以往國內(nèi)中小型石化企業(yè)罐區(qū)的消防設(shè)計主要是火災(zāi)自動報警信號、火災(zāi)手動報警信號上傳至集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）或消防控制中心主控器實(shí)現(xiàn)消防聯(lián)動控制。也有一些項(xiàng)目消防設(shè)計采用火災(zāi)報警信號進(jìn)DCS系統(tǒng)獨(dú)立的卡件[1]，再送到火災(zāi)自動報警盤后，由消防控制中心主控器實(shí)現(xiàn)消防聯(lián)動控制。對于中小型石化罐區(qū)消防規(guī)模和設(shè)施相對較少，消防聯(lián)動控制（包括啟動消防水泵，消防泡沫泵，打開消防閥門等）上述方式是可行的。有些小項(xiàng)目甚至僅采用遠(yuǎn)程手動和現(xiàn)場手動的消防方式，基本上就可以滿足消防要求。但無論上述哪種設(shè)計方式都有不足之處。

其一，當(dāng)罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，操作人員必須在消防控制室或是現(xiàn)場逐個打開消防泵，消防閥等，所需的時間一般都會超過消防規(guī)范要求的發(fā)生火災(zāi)時5分鐘內(nèi)進(jìn)行滅火的時間要求。在緊急情況下操作人員慌亂，甚至不知所措，加之消防過程的繁雜，人為的誤操作等耽誤了滅火的最佳時機(jī)，給企業(yè)和國家?guī)砹司薮蟮膿p失。所以在設(shè)計中一定要保證消防操作的可靠和便捷。

其二，以往的一些設(shè)計中消防聯(lián)動設(shè)施的控制是由DCS或PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但DCS或PLC系統(tǒng)UPS電源設(shè)置原則是在工廠電源中斷后，后備電源保證繼續(xù)維持30分鐘的供電。而一般情況下火災(zāi)自動報警盤的蓄電池后備電源應(yīng)保證火災(zāi)自動報警系統(tǒng)及聯(lián)動消防在火災(zāi)狀態(tài)工作負(fù)荷條件下連續(xù)工作3小時以上[2]。所以當(dāng)工廠供電中斷后30分鐘~3小時之間，從設(shè)計的角度講DCS系統(tǒng)將無法報警和聯(lián)動，此時火災(zāi)自動報警盤檢測到火災(zāi)隱患，發(fā)出火災(zāi)自動報警信號，DCS系統(tǒng)聯(lián)動控制的消防設(shè)施由于電源中斷將不能動作，此種情況下火災(zāi)自動報警和消防聯(lián)動不能密切配合，只能人工現(xiàn)場手動進(jìn)行滅火，同樣會耽誤滅火的最佳時機(jī)。所以目前大型罐區(qū)的火災(zāi)自動報警及消防聯(lián)動控制大多采用火氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，充分考慮到消防聯(lián)動和電源設(shè)置的要求，達(dá)到全廠火災(zāi)及可燃?xì)怏w報警和消防控制整體一體化。

本項(xiàng)目設(shè)計中，充分考慮了工廠規(guī)模和系統(tǒng)電源的配置，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計中規(guī)范要求、項(xiàng)目規(guī)模、兼顧投資要求，整個罐區(qū)火災(zāi)及可燃?xì)怏w報警和消防聯(lián)動采用獨(dú)立的火氣系統(tǒng)完成。

本項(xiàng)目共有10萬立原油儲罐22座；5萬立、3萬立原油儲罐以及其他成品油罐和化工品儲罐共46座，總庫容368萬立。本項(xiàng)目設(shè)置1個中心控制室，5個現(xiàn)場機(jī)柜室，1個現(xiàn)場控制室。FGS系統(tǒng)的火災(zāi)自動報警和消防聯(lián)動操作在中心控制室實(shí)現(xiàn)。5個現(xiàn)場機(jī)柜室設(shè)置FGS系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制站，信號采用冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至中心控制室FGS系統(tǒng)?，F(xiàn)場控制室可實(shí)現(xiàn)本區(qū)域火災(zāi)自動報警和消防操作，信號采用冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至中心控制室FGS系統(tǒng)。中心控制室FGS系統(tǒng)操作站可實(shí)現(xiàn)全廠的消防報警監(jiān)控和操作。

易燃易爆工廠正常運(yùn)行時，基本的控制及保護(hù)采用DCS、SIS（或ESD）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)基本的控制不能控制非正常狀態(tài)工況時，SIS和ESD將自動執(zhí)行保護(hù)動作，完成泄壓設(shè)備保護(hù)，工廠緊急疏散。

為保證每個層面對可燃?xì)怏w泄漏，火災(zāi)發(fā)生的可靠、及時檢測和保護(hù)，必須選用安全性高，可靠性好，可用率高，誤動作少的控制系統(tǒng)，而火氣系統(tǒng)是目前對整個生產(chǎn)火災(zāi)報警和消防聯(lián)動最可靠的保證。

由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化程度越來越高，安全管理也需要及時、準(zhǔn)確掌握各種和安全有關(guān)的信息，F(xiàn)GS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和管理有較強(qiáng)的優(yōu)勢。

FGS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的火災(zāi)自動報警方式比較見表1。

表1 FGS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的火災(zāi)自動報警方式比較表

Table 1 FGS system compared with traditional methods of automatic fire alarm table

FGS系統(tǒng)是目前大型石化企業(yè)火災(zāi)自動報警和消防控制常用的集成系統(tǒng)，是保證工廠安全運(yùn)行且獨(dú)立于緊急停車系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)）、DCS系統(tǒng)設(shè)置的安全防護(hù)層。根據(jù)IEC對安全儀表的定義，為防止過程工業(yè)中事故的發(fā)生，過程工業(yè)設(shè)計采用了多重防護(hù)層或安全措施（圖1），由內(nèi)向外安全等級是逐漸增強(qiáng)的。FGS系統(tǒng)是過程工業(yè)的安全防護(hù)層中的一個獨(dú)立防護(hù)層，屬于圖中的安全控制層。

圖1 工業(yè)安全設(shè)計多重防護(hù)層

Fig.1 Industrial safety design multiple protection layers

整個防護(hù)層分為3個區(qū)[3,4]，基礎(chǔ)控制層以內(nèi)屬于正常工況區(qū)，是正常工作的層面，一般由控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）控制和聯(lián)鎖停車實(shí)現(xiàn)。安全控制層和報警、操作員介入層屬于非正常工況區(qū)，是危險預(yù)防有效層面，一般由安全統(tǒng)（ESD系統(tǒng)、FGS系統(tǒng)）控制、停車或消防動作。積極防護(hù)層以外屬于災(zāi)難發(fā)生區(qū)，是減輕災(zāi)害的有效層面，一般是安全防護(hù)層動作后仍不能避免或降低災(zāi)難的損害，積極防護(hù)層將動作安全閥起跳，爆破片破裂，防止裝置爆炸；最終積極響應(yīng)層進(jìn)行人員撤離，社會救援，火災(zāi)搶救，環(huán)境保護(hù)隔離等措施。

FGS系統(tǒng)是用于火災(zāi)以及氣體檢測、控制的安全儀表系統(tǒng)，屬于上述的安全控制層。其特征是具有：整體安全性、獨(dú)立性和故障安全性。

FGS系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)其保護(hù)的對象所需的安全整體性等級（SIL）來確定其安全等級。根據(jù)IEC61508的要求安全整體性是指在一段固定的時間內(nèi)，在所有條件固定的情況下，安全系統(tǒng)達(dá)到所需安全功能的可能性，安全整體性分為硬件安全整體性和系統(tǒng)安全整體性要求兩方面。硬件安全整體性要求硬件設(shè)計時必須采用冗余的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)安全整體性設(shè)計時要求參考PFDaverage值（平均故障可能性）和PDFperhour值（每小時危險故障可能性）[6]。FGS系統(tǒng)一般要求SIL2；SIL2規(guī)定PFDaverage值為10-3~10-2，PDFperhour值為10-7~10-6。也有一些大型的裝置或石油化工罐區(qū)采用SIL3；SIL3規(guī)定PFDaverage值為10-4~10-3，PDFperhour值為10-8~10-7。本項(xiàng)目FGS系統(tǒng)安全整體性等級要達(dá)到SIL2要求。

根據(jù)項(xiàng)目運(yùn)行的特征，F(xiàn)GS系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于DCS控制系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)、第三方控制系統(tǒng)設(shè)置，可以降低不同系統(tǒng)同時失效對生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響的概率。FGS系統(tǒng)采用獨(dú)立的電源、獨(dú)立的控制器、獨(dú)立的串行通訊、獨(dú)立的檢測變送元件、獨(dú)立的執(zhí)行元件。在項(xiàng)目運(yùn)行過程中即使其他系統(tǒng)都失效，F(xiàn)GS系統(tǒng)也可獨(dú)立地正常工作，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動報警和消防控制。

本項(xiàng)目FGS系統(tǒng)在中心控制室、現(xiàn)場機(jī)柜室、現(xiàn)場控制室分別設(shè)置獨(dú)立的UPS電源和控制器；中心控制室、現(xiàn)場機(jī)柜室、現(xiàn)場控制室的FGS系統(tǒng)可以獨(dú)立于其他系統(tǒng)運(yùn)行。

本項(xiàng)目FGS系統(tǒng)供電采用獨(dú)立的回路，UPS電源后備時間為8小時，確保全廠生產(chǎn)停車時也可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動報警和消防控制[7]。

FGS系統(tǒng)應(yīng)采用故障安全型設(shè)計，主要是微處理器，I/O卡件，以保證整個系統(tǒng)的安全整體性。

現(xiàn)場檢測元件掉電、故障時輸出狀態(tài)與聯(lián)鎖狀態(tài)一致。

FGS系統(tǒng)應(yīng)采用冗余的電源、冗余的控制器、冗余的I/O卡件、冗余的網(wǎng)絡(luò)連接。

在現(xiàn)場關(guān)鍵的位置設(shè)置3個檢測器，經(jīng)邏輯“或門”發(fā)出信號，進(jìn)行3取2邏輯聯(lián)鎖動作。

FGS系統(tǒng)消防聯(lián)動信號連接采用硬線形式?，F(xiàn)場光纖光柵感溫探測器經(jīng)主機(jī)報警后，報警信號經(jīng)硬線連接形式送至FGS系統(tǒng)?，F(xiàn)場消防電動閥開閥信號由FGS系統(tǒng)發(fā)出經(jīng)硬線送至電動閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)場火災(zāi)手動報警按鈕報警信號采用硬線連接形式送至FGS系統(tǒng)，采用點(diǎn)對點(diǎn)式報警聯(lián)鎖方式。

本項(xiàng)目采用冗余、容錯結(jié)構(gòu)的故障安全型控制系統(tǒng)，安全等級達(dá)到SIL2，并符合國家消防安全資格認(rèn)證（CCCF認(rèn)證）[5]?？刂葡到y(tǒng)還包括冗余電源模塊，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、各種隔離柵、工程師站、操作站、機(jī)柜、現(xiàn)場設(shè)備等。系

統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。

圖2 FGS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 FGS system chart

1）主要有催化燃燒式或紅外式可燃?xì)怏w檢測器，三線制4~20mA信號。

2）消防水管道壓力變送器，4~20mA疊加HART信號。

1）火焰探測器信號為數(shù)字量輸入。采用雙探頭火焰檢測器，探測信號來自紅外或紫外檢測器，紅、紫外兩種光譜同時被探測到，說明現(xiàn)場發(fā)生了火災(zāi)（發(fā)生火災(zāi)時兩種光譜都會出現(xiàn)）。這樣做可以防止現(xiàn)場單獨(dú)的紅外或紫外光產(chǎn)生的誤報警（閃電、或是電?。?。

2）光纖光柵感溫探測器信號為數(shù)字量輸入，可尋址式光纖光柵信號經(jīng)光纖光柵主機(jī)轉(zhuǎn)換后輸出接點(diǎn)信號（表示溫度異常的儲罐）。

3）火災(zāi)手動報警按鈕信號為數(shù)字量輸入。采用單點(diǎn)式的手動報警按鈕，按鈕閉合輸出接點(diǎn)信號。

4）聯(lián)鎖開泵信號為數(shù)字量輸出，送消防水泵控制柜。聯(lián)鎖開閥信號（優(yōu)先）為數(shù)字量輸出，送消防水閥強(qiáng)制開閥。

火災(zāi)自動報警盤通訊信號送至FGS系統(tǒng)，通訊協(xié)議及接口采用MODBUS RTU RS485。

現(xiàn)場檢測信號主要有溫度、壓力、液位、可燃?xì)怏w泄露檢測報警信號以及火災(zāi)自動報警信號等，現(xiàn)場設(shè)備主要有可燃?xì)怏w檢測器，感溫光纖光柵檢測器，火焰探測器，火災(zāi)手動報警按鈕，公共聲光報警器，電動消防閥，消防泡沫泵，消防水泵等，建筑物內(nèi)設(shè)置感溫、感煙探測器，自動噴淋降溫設(shè)備，手動火災(zāi)自動報警按鈕等。第三方系統(tǒng)主要包括消防泡沫供水泵PLC系統(tǒng)，消防水泵PLC系統(tǒng)等。

泡沫供水泵自帶PLC控制系統(tǒng)，火災(zāi)自動報警信號傳至泡沫供水泵就地控制柜，就地控制柜立即將信號傳至高壓柜，啟動泡沫供水主泵，泡沫供水主泵（包括備用泵）逐一自動啟動。每臺消防泵的啟動應(yīng)設(shè)置5～10秒的間隔。

如果消防主泵出現(xiàn)故障，10秒鐘后自動啟動備用消防泵；消防泡沫供水泵的狀態(tài)信號除能在就地控制柜顯示外，還能在中心控制室內(nèi)的FGS系統(tǒng)顯示；中心控制室FGS系統(tǒng)輔操臺設(shè)置消防泵的遠(yuǎn)程手動啟動按鈕。

消防水泵站的高壓消防泵，穩(wěn)壓泵，柴油消防泵采用自帶的PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)順序控制，根據(jù)火災(zāi)自動報警信號啟動消防泵，并在高壓消防泵和穩(wěn)壓泵故障時，自動切換至柴油消防泵消防。根據(jù)消防水用量的變化，自動啟動消防水泵，保證消防水管道出口壓力恒定，確保消防水用量充足。正常工況下管網(wǎng)壓力控制在0.80MPa，當(dāng)管網(wǎng)壓力下降至0.70MPa及以下時，自動啟動穩(wěn)壓泵，管網(wǎng)壓力上升至0.85MPa時，延時15秒，穩(wěn)壓泵自動停止工作。兩臺穩(wěn)壓泵一用一備，輪流工作，自動切換。當(dāng)消防水管網(wǎng)的壓力下降到0.65MPa及以下或接到火災(zāi)自動報警信號時，將管網(wǎng)壓力傳至就地PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)立即將信號傳至高壓柜，依次啟動消防主泵（柴油泵）延時10秒鐘，如果消防主泵出現(xiàn)故障，10秒鐘后自動啟動備用消防泵（電動泵）；消防水泵的狀態(tài)信號除能在就地控制柜顯示外，還能在中心控制室內(nèi)的FGS系統(tǒng)顯示；中心控制室FGS系統(tǒng)輔操臺設(shè)置消防泵的遠(yuǎn)程手動啟動按鈕。

現(xiàn)場火災(zāi)自動報警信號上傳FGS系統(tǒng)，控制室操作人員確認(rèn)火災(zāi)自動報警信號是否真實(shí)，并確認(rèn)火災(zāi)位置，若有火災(zāi)發(fā)生，控制室操作人員按動相應(yīng)一鍵式消防按鈕，進(jìn)行滅火，并同時啟動火災(zāi)廣播、報警器，保證現(xiàn)場人員撤離，消防人員介入。

按動消防按鈕有以下聯(lián)動動作：

1）打開消防水電動閥/消防泡沫水閥，開閥后消防管網(wǎng)的壓力下降，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定值后，消防水泵/泡沫站PLC聯(lián)鎖自動開啟消防水泵/泡沫泵，若此時管網(wǎng)壓力仍下降，開啟穩(wěn)壓泵保證管網(wǎng)壓力在一定范圍內(nèi)，保證足夠的水量/泡沫量滅火。在消防過程中消防高壓泵、穩(wěn)壓泵故障，由消防水泵PLC程控啟動消防柴油機(jī)泵，確保消防及時、連續(xù)、可靠。

2）原油儲罐發(fā)生火災(zāi)時，控制室操作人員按動相應(yīng)儲罐的一鍵式消防按鈕，著火儲罐所有消防水閥打開，相鄰的儲罐靠近火災(zāi)側(cè)的消防水閥打開。對于汽油、柴油、航煤儲罐發(fā)生火災(zāi)時，控制室操作人員按動相應(yīng)一鍵式消防按鈕，著火儲罐所有消防水閥打開，著火儲罐相鄰的儲罐的消防水閥打開。

3）消防信號上傳到FGS系統(tǒng)，聯(lián)鎖關(guān)閉發(fā)生火災(zāi)儲罐所在罐組的界區(qū)閥，確?；馂?zāi)隔離，防止蔓延。

現(xiàn)場消防設(shè)備都設(shè)有遠(yuǎn)程遙控按鈕，若消防按鈕按下后聯(lián)動動作沒有執(zhí)行，控制室迅速進(jìn)行人工干預(yù)，遠(yuǎn)程手動開閥，啟泵。

當(dāng)遠(yuǎn)程操作都失靈時，及時通知消防人員現(xiàn)場手動開閥，現(xiàn)場啟動消防泵進(jìn)行滅火。

在石油化工易燃易爆項(xiàng)目中，火災(zāi)自動報警及消防聯(lián)動控制系統(tǒng)是生產(chǎn)安全的重要保障。近年來隨著項(xiàng)目的大型化，消防的重要性更加凸顯，消防的設(shè)計理念和技術(shù)也在不斷地提升。傳統(tǒng)的火災(zāi)自動報警及聯(lián)動系統(tǒng)正在逐步演變?yōu)橐訤GS（安全型控制系統(tǒng)）為主體的火災(zāi)自動報警和消防聯(lián)動的一體化系統(tǒng)。