在石油、石化、天然气及其他过程工业生产设施和装置区域中,为了能够实时监测并有效减缓可燃及有毒有害气体泄漏所带来的安全风险，并保护这些大型、复杂的设施和装置,需要设置气体监测报警系统。从广义的功能安全保护层来看，气体监测报警系统属于安全仪表系统(SIS),用于监测可燃气体及有毒气体泄漏事故,并具备报警等风险减缓功能的“安全仪表系统”。气体监测报警系统属于减灾保护层“安全仪表系统”与预防保护层“安全仪表系统”(如紧急停车系统)相比影响气体监测报警系统功能有效性的因素更多，也更为复杂。除系统自身的安全完整性外,现场探测设备的应用适应性(所选取的检测技术是否能够满足应用需求)数量和安装位置等因素都会对气体监测报警系统的有效性造成影响。除了必须能够高度准确并可靠地识别有毒气体、可燃性气体泄漏事件的发生,气体监测报警系统还应提供所需的覆盖完整度,方可有效发挥其警和风险减缓作用。因此,如何选择检测技术需检测设备的数量、安装部署位置成为构建景气体监测报警系统的关键要素,也直接决定气体监测报警系统探测器布点的有效性,这对于整个工艺装置区域的安全运行及防灾减灾有效性,其重要性不言而喻。

1. 安全监测有效性

对于气体监测报警系统来说,目前较为通行的做法是根据相关技术标准和设计规范,以及类

似项目实施经验,进行总体方案乃至详细方案的设计,包括技术选型、数量确认以及布点方案的设计等。虽然这些方法被普遍使用,但是由于没有充分考虑泄漏场景、气体扩散模型、风力和风向因素,以及装置内设备拥塞程度和设施内部的遮挡情况,难以提供易于识别和评估的安全风险值,以及系统化、可追、可审计的布点方案有效性衡量方法;如果作业场所和装置区的气体检测仪表部署方案(例如,检测仪表的类型、位置和数量)发生变化时,安全风险到底会发生何种变化?现有的方案能不能进一步优化?是否能够优化检测技术或者减少设备数量,且能维持或能够取得更好的检测覆盖率?这一系列问题,长期困扰并限制了设计人员和客户识别系统安全风险,以及优化投资和决策的能力。

根据GB/T39173-2020《智能工厂安全检测有效性评估方法》,安全监测系统有效性是指通过覆盖率计算得出有效性的量化结果,用于评估包括可燃性气体和有毒气体在内的气体监测报警系统的有效性,它由设计、安装、特定场地运行条件以及维护相关的多个因素决定。本文为了便于理解,在表述上将气体监测报警系统称为安全监测系统。

2 探测器布点设计与评估方法

安全监测系统的设计类型分为两类,基于规范的设计和基于性能评估的设计。前者采用GB/T50493-2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》、GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》等基于大量工程经验的规范型技术标准,在很多场合下是非常高效的设计手段,该种设计方式无需考虑系统的失效风险,也不用计算探测器的覆盖率。而在过程工业,特别是石油化工、天然气领域复杂多变的环境中,基于规范的设计在很多场景下存在不完全适用的情况。因此,在过程工业领域中,特别是针对具有较高风险和潜在重大事故后果的场合,有必要采用基于性能评估的设计。

采用基于性能评估的设计时,除了确保安全监测系统的安全完整性符合设计需要,还应重点考虑安全监测有效性,即检测覆盖率。在评估安全监测系统的覆盖有效性时,尚需要考虑所选择的探测技术是否适合工艺及安全性能要求,探测器的性能参数是否满足减缓事故后果的要求,比如探测器的灵敏度是否足够高,反应速度是否足够迅速等,以及探测器的布放位置在多大程度上能够保证当危险事件发生时能够被及时地探测到(一般以百分比来表示)。

3 基于性能评估的安全监测系统

3.1 设计与流程

基于性能评估的安全监测系统设计方法与流程如下:

1）风险分析阶段。该阶段需要定义出涉及的危险区域、风险场景,风险发生导致的后果的严重性,风险发生的频率如何,以及如果不对所涉及的风险管控,将会发生什么样的事故后果。基于性能评估的安全监测系统设计与流程如图1所示。

2)确定安全监测系统的性能要求。根据**阶段的分析结论,基于性能要求可以进一步制定出概念性设计,但概念性设计仅为初步设计,是否能够满足所需要的性能要求,需要通过计算进行验证。

3)验证阶段。根据初步设计方案,评估能够达到的检测覆盖率。

3.2 检测覆盖率的评估方法

检测覆盖率的评估需要采用布点分析技术可采用两种方法:**种是几何法,也称为空间法,通过比对探测器的有效检测范围和危险源周围的风险区域的承合程度，得到量化的检测覆盖率:第二种是场景法,也称为场景模拟法，主要用于气体探测,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,并与气体探测器的布置方案对比,从而得到量化的检测覆盖率。两种办法分别适用于不同的场景，有时亦可以互为补充。这一技术最早来自于国外，在有些场合也被称为气体测绘与布点优化。

3.3 气体测绘与布点优化技术特点和优势

基于性能评估的安全监测系统布点设计评估与优化技术通过系统建模和分析计算,评估当前设施存在的安全风险和所能够达到的检测覆盖率,并通过布点优化,具体建议如何有效地降低风险等级,帮助工程设计人员和用户快速选择**方案,最终提高安全监测系统的有效性。

1)特点。气体测绘与布点优化技术有如下特点:

a)采用领先的场景检测覆盖分析模型。不同于常规的平面检测覆盖分析,场景检测覆盖分析模型可以**程度地帮助客户减少投资,达到安全和成本的**平衡。该分析模型包含:各类气体探测器的具体性能设置,设施设备的泄漏概率泄漏类型、泄漏大小和严重程度,各种气象条件和环境因素,设施结构性障碍物的分布等。

b)可导人PDMS、AutoCAD、Bently Microstation等软件设计的3D设施图纸,实现全立体风险和覆盖分析,包括:气体泄漏空间范围,探测器检测立体视角,障碍物设施类型和位置,障碍物设施遮挡效果等。

c)定量分析。可直观指示不同的颜色显示代表不同的风险级别和覆盖效果,检测覆盖率有明确的量化指标。

2)优势。气体测绘与布点优化技术有如下优势:

a)提高工厂安全等级。气体测绘与布点优化评估可以帮助提高安全监测系统的可靠度,特别对于新建装置,这种基于量化评估的方法可以显著提高安全监测系统设计的准确度,更好地控制由于泄漏带来的事故风险;对于改造类项目和装置,该解决方案也可以基于现有布点方案,提供量化的风险评估,并给以优化建议,以达到需要的检测覆盖率以及期望的性能指标。

b)优化资源配置。该解决方案能够以量化客观的方式给出安全监测系统布点优化建议,例如优化检测原理和技术、设备数量以及部署位置:达到客户期望的检测覆盖性能目标。选择最合适的安全监测系统布点方案,而不是最贵的,让客户直观理解如何管理风险,可以更好地优化项目投资和资源配置。

c)提高设计准确度和工程效率。气体测绘与布点优化技术提供了一整套的安全监测系统设计流程和规范,使得设计工作变得更加简单和准确。同时,该解决方案还可以提供更为灵活的评估能力,当面临工程设计变更时,可以通过快速对比的方式“渐进”地修改并获得评估结果,优化设计效率,降低工程费用。

用户获得的评估报告中的内容包括:图形化的气体检测覆盖图,建议的检测仪表部署位置方案,建议的部署数量,执行该方案后的检测覆盖率,以及预计的剩余风险残值。

文章来源：《石油化工自动化》

杨亚非’,马云鹏

(1、四川省达州市质量技术监督检验测试中心,四川达州635002;

2.梅思安(中国)安全设备有限公司,江苏苏州215000)