以往國(guó)內(nèi)中小型石化企業(yè)罐區(qū)的消防設(shè)計(jì)主要是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警信號(hào)、火災(zāi)手動(dòng)報(bào)警信號(hào)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(dòng)控制。也有一些項(xiàng)目消防設(shè)計(jì)采用火災(zāi)報(bào)警信號(hào)進(jìn)DCS系統(tǒng)獨(dú)立的卡件[1]，再送到火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警盤(pán)后，由消防控制中心主控器實(shí)現(xiàn)消防聯(lián)動(dòng)控制。對(duì)于中小型石化罐區(qū)消防規(guī)模和設(shè)施相對(duì)較少，消防聯(lián)動(dòng)控制（包括啟動(dòng)消防水泵，消防泡沫泵，打開(kāi)消防閥門(mén)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(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)的消防方式，基本上就可以滿足消防要求。但無(wú)論上述哪種設(shè)計(jì)方式都有不足之處。

其一，當(dāng)罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，操作人員必須在消防控制室或是現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)打開(kāi)消防泵，消防閥等，所需的時(shí)間一般都會(huì)超過(guò)消防規(guī)范要求的發(fā)生火災(zāi)時(shí)5分鐘內(nèi)進(jìn)行滅火的時(shí)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(guò)程的繁雜，人為的誤操作等耽誤了滅火的最佳時(shí)機(jī)，給企業(yè)和國(guó)家?guī)?lái)了巨大的損失。所以在設(shè)計(jì)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(jì)中消防聯(lián)動(dòng)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(dòng)報(bào)警盤(pán)的蓄電池后備電源應(yīng)保證火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及聯(lián)動(dòng)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(shí)以上[2]。所以當(dāng)工廠供電中斷后30分鐘~3小時(shí)之間，從設(shè)計(jì)的角度講DCS系統(tǒng)將無(wú)法報(bào)警和聯(lián)動(dòng)，此時(shí)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警盤(pán)檢測(cè)到火災(zāi)隱患，發(fā)出火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警信號(hào)，DCS系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制的消防設(shè)施由于電源中斷將不能動(dòng)作，此種情況下火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)不能密切配合，只能人工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)進(jìn)行滅火，同樣會(huì)耽誤滅火的最佳時(shí)機(jī)。所以目前大型罐區(qū)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)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(dòng)和電源設(shè)置的要求，達(dá)到全廠火災(zāi)及可燃?xì)怏w報(bào)警和消防控制整體一體化。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(jì)中規(guī)范要求、項(xiàng)目規(guī)模、兼顧投資要求，整個(gè)罐區(qū)火災(zāi)及可燃?xì)怏w報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)采用獨(dú)立的火氣系統(tǒng)完成。

本項(xiàng)目共有10萬(wàn)立原油儲(chǔ)罐22座；5萬(wàn)立、3萬(wàn)立原油儲(chǔ)罐以及其他成品油罐和化工品儲(chǔ)罐共46座，總庫(kù)容368萬(wàn)立。本項(xiàng)目設(shè)置1個(gè)中心控制室，5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室，1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制室。FGS系統(tǒng)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)操作在中心控制室實(shí)現(xiàn)。5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室設(shè)置FGS系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制站，信號(hào)采用冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至中心控制室FGS系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)控制室可實(shí)現(xiàn)本區(qū)域火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和消防操作，信號(hào)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(bào)警監(jiān)控和操作。

易燃易爆工廠正常運(yùn)行時(shí)，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(shí)，SIS和ESD將自動(dòng)執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，完成泄壓設(shè)備保護(hù)，工廠緊急疏散。

為保證每個(gè)層面對(duì)可燃?xì)怏w泄漏，火災(zāi)發(fā)生的可靠、及時(shí)檢測(cè)和保護(hù)，必須選用安全性高，可靠性好，可用率高，誤動(dòng)作少的控制系統(tǒng)，而火氣系統(tǒng)是目前對(duì)整個(gè)生產(chǎn)火災(zāi)報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)最可靠的保證。

由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，安全管理也需要及時(shí)、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(shì)。

FGS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警方式比較見(jiàn)表1。

表1 FGS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)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(dòng)報(bào)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(chē)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(duì)安全儀表的定義，為防止過(guò)程工業(yè)中事故的發(fā)生，過(guò)程工業(yè)設(shè)計(jì)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(jí)是逐漸增強(qiáng)的。FGS系統(tǒng)是過(guò)程工業(yè)的安全防護(hù)層中的一個(gè)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(jì)多重防護(hù)層

Fig.1 Industrial safety design multiple protection layers

整個(gè)防護(hù)層分為3個(gè)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(chē)實(shí)現(xiàn)。安全控制層和報(bào)警、操作員介入層屬于非正常工況區(qū)，是危險(xiǎn)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(chē)或消防動(dòng)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(dòng)作后仍不能避免或降低災(zāi)難的損害，積極防護(hù)層將動(dòng)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(huì)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(cè)、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(duì)象所需的安全整體性等級(jí)（SIL）來(lái)確定其安全等級(jí)。根據(jù)IEC61508的要求安全整體性是指在一段固定的時(shí)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(jì)時(shí)必須采用冗余的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)安全整體性設(shè)計(jì)時(shí)要求參考PFDaverage值（平均故障可能性）和PDFperhour值（每小時(shí)危險(xiǎn)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(jí)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(shí)失效對(duì)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(cè)變送元件、獨(dú)立的執(zhí)行元件。在項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)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(dòng)報(bào)警和消防控制。

本項(xiàng)目FGS系統(tǒng)在中心控制室、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室、現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)機(jī)柜室、現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間為8小時(shí)，確保全廠生產(chǎn)停車(chē)時(shí)也可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和消防控制[7]。

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

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件掉電、故障時(shí)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(chǎng)關(guān)鍵的位置設(shè)置3個(gè)檢測(cè)器，經(jīng)邏輯“或門(mén)”發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行3取2邏輯聯(lián)鎖動(dòng)作。

FGS系統(tǒng)消防聯(lián)動(dòng)信號(hào)連接采用硬線形式。現(xiàn)場(chǎng)光纖光柵感溫探測(cè)器經(jīng)主機(jī)報(bào)警后，報(bào)警信號(hào)經(jīng)硬線連接形式送至FGS系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)消防電動(dòng)閥開(kāi)閥信號(hào)由FGS系統(tǒng)發(fā)出經(jīng)硬線送至電動(dòng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)手動(dòng)報(bào)警按鈕報(bào)警信號(hào)采用硬線連接形式送至FGS系統(tǒng)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式報(bào)警聯(lián)鎖方式。

本項(xiàng)目采用冗余、容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的故障安全型控制系統(tǒng)，安全等級(jí)達(dá)到SIL2，并符合國(guó)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(chǎng)設(shè)備等。系

統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)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(cè)器，三線制4~20mA信號(hào)。

2）消防水管道壓力變送器，4~20mA疊加HART信號(hào)。

1）火焰探測(cè)器信號(hào)為數(shù)字量輸入。采用雙探頭火焰檢測(cè)器，探測(cè)信號(hào)來(lái)自紅外或紫外檢測(cè)器，紅、紫外兩種光譜同時(shí)被探測(cè)到，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生了火災(zāi)（發(fā)生火災(zāi)時(shí)兩種光譜都會(huì)出現(xiàn)）。這樣做可以防止現(xiàn)場(chǎng)單獨(dú)的紅外或紫外光產(chǎn)生的誤報(bào)警（閃電、或是電?。?。

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

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

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

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警盤(pán)通訊信號(hào)送至FGS系統(tǒng)，通訊協(xié)議及接口采用MODBUS RTU RS485。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)主要有溫度、壓力、液位、可燃?xì)怏w泄露檢測(cè)報(bào)警信號(hào)以及火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警信號(hào)等，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要有可燃?xì)怏w檢測(cè)器，感溫光纖光柵檢測(cè)器，火焰探測(cè)器，火災(zāi)手動(dòng)報(bào)警按鈕，公共聲光報(bào)警器，電動(dòng)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(cè)器，自動(dòng)噴淋降溫設(shè)備，手動(dòng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)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(dòng)報(bào)警信號(hào)傳至泡沫供水泵就地控制柜，就地控制柜立即將信號(hào)傳至高壓柜，啟動(dòng)泡沫供水主泵，泡沫供水主泵（包括備用泵）逐一自動(dòng)啟動(dòng)。每臺(tái)消防泵的啟動(dòng)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(dòng)啟動(dòng)備用消防泵；消防泡沫供水泵的狀態(tài)信號(hào)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(tái)設(shè)置消防泵的遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)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(dòng)報(bào)警信號(hào)啟動(dòng)消防泵，并在高壓消防泵和穩(wěn)壓泵故障時(shí)，自動(dòng)切換至柴油消防泵消防。根據(jù)消防水用量的變化，自動(dòng)啟動(dòng)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(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)穩(wěn)壓泵，管網(wǎng)壓力上升至0.85MPa時(shí)，延時(shí)15秒，穩(wěn)壓泵自動(dòng)停止工作。兩臺(tái)穩(wěn)壓泵一用一備，輪流工作，自動(dòng)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(dòng)報(bào)警信號(hào)時(shí)，將管網(wǎng)壓力傳至就地PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)立即將信號(hào)傳至高壓柜，依次啟動(dòng)消防主泵（柴油泵）延時(shí)10秒鐘，如果消防主泵出現(xiàn)故障，10秒鐘后自動(dòng)啟動(dòng)備用消防泵（電動(dòng)泵）；消防水泵的狀態(tài)信號(hào)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(tái)設(shè)置消防泵的遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)按鈕。

現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警信號(hào)上傳FGS系統(tǒng)，控制室操作人員確認(rèn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警信號(hào)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(dòng)相應(yīng)一鍵式消防按鈕，進(jìn)行滅火，并同時(shí)啟動(dòng)火災(zāi)廣播、報(bào)警器，保證現(xiàn)場(chǎng)人員撤離，消防人員介入。

按動(dòng)消防按鈕有以下聯(lián)動(dòng)動(dòng)作：

1）打開(kāi)消防水電動(dòng)閥/消防泡沫水閥，開(kāi)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(dòng)開(kāi)啟消防水泵/泡沫泵，若此時(shí)管網(wǎng)壓力仍下降，開(kāi)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(guò)程中消防高壓泵、穩(wěn)壓泵故障，由消防水泵PLC程控啟動(dòng)消防柴油機(jī)泵，確保消防及時(shí)、連續(xù)、可靠。

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

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

現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)動(dòng)作沒(méi)有執(zhí)行，控制室迅速進(jìn)行人工干預(yù)，遠(yuǎn)程手動(dòng)開(kāi)閥，啟泵。

當(dāng)遠(yuǎn)程操作都失靈時(shí)，及時(shí)通知消防人員現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開(kāi)閥，現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)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(dòng)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)是生產(chǎn)安全的重要保障。近年來(lái)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(jì)理念和技術(shù)也在不斷地提升。傳統(tǒng)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)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(dòng)報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)的一體化系統(tǒng)。