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STAHL開關8510/111-09-S05優(yōu)惠永流傳

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FGS一般由傳感器、邏輯控制器和終執(zhí)行單元3部分組成，屬于安全儀表系統(tǒng)(SafetyIn-strumentSystem，SIS)的范疇。傳感器部分包括火災探測器、氣體探測器和手動報警操作按鈕?；馂奶綔y器主要有火焰探測器、感溫探測器和感煙探測器;氣體探測器主要有可燃氣體探測器和有毒氣體探測器。邏輯控制器是分析和運算從傳感器檢測到的信號，同時對信號回路的線路狀態(tài)的好壞進行判斷，將運算結(jié)果發(fā)送到相關的現(xiàn)場執(zhí)行元件或設備。現(xiàn)場執(zhí)行元件和設備就是指執(zhí)行由邏輯控制器發(fā)出指令的設備和元件，主要包括報警和消防設備，報警設備有中央控制室的模擬盤(全部防火分區(qū)的裝置地圖，嵌有表示不同類型報警的LED燈，并帶有不同頻率聲音的蜂鳴器)、廣播系統(tǒng)以及裝置現(xiàn)場的報警喇叭和閃燈等;消防設備主要有噴淋冷卻系統(tǒng)、二氧化碳釋放系統(tǒng)及高壓消防水噴射系統(tǒng)等。

1FGS的功能

FGS其實就是通過的傳感器將伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站生產(chǎn)裝置相關區(qū)域中的環(huán)境檢測信號，如空氣中可燃性氣體(爆炸性氣體)的濃度、有毒性氣體的濃度、煙霧、火焰或手動報警信號，傳遞到邏輯控制器，邏輯控制器提前預測即將要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的火災、爆炸、中毒事故，由廣播、喇叭及燈光等執(zhí)行設備發(fā)出報警，提醒有關操作人員進行相關操作，組織疏散和逃生;通過主控制室的人機界面HMI(可以是大型顯示幕墻或大型馬賽克幕墻)實現(xiàn)遠程報警，得到及時增援，從而使得可能發(fā)生的事故能在萌芽狀態(tài)被發(fā)現(xiàn)并消除;通過預先編制的聯(lián)鎖邏輯自動地啟動相應的消防設備、緊急關斷系統(tǒng)(EnmergencyShutdownSystem，ESD)輸出等級，使已經(jīng)發(fā)生的事故能得到及時有效的控制，使得相關人員、設備和周圍環(huán)境得到有效的保護;通過和采暖通風與空調(diào)系統(tǒng)HVAC(Heating，VentilatingandAirConditioning)通信來關?？照{(diào)的換氣風機，并關閉風道上的擋板，以阻止有害氣體進入操作人員所滯留的環(huán)境中;在主控制室的模擬盤上反映各個防火分區(qū)火氣探測情況的狀態(tài)，使工作人員能隨時掌握整個站的火氣探測動態(tài)。

2FGS的設計原則

在FGS的設計過程中，為了更好地完成賦予FGS的功能，IEC61508和IEC61511提供了通用的技術(shù)規(guī)范和參考資料。電工委員會IEC于2000年發(fā)布了IEC61508標準:電氣、電子、可編程電子安全系統(tǒng)(E/E/PES)的功能安全，該標準是綜合性基礎標準，主要為裝置的制造商和供應商使用。2003年，IEC頒布了安全系統(tǒng)功能安全標準IEC61511，主要針對具體的儀器儀表設計者和用戶使用。在FGS的設計中，通常將IEC61508和IEC61511結(jié)合使用。在FGS的設計過程中，一般遵循下列幾點原則:a．安全可靠性原則。FGS屬于IEC定義的安全儀表系統(tǒng)的范疇，肩負著中心處理站在危險事故狀態(tài)下的緊急響應重任，應根據(jù)伊朗雅達項目的工藝過程所需要的安全完整性等級SIL來確定FGS的安全等級。SIL等級越高，F(xiàn)GS的安全功能要求越強，F(xiàn)GS的SIL等級一般為二級或者三級。根據(jù)業(yè)主基礎設計文件的要求，該項目的FGS的SIL等級為三級。石油化工項目一般不使用SIL4等級，以避免投資過高［4］。b．故障安全型原則。FGS作為安全儀表系統(tǒng)，它的傳感器、邏輯控制器和終執(zhí)行單元都應該是故障安全型的［5］。FGS的信號系統(tǒng)是正常不勵磁，也就是說，輸入信號正常時為“0”，現(xiàn)場的節(jié)點不接通;輸出狀態(tài)正常狀態(tài)時為“1”，即控制設備(如消防水噴淋冷卻系統(tǒng)的電磁閥)處于加電狀態(tài)。為了防止線路故障導致系統(tǒng)不能正常動作，F(xiàn)GS必須設計對輸入輸出線路狀況好壞的判斷。邏輯運算器的硬件一般都采用冗余容錯功能安全的結(jié)構(gòu)。c．獨立設置原則。根據(jù)多層安全模式的原理［5］，把FGS和其他諸如ESD、PCS等系統(tǒng)分離設置，以降低FGS、ESD及PCS等系統(tǒng)同時失效的概率，使FGS、ESD及PCS等系統(tǒng)互不依賴，能獨立發(fā)揮出各自的完整功能。FGS的獨立設置適用于系統(tǒng)的各個方面，比如電源、硬件、軟件、通信及維護等各方面都應該具有獨立性，都不應受到來自系統(tǒng)之外故障的影響。d．中間環(huán)節(jié)少原則。FGS應該被設計成一個高效的系統(tǒng)，其中間環(huán)節(jié)應是少的，盡可能使用直接的測量和可靠的執(zhí)行方式，盡量避免繁瑣復雜和不必要的設計，來提高系統(tǒng)的可靠性。比如，在隔爆技術(shù)可以滿足現(xiàn)場防爆要求的情況下，盡量選用隔爆技術(shù)，以避免本安技術(shù)中多出來的安全柵環(huán)節(jié)對整個系統(tǒng)的影響。又如，在易熔塞回路直接覆蓋的地方盡量選擇氣動信號直接動作，避免過多的氣－電和電－氣轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)［6］。

FGS的設計

設計火氣系統(tǒng)時必須要考慮火氣系統(tǒng)具有正確的功能和執(zhí)行正確功能的可靠程度。因此，火氣系統(tǒng)各部分的選型、冗余結(jié)構(gòu)設計非常重要。

1探測器的選型

為了使FGS能夠準確地探測到險情，應當在不同場所選擇合適的探測器進行火氣探測。通過對可燃性氣體或液體火焰的檢測發(fā)現(xiàn)明火并發(fā)出火災報警信號。一般采用UV/IR火焰探測器。通過對溫度的檢測判斷是否發(fā)生火災。一般采用定溫型(易融塞回路)和溫升型感溫探測器。通過對煙霧的檢測從而判斷火災是否發(fā)生。一般采用光電式感煙探測器和吸氣式感煙探測器。通過檢測空氣中H2S的濃度來確定工作區(qū)域的安全程度，根據(jù)濃度的高低和事故的嚴重性決定是否關斷和撤離，一般H2S濃度用0．001‰來指示;0．005‰視為警告;0．010‰視為泄漏報警，需立即采取措施。一般采用電化學式。通過物理或化學的方式檢測空氣中可燃氣體的濃度，一般按可燃氣體的爆炸下限為大量程，即100LEL，量程范圍一般為0～100LEL。一般到10LEL視為警告，20LEL視為氣體泄漏報警。一般采用紅外吸收式探測器(分點式和對射式)和催化燃燒型探測器。通過手動觸發(fā)判斷險情的發(fā)生。一般采用按壓式和破玻璃式手報。所有探測器均為可尋址式，避免傳統(tǒng)的點對點式設計造成布線的工程量和電纜成本的高昂，并且所有探測器都要滿足能被安裝在爆炸危險場所一級二區(qū)、爆炸性氣體IIA組、引燃溫度T3級(Class1，Zone2，GasGroupIIA，TemperatureClassT3)區(qū)域的要求，環(huán)境防護等級達到IP65。

2探測器的布置

FGS的設計、探測器的布置是非常重要的內(nèi)容，應該把各種原理的探測器布置在中心處理站的相關工藝生產(chǎn)裝置附近，使FGS能夠在短時間探測到險情。感溫探測器布置在由于溫度升高可能引發(fā)火災或爆炸的場合，如控制室，電氣設備，電池間及高溫下易發(fā)生爆炸的儲罐區(qū)、分離器、脫水器及加熱爐等場合?；鹧嫣綔y器主要布置在原油處理模塊，如分離器、脫鹽區(qū)、空冷器、清管器區(qū)、壓縮機、計量區(qū)及真空泵等地方，而在控制室和變電站則不布置火焰探測器。一只火焰探測器的照射范圍一般是垂直90°，水平90°，因此要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，合理地設置探測器的位置與數(shù)量，使每個可能發(fā)生火災的地方都能被探測到。感煙探測器一般用于梯道、走廊、控制室、逃身通道及服務處所等處。在控制室電纜聚集的地方，也要設置感煙探測器，因為這是容易發(fā)生火情的地方。另外，在變電站、中心控制室及輔助控制室等高敏感區(qū)域需要布置吸氣式感煙探測器?？扇細怏w探測器主要布置在容易引起泄漏和聚集的高壓設備、壓縮機、真空泵、反應器、儲罐的密封和密封壓蓋處以及暖通管道進風口處等。它分為點式和對射式，點式探測器一經(jīng)安裝就位，它所處的位置就固定下來，只能監(jiān)視視野所及的范圍;而對射式一般用于開闊的室外環(huán)境中，能保證比點式探測器有更大的覆蓋范圍。另外，在可能發(fā)生H2泄漏的電池間內(nèi)，還需要布置催化燃燒式的可燃氣體(H2)探測器。有毒氣體探測器主要探測硫化氫氣體，它的布置場合與可燃氣體探測器相同。手動報警操作按鈕主要用于人工指示報警源，包括工藝故障、燃氣泄漏、煙霧、火情以及任何可能導致工藝故障或引起人員傷害的危險情況。一般設置在樓梯口處、主逃生通道、居住處所的走廊及控制室的出門處等。

3探測器的表決邏輯

FGS要保護設備、人身的安全，還要涉及到全廠關斷或部分關斷，為了提高FGS的可靠度，減少誤動作，每種探測器都有自己的表決原則(都是以某一防火分區(qū)為前提的):a．感煙探測器。如果單個探測到危險存在時系統(tǒng)只報警，如果兩個或兩個以上探測器探測到危險存在時，啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-1緊急關斷。b．感溫探測器。一個或一個以上的探測器探測到危險存在，立即啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-1緊急關斷。c．可燃氣體探測器。對于點式可燃氣體探測器，如果單個探測達到20%LEL或50%LEL系統(tǒng)報警，如果兩個或兩個以上探測器探測達到50%LEL時，立即啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關斷;對于對射式可燃氣體探測器，如果單對探測器探測達到1LEL．m或3LEL．m系統(tǒng)報警，如果兩對或兩對以上探測器探測達到3LEL．m時，立即啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關斷;對于H2探測器，如果單個探測器探測達到10%LEL或20%LEL系統(tǒng)報警，如果兩個或兩個以上探測器探測達到20%LEL時，立即啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關斷。d．有毒氣體(H2S)探測器。如果單個探測器探測達到0．005‰或0．010‰時系統(tǒng)報警;如果兩個或兩個以上探測器探測達到0．010‰時，立即啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-2緊急關斷。e．火焰探測器。如果單個探測器探測到危險存在時系統(tǒng)只報警，如果兩個或兩個以上探測器探測到危險存在時，啟動消防動作、報警并觸發(fā)ESD-1緊急關斷。

4控制器的選型

伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站項目，工藝流程復雜，自動化水平要求較高，業(yè)主對工程的系統(tǒng)安全非常重視，F(xiàn)GS設計及施工*遵循標準。因此，本著安全可靠、經(jīng)濟合理、故障安全和獨立設置的原則，在滿足整體安全水平要求的前提下，應選用具有冗余容錯技術(shù)的可編程邏輯控制器，而且該控制器應具有TUV-AK6(SIL3)認證。目前，在石油化工行業(yè)中應用比較廣泛的控制器主要有:美國Triconex公司采用TMR(三重化)冗余容錯技術(shù)的Tricon系統(tǒng)、美國Honeywell公司的FSC系統(tǒng)(雙重冗余)、美國ICS公司的ICSTriplex系統(tǒng)(三重化冗余容錯)和德國HIMA公司的H41q/H51q，它的CPU是四重化結(jié)構(gòu)(QMR)。由于Tricon系統(tǒng)在中國境內(nèi)石化企業(yè)中應用成功，占領市場比重較大，該項目終選用美國Triconex公司生產(chǎn)的Tricon控制器。容錯是Triconex控制器的一項重要的功能，它在監(jiān)測到瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)錯誤時能采取適當動作來進行在線糾正。容錯技術(shù)的應用使得火氣系統(tǒng)的可用性和安全性得到很大的提高。Triconex控制器通過三重化的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)容錯功能，因為3個平行的通道之間是相互隔離的，所以當在某一個通道上出現(xiàn)錯誤時，它不會跑到另外的兩個通道上去。故障的通道被兩個健康的通道拋棄，所以可以在工藝過程不中斷，Triconex系統(tǒng)在線的情況下更換故障的模件，更換完成后系統(tǒng)又恢復到完整的三重化操作。Tricon控制器三重化結(jié)構(gòu)如圖1所示，從輸入模件經(jīng)主處理器到輸出模件都是三重化的。每個輸入輸出模件內(nèi)部都有3個相互獨立的分電路(除了電源部分，電源是兩重冗余的)。輸入模件的每個分電路讀入監(jiān)測數(shù)據(jù)并將信息送到各自的主處理器，3個主處理器利用其的高速數(shù)據(jù)總線(TRIBUS)進行相互間的通信。每掃描一次，3個主處理器通過TRIBUS與相鄰的兩個主處理器之間進行通信，達到同步，相互復制輸入數(shù)據(jù)并進行比較，對數(shù)字量進行三取二表決，對模擬量進行中選運算。運算或表決的結(jié)果復制到各個主處理器，主處理器會同步地進行同一運算，運算的結(jié)果分別輸送到輸出模件的3個分電路上，輸出模件中的微處理器又會對來自3個主處理器的信號進行運算或表決，然后輸出到相應的現(xiàn)場執(zhí)行元件上去。同時發(fā)現(xiàn)連續(xù)若干個周期某一個分電路來的數(shù)據(jù)與其他兩個相差超出正常范圍時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，并可以在工作站上查到相關的診斷信息。

5控制邏輯設計

在伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站項目中，Tri-con控制器的軟件設計主要有氣體檢測、回路檢測和線路檢測3個模塊?，F(xiàn)場探測器輸出信號包括模擬量信號和數(shù)字量信號，其中:火焰探測器、易熔塞、可燃氣體探測器、有毒氣體探測器輸出信號均為模擬量4～20mA;感煙探測器、感溫探測器、手動操作按鈕輸出信號均為數(shù)字量信號。當控制器接收到的是模擬量4～20mA信號，F(xiàn)GS可以通過輸入信號模擬量值的大小來完成回路監(jiān)視，實現(xiàn)回路的超限報警、斷路和短路報警以及校驗狀態(tài)指示。感煙探測器、感溫探測器及手動操作按鈕等回路的輸出為開關量信號，即兩種狀態(tài):斷開與閉合，正常時均處于斷開位置，報警時才會閉合。這樣FGS就無法將探測器開關的斷開、閉合兩種狀態(tài)與回路的開路、短路故障區(qū)分開。為了克服此弊端，對所有的輸出為數(shù)字量信號的探測器增加了線路檢測功能。通過對每個檢測回路增加在線電阻和終端電阻串，并聯(lián)后引入模擬量輸入卡，把這種輸入方式叫做SDI［7］(SupervisedDigitalIn-put)，如圖2所示。這樣在現(xiàn)場線路開路、短路、斷路和正常狀態(tài)下線路的電阻值會有所不同，從而使得輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號的值在不同的范圍內(nèi)，從而達到線路監(jiān)視的功能。FGS中執(zhí)行元件的輸出包括電磁閥、繼電器(與公共廣播、ESD及HVAC等的硬接線接口)均為開關量信號，它們是正常勵磁的，也就是說正常時上述設備均處于得電狀態(tài)，為了保證其在需要時能夠正常動作，系統(tǒng)采用SDO(SupervisedDigit-alOutput)卡件來驅(qū)動此類設備，SDO會定時地向現(xiàn)場線路發(fā)出極短的檢測脈沖，檢測輸出線路的通斷，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。整個火氣系統(tǒng)需要實現(xiàn)火災和氣體檢測保護，它們的邏輯為:a．防火分區(qū)內(nèi)某探測器一點輸入檢測信號時，Tricon控制器通過狀態(tài)、聲光報警信號通知操作人員。b．防火分區(qū)內(nèi)某探測器第二點輸入檢測信號時，若是火災信號，系統(tǒng)設置為自動狀態(tài)，則自動釋放消防系統(tǒng)(噴淋冷卻系統(tǒng)、高壓消防水噴射系統(tǒng)、CO2釋放系統(tǒng))滅火;系統(tǒng)設置為手動狀態(tài)，則通過中控室矩陣盤上的手動開關釋放消防系統(tǒng)。c．對于火災和氣體輸入信號，均關閉HVAC。d．對于火災輸入信號，觸發(fā)ESD-1緊急關斷，裝置泄壓排料;對于氣體輸入信號，觸發(fā)ESD-2緊急關斷，并將產(chǎn)生危險氣體泄漏源的閥門關閉，裝置不泄壓不排料。由于Tricon控制器三重化系統(tǒng)是當作一個系統(tǒng)進行操作的，所以編程時只需要編一套應用程序，輸入輸出的現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行元件的接線也都只有一套，跟普通控制器沒有什么不同，所以維護起來比較簡單。

結(jié)束語

在伊朗雅達瓦蘭油田中心處理站中，F(xiàn)GS扮演著保護人員、環(huán)境、設備和設備安全的角色，隨著國家的發(fā)展，以人為本的科學理念不斷深化，企業(yè)普遍采用健康、安全與環(huán)保的管理體系(簡稱HSE管理體系)，中心處理站現(xiàn)場的安全越來越得到人們的重視，對FGS的要求越來越嚴格，F(xiàn)GS的可靠性決定了油田中心處理站生產(chǎn)的安全性。一個可靠性好、安全性高、可用率高、誤動作少，以及滿足SIL3安全等級的FGS能夠?qū)χ行奶幚碚净馂暮蜌怏w泄漏及時監(jiān)測并處理，將險情做到防患于未然，發(fā)揮出真正的安全保護作用，保障中心處理站安全、穩(wěn)定、長周期的運行