卢炜
【摘 要】The article analyses the related standards, and based on the engineering practice, discusses the level evaluated of flammable & toxic gas detection alarm system within the layer of the process plant protection, and issued an reasonable hazardous gas detection alarm system frame. At the same time, focus on the real engineering practice environment, issued the practical set-up plan.%本文通过对相关标准规范的分析，结合工程实践过程中遇到的问题，论述了可燃气体探测、有毒气体探测报警系统在过程工厂中的保护层等级与实际效用，并据此提出了较为合理的有害气体探测报警系统的架构。同时针对目前实际状况，提出了可供实际操作的系统组成。 【期刊名称】《仪器仪表用户》 【年(卷),期】2016(023)007 【总页数】4页(P21-23,38)
【关键词】可燃气体检测报警系统;有毒气体检测报警系统;有害气体检测报警系统;系统构建 【作 者】卢炜
【作者单位】中国神华煤制油化工有限公司 北京工程分公司，北京 100011 【正文语种】中 文
随着我国对安全生产问题的愈发重视，建立一个“安全第一、预防为主”的企业是在项目设计初期就应全盘考虑的一个问题。石油化工企业中往往存在可燃/有毒气体（以下简称有害气体），有害气体的泄露是危害生产安全的隐患之一。因此，各大型工业企业均设置了相应的有害气体检测报警系统对有害气体的泄露进行监控。由于各企业、各设计院侧重行业不同、对安全管理的理念不同，导致对有害气体检测系统的设置方案也不尽相同。目前，系统的设置大致可分为两类：一是与过程管理控制系统合并设置，二是有害气体检测独立设置系统。其中，又因对系统构建硬件的规格要求不同而表现为不同形式，比如采取与DCS相同硬件、采用专用的可燃气体报警控制器、采取与SIS相同硬件，以提高有害气体检测报警系统的安全等级等。方案不同、硬件组成不同，造成了对有害气体检测报警这一系统始终没有一套标准化的结构设计，最显著的影响就是在消防验收过程中，往往发生一系列的论证与讨论，很难用很短的时间达到各方的共识 。
本文拟在工程实践的基础上，通过对各规范条纹的分析，提出一套建议的实施方案。 可燃气体报警系统应设置为独立系统。这是因为两方面原因：首先是规范的要求，在《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2013中，已明确提出了“可燃气体报警系统”的概念，并且做出了可燃气体报警系统应独立设置的规定，“8.1.1 可燃气体探测报警系统应由可燃气体报警控制器、可燃气体探测器和火灾声光警报器等组成” “8.1.2 可燃气体探测报警系统应独立组成…”［1］。 其次，对于过程工厂中给出的常见保护层模型，如图1所示［2］。
对于可燃气体的探测报警系统来说，它应属于第三层中的“安全仪表减轻系统”，即当有可燃气体释放后的警示措施。当可燃气体的探测器一旦发生报警时，则说明在释放源处已有有害气体被释放出来（在不考虑误报的情况下）。无论后续的处理手段是人为确认、广播疏散，还是启动喷淋设施等，其功能上都属于降低事故后果的保护措施，而非提前防止。
可燃气体探测器检测的是环境中的可燃气体的浓度，这就不可避免地要求探测器时刻与环境空气相通。由于环境空气不可能纯净，经常夹杂大量粉尘，随时间地推移，这些粉尘对探测器内部电气元件影响亦不断加大，造成可燃气体探测器的误报、漏报的情况远比其他类仪表（如压力、温度、流量等）更多，即便是在按时校验的情况下，因偶然因素如大风、尘暴等恶劣天气情况也会对探测器造成影响。而探测器的误、漏报率高则直接导致了一个后果，即鲜有在探测器后端连接可执行元件的工程设计案例，除了比较特殊的情况，可燃气体检测器的输出也很少进入控制逻辑，作为一个输入条件出现。
由以上分析可知，可燃检测报警系统与基本过程控制系统（BPCS）、安全仪表系统（SIS）在安全保护上的防护目的并不相同，一次元件的可靠性也不相同。故从安全功能上来看，可燃气体检测报警系统应与BPCS或SIS区别对待，自成系统，独立设置。
但需要注意的是，在文献［1］中没有明确关于有毒气体检测的设置，而且特别指出：“8.1.3 石化行业涉及过程控制的可燃气体探测器，可按现行国家标准《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》GB50493的有关规定设置…”。而在大型石化企业、煤化工企业，往往存在同时具有可燃与有毒特性的有害气体，具有代表意义的如一氧化碳、硫化氢等。尤其是在GB50493-2009《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》中，针对此类气体，还特别规定了“3.0.1.4 同一种气体，既属于可燃气体又属有毒气体时，应只设置有毒气体检（探）测器［3］。那么如果依据GB50493条款设置，则一氧化碳、硫化氢等有害气体将不会被纳入“可燃气体检测报警系统”中。
相应的，在卫生部颁发的《工作场所有毒气体检测报警装置设置规范》
GBZ/T223-2009中，在其附录A中，将芳香烃类、醇类、烃类等都归类为有毒气体，但考虑到经济和合理等因素，不再为其单独设置有毒气体检测器。
无论对于安全功能，还是探测器本身的可靠性，有毒气体的检测与可燃气体的检测基本一致：即均属于“安全仪表减轻系统”，且都很少会直接用于过程变量的实际控制中。可得出，在理想情况下，可燃气体与有毒气体的检测报警应该合并设计成一个系统，并且独立于BPCS/SIS。从理论上来说，可燃/有毒气体的检测报警功能应持续存在，无论工厂是否处于事故状态、其他系统是否故障，可燃/有毒气体的检测报警功能都应当具备有效工作的能力。
有害气体检测报警系统实质上处于过程工厂保护层中的安全仪表减轻系统，相较于BPCS/SIS这两层保护控制、保护系统有显著的不同。
BPCS/SIS这两种系统可以“有效地防止场景不期望的后果发生”。这两个系统通常被设计为故障安全型、各自独立的系统，特别是SIS系统，从产品制造到系统设计，都需要遵循特有的规范（IEC61508、IEC61511）。而有害气体检测报警系统却常被设计为非故障安全型，检测器在正常时处于休眠（断开）状态，一旦出现泄露，则送出报警信号。即探测器故障，并不足以说明检测点出现了有害气体的泄露，而探测器发出的报警信号，则需要通过进一步判断（如观察容器的压力、温度，参考观测报警探测器附近其他探测器的状态，甚至需要人工现场检查等措施）才能确定正确的后续操作。这正是由于探测器的误报率、故障率（相对于常规工业测量仪表）较高所造成的。
基于这个道理，可燃/有毒气体检测报警系统通常不包含最终执行元件，也即意味着依靠可燃/有毒气体报警系统本身不足以将设备、装置在发生故障时，自动将其带到安全状态，系统本身只能起到警示作用。
基于以上原因，在正常情况下，设计过程中对有害气体检测报警系统的安全功能型就不太需要要求过高，比如一定要求其硬件一定要取得TUV认证，一定要有SIL等级等。特别是构成有害气体报警系统重要组成部分之一的探测器，很难达到IEC61508对安全仪表的考核要求。如果片面地将有害气体报警系统的硬件安全等
级拔高到等同于SIS系统的做法，无论从安全性，还是从经济性方面考虑，都是没有必要的。
可燃、有毒气体检测报警宜合并设计，单独组成系统。系统的架构应遵循分散报警、集中监视的原则。
3.1 分散报警应考虑的3个方面
首先，分散于全厂的可燃/有毒探测器应通过系统内的控制器连接，各有害气体的探测器都应能独立工作，即便其所连接的控制器发生故障，也不会影响探测器的现场检测、警示功能。依据现有的工程案例来看，探测器独立工作的节点主要体现在其供电方式上。目前不少探测器都提供三线制接线标准，由连接的卡件供电。当卡件通道损坏时，探测器将失去电源，加上探测器多采用非故障安全方式设计，探测器只能显示断路报警，而此期间是否会有有害气体泄漏则无法反映，处于安全隐患状态。比较理想的方法是探测器采取独立供电的形式。这样，即便在控制器、探测器与控制器间的连接电缆出现故障时，也不会影响探测器的现场检测报警功能。 其次，对于控制器的布置，需要依据现场实际情况分散布置，比较简单的布置方式是根据项目现场机柜间进行区域区分，同时在现场机柜间的外操间设置独立的图形显示装置（操作站），以便现场有异常情况发生时可以在第一时间反应处置。 最后，探测器的信息应并行传送到可燃有毒气体报警控制器与BPCS。相对来说，工厂的操作人员对装置中各类情况、运行参数更加熟悉，且装置中的温度、压力、流量等信号都由操作人员进行监控，操作人员更容易判断一个气体泄漏报警是否为误报，且当确认为真实报警时，能够更加准确、及时地采取一系列防止、补救措施。这样做的另一个好处是，当可燃/有毒气体探测器的控制器出现故障时，仍旧可以通过BPCS的操作站获取现场信息，反之亦然。 3. 2 集中监控
通过合理的设计室内图形显示装置的位置，以确保无论是操作人员、调度人员，还
是消防人员都可以及时、准确地获知不同区域内的有害气体报警信息。
除了位于现场机柜间外操间的图形显示装置（操作站）外，在中央控制室（如有）内各装置操作区域内宜同时设置一台图形显示装置（操作站），用于显示本装置内的有害气体探测器状态，其位置宜处于装置操作站与装置电话设备附近，便于发现异常后及时调出相应流程画面，并与现场人员获得联系。同时，在总值班长站旁设置一台可以总揽全厂全貌的图形显示装置（操作站），为便于工厂调度、消防人员需求，在调度指挥中心以及消防中心，也配备用于全厂的有害气体报警指示的图形显示装置（操作站）。这样，无论对于各生产装置靠近现场侧、各生产装置在中央控制室的操作区域、调度指挥中心，还是消防中心，都可以迅捷地获得所需管理区域的有害气体检测报警信息，第一时间发出指令，并确认实际现场情况，提高了安全防范等级，有效防止泄露事故的进一步扩大。
以上系统的构成只是一种理想状况下构建的系统，但由于某些原因，在实际工程实施过程中，实现起来比较困难，问题主要集中在构建系统的硬件层面上。 可燃/有毒气体检测报警系统一般由探测器与控制器构成。 4.1 探测器
探测器是可燃有毒气体报警系统构成的最基本元素，其设置于有害气体可能泄露源的附近，安装位置、安装高度以及检测半径依被测介质不同而不同。具体可依据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》相关章节而定。
探测器按照测量原理可分为催化燃烧型、红外光学型、电化学型、热传导型、半传导型、光致电离型等，应依据被测介质及环境影响合理选用。
可燃气体探测器需要消防强制认证（CCCF），而有毒气体探测器需要强制类认证（CCC）。 4.2 报警控制器
报警控制器的作用是接收现场探测器信号，并以图像、声光等形式将信息，尤其是
报警信息显现。国标GB16808-2008规定了可燃气体报警控制器的功能、性能等要求，但是对于毒气检测，却没有相应规范对其报警控制器做出类似规定。同样的，可燃气体报警控制器需要消防强制认证，而用于连接毒气检测探头的控制器则没有消防强制认证的要求。
正是这种对于产品认证要求不同的现象，给有毒与可燃气体检测报警合并设置带来一个比较尴尬的问题。虽然这种做法在很多石化工厂内是比较通行的配置，但使用与过程控制（DCS）相同的控制器、卡件搭建有害气体检测报警系统时，会面临着DCS控制器需要不需要消防认证的问题。这个问题至今没有一个明确的结论。究其根由，正是几个相关联的规范对可燃气体报警系统描述不尽相同所造成的。比如，GB50493《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》中，本身就未提出“可燃气体报警控制器”的概念，该规范更多的是使用“指示报警设备”作为相应控制单元的表述，同时在此规范中，明确提出了可以与生产过程系统合并设置，或者使用独立的工业程序控制器、可编程控制器等。那么此“指示报警设备”是否算作“可燃气体报警控制器”就很难说的清楚了。因为这里的指示报警设备，不但连接着现场可燃气体探头，同时连接着有毒气体探头；当与生产过程系统合并设置时，生产过程系统获得可燃气体报警控制器的消防认证将成为一个难题。即使采用独立的工业程序控制器、可编程控制器，也没有指定这些控制器是为了可燃气体检测而开发的、获得了消防认证的可燃气体报警控制器。况且生产过程系统控制器本身就是一类工业程序控制器或者可编程控制器。
如上文所提到的，GB50116在可燃气体报警系统章节中，对于GB50493是认可的。由于两个标准之间的不完全兼容，使得现阶段在将有毒与可燃气体合并设置为独立系统时遇到了麻烦。在现阶段，在保证安全性、经济性、可行性的同时，在做系统架构时，只能暂时将有毒气体的检测剥离出来，依旧进入生产过程控制系统，采用专用的可
燃气体报警控制器连接现场可燃气体检测探头。虽然可燃气体报警控制器一般具备通讯功能，可以将相关信息以通讯模式传递到生产过程控制系统，但考虑到通讯的不稳定性，依旧建议通过信号分配器或端子分配等方式，将可燃气体探头的检测信号以硬件线的方式连接至生产过程控制系统。
真正独立完善的有害气体检测报警系统的构成，亟需几个规范重新调整，协调一致后加以能实现。
1） 可燃气体与有毒气体应合并设置为一个有害气体检测报警系统，且宜独立于过程控制系统BPCS及安全仪表系统SIS进行设置。
2） 有害气体检测报警系统虽然从安全意义上来说，属于工厂的安全防护手段之一，但无需将其硬件构成安全等级人为提高到与安全仪表系统SIS安全等级一致。 有害气体检测报警系统应作为一个独立于BPCS/SIS等保护系统之外的防护系统出现。本文只涉及普通常见的石化、煤化工等行业，对于有特殊要求的如海上平台等，并不在本文讨论范围之内。
【相关文献】
［1］中华人民共和国公安部．火灾自动报警系统设计规范：GB50116-2013 ［S］．北京：中国计划出版社．
［2］全国工业过程测量和控制标准化技术委员会．过程工业领域安全仪表系统的功能安全：第3部分 确定要求的安全完整性等级的指南：GB/T 21109．3-2007［S］．北京：机械工业出版社，2007，12．
［3］中国石化集团公司，洛阳石油化工工程公司。石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范：GB50493-2009［S］．北京：中国计划出版社，2009，10．
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