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火氣系統(tǒng)在石化裝置中的應用

2012-01-12 02:04張亦林
石油化工自動化 2012年2期
關(guān)鍵詞:檢測器報警火災

張亦林

(北京沃利帕森工程技術(shù)有限公司,北京100015)

1 石化裝置火災危險性概述

對于擁有上、中、下游產(chǎn)業(yè)鏈條模式的石油化工園區(qū),如石油煉化企業(yè),既儲備有大量易燃易爆液體、過熱液體等危險化學品,又擁有高溫、高壓、臨氫等復雜高?;どa(chǎn)裝置和工藝過程,其火災、爆炸事故形式以及災害演化、傳播過程相對復雜,極易蔓延成大面積火災,導致裝置坍塌和爆炸的風險大。其典型災害事故類型主要有:可燃氣體或蒸汽泄漏爆炸,易燃物料泄漏形成噴射火或池火、流淌火,裝置超壓爆炸等[1-2]。對于以化工原料(包括油、氣以及其他化學品)倉儲運輸為主的石油化工園區(qū),如大型戰(zhàn)略儲油庫,原料倉儲貨運基地等,此類園區(qū)通常不涉及復雜的化工工藝過程,但園區(qū)內(nèi)分布有大量油氣儲罐,以及物料輸送管線、交通運輸線等,危險源分布相對密集。其災害事故類型主要有:儲罐雷擊與靜電火災、儲罐及管線泄漏火災、爆炸事故、明火引燃火災、撞擊引發(fā)火災、過熱液體溢沸(BLEVE)、蒸汽云爆燃、物理性爆炸、含能材料爆炸等[3]。

由于石油化工園區(qū)內(nèi)工藝裝置(包括儲罐及管線)分布密集,大量易燃易爆工業(yè)原料、產(chǎn)品等重大危險源集中分布,一旦發(fā)生火災、爆炸就極易產(chǎn)生多米諾效應,引發(fā)大面積火災、爆炸事故連鎖反應,并同時出現(xiàn)多種火災、爆炸事故形式。其中連鎖災害事故誘導模式主要包括高溫熱輻射、流淌火蔓延、飛濺火、爆炸飛片以及爆炸沖擊波等[4]。

目前大多數(shù)石化工廠都將有毒可燃氣體檢測報警與火災報警分別設(shè)置在不同的報警盤上,這樣存在多個盤面需要監(jiān)視。對于聯(lián)合裝置來講,傳統(tǒng)的可燃氣體報警盤分散在不同的控制室內(nèi),不便于管理和維護。

火災報警和氣體檢測系統(tǒng)FGS(Fire Alarm and Gas Detection System,簡稱火氣系統(tǒng))作為一種將火災與可燃氣體檢測集成的新系統(tǒng),目前在國內(nèi)的應用并不廣泛。由于目前國家相關(guān)部門還沒有明確的相關(guān)強制要求,一般設(shè)計院和用戶對其沒有清晰的概念,通常不會把它作為安全系統(tǒng)進行獨立設(shè)計和設(shè)置,而是采用普通的民用型火災報警器,結(jié)合DCS進行氣體檢測和報警。而國際上的大項目一般都會采用專用安全系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的設(shè)備設(shè)置獨立的FGS,從而與SIS一起構(gòu)成一體化的工廠綜合安全系統(tǒng)[5]。

2 FGS的組成及其作用

2.1 系統(tǒng)定義及組成

FGS是針對火災和氣體探測的安全管理系統(tǒng),通過對化工裝置現(xiàn)場的消防按鈕、煙、火、可燃氣體、有毒氣體檢測信號的采集,經(jīng)過軟件邏輯輸出來控制報警燈、報警鈴、雨淋閥、泡沫閥及空調(diào)系統(tǒng)的新風入口閥等。

FGS由火焰檢測,可燃氣體檢測,有毒氣體檢測,煙霧檢測,輸出(燈、喇叭、釋放按鈕等)子系統(tǒng)組成。

2.2 FGS的技術(shù)特點

a)可靠性。根據(jù)系統(tǒng)安全等級的要求選用相應安全等級的PLC(SIL3)作為火氣系統(tǒng)的控制器,各關(guān)鍵部分通過冗余設(shè)計,其性能可以達到SIL2或SIL3。

b)實時性。具有TUV安全認證等級(SIL3)的安全PLC可以做到毫秒級響應,能夠及時地在操作站和矩陣盤等設(shè)備上顯示現(xiàn)場報警信息,并且事件記錄(SOE)的分辨率也很高。

c)兼容性。可以根據(jù)生產(chǎn)裝置的實際情況把檢測火焰、可燃氣、毒氣及手動報警信號(4~20mA兩線/三線、開關(guān)量)進行靈活組合。通過二總線,RS-485,硬接線或工業(yè)以太網(wǎng)等方式同DCS和SIS等通信,從而形成全廠的管理系統(tǒng)。

d)可用性。可以根據(jù)生產(chǎn)裝置的實際情況設(shè)計適合當前情況的邏輯程序,以后的工藝流程如果有所變化,可以很方便地修改組態(tài),而不用增加不必要的硬件成本。大量的信息可以通過簡單的畫面進行顯示,同時各種歷史記錄和數(shù)據(jù)能夠進行存儲和上傳。

e)擴容性?;赑LC的技術(shù)在以后生產(chǎn)裝置進行擴容時,其大容量控制器可以滿足通常的點式增加,同時也可以方便對現(xiàn)行的監(jiān)控構(gòu)架進行組態(tài)和修改。

2.3 FGS與傳統(tǒng)報警方式的比較

FGS與傳統(tǒng)報警的優(yōu)缺點比較見表1所列。

表1 FGS與傳統(tǒng)報警方式的比較

續(xù) 表 1

3 應用實例

該公司曾經(jīng)負責設(shè)計了揚子-巴斯夫IPS-II期中的某套精細化工產(chǎn)品裝置,該裝置以上游裝置的精制丙烯酸為原料,在一定溫度、壓力和催化劑等條件下,反應生成白色、易脆、含有30%~50%固體物的產(chǎn)品,再通過干燥、篩選、表面交聯(lián)處理、后表面交聯(lián)等工藝處理后制成具有超強吸水功能的日用化學品原材料。由于該裝置的原料和中間原料中存在許多易燃易爆物質(zhì),因而該裝置采用了FGS,筆者結(jié)合實際項目談一下FGS在項目應用中的設(shè)計體會。

3.1 現(xiàn)場檢測器的設(shè)置

首先,根據(jù)《石油化工企業(yè)可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》的要求對下列設(shè)備附近設(shè)置可燃與有毒氣體檢測器,并連接至現(xiàn)場機柜室(Rack Room)中的FGS[6]。

a)甲類氣體或有毒氣體壓縮機、液化石油氣泵、甲B類或成組布置的乙A類液體泵和能揮發(fā)出有毒氣體的液體泵的動密封處。

b)在不正常運行時可能泄漏甲類氣體、有毒氣體、液化石油氣或甲B類液體和能揮發(fā)出有毒氣體的液體排液口和不正常操作時可能攜帶液化石油氣、甲B類液體和能揮發(fā)出有毒氣體的液體排液口。

c)在不正常運行時可能泄漏甲類氣體、有毒氣體、液化石油氣的設(shè)備或法蘭閥門處。

其次,在現(xiàn)場裝置的主要通道設(shè)置了防爆型火焰檢測器和防爆型火災報警按鈕,通過電纜將其連接至現(xiàn)場機柜室內(nèi)的FGS[7],并且在現(xiàn)場設(shè)置了火災報警喇叭。當發(fā)生火災時,現(xiàn)場的火焰檢測器向FGS發(fā)出報警信號,由FGS向現(xiàn)場警號發(fā)出聲音報警命令,從而引起現(xiàn)場操作人員注意,并迅速撤離[8],從而減少人員傷害。

3.2 FGS的系統(tǒng)配置

揚子-巴斯夫公司的FGS采用北京康吉森公司的TS3000系統(tǒng),用于FGS控制。相關(guān)的安全規(guī)范也完全依據(jù)IEC標準(達到TUV AK6),并完全符合國家消防安全資格認證(CCCF認證)[9]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 火氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

由圖1可以看出,整個火氣系統(tǒng)分為3個層次:現(xiàn)場的檢測元件(可燃氣體檢測器、溫度檢測、火焰檢測器等),現(xiàn)場機柜室內(nèi)的邏輯控制器,現(xiàn)場的執(zhí)行元件(雨淋閥、消防栓、警號等),中央控制室(Control Room)內(nèi)的模擬報警盤,且包含了樓宇火災報警盤及空調(diào)系統(tǒng)的公共報警等。

當FGS發(fā)生系統(tǒng)功能故障、供電故障及檢測回路故障時,除發(fā)出故障報警外,均不能觸發(fā)檢測報警和消防閥。因此,在FGS中,整個裝置被定義為非故障安全模式(這點與SIS不同)。即在正常狀況下,現(xiàn)場的輸入輸出信號均處于“斷開”和“不得電”狀態(tài)。故輸入到FGS中的邏輯“0”信號被認為是正常狀態(tài),邏輯“1”信號為報警狀態(tài)。因此,F(xiàn)GS中所有現(xiàn)場回路均必須具有回路檢測功能,用于及時發(fā)現(xiàn)回路中的潛在故障并及時得到處理和恢復,以保證回路在需要時能正常工作。

揚巴公司在每套獨立的生產(chǎn)裝置區(qū)域中均設(shè)置獨立的FGS,并通過冗余的串行通信(Modbus)與各自的DCS進行通信,同時將報警信號硬接線至各自控制室內(nèi)的模擬報警盤(每一個綜合樓里都有一個FGS的模擬報警盤)。當發(fā)生報警時操作人員能夠快速地判斷出事故發(fā)生的區(qū)域,并且在模擬盤上將包含不同的顏色燈用來指示不同類型的報警。如:紅色——火/煙報警、黃色——有毒氣體報警、藍色——可燃氣體報警、綠色——安全噴淋和洗眼器被使用的報警。

報警設(shè)置為二級報警。一級報警為常規(guī)的氣體泄漏指示報警,提示操作人員及時到現(xiàn)場巡邏;二級報警發(fā)生時則必須采取緊急處理措施,必要時發(fā)生消防聯(lián)鎖。在執(zhí)行時要遵循同一級別的報警中有毒氣體報警優(yōu)先,二級報警優(yōu)先于一級報警,且滿足發(fā)出的聲光報警能夠被保持,聲光報警信號能夠手動消除,再次有報警信號輸入時仍能發(fā)出報警。

此外每套FGS均配置冗余的以太網(wǎng)接口,通過光纖通信連接至冗余的FGS中央交換機。設(shè)置在揚巴公司緊急響應中心以及消防支隊的HMI上位機通過以太網(wǎng)與各個FGS進行通信,實時監(jiān)視各個檢測元件的報警狀態(tài),以便提高對緊急事件的快速響應和處理能力。揚巴公司FGS結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 揚巴FGS結(jié)構(gòu)示意

3.3 FGS的配置特點

3.3.1 輸入輸出回路處理

a)模擬量輸入及現(xiàn)場檢測器的選用原則:

1)烴類可燃氣體可選用催化燃燒型或紅外氣體檢測器,當使用場所的空氣中含有能使催化燃燒型檢測元件中毒的硫、磷、硅、鉛、鹵素化合物等介質(zhì)時,選用抗毒性催化燃燒型檢測器。

2)在缺氧或高腐蝕性等場所,選用紅外氣體檢測器。

3)氫氣檢測選用催化燃燒型、電化學型、熱傳導型或半導體型檢測器。

雖然氣體檢測器的類型不同,但其輸出信號均為4~20mA,直接接入系統(tǒng)的模擬量輸入卡,并與DCS直接通信。同時在邏輯中實現(xiàn)氣體濃度超限報警、斷路和短路報警以及校驗狀態(tài)指示。為了保證可靠性,在現(xiàn)場的傳感器設(shè)置為“二取一”方式。

b)數(shù)字量輸入?,F(xiàn)場的火焰探測信號采用了雙探頭檢測的類型,即探測信號來自紫外線檢測器和紅外檢測器。紫外、紅外檢測器分別探測不同部分的光譜,只有當兩個檢測器同時探測到相應的光譜時(因為真正起火時兩種光譜都會出現(xiàn)),火焰檢測器才會有輸出,這樣就避免了單獨使用紫外或紅外探頭時由某些原因(如閃電、電弧焊等)所引起的誤報警。該火焰探頭有兩個繼電器輸出,其故障繼電器的常閉點與終端電阻串接,并連在火焰繼電器的常開點上。當探頭有故障發(fā)生時,故障繼電器動作,產(chǎn)生一故障(開路)信號。當探測到火焰時,火焰繼電器動作,對系統(tǒng)輸入一報警信號。該紫外/紅外檢測器具有自動測試功能,大約1min檢測1次,檢查探頭鏡頭的清潔度、傳感器的靈敏度和內(nèi)部電子電路的功能。如果連續(xù)3次均探測到故障,火焰探頭將對系統(tǒng)輸入一故障信號,從而增加了系統(tǒng)的可靠性。

此外,由于FGS是非故障安全模式,因而系統(tǒng)中的觸點信號,如手動報警、壓力開關(guān)、流量開關(guān)等,正常時均處于斷開位置,報警時才會閉合。為了保證上述觸點信號在需要時能正常動作,系統(tǒng)采用數(shù)字量輸入SDI(Supervised Digital Input)回路結(jié)構(gòu)來處理觸點輸入,也就是將觸點開關(guān)與一定阻值的電阻串并聯(lián)后引入模擬量輸入卡,如圖3所示。然后在邏輯中對輸入電流進行判斷,以此來判斷回路的正常、報警、短路和斷路的狀態(tài),并給出相應的報警信息。例如當沒有觸發(fā)報警時接入的負載為RL+RDOL,當有報警時接入卡件的負載為RL+[RRDOL/(R+RDOL)],這樣通過接入負載值的不同來判斷現(xiàn)場狀況。

圖3 SDI回路結(jié)構(gòu)

c)數(shù)字量輸出。FGS中的DO輸出包括報警燈、報警喇叭、電磁閥等,正常時上述設(shè)備均處于“不得電”狀態(tài)。為了保證其在需要時能正常動作,系統(tǒng)采用數(shù)字量輸出SDO(Supervised Digital Output)卡件來驅(qū)動此類設(shè)備。SDO卡件能夠不斷地對輸出回路進行檢測,以判斷回路是否處于健康狀態(tài),輸出回路負載的失效將會觸發(fā)相應的系統(tǒng)報警,并給出對應的故障通道,從而確保系統(tǒng)的可靠性。

3.3.2 電源系統(tǒng)

FGS供電采用雙路冗余供電,其中一路來自工廠UPS電源,另一路來自非UPS電源。其中任何一路電源斷開均不影響FGS工作,同時TS3000系統(tǒng)還為FGS配置獨立的24h后備電池組,以保證當全廠供電失效時,F(xiàn)GS仍然可以提供至少24h的工廠安全報警和保護,為處理故障提供足夠的時間保障。

3.3.3 系統(tǒng)報警

基于TS3000的火氣系統(tǒng)能夠提供全面的系統(tǒng)故障自診斷功能,同時獨特的三重化冗余結(jié)構(gòu)也使整個系統(tǒng)具有較強的容錯能力。系統(tǒng)中的任何故障,如系統(tǒng)故障、供電故障、回路故障、機柜溫度報警等,均能及時地顯示在各控制室內(nèi)的模擬報警盤上,并發(fā)出聲光報警。完備的自診斷和故障報警功能為FGS持續(xù)地保證裝置安全運行提供了保障。

4 結(jié)束語

揚巴公司的FGS設(shè)計采用了全新的設(shè)計理念和技術(shù),其FGS與SIS具有同等的可靠性和可用性,同時具有較高的自動化程度,總的來說具有如下特點:

a)安全可靠。裝置區(qū)內(nèi)各種工藝設(shè)備復雜繁多,工藝物料種類多樣,任何一處出現(xiàn)安全隱患,均有可能引發(fā)大的災難。因此,采用該系統(tǒng)可以做到早發(fā)現(xiàn)和早排除隱患。

b)自動化程度高。分布在裝置區(qū)各處的檢測元件能夠及時迅速地把現(xiàn)場狀況發(fā)送到FGS的控制器中,并將報警發(fā)布到模擬顯示盤及DCS,在必要時迅速啟動消防雨淋閥,檢測、傳輸、顯示、報警、消防啟動幾乎在同一時間完成。

c)便于維護。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡潔,無需太多的專業(yè)知識就能進行日常維護。同時FGS的故障檢測功能齊全,且定位準確,從而提高了維護效率,也同時提高了系統(tǒng)的可靠性。

d)毫秒級SOE功能(事故順序記錄)的實現(xiàn)極大地方便了用戶的事故數(shù)據(jù)采集,該功能彌補了普通民用火災報警器的缺陷。

e)帶回路監(jiān)督功能的數(shù)字量輸入輸出模塊強化了系統(tǒng)的安全可靠性,強大的自檢功能可有效地對系統(tǒng)進行自檢測,從而降低了由于系統(tǒng)失效造成誤動作的可能性,進一步提升了系統(tǒng)自動化監(jiān)控功能。

f)由于TS3000系統(tǒng)通過了國家消防安全強制認證(GB 4717—93《火災監(jiān)控》/GB 16808—1997《可燃氣監(jiān)控》,國家公安部消防產(chǎn)品合格評定中心CCCF認證),在裝置開車等消防驗收手續(xù)上完全符合國家相關(guān)法律,減少了不必要的麻煩。

該系統(tǒng)投用后運行平穩(wěn)可靠,并成功預報了多次氣體泄漏事件及火警信息,成功避免了更嚴重的事故發(fā)生,連同SIS一起成為裝置安全生產(chǎn)強有力的安全保障系統(tǒng)。

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