石油化纤厂聚酯装置火灾自动报警系统设计

石油化纤厂聚酯装置火灾自动报警系统设计摘 要 石油化纤厂环境复杂，既有正常环境又有爆炸危险环境，其火灾自动报警系统设计涉及面广。本文以某工程聚酯装置为例，介绍了火灾自动报警系统的设计。关键词 聚酯装置 爆炸危险环境 系统设计 联动控制 本质安全电路 系统接地石油化纤厂属于石油化工企业，厂区内既有建筑物又有露天生产装置，既有一般场所又有爆炸和火灾危险场所，其建筑物(如生产厂房、物品库房等)的火灾自动报警系统设计应执行火灾自动报警系统设计规范和建筑设计防火规范的规定，但两规范对建筑物内爆炸危险场所探测报警设备的选择及线路敷设等问题，因场所专业性强、环境特殊复杂而未作规定，而设计唯一可依据的国标爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范却偏重于强电部分，对仪表专业用得较多的本质安全电路介绍甚少。本文通过对石油化纤厂聚酯装置火灾自动报警系统设计的简单介绍，希望能起到抛砖引玉的作用，使更多的人来关注工矿企业的电气消防设计，揭开爆炸危险场所可怕又神秘的面纱。1 工程概况某工程聚酯装置采用国内自行开发的以精对苯二甲酸和乙二醇为原料，三醋酸锑为催化剂，二氧化钛为消光剂，通过直接酯化连续缩聚工艺生产纤维级聚酯熔体及切片，单系列日产聚酯熔体600吨。该聚酯装置由缩聚问、热媒泵房、催化剂消光剂储存及加料间、PTA加料间等生产车间和变配电室、MCC室、DCS控制室、过滤器清洗、化验室、制冷站等附房组成。装置建筑面积为10390m2，占地面积2358m2，五层，局部六层(含电梯机房及消防水箱间)，现浇钢筋混凝土框架结构，空心砖墙围护，半开敞式，建筑总体高度31.8m，属高层工业厂房，生产火灾危险性为丙类，耐火等级为二级。每层车间为一个防火单元，各层附房合为一个防火单元。2 聚酯装置火灾危险性分析聚酯生产属化工性质，反应温度高，在生产过程中使用或产生的一些物质有一定的危险因数，见表1。这些物质发生泄漏时，易引起火灾或一定范围内的爆炸危险。根据工艺专业提出的释放源级别和位置，易燃物质的性质、通风条件、障碍物、生产条件，以及爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范(GB50058-92)，划分聚酯装置一至四层生产车间为爆炸性气体环境2区，其中一层的地坑和地沟为1区；五层PTA加料间采用链板输送机输送，划定为爆炸性粉尘环境11区(按照可燃性粉尘环境用电气设备第1部分：用外壳和限制表面温度保护的电气设备第1节：电气设备的技术要求(GBl2476.1-2000)则称为可燃性粉尘环境22区)。聚酯装置附房为正常环境。3 系统设计3.1 系统保护对象分级和系统形式选择表1 主要化学危险物品特性注：1.若按新国标GBl2476.1-2000规定，其温度组别定为T1。聚酯装置属于石油化工企业，为高层丙类生产厂房。根据火灾自动报警系统设计规范(GB50116-98)第3.1.1条和石油化工企业设计防火规范(GB50160-92)(1999年版) 第7.8.1条，聚酯装置必须设置火灾自动报警系统，保护对象为二级，采用区域报警系统，在有人值班的DCS控制室设置一台二总线智能化区域火灾报警控制器，通过RS485总线与厂区消防值班室内集中火灾报警控制器进行通讯联系。3.2 火灾探测器的设置部位及选择火灾探测器的设置部位应与保护对象的等级相适应，二级保护对象采用区域保护方式，只保护火灾危险性大或者存在火灾危险而且重要的某一区域或场所。故聚酯装置设置火灾探测器的部位有缩聚间(生产车间)、热媒泵房(生产车间)、催化剂消光剂储存及加料间(生产车间)、PTA加料间(生产车间)、变压器室、低压配电室、MCC室、WPS室、DCS控制室、化验室、空调机房、电梯机房；而对制冷站、过滤器清洗、办公室等部位考虑不设置火灾探测器。火灾探测器的选择应根据设置场所的火灾形成和发展特征、房间高度、环境特点等因素来确定。聚酯装置附房为正常环境，在设置火灾探测器的部位选择光电感烟探测器，吸顶安装；其中若MCC室、DCS控制室敷设电缆的架空地板净空高度0.6m，应设光电感烟探测器，保护面积为25m2。爆炸性气体环境选择本安型防爆光电感烟探测器(ExibCT6)；爆炸性粉尘环境选择本安型防爆感温探测器(ExibCT6)。将防爆区的防爆探测器等本安设备引接至安全区时，每一个回路须串接一个齐纳安全栅，限制本安电路的电能在安全范围内。齐纳安全栅集中安装在置于非防爆区的安全栅箱内，齐纳安全栅须可靠接地。每个齐纳安全栅后可带本安设备的数量，不同厂家有不同的要求，但差异甚小，一般来说每个齐纳安全栅后面最多可带5只非编码防爆探测器，防爆感烟探测器和防爆感温探测器可混接一个回路。3.3 手动火灾报警按钮火灾自动报警系统应设有手动和自动两种触发方式。每个防火分区应至少设置一个手动报警按钮。从一个防火分区内的任何位置到最邻近的一个手动报警按钮的距离不应大于30m(间距不大于60m)。手动报警按钮设置在聚酯装置每层生产车间和附房出入口处。爆炸性气体环境选择本安型防爆手动报警按钮(ExibCT6)；爆炸性粉尘环境选择本安型防爆手动报警按钮(ExibCT6)，并带防尘罩，使之达到IP5X防护等级。本安型防爆手动报警按钮亦应通过齐纳安全栅才能接入安全区，每个齐纳安全栅后可带本安设备的数量，不同厂家差异较大。有些厂家要求每个齐纳栅后最多可带5只非编码防爆型手动报警按钮，且防爆型手动报警按钮和防爆探测器可混接在同一个回路；有些厂家要求每个齐纳栅后最多可带5只非编码防爆型手动报警按钮，但防爆型手动报警按钮和防爆探测器不能混接在同一个回路；有些厂家要求每个齐纳安全栅后面最多可带15只防爆型手动报警按钮，且不能和防爆探测器混接在同一个回路。3.4 火灾警报装置聚酯装置不设置火灾应急广播，在每个防火分区至少应设一个火灾警报装置，其位置设在聚酯装置每层生产车间和附房出入口处。附房的火灾警报装置选用声光报警器；爆炸性气体环境选用隔爆型警铃(ExdBT6，75dB)，聚酯装置二层生产车间环境噪声约85dB，该场所火灾警报装置选用隔爆型警笛(ExdBT6，100dB)；爆炸性粉尘环境选择具有IP5X防护等级的隔爆型警铃(ExdBT6，75dB)。3.5 消防专用电话在聚酯装置低压配电室、DCS控制室设置消防专用电话分机；在附房手动火灾报警按钮处设置电话塞孔。消防电话线引自厂区消防值班室总线制消防电话总机。4 消防联动控制聚酯装置消防联动控制对象包括室内消火栓灭火系统、电梯(货梯)、火灾警报装置、火灾应急照明、空调通风系统及非消防电源的断电控制。消防联动控制方式由火灾报警控制器通过报警控制总线和模块自动控制。4.1 本工程聚酯装置采用临时高压消防给水系统，为保证最不利点消火栓和自动喷水灭火设备的水量和水压要求，在聚酯装置屋面上设18m3消防水箱和自动增压设备(气压罐和稳压泵)。该套设备根据国标图集消防增压稳压设备选用与安装(98S176)设计，稳压泵由气压罐连接管道上的远传压力表自动控制启停，一用一备两台稳压泵，轮流工作，自动切换，交替运行。平时管道系统如有渗漏等情况，控制稳压泵不断补水稳压，在PS1(启动)与PS2(停止)间反覆运行。一旦有火情，管道系统大量缺水，系统水压从P S1下降至P2时输出启动消防主泵信号，当消防主泵启动后返回信号切断稳压泵控制电源，使稳压泵自动停止。稳压泵的工作及故障信号送至消防值班室，并在联控台上显示。本工程消防水泵设在厂区综合给水站消防水泵房内。稳压泵的P2值压力开关引至消防水泵电控箱，自动启泵。4.2 建筑设计防火规范(GBJl6-87 ) (2001年版) 第8.6.2条第九款规定，高层工业建筑应在每个室内消火栓处设置直接启动消防水泵的按钮，并应有保护设施。由于聚酯装置存在爆炸危险场所，目前还无法选到既能报警又能直接启泵的防爆型消火栓启泵按钮，因此本工程聚酯装置在消火栓箱内设置手动报警按钮，通过总线向火灾报警控制器报警和显示部位，并经联动控制台转换后实现手动和自动控制启泵。在爆炸危险场所消火栓箱内设置的手动报警按钮采用本质安全型，并应自成一个回路，与只起报警作用的箱外手报按钮和探测器的地址编码区分开来。4.3 为防风助火势，使火灾扩大，空调通风管道上的70防火阀关闭后，应通过其输出接点将关闭信号反馈到消防值班室，并通过联动控制系统关闭空调风机和有关部位的送风机，送风机的关闭信号也应反馈到消防值班室。4.4 火灾确认后在配电室手动切断相关部位的非消防电源；通过控制模块自动接通警报装置及火灾应急照明灯和疏散标志灯，自动控制电梯全部停于首层，并接收其反馈信号。5 系统供电本工程聚酯装置室外消防用水量超过30L/S，根据建筑设计防火规范(GB716-87)(2001年版) 第10.1.1条第二款以及石油化工企业生产装置电信设计规范(SHJ28-90)第10.0.1条规定，聚酯装置火灾报警系统应按二级负荷供电，采用双回路在末端自动切换。火灾报警控制器的直流备用电源采用专用蓄电池，蓄电池容量应按火灾报警控制器在监视状态下工作24h后，再加上同时有二个分路报火警30min用电量之和计算。6 布线和配管爆炸危险场所火灾自动报警系统的布线配管既要满足消防的要求，又要满足爆炸危险环境的一般规定。6.1 本工程聚酯装置火灾自动报警系统的传输线路和DC24V供电的控制线路，均采用电压等级不低于交流250V的阻燃铜芯屏蔽电缆。交流220/380V的供电和控制线路采用电压等级不低于交流500V的阻燃铜芯电缆。本质安全电路用电缆的绝缘应能承受导体对地、导体对屏蔽和屏蔽对地至少为交流500V的试验电压。6.2 火灾自动报警系统的传输线路的线芯截面选择，应满足回路电阻的要求和机械强度的要求。导线截面按回路电阻计算公式如下：S2L/R或已知厂家导线电阻参数时r=1000R/(2L)r1式中：S-导线计算截面积，(mm2)；- 导线材料的电阻系数，对于铜导体=0.0184mm2m；L - 电缆长度，(m)；R - 导线允许电阻值()，由消防厂家提供；r - 导线单位长度的允许电阻值，(/km)；r1 - 20时导线电阻最大值(/km)，由电缆厂家提供。火灾自动报警系统的DC24V控制线路(联动电源线)的线芯截面选择，应按允许电压降计算，其公式如下：S2LIU式中：S - 导线计算截面积，(mm2)；- 导线材料的电阻系数，对于铜导体=0.0184mm2m：L - 电缆长度，(m)；I - 回路报警时的最大工作电流，(A)；U - 线路允许电压降(V)，由消防厂家提供。本工程聚酯装置火灾自动报警系统的信号总线和消防电话线选用ZR-RVVP-300/300V-21.5阻燃屏蔽电缆；联动电源干线选用ZR-RVVP-300/300V-24阻燃屏蔽电缆；本安回路电缆选用ZR-RVVP-300/300V-21.0阻燃屏蔽电缆。国产防爆型警报装置功耗高(20W)，若采用直流电源驱动，则电缆干线截面较大，考虑本层、上下相邻层共6个防爆型警报装置同时动作，电缆截面需16mm2；因此本工程防爆型警报装置采用交流220V供电，由控制模块自动控制其动作。6.3 聚酯装置火灾自动报警系统本质安全电路由本质安全设备(本安型探测器或本安型手报按钮)、关联设备(齐纳安全栅)和连接电缆三者构成，其安装和线路敷设应符合下列规定： a本质安全电路和非本质安全电路不应共用一根电缆或穿同一根保护管。b当采用芯线无分别屏蔽的电缆或无屏蔽的导线时，两个及其以上不同回路的本质安全电路，不应共用同一根电缆或穿同一根保护管。 c本质安全电路及其附件，应有蓝色标志。如果本质安全或非本质安全电路电缆已有铠装、金属护套或屏蔽，不需再做标志。d本质安全电路与非本质安全电路在同一电缆槽或同一电缆沟道内敷设时，应用接地的金属隔板或具有足够耐压强度的绝缘板隔离，或分开排列敷设，其间距应大于59mm，并分别固定牢固。e本质安全电路不应受到其他线路的强电磁感应和强静电感应，可通过采用屏蔽、绞合电缆或与电磁场保持足够距离来实现。f 本质安全电路的安装应使电缆电容、电感或L/R及表面温度不超过规定值，该允许值应从合格证书、电气设备标志或设备安装说明书中取得。设计时应按设计的电缆长度验算电缆的分布电容和分布电感值是否满足要求。通常电缆分布参数按集中参数考虑，其值与电缆长度成正比，即 CC CO-Ci，L CLO-Li式中：CO 、LO - 关联设备给出的最大外部允许电容和电感量；Ci 、Li - 本安设备内部最大等效电容和电感量；CC 、L C - 允许电缆的最大分布电容和电感量；国内电缆厂生产的电缆，从样本上查找并不是都能提供分布参数值。安全栅生产厂所提供CO和LO值也不是数值都相同的，按不同型号而不同。无资料时可参考有关国外标准资料进行估算，美国NFPA(美国国家防火协会)曾提出过用于1区场所的本安系统的连接电缆的最大分布电容CC和分布电感L C值作为参考，即L C0.66礖/m，CC197pF/m例如，本工程聚酯装置消防电子设备选用北京利达防火保安设备有限公司产品，防爆型感烟火灾探测器(本质安全设备)Ui=28V，Ii=35mA，Ci 0礔，Li 0mH；防爆型感温火灾探测器(本质安全设备)Ui=28V，Ii=35mA，Ci 0礔，Li 0mH；所配齐纳安全栅NF751(关联设备)参数UO=28V，Io=35mA，Co=0.04礔，LO=5mH；本安设备与关联设备之间连接电缆的CC=0.03l礔，L C=5mH。设计时选用ZR-RVVP-21.0阻燃型屏蔽电缆(交流试验电压为1500V/5min)，本安支路最远100m，该段电缆分布电容CC=100197=0.0197106 pF=0.0197礔0.03礔满足要求；分布电感L C=1000.66 = 0.066103礖 = 0.066mH5 mH满足要求。如果采用普通电缆，其电缆长度满足不了本安电路的要求时，则应改用本安专用电缆(额定电压为300/500V，电缆采用蓝色护套)，其具有较低的电容电感参数，优异的屏蔽性能和抗干扰性能。g由于本质安全电路在正常工作和规定的故障条件下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境，且本质安全设备无隔离密封要求，因此爆炸危险场所敷设的没有中间接头的本安电路导管系统可以暗敷。聚酯装置结构梁多且高，若明敷报警信号管线路径长，弯头多敷设困难且耗材，而采用暗敷约节省25材料，更能满足消防的要求。但须注意本安电路连接电缆应在防爆探测器或防爆手报按钮底座的接线端子上接线分线，不能在本安设备底部预埋的普通接线盒内接线或在暗敷管线的任意中间部位设置普通接线盒分线，否则会影响系统的本安性能。另外本工程暗敷的本安电路导管在2区与正常环境之间的隔墙处仍应做好隔离密封。具体做法可采用：从安全栅箱引出的本安回路沿封闭线槽敷设穿过隔墙由正常环境进入爆炸危险场所后，改穿焊接钢管暗敷在楼板内，线槽在穿墙处使用密封胶泥进行密封。6.4 聚酯装置正常环境消防线路穿焊接钢管暗敷，局部沿封闭金属线槽敷设，线槽外刷防火涂料。爆炸危险场所内隔爆型消防设备采用镀锌焊接钢管明敷配线，管外刷防火涂料；电缆线路的中间接头应在相应的防爆接线盒内连接。爆炸性气体环境、爆炸性粉尘环境，敷设消防线路的金属线槽或钢管，所穿过的不同区域之间墙或楼板处的孔洞，应采用非燃性材料严密堵塞。在爆炸性气体环境2区内，钢管配线的消防线路在2区与相邻的11区或正常环境之间，必须做好隔离密封。7 系统接地根据火灾自动报警系统设计规范（GB50116-98)，为建立统一的基准电位，保证系统正常工作，火灾自动报警系统需要设置直流工作接地，并为此而设置专用的接地板和专用的接地干线，且采用共用接地装置时接地电阻值不应大于1。但实际上目前市场上生产的火灾报警控制器产品只有一个与金属外壳相连的保护接地端子，无直流工作接地端子，消防信号回路采用不接地的“浮动工作地系统”，即悬浮地。因此，聚酯装置火灾自动报警系统的接地分为保护接地、屏蔽接地和本质安全电路接地，并采用共用接地，接地电阻值不应大于4。7.1 保护接地为保护人身安全和设备安全，区域报警控制器和安全栅箱的金属外壳、金属线槽、电缆保护管等均应做保护接地，采用6mm2铜芯绝缘线穿塑料管就近接至等电位接地端子板。7.2 屏蔽接地为保证信号在传输中不受干扰，降低电磁干扰，防止在电路的一端与其他端之间地电位有差异时可能出现危险的屏蔽故障环路电流，屏蔽电缆的屏蔽层必须在DCS室火灾报警控制器处单点接地，现场侧浮空，且同一回路的屏蔽层应具有可靠的电气连续性。屏蔽接地采用6mm2铜芯绝缘线穿塑料管就近接至等电位接地端子板。7.3 本质安全电路接地为了防止在危险区存在过高的对地电势和产生过大的地电流，齐纳式安全栅应可靠接地。聚酯装置各层安全栅箱内的齐纳栅汇流条在两端采用接地干线(16mm2铜芯绝缘线)穿塑料管分别串接，再分别接至一层总等电位接地端子板。齐纳栅接地汇流条至接地体之间的连接线电阻应不大于1，齐纳栅接地电阻应不大于4。8 结论8.1 聚酯装置结构梁又高又多，当梁突出顶棚的高度超过600mm时，被梁隔断的每个梁间区域至少应设置一只探测器。设计时应注意梁突出顶棚的高度为梁高减去楼板厚，而非梁的高度。在电气平面图中应插入结构梁板图，并标出梁尺寸，以