安全仪表系统中F&GS系统的设计

2014-03-10王娟娟

自动化与仪表 2014年4期

王娟娟

（中石化石油工程设计有限公司，东营 257026）

随着国家和企业的发展，保护企业员工的安全已被放在第一位，火灾消防、可燃及有毒气体监测保护系统（F&GS），主要用来实现对工艺装置、公用工程、油气储运、建筑设施等危险环境的可燃/有毒气体及火灾的监测和报警，并且根据事故的严重性等级确定报警和关断输出等级，从而控制和避免灾难的发生。

图1 现代化工厂的典型保护层面Fig.1 Typical protection level of the modern factory

1 火气系统的必要性

1.1 人员、环境及装置安全性的需要

在装置正常运行时，一个现代化工厂的典型保护层面（如图1所示）包括[1]：基本过程控制系统（BPCS），实现基本控制、过程报警和操作员监控；SIS或者ESD保护，当BPCS不能控制非正常工况时，SIS或ESD将自动执行正确的保护动作，完成泄压设备保护、围堰保护、工厂紧急疏散、周围社区紧急疏散等。

为了保证在每个层面对可燃气体、毒气泄漏或火灾发生的可靠、及时的监测和保护，必须选用安全性高、可靠性好、可用率高、误动作少的控制系统，而火气系统是对整个生产安全最直接的保证。

1.2 现代化安全管理的需要

由于现代工业生产自动化程度越来越高，安全管理也需要及时、准确掌握各种和安全有关的信息。表1比较了传统的火灾报警系统与F&GS的差异。

表1 FGS与传统报警方式的比较Tab.1 Contrastbetween FGS and traditionalalarm way

与传统的火灾报警系统相比，F&GS有以下技术特点[1]：

（1）能根据客户的系统安全运行等级选定相应的PLC系统（如SIL2、SIL3），以确保适应各种不同的工业场所需要。

（2）采用PLC可以把检测烟雾、毒气、可燃气、火焰的所有仪表以及现场手报的信号，进行逻辑组合，实现各种逻辑互锁功能，并可以设计成不同的逻辑互控程序与ESD，DCS等相连。

（3）通过以太网输出模块，PLC可以方便地实现与其他远程监控系统的数据共享，对整个厂区或大区域进行安全实时监控。

（4）PLC抗干扰能力强，可靠性高，日后工艺改变时可以非常方便地实现系统扩容。

2 F&GS安全度等级的选择

安全的最终目标是避免事故的发生，为达到此目的，各个国家对工业自动化系统的安全要求等级进行了规定。如德国标准DIN V19250将过程危险定义为 8级（AK1-AK8）；国际电工委员会IEC61508将过程安全度等级定义为4级（SL1-SL4）；美国国家标准协会/美国仪表学会ANSI/ISAS84.01将过程安全度等级定义为3级（SL1-SL3）。

以上标准中都采用了安全度等级（SIL）的概念。SIL是指在一定时间、一定条件下，安全系统能够执行所规定的安全功能的概率，即在要求安全系统动作时其功能失效概率的倒数。SIL代表着安全系统使过程风险降低的数量级。表2是SIL安全功能的概率。

表2 SIL安全功能的概率Tab.2 Probability of SIL security function

在目前的控制系统应用中，一般可分为3个层次，即过程控制系统（DCS），装置紧急联锁或关断系统（ESD），以及F&GS；其中F&GS从安全等级而言处于最上层，一般选用相对较高的安全等级要求，即SIL2级以上。

3 设计原则

3.1 安全完整性等级原则

火气系统属于IEC定义的SIS的范畴[3]，应根据火气系统所保护的工艺过程所需要的安全完整性等级（SIL），选择具有合适的安全完整性等级并通过相应安全认证的部件来构成火气系统。

3.2 故障安全型原则

作为安全仪表系统，火气系统的传感器、逻辑运算器和终端执行元件都应该是故障安全型的。所有的I/O都应该至少具有断路和短路检测功能。逻辑运算器的硬件和软件一般都采用冗余或冗错等功能安全的结构。

3.3 独立性原则

应将F&GS和其他诸如DCS、SCS、ESD等系统分开设置，以降低F&GS和其他系统同时失效的概率，使F&GS能独立发挥自己的完整功能。如设置独立的控制器、独立的传感器和执行器、独立的电源、独立的防火电缆等等。

4 F&GS的结构和组成

本文结合普光气田大湾区块开发工程某集气站安全仪表系统（SIS）中的F&GS案例，论述火气系统的结构和组成。该项目采用AB双重冗余结构的故障容错控制系统作为SIS的核心设备，系统的安全等级为SIL2。

安全仪表系统采用经过SIL2认证的PLC，在过程参数超出正常生产的控制要求时、火/气报警等紧急情况下完成对单元设备或整座集气站的紧急关闭和放空，并接收净化厂中控室（DCC）调度控制指令，确保站场安全。站控室还设置了硬手操台一套，集成重要的关断按钮及报警指示，通过硬接线方式与SIS系统连接，其功能独立于操作员站。

安全仪表系统又分为ESD功能和FGS功能，ESD功能如下：

ESD-1：全气田关断。

ESD-2：支线关断。

ESD-3：集气站泄压关断。

ESD-4：全站不泄压关断。

ESD-5：单元关断。

火气检测系统F&GS主要负责火灾探测、可燃气体/有毒气体检测和报警，并触发相应的联锁保护。当站场发生ESD-3级关断、气体泄漏和火灾报警时，联锁相关PA/GA报警。

完整的F&GS由逻辑运算器、人机界面以及现场设备组成，集气站SIS系统结构示意如图2所示。

图2 SIS系统配置图Fig.2 System configuration chart of SIS

4.1 逻辑运算器

基于F&GS安全可靠的特性，火气系统应使用经TUV安全认证的PLC做逻辑运算器，安全等级的确认需根据安全分析（如HAZOP、LOPA等）后的结果最终确定。

4.2 人机界面

人机接口HMI包括LCD监视器和输入设备，安装在位于安全区的中心控制室的控制台上。通常该控制台上也安装着许多硬接线的开关或按钮等设备，这些开关和按钮用来手动起动各种火气和消防的相关设备；还应在适当位置安装一个模拟盘来指示各防火分区和各现场设备的工作状态。

4.3 火气检测及报警设备

火气系统（FGS）功能主要是接收现场设置的火灾以及气体探测器的信号，根据设定值进行判断，实现站场火气状态的检测、报警以及相关联动的功能。为及时发现火灾和天然气泄漏，保护人员和设备安全，设置如下火气设备：

（1）工艺单元区均根据泄漏点的位置以及探头的检测半径设置点式红外可燃气体探测器、硫化氢探测器以及三频红外火焰探测器。

（2）站控室内的各房间设置感温、感烟探测器，其中机柜间和仪表值班室的防静电地板下设置感烟探测器以及感温电缆。

（3）站控室的走廊以及站场内部，根据巡检和人员行走路径，设置多处手动报警按钮，以便于巡检人员发现火灾情况后及时触发确认报警。

（4）站场内围绕工艺操作区设置了状态指示灯，用以向站场工作人员指示当前站场所处的状态。指示灯共有4种状态：

蓝色：ESD-3级关断；

红色：火灾报警；

黄色：气体泄漏报警；

绿色：正常。

（5）站场内围绕工艺操作区设置声报警器，可通过三种声音告知站场工作人员目前的状态，与状态指示灯结合，给予操作人员明确的指示。

表3 F&GS因果表Tab.3 Cause-effect table of F&GS

5 控制逻辑

大湾区块某集气站的F&GS因果表如表3所示。

该集气站的火气探测设备（红外可燃气体探测器、硫化氢探测器、三频红外火焰探测器、烟感、温感、手动报警按钮等）负责检测井口、收发球筒、加热炉、计量分离器、站控室等区域的气体泄漏或火灾信号，火气系统F&GS可根据逻辑触发相应区域的声光报警、ESD关断和泄放等联锁保护，也可以通过站控室内的手操盘手动完成对站场的各级紧急关断及火灾报警。

F&GS因果表中，左边列表中任一路火灾报警均会按一定的控制逻辑触发站场内相应报警设备或安全关断措施；ESD-3级关断由站场的专门人员负责，确认报警后，可自动或手动触发，切断全部工艺流程；根据现场情况确定是否触发放空按钮启动放空。