专家谈｜火灾和气体探测器布点分析和溯源技术深度探讨

作者简介：戴叶，男，上海合含科技有限公司总经理。

深度好文：3435字 | 7分钟阅读

摘要：石油化工领域中设置火灾和气体探测系统,可以及时发现和找到泄露源，预防事故的发生。但如何判断系统的优劣没有统一标准，由于石油化工装置工艺的复杂性,描述性标准已经无法满足设计要求。本文将通过对火灾和气体探测器的量化布点和溯源技术的分析，为石化安全技术的发展和石化工业迈向智能化、现代化进步提供参考依据。

阅读前思考：

关于火灾和气体探测器布点有那些标准或规范？

可燃气探测器的设计要遵循哪些设置原则？

进行火气探测器的布点设计的分析手段有哪些？

一.国际国内标准的相关要求

1.国标对探测器布点设计的要求

GB-T50493《石油化工可燃气体和 有毒气体设计》要求布点分析：检测点的布置，需结合泄漏发生后泄漏气体（蒸气）的现场气云扩散特性，考虑检测点的安排，为了确保现场出现泄漏事故时的及时检测报警，检测点的布置要考虑在不同泄漏场景下，目标探测器在各种潜在泄漏场所的泄漏源的分布。

实际工作中，设计人员需要按项目合同要求开展项目可燃气体和有毒气体检测报警器的布点设计效果的评价。结合现场气体扩散模拟计算结果，依据探测器选型、测量范围、探测器数量、安装位置和角度、系统的校验要求等设计参数开展。

GB-T39173《智能工厂安全监测有效性评估方法》规定布点设计技术，本标准的目的是给出智能工厂的安全监测有效性评估的方法。该方法采用计算机模拟仿真等智能手段，保障探测器满足智能工厂使用环境的需求，为今后开展安全监测有效性评估提供适当参考。安全监测有效性评估采用定量的方法，计算火焰、可燃气体、有毒气体等探测器的覆盖率，对探测器布点设计进行验证、优化。是预防危险事故发生及控制后果严重性的有效手段。

2.国际标准对布点设计的要求

ISA-TR 84.00.07《火灾、可燃气和有毒气探测系统有效性评价 指南》要求布点分析+布点分析技术。ISA-TR84.00.07-2018 is intended for use in evaluating the effectiveness of fire ang gas systems (FGSs) in process industry applications.

DEP 32.30.20.11《火灾、气体和烟雾探测系统标准》规定布点分析技术。The ability fou the FGS to detect a hazard scenario shall be assessed in an auditable manner,with rationale for detector placement documented.

布点技术的发展：从描述性标准向性能导向标准发展，从定性设计根据经验判断向量化设计根据计算判断发展。

二.设置原则

可燃气体部分，分成两种。一种原则是围绕潜在泄漏设备布设探测器。基于这个原则,我们在设计可燃气探测器之前，首先需要定义出哪些设备是我们认为的潜在泄漏设备。比如有一台LPG泵，我们懂的LPG泵是有可能会泄漏的，具体如何泄漏我们不能预测，但是既然泄漏的源头是由泵组，那么紧靠着泵组设置探测器总是不错的。

然而，紧靠泵组设置探测器就一定可以保证泄漏能够被探测到吗? 如果是一个小泵，体积小占地少，那是有可能的。为什么呢，如果泄漏气体就在泵组附近形成具有爆炸力的气团，那么通过几何型分析，我们可以计算判断出探测器的覆盖率。

可是，当这个泵体积巨大呢，或者这种泵组和周围的阀门，管路、接口不计其数，连成一片呢，我们还能保证泄漏气体也能被探测吗？理论上按照几何分析法来说，我们只要可以布设足够多的探测器，就能确保气云在具备相应爆炸力的尺寸以前被探测器捕获。

可是实际项目中，要达到这种效果，探测器的数目也会随着潜在泄漏区域的体积变大成几何级数攀升，以至于布设如此多的探测器变得不可行。那么用什么办法呢，那这时就要采用场景分析法了,我们要保证气体在其泄漏区域内被测到很困难，但是当气体扩散以后被其他区域的探测器捕获的可能性也有，当我们把邻近区域甚至较远区域的探测器都一并考虑进来时，气云被探测的可能性就大大的提高了。

第二种原则是围绕气体容易聚集沉淀产生危险的区域布设探测器，或者会直接产生危险的区域。比如一个设备管路非常密集,中间的设备有一定的下沉,这个场所很容易产生气体的聚集,即便是很小的泄漏,随着时间的推移,也可能形成巨大的气云团,当云团在密集的半开放式空间点燃时,产生的巨大冲击力会破坏装置和危及周围的人员, 所以这种区域虽然不是直接的潜在泄漏区域,但是也需要设定气体探测器。

有毒性气体设置原则和可燃性气体设置原则接近。但是有些气体即属于有毒性气体也属于可燃性气体, 那么采用哪种设置原则也需要具体问题具体分析了。

三.火灾和气体布点分析在国内的部分应用情况

西气东输二线室内分析，新疆顺北油田原油储备库蒸汽泄漏分析，霍尔果斯站外处理区分析，齐鲁石化脱硫装置火气探测布点分析，中石化天然气气田火气探测布点分析，四川普光P301集气站火气探测布点分析，中石化上海安智加氢站火气探测布点分析，中石化西上海加氢站火气探测布点分析，涠洲平台火气探测器布点分析，中天合创气化框架火气探测布点分析，巴斯夫上海聚氨酯火气探测布点分析，台塑石化丙烯装置火气探测布点分析，中科炼化气化框架火气探测布点分析。

1.罐区-重烃液体的特性

1) 危险性

蒸汽危险性远超过重烃液体，对于汽油,航煤等重烃来说，液体本身挥发性弱，燃点温度高，常温下不易点燃。但油品泄漏后缓慢产生的蒸汽不一样，与空气混合的蒸汽极易点燃。

[引自美标 NFPA 防火设计手册Fire Protection Handbook 第十二章 第6.1节]

2) 密度

油品挥发蒸汽的密度远超空气密度，常温常压下将原油在容器中静态放置一段时间之后，产生的蒸汽大部分聚集在离开液面5厘米以内，较高的空间中蒸汽将迅速下降到ppm的低浓度水平。

无风条件中实验数据煤油静置需要40分钟会产生约3cm 的达到爆炸极限的蒸汽层。

2.常见探测技术对比(以庚烷为例)

3.探测器反应的区别

四.布点分析的类型

按照ISA-TR84.00.07，可分为两种分析手段来进行火气探测器的布点设计：

（1）空间法分析(有些地方称为几何型)。分析基于几何结构与探测器的有效覆盖范围对比而得。探测器的覆盖半径基于对云团尺寸，危险类型，以及火焰焰 羽大小来判断。这种分析方法的优点是简便快捷，适用于危险源明确定义且处于比较拥挤的或半开放式的空间的环境。在完全开放式的空间以及大范围的应用时不适用，总的精确度也不如场景型分析。

（2）场景型分析。采用软件模拟技术预测特定场景下气体泄漏时产生的气云团，通过分析气云浓度与探测器灵敏度来判断事故是否能被探测到。通常场景型分析需要更多的时间和努力来完成，但是分析结果相比来说是最为精确的，在高危险的场所更是如此。

怎样进行布点分析呢 – 空间法

A.环绕危险源的几何结构形成风险层。

B.计算出代表探测器有效覆盖范围的三维几何体。

C.将风险层与探测器几何体的重合比对得出覆盖率。

注:探测器覆盖几何体的角度、半径基于对探测器性能、云团尺寸、危险类型，以及火焰焰羽大小判断。火焰探测器还会受到柱、梁、管道、设备的光路阻挡而发生改变。

怎样进行布点分析呢 – 场景法

A.定义出工厂中可能会发生的泄露场景。

B.模拟出泄露发生后的气云扩散结果。

C.通过比较气云浓度与探测器的灵敏度(报警线)来判断事故是否能被成功探测。

空间法分析的过程：

（1）建立三维模型；

（2）定义保护目标；

（3）生成风险层；

（4）布置探测器；

（5）计算分析。

空间法 – 火焰探测器覆盖率计算

第一步（调研）；第二步（配置探测器）；第三步（风险层-气体）；第四步（风险层-火焰）；第五步（配置探测器）；第六步（覆盖率计算）。

空间法 – 气体探测器覆盖率计算

第一步，定义危险源。第二步，生成风险层。第三步，配置探测器。第四步，计算覆盖率。

场景型分析步骤：

（1）建立三维模型；（2）定义区域和目标气体；（3）场景定义；（4）泄漏定义；（5）气体扩散CFD 计算；（6）探测器布置；（7）分析。

气体探测布点分析 – 样例

气体探测器场景分析的示意图

场景性分析 – 矩阵输出结果

场景性分析 – 矩阵式输出结果 (溯源分析的数据依据)

本文已结束，感谢阅读。

说明：本文内容是经燕化工平台根据戴叶先生在“2021石油化工数字化罐区高峰论坛暨第三届全国石油化工储运罐区测量控制与安全管理技术交流大会”上发表的大会报告所整理，转载请注明出处，如未经许可或未注明出处，将追究法律责任。