火灾和气体探测器布点软件的发展

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从全球范围来看, 目前除各种公司制定的企业标准以外, 有关于石油化工行业内，火灾和气体探测器的布点或布置分析和评价，国家级别的标准主要有三个，美国仪器仪表协会制定的的ISA-TR 84.00.07，相对这个细分行业是制定最早，影响也最深远的标准，从2006酝酿，至2010出具的第一版标准，第二个主要标准是中国标准化管理委员会发布的国标GB-T39173，这个标准从2017年开始筹办到2020年10月发布，21年5月才开始正式实施，仍然非常新，相信会逐步影响国内和国际EPC出口的国家和地区。第三个标准是英国BSI标准主导的BS-60080，其出版其实也是在2020年10月，基本上是和GBT39173同步推出。主要影响的范围还没有完全体现出来，应该主要影响欧洲地区。

引述美国仪器仪表学会标准ISA-TR 84.00.07 《火灾与气体探测系统性能评价指南》中的条款, 为火灾与气体系统的所作出的评价关键是评价本身必须使用精确的可追溯的方法, 意味着不仅要求对与火气安全系统本身硬件和软件部分做出评价, 同时也要求对火气系统的基础设计做出评价。基于如此的考量, 因此无论探测器型号和量程的选择, 探测器数量和位置布置, 角度的设置, 以至于系统设备自身硬/软件各环节, 设计者必须按照工艺的特点通盘考虑。

按照英国HSE数据库OTO 93:002的内容, 按照传统方法布置的探测器在实际应用中有效性只能达到40%左右。但是设计者却没有哪一个标准可以明确的依照设计。正如英国石油公司火气探测设计标准BP30-85中第一段话中指出的那样, 尚没有某个国家或国际标准提出清晰的火灾和气体泄漏的规格和探测器设计办法。

从2000年初伊始, 荷兰皇家壳牌公司率先开始采用专门分析软件对探测器进行布点分析伊始, 时至今日, 全球许多主流的石油化工公司, 包括美国的雪佛龙, 埃克森美孚, 欧洲的壳牌, 英国石油公司，法国道达尔, 德国巴斯夫, 中东地区的科威特KNPC国家石油公司,  沙特阿美, 以及亚洲地区的马拉西亚Petronas石油公司, 越南PetroVietnam石油公司等均常规化采用软件模拟的办法来进行火灾和气体探测器的量化设计。

基于时代与系统安全的需要, 软件计算的办法已经逐步深入到石油化工的领域， 作为量化计算评价火灾与气体探测系统的安全完整性的重要组成部分, 确保对系统所做的整体性评价是切实可依的。

软件采用定量的方法，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。它的优点是：
——与定性分析相比较，可以提供量化的覆盖率及布局方案，避免主观因素对火气监测有效性的影响。
——虽然没有定性分析过程简便，但其结果精确，在定性分析之后可以应用该方法对分析结论进行优化。
——利用三维设计成果开展评估，并提供可视化的分析过程和结果。


1)        火气布点技术的发展
早在20世纪末开始, 壳牌公司委托第三方软件公司Gexcon开发软件做布点分析, 其软件起始状态下只是几何型分析, 基于假定的探测器覆盖参数进行计算, 算法仅基于二维图形, 逻辑简单, 结果也较粗略（如示图）。

期间, 有石油公司开始采用DNV的PHAST软件做气体扩散前期分析, 手动根据分析结果来布置探测器, PHAST软件基于高斯模型的算法不考虑工厂的三维建筑结构, 在实际的应用中偏差太大, 以至于只能用于几十公里范围内的粗略估计。

2003~2008年之间, 欧洲出现一些公司, 如英国的Hazras开始意识到这些问题, 于是开始采用CFD计算流体力学的算法计算气云扩散, 但当时的计算机能力和算法本身还比较落后, 需要投入大量的人力财力物力进行计算, 并且后期处理也依旧借助于人工办法手动处理。另外有一些制造型公司, 比如英国Micropack, 本身是火焰探测器的厂商, 他们在2003年开始与BP展开合作, 专门编写了可以评估火焰探测器覆盖率的软件, 早期只能用于火焰探测评估, 后来逐渐发展为也可用于气体探测器的评估, 但这些软件仍然基于二维系统进行计算。

2006年, ISA美国仪器仪表协会开始邀请一些专业公司合作编写了ISA-TR 84.00.07, 即火灾和气体探测系统的性能评价指南, 到2008年出了B版稿件, 到2010年出了正式版。这个指南的初衷是将火灾和气体探测系统的性能评价纳入到功能安全系统的评价方法体系中去。

依照该指南, 其明确的提出了布点技术所应采用的方法和适用场合。作为该指南的编写作者, 美国公司Kenexis的软件被应用于雪佛龙和埃克森美孚的较多项目中, 其软件早期是也基于二维技术（如示图）, 后来逐渐的引入三维模型计算的能力。

从2010年开始, 随着布点技术的成熟, 该部分技术开始被引入到中东和亚洲的项目中, 其中亚洲是以马石油Petronas为首开的先河, 其下属Petronas University的功能安全研究组在2007年接到总公司的任务开始和英国MicroPack合作开发版权属于Petronas的分析软件（如示图）, 但其仅仅基于几何型模型的算法导致实际项目中需要排布相当多数量的探测器，这也引起了运营单位的不满, 目前Petronas也在其所属大学中投入更多的人力尝试研发场景型分析的软件功能。

到2018年, 壳牌的布点软件主要仍然是和软件公司Gexcon公司合作在布点软件中引入CFD模拟技术的元素, 但后期分析仍然是手动的分析, Petronas是采用自身开发的软件；英国有一家公司Micropack的分析软件升级为基于三维模型计算, 但也没有引入CFD计算；美国有两家专业公司, 一家历史较长的Kenexis现可做三维几何型分析, 其参数引述Phast软件计算的结果,  但没有引入CFD技术, 另外一家是InsightNumeric公司创建于2013年， 开发有两款软件Detect3D （如示图）和Influx（如示图）,  D3D是基于三维几何计算的软件对应于空间法分析, Influx是CFD计算软件对应于场景法分析, 两者是独立的软件。

Influx是insight Numeric主打的CFD模拟软件，其优化了针对于气体扩散的模拟部分，可同时模拟多种场景情况下的气体扩散，另外，软件也可以综合考虑泄露点的位置，泄露发生概率，喷放方向，同时集成了CFD分网格的功能在内。inFlux提出基于风险的布点方法比较新颖， 就是依靠计算大量的扩散气云重叠后得出气体泄露后浓度分布的概率图形，但其也提到，依据空间法计算出来的探测器布置和依据场景分析出来的布置完全不同，在技术上也是处于矛盾的情况。

国内软件公司Safety Dynamic上海合含科技有限公司(www.safetydynamic.com)始建于2012年, 该公司开发的布点软件GCV的场景计算中的CFD模块是通过和Fluent / CFX / OpenFoam / Flacs等主流计算软件接口来实现, GCV是目前市场上唯一可同时进行空间法计算和场景法计算的火气布点软件。

和其他布点评价软件的发展过程不同的是, 传统布点评价软件是由二维至三维, 由几何（空间法）分析逐渐过渡到场景型分析计算，GCV软件从2012年伊始是直接由三维的场景型分析法发展而来，再逐步扩展到空间法，以及综合分析法等, GCV从12年起经过大约6年的项目磨合(至2018年)逐渐成熟, 达到和超越了大多数西方同类火气布点评价软件的全部性能, 2017年完成的马来西亚石油公司投建的Nippon Halong中心平台项目断续采用了三家公司（Kenexis，InsightNumeric和SafetyDynamic合含科技）的不同软件分析其火气布点的效果，最终以GCV软件实施的火灾和气体布点分析的报告为依据对全中心平台进行了改造并且给予了表彰并出版了项目成功实施的白皮书。鉴于公司规模的限制， 目前合含科技主要还是主要在国内和东南亚市场形成影响力。

GCV起于2010年开始的概念设计, 11年开始进行市场调研和模块设计, 起源是台湾台塑石化台中炼厂丙烯分离塔发生的事故, 台塑不满于Kenexis基于空间法分析的布点结果, 要求结合CFD技术计算探测器的合理布放位置, 遂开发GCV软件以满足其要求。

与其他布点软件发展方向不一样的是, 合含科技致力于将布点软件从纯设计软件向实时系统发展，特别是气体溯源系统，其构建的模型结合了场景布点分析的结果，在云端搭建的服务器收集现场探测器的信息以及风速风向信息，用cfd计算的云团结果形成计算框架，引擎可根据气体探测器读数和风速风向的数值反向计算泄漏区域的位置。同时可以不断验证和调节探测器位置, 这也可能是未来发展的方向。

上海合含科技有限公司
www.safetydynamic.com

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