制）的设备也有所区别：在生产装置内，需要控制号笛（多声调）、闪灯（多颜色）、声光报警器、水消防灭火（或降温）系统、泡沫消防火气系统优势分析及应用探讨 华陆工程科技有限责任公司 高特20233专题研究99灭火系统；在建筑物内（隶属火灾报警控制器管理），需要控制声光报警器、防排烟系统、空调系统、非消防电源的切除、气体灭火系统及防火卷帘门等。2.4 显示单元火气系统的显示单元有多种形式，主要包括大屏幕显示器（或LED点阵显示屏）、系统图形工作站、火灾报警控制器。2.5 火气系统的基本架构火气系统的基本架构如图1所示。2.6 火气系统的运行原理对于气体检测器及火焰探测器，通常情况下其信号的输出为4mA20mA的模拟量（一个连续变化的量），信号的传输也通常会采用双绞线（或计算机电缆），通过系统机柜内的模拟量输入卡，可使现场设备接入系统。系统的PLC控制器通过系统管理软件，实现对现场的探测器的内在参数进行设定，对生产装置内重点区域的可燃（有毒）气体的浓度进行实时监测，并在控制逻辑中定量设置多个气体浓度作为报警限度。对于生产装置内的手动报警按钮、压力（流量）开关等，其报警形式均为短路报警，即正常时均处于断开位置，只有在报警时回路才会闭合。控制器可以实时检测报警、短路和断路的状态，并给出相应的报警信息。根据火警信息和火警的级别，火气系统控制核心可以向被控设施输出开关量的控制信号（或24VDC电源），可以控制包括报声光报警器的启动、预录语音的播放、消防设施控制电磁阀的开启及其他逃生系统等外设。正常情况下，上述设备及连接线缆均处于不得电状态。通过通信，在位于全厂调控中心的HMI上显示报警信息，操作管理人员可以通过工业电视系统调用事故地点的画面以便及时了解现场情况，并根据现场情况采取相应的处理措施，或执行“应急预案”。若有特别要求，系统也可以通过公共互联网将报警信息送至当地消防支队，当地消防部门可以通过电话或其他方式，确认灾情与需求（包括报警的类别和泄露介质），提早制定援救方案，准备救援设施。3.火气系统与传统探测系统的对比3.1 火气系统的特点火气系统主要具有以下几方面的特点：一是火气系统是一套基于计算机技术、控制技术和通讯技术（3C技术），并将生产装置内的探测器、手动报警按钮、洗眼器等报警设施与闪灯、号笛等警报设备及雨淋阀、泡沫阀等消防联动设备集于一体的实时监控系统。二是火气系统是全厂安全仪表系统的一部分，是一套集探（检）测、报警、警报、消防联动于一体的安全设施。公司紧急处理中心 网关控制室侧现场侧 火气系统DCS系统DDN专线MODBUS RS232/485硬线连接 以太网ESD系统工业电视系统 操作台 打印机 火气系统操作站119地方消防部门可燃气体探测器有毒气体探测器 检测单元自动手动 报警信号 火情检测 消防设备控制 救助逃生联动输出单元感烟探测器火焰探测器感温探测器消防设备状态手动报警按钮消火栓按钮火灾应急广播区域声音光报警器消防泵启停消防泡沫灭火系统启动消防水灭火系统启动气体灭火系统启动防火门、防火卷帘应急照明及逃生路线指引防烟排烟系统空调通风换气系统图1 火气系统的基本架构20233专题研究100三是火气系统具备多种接口并支持多种通讯协议，能够灵活地实现与DCS、SIS及企业应急管理中心进行通信，必要时也能通过互联网与地方消防部门进行信息共享和联动。四是火气系统具有相对的独立性，可以根据不同的项目特点或管理需求，与SIS、DCS、EDS等系统可分、可合。五是火气系统的报警连锁显示界面友好，图形化显示，报警点位置明确。3.2 火气系统的优势通过火气系统与通常的火灾报警系统的对比，可以发现火气系统具有以下优点：一是火气系统具有更高的可靠性。根据不同生产装置对系统安全等级的不同要求，选用对应安全等级的PLC控制器用作火气系统的控制器，各重要及关键部分通过冗余设计，可以使整个系统达到SIL2或SIL3的安全等级。由于工作原理的不同，通常的火灾报警系统只能通过开关量以数字脉冲信号的形式进行报警，在实际应用中经常会出现误报，火气系统能够不断地对回路及设备进行检测，并且通过逻辑编程减少系统误报，进一步增加系统的可靠性。二是火气系统具有更高的实时性。具有TUV安全认证等级（SIL3）的安全PLC可以达到毫秒级的响应，能够及时在操作站和矩阵盘等设备上显示现场报警信息，并且由于系统逻辑关系更为完善，火气系统相对于通常的火灾报警系统能够对报警及故障信息进行更加清晰完善的记录与显示。三是火气系统具有更高的兼容性。可以根据生产装置的实际情况，对火焰探测器、可燃、有毒气体及手动报警按钮的报警信号（4mA20两线、三线、开关量）进行自由组合。通过多种通信方式（如二总线、RS-485硬接线或工业以太网等），与DCS和SIS等系统进行通信，从而在全厂形成一套完整的安全生产管理系统。四是火气系统具有更高的可用性。设计人员可以结合不同生产装置及工艺流程的特点及实际情况，针对其各自的特点进行逻辑编程。当生产装置的工艺流程生产环境等因素发生变化时，设计人员可以很方便地通过调整程序的逻辑关系，而不用额外增加系统模块等硬件设施来更改系统组态。各种报警信息能够通过简单直观的画面来显示，同时各种历史记录和数据也能够进行存储和上传。表1 火气系统与通常火灾报警系统的对比项目火气系统通常火灾报警系统可靠性系统采用多线制（放射性）配线，各个现场设备之间相对独立；系统安全等级可达SIL2、SIL3系统多采用现场两总线制，现场设备间关系密切、系统模块多；可靠性较差系统的运行依据有严谨的“因果关系表”做为系统运行的依据；系统内各个设备之间的逻辑关系基本上是设计人员为生产装置量身订做的以国家相关规范的要求做为联动控制依据；系统内报警与被控设备之间的联动逻辑关系的编制是施工单位或系统生产商的工作范围使用性能系统以模拟量为主、开关量为辅，实时性强，误报率较低；报警与消防联动结合的非常紧密均为开关量，误报率较高（火焰探测器最为典型）；气体报警单元需间接接入火灾报警系统安装采用“点对点”方式的硬接线，线路施工工程量较大；但因线缆的接点较少而降低了接线的故障率和隐患；扩容较为便利室内采用现场总线制通信，系统线缆相对较少；室外设施为总线、多线相结合，但易受到防爆资质与传输距离的制约；易扩容接口接口灵活并支持多种通信协议，可与当今主流 SIS、DCS、ESD等进行无障碍通信，信息传输量大，实时性高不同火灾报警系统之间的通信协议各不相同，仅能通过硬接线（开关量）与 DCS、ESD 等进行通信，信息传输量小。系统的管理归属生产装置的实际操作人员；管理人员熟悉工艺生产过程，掌握应急预案；人员稳定性较高；岗位责权清晰、明确企业安全、消防管理部门；不熟悉工艺生产过程，关键时须要寻求生产管理部门的帮助；人员稳定性不高；岗位责权不清晰，易扯皮费用可利用生产装置的现场机柜间，以“先汇聚、再通讯”的方式，而采用光纤联网，一次投资较低，后期扩容、维护成本低受到消防规范的约束，无法使用“通信”方式对“重要的被控外设”进行管理，一次投资高，后期扩容、维护成本高20233专题研究1013.3 设置火气系统的必要性火气系统是当前化工生产装置内集探测、报警、警报与消防联动于一体的高效防灾、减灾系统，是一套为生产装置“量身订做”的系统，更符合生产装置的防灾、减灾的需要。由于系统内的核心设施与外设之间采用的是“点对点”放射式的硬接线，使用的是最直接的测量和最可靠的执行方式，减少了中间环节（模块等）和线缆接点的数量，提高了报警、联动与控制的可靠性。设计工程师不仅参与了设备的布置，还参与了系统逻辑关系的编制，从而大大增加了设计人员对系统设置的话语权。原来各自独立的传统报警方式（火灾报警与气体检测相对独立）已逐渐不再适应当前中、大型现代化化工企业一体化的生产、安全管理的需要。火气系统正常运行时，其主要的依据是编制好的逻辑（或因果）关系，对人为干预和选择环节的需求是最少的或基本没有的，有效地提高了工作效率、减少了操作失误。在化工企业的规模越来越大型化、单个生产装置越来越专注化、安全生产越来越国际化、控制管理越来越集中化的背景下，火气系统是一个更加可靠、明智的选择。4.火气系统的应用讨论火气系统的应用前景，就必须要弄清楚制约其发展的关键性因素，并据此探讨其可能的解决方案，才有可能对其应用及发展做出判断。笔者认为，火气系统没有在国内广泛应用的主要因素及其可能的解决