王乃民，陳健，陳曉旭，馬國印，趙展銘

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

液化天然氣(LNG)接收站主要包括： LNG接卸、儲存，蒸發(fā)氣(BOG)回收處理，LNG低壓槽車外輸，LNG加壓氣化管道外輸及相關(guān)的公用工程、輔助工程等設(shè)施。LNG的主要成分是甲烷(CH4)，一旦發(fā)生泄漏，遇火源就可能發(fā)生火災(zāi)事故，產(chǎn)生嚴重后果。

隨著國家和各行業(yè)對安全生產(chǎn)越來越重視，LNG接收站需要一個安全、準確、快速及時、性能穩(wěn)定的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和氣體檢測報警系統(tǒng)來監(jiān)測現(xiàn)場的危險因素，以保障LNG接收站工作人員和設(shè)備安全，從而滿足安全生產(chǎn)要求[1]。

火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和氣體檢測報警系統(tǒng)是針對LNG接收站火災(zāi)和氣體探測的安全管理系統(tǒng)，通過各種火焰和可燃氣體探測器對現(xiàn)場連續(xù)在線監(jiān)測，能夠迅速檢測到起火、易燃氣體泄漏和液化天然氣溢出，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行計算和判斷，采取相應(yīng)措施來控制火災(zāi)和氣體泄漏的發(fā)生或進一步蔓延，同時根據(jù)事故發(fā)生的嚴重程度來確定報警和消防設(shè)備控制器的輸出等級，最大化保護現(xiàn)場人員和設(shè)備安全，降低對環(huán)境的破壞[2-3]。

根據(jù)GB/T 21109《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》對過程工業(yè)安全防護層的定義，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和氣體檢測報警系統(tǒng)屬于減災(zāi)層內(nèi)的保護系統(tǒng)[4]。在中國海洋石油和國外石化項目中，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和氣體檢測報警系統(tǒng)通常以安全型PLC作為核心，將各類火災(zāi)探測器、可燃氣體探測器、消防聯(lián)動控制的執(zhí)行元件等均接入系統(tǒng)中[4]，大多數(shù)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和氣體檢測報警系統(tǒng)使用經(jīng)安全認證的PLC。

近年來，由于中國加強了對消防產(chǎn)品市場準入制度的推行力度，國內(nèi)開始實行強制性消防產(chǎn)品認證，其中，火災(zāi)探測器、手動火災(zāi)報警按鈕、火災(zāi)報警控制器等消防產(chǎn)品必須取得CCCF認證。

1 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 安全型PLC與火災(zāi)報警控制器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)

為滿足國內(nèi)安全消防認證要求，同時兼顧系統(tǒng)的安全可靠性，LNG接收站的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)(FAS)通常采用安全型PLC和火災(zāi)報警控制器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，接收站裝置區(qū)和建筑物內(nèi)消防設(shè)施分別由安全型PLC和火災(zāi)報警控制器驅(qū)動控制，控制邏輯如下：

1)建筑物內(nèi)火災(zāi)報警控制器(聯(lián)動型)接收建筑物內(nèi)火災(zāi)探測器、手動火災(zāi)報警按鈕等的總線型報警信號，根據(jù)設(shè)定的控制邏輯向各相關(guān)的受控設(shè)備發(fā)出聯(lián)動控制信號，并接受相關(guān)設(shè)備的聯(lián)動反饋信號。消防水泵、防煙和排煙風(fēng)機的控制設(shè)備，除采用聯(lián)動控制方式外，在消防控制室設(shè)置手動直接控制裝置。火災(zāi)報警控制器通過RS-485通信接入全廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和氣體檢測報警系統(tǒng)。

2)裝置區(qū)火災(zāi)報警控制器接收建筑物外的火焰探測器、手動火災(zāi)報警按鈕等的總線型報警信號，通過RS-485總線發(fā)送報警信號至安全型PLC。安全型PLC接收裝置區(qū)火焰探測器和火災(zāi)報警控制器的報警信號(硬線信號)，并根據(jù)設(shè)定的邏輯啟動裝置區(qū)的消防設(shè)施。

3)可燃氣體探測系統(tǒng)接收廠區(qū)可燃氣體探測器、低溫泄漏檢測器報警，根據(jù)表決邏輯啟動可燃氣體泄漏聲光報警設(shè)備，并通過RS-485通信方式把二級報警信息發(fā)送至火災(zāi)報警控制器。

該FAS的結(jié)構(gòu)適用于復(fù)雜控制邏輯的工業(yè)領(lǐng)域，其優(yōu)點是可靠性高、可用性強，監(jiān)控范圍廣，但是一次性投資成本較高。

圖1 安全型PLC與火災(zāi)報警控制器相結(jié)合的FAS結(jié)構(gòu)示意

1.2 火災(zāi)報警控制器獨立結(jié)構(gòu)

在安全可靠性要求不高的工況下，為節(jié)約投資成本，全廠火災(zāi)報警系統(tǒng)采用聯(lián)動型火災(zāi)報警控制器的獨立結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1)聯(lián)動型火災(zāi)報警控制器接收建筑物內(nèi)火災(zāi)探測器、手動火災(zāi)報警按鈕、廠區(qū)火焰檢測器、手動報警等的總線型報警信號，根據(jù)設(shè)定的邏輯聯(lián)動全廠火災(zāi)聲光報警設(shè)備和消防設(shè)施，并接受受控設(shè)備的聯(lián)動反饋信號。消防水泵、防煙和排煙風(fēng)機的控制設(shè)備，除采用聯(lián)動控制方式外，在消防控制室設(shè)置手動直接控制裝置。

2)GDS接收廠區(qū)可燃氣體探測器、低溫泄漏檢測器報警信號(硬線)，根據(jù)表決邏輯啟動可燃氣體泄漏聲光報警設(shè)備(硬線)，并通過RS-485總線把二級報警信號發(fā)送給聯(lián)動型火災(zāi)報警控制器。

該獨立結(jié)構(gòu)的聯(lián)動型火災(zāi)報警控制器投資成本低、可靠性差，需要人工干預(yù)，適用于民用建筑和簡單邏輯控制的工業(yè)領(lǐng)域。

以上2種常用的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有各自的優(yōu)缺點和適用性，在實際設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)項目整體要求合理選擇。

圖2 火災(zāi)報警控制器獨立結(jié)構(gòu)示意

2 LNG接收站的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計要求

為了讓FAS更準確地監(jiān)測LNG接收站的火災(zāi)狀況，在總體設(shè)計過程中，需要遵循以下設(shè)計要求。

2.1 安全型PLC

遵循的基本原則是把接收站或接收站特定區(qū)域維持在一個安全的狀態(tài)下，把LNG輸送、存儲過程中可能造成的破壞影響降到最低。系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)盡可能遵循故障安全原則，原則如下：

1)支持整個接收站火災(zāi)和氣體檢查和保護的需求，響應(yīng)速度在任何情況下都不應(yīng)受到影響。

2)經(jīng)過評估，所采用的安全型PLC的安全完整性等級應(yīng)達到SIL3。

3)采用“三重化”或“四重化”中央邏輯控制器模塊的冗余容錯技術(shù)。

4)采取冗余結(jié)構(gòu)，即使在有一個關(guān)鍵設(shè)備失效的情況下，安全型PLC能夠連續(xù)無干擾運行，控制器、所有輸入/輸出模塊、通信網(wǎng)絡(luò)、電源模塊均采用1∶1冗余配置。

5)具有時序控制、計算、脈沖調(diào)幅、積算、數(shù)據(jù)鍵入、操作、通信等功能。

6)能診斷和顯示系統(tǒng)的全部部件故障，并通過串行通信接口在操作站上顯示。

7)采用冗余和容錯的通信方式。

8)與DCS通信接口采用冗余配置，帶自診斷功能，在操作站上能顯示運行的狀態(tài)。

9)與FAS相連的現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)具有來自于FAS的回路電源，并對現(xiàn)場電路進行必要的保護。

10)具有高可維護性。在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)應(yīng)能在線修復(fù)、替換和升級。

11)所有輸入輸出回路都應(yīng)采取過流、過壓以及防雷保護。所有元件或組件不應(yīng)對其他元件產(chǎn)生電磁干擾，同時能夠經(jīng)受外部一定強度的電磁干擾影響。

2.2 火災(zāi)報警控制器

為確保接收站消防的安全，選配的火災(zāi)報警控制器必須保證性能可靠，并取得中國消防產(chǎn)品質(zhì)量CCCF認證。整體設(shè)計應(yīng)符合當(dāng)?shù)叵罊C構(gòu)的要求，遵循原則如下：

1)應(yīng)采用基于固態(tài)電子元件和微處理器的模塊化結(jié)構(gòu)。應(yīng)持續(xù)監(jiān)測、控制、報告和顯示運行狀態(tài)，包括： 消防設(shè)備、固定滅火系統(tǒng)和FAS的故障狀況。

2)可在現(xiàn)場配置、編程和編輯，并允許擴展更多的回路卡。

3)全部軟件存儲在火災(zāi)報警控制器內(nèi)的存儲器中，初級和次級電源掉電不應(yīng)造成存儲器中指令和記錄的擦除。

4)應(yīng)能監(jiān)測所有控制線、探測器和其他現(xiàn)場設(shè)備的進出線，當(dāng)線路發(fā)生故障，應(yīng)自動報警，該警報應(yīng)與其他類型報警區(qū)分開。

5)由交流220 V供電，此外，還應(yīng)提供免維護電池組和充電器，為系統(tǒng)提供24 V直流電源，蓄電池組的容量應(yīng)保證火災(zāi)自動報警及聯(lián)動控制系統(tǒng)在火災(zāi)狀態(tài)同時工作負荷條件下連續(xù)工作3 h以上。

6)應(yīng)具有液晶顯示器，并應(yīng)背光設(shè)置以增強可視性。

7)應(yīng)具備功能： 設(shè)置事件日期，LED 測試，警報，故障、安全、監(jiān)控和異常情況列表，啟用或禁用單個監(jiān)視點、激活或禁用單個控制點，更改操作員訪問密碼和級別，啟用步行測試、運行檢測程序，顯示軟件版本級別、歷史記錄、板卡狀態(tài)、點列表等。

8)應(yīng)配有聯(lián)動控制盤，至少不低于32路多線或總線控制功能，既可以作為總線盤間接控制現(xiàn)場設(shè)備，也可以作為多線盤直接控制現(xiàn)場設(shè)備。聯(lián)動控制盤具備按鍵保護、現(xiàn)場信息上傳、線路故障檢測以及輸出線路過流保護等功能。多線盤的每一路都具有最大2 A的驅(qū)動能力，并具備過流保護功能?；馂?zāi)報警控制器癱瘓的狀態(tài)下，聯(lián)動控制盤能獨立使用啟動現(xiàn)場消防滅火設(shè)備。

9)應(yīng)配置足夠數(shù)量的RS-232/485接口。

10)考慮防雷保護措施，各類避雷器由FAS配套提供。

3 報警設(shè)備選型

現(xiàn)場設(shè)備的選型關(guān)系著系統(tǒng)是否能夠準確運行，輸入設(shè)備有火焰探測器、手動火災(zāi)報警按鈕，輸出設(shè)備有火災(zāi)聲光報警器、消防聯(lián)動設(shè)備。

依據(jù)文獻[5]，火焰探測器、手動火災(zāi)報警按鈕等消防產(chǎn)品必須取得CCCF認證，另外，在CNCA-C18-01—2020《強制性產(chǎn)品認證實施規(guī)則 火災(zāi)報警產(chǎn)品》中也規(guī)定了火災(zāi)報警產(chǎn)品的認證[6]?，F(xiàn)場常用火氣探測/報警設(shè)備工作原理、技術(shù)要求和布置原則見表1所列。

表1 常用火氣探測/報警設(shè)備工作原理、技術(shù)要求和布置原則

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)在建和已投產(chǎn)的LNG接收站項目中，兩種結(jié)構(gòu)的火災(zāi)報警和氣體探測系統(tǒng)都有應(yīng)用，根據(jù)項目實際需要選擇合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以安全型PLC和火災(zāi)報警控制器相結(jié)合的FAS有利于提高系統(tǒng)整體安全可靠性，而以火災(zāi)報警控制器獨立控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更適用于控制邏輯簡單或項目規(guī)模較小的項目。如今后安全型PLC取得CCCF認證，LNG接收站火災(zāi)自動報警系統(tǒng)將會變得更為簡單、安全可靠，并進一步降低投資成本。