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专家简介：卜志军，男，中国石油管道设计院仪表自动化室主任工程师。
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阅读前思考：
可燃气体探测器评估需要在哪些方面提出要求？
超声探测器安全监测有效性评估的要求有哪些？
场景分析法中的为什么需要定义泄漏量？
一
概述
●编制依据：本标准根据《国家标准委关于下达年第四批国家标准制修订计划的通知》（国标委综合〔〕号），由全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC）组织制定。
●主要起草单位：中国石油天然气管道工程有限公司、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、梅思安（中国）安全设备有限公司、上海合含科技有限公司
●编写历程：经历了立项、启动会、调研、起草、统稿、征求意见稿、送审稿、报批稿等阶段。从年开始至年发布，征求了各路专家的意见，经过多次反复的修改，历时3年完成。
●规范发布：年10月11日由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布。
●规范实施：年5月1日。
●与行业标准相比：本标准的目的是给出火气探测器有效性评估的方法，为今后应用火气探测器监测有效性评估提供适当的参考。国内无相关类似标准，本标准主要对与国外标准ISATR84.00.07《火气系统有效性评估指南》对比，其优点是采用定量的方法，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。
▲与定性分析相比较，可以提供量化的覆盖率及布局方案，避免主观因素对安全监测有效性的影响。
▲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。有效性评估方法为实现对火焰、可燃/有毒气体泄漏实现可靠、及时的监测提供了依据，具有重要的指导作用。
GB∕T共分9章和7个附录：
1.范围；
2.规范性引用文件；
3.术语与定义；
4.缩略语；
5.一般要求；
6.火焰探测器安全监测有效性评估；
7.可燃气体探测器安全监测有效性评估；
8.有毒气体探测器安全监测有效性评估；
9.超声探测器安全监测有效性评估；
附录A探测器覆盖评估技术；
附录B典型设备的泄漏频率；
附录C三维数字化模型；
附录DCFD计算流程和方法；
附录E智能工厂感温火灾探测器适用区域；
附录F典型烃类装置的火灾区域分级表；
附录G场景分析法中的泄漏量定义；
二
宣贯内容
1
范围
本标准规定了安全监测有效性评估方法的一般要求，火焰、可燃气体、有毒气体和超声探测器安全监测有效性评估的方法。
本标准适用于石油、石油化工、天然气领域的智能工厂对火焰、可燃气体、有毒气体和超声的安全监测进行有效性评估。其它领域的智能工厂可参照执行。
●适用行业：石油、石油化工和天然气领域，包括油气管道、LNG、油库、储气库、炼油、石化等陆地工程，不适用于海上工程。
●适用对象：火焰、可燃气体、有毒气体探测器，可燃气体探测器包括了超声探测器，其他火灾探测器不适用。
2
规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB—火灾自动报警系统设计规范
GB/T—石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准
3
术语与定义
3.5安全监测safetymonitoring
智能工厂中用于火焰、可燃气体、有毒气体的监视和检测。注:安全监测具备以下两个基本功能：
———检测火焰、可燃气体和有毒气体的泄漏;
———为触发报警及后续动作提供依据。
3.6安全监测系统safetymonitoringsystem
智能工厂中由火焰、可燃气体、有毒气体检测器、警报器、控制系统构成,具有报警、联锁保护功能,实现降低工厂安全风险的系统。
3.7场景scenario
物质在即定位置,受温度、压力、流速及风向、风速影响的条件下,发生的泄漏。
3.8探测器空间覆盖率detectorgeographiccoverage
探测器有效保护区域与目标保护区域的体积比率。注:也称探测器静态覆盖率。
3.9探测器场景覆盖率detectorscenariocoverage
探测器有效捕获泄漏场景与所有泄漏场景的比率。
注:也称探测器动态覆盖率。
3.10安全监测有效性theeffectivenessofsafetymonitoring
通过覆盖率计算得出有效性的量化结果。
*3.11封闭空间enclosedareaormostly-enclosedarea
与外界隔绝或空气流通不畅的空间。
*3.12部分封闭空间part-enclosedareaorcongestedarea
有两个或两个以上敞开面的空间。
注:格栅式的地板和天花板按照敞开面考虑。
*3.13开放空间openarea
不属于封闭空间和部分封闭空间的三维空间,并且其尺寸足以容许人员进入。
3.14探测器布局mapping
根据已确定的危险场景,采用模拟仿真等方法量化探测器的覆盖率,优化探测器的布局。
3.15风险层risklayer
距离释放源目标设备表面一定距离以内的空间。
3.20智能工厂smartfactory
在数字化工厂的基础上,利用物联网技术和监控技术加强信息管理和服务,提高生产过程可控性、减少生产线人工干预,以及合理计划排程。同时集智能手段和智能系统等新兴技术于一体,构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。
*3.21气体浓度gasconcentration
每立方米大气中气体的摩尔质量数。
注:也称为质量—体积浓度,单位为毫克每立方米(mg/m3)或克每立方米(g/m3)。
4
缩略语
下列缩略语适用于本文件。
CFD：
计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics)
LEL：
爆炸下限(LowerExplosiveLimit)
1ooN：
从N中取1(1outofN,N表示某个区域内,用于表决逻辑的探测器的数量)
2ooN：
从N中取2(2outofN,N表示某个区域内,用于表决逻辑的探测器的数量)
5
一般要求
5.1目的
安全监测有效性评估方法,需在适用阶段、人员、探测器选用、技术、流程、工具、数据收集和报告等方面提出要求,从而保证安全监测有效性评估的可操作性以及评估结果的真实有效、可追溯。
▲保证评估的可操作性、评估结果真实有效。
▲整体评估过程可追溯。
5.2开展有效性评估的阶段
5.2.1新建工程安全监测有效性评估应在初步设计阶段或施工图阶段进行实施,并在投产前确认。
注:有效性评估具体实施阶段受限于项目数据收集及输入条件。
5.2.2改扩建工程涉及安全监测对象或监测区域发生变化时,应进行安全监测有效性评估。
5.2.3每隔五年应至少进行一次定期复审,确保安全监测在整个生命周期内满足有效性要求。
▲新建工程：初步设计、施工图阶段
▲改扩建工程：监测对象、区域发生变化时
5.3人员要求
5.3.1有效性评估组成员应独立于项目组成员,项目设计的人员和运行人员应配合评估组参与评估活动。
5.3.2有效性评估组成员应掌握安全监测有效性评估方法,并按照本标准要求开展评估工作。
5.4探测器评估要求
5.4.1结合智能工厂需求应合理选用探测器,是安全监测有效性评估实施的前提。
5.4.2火焰探测器其选型及适用范围按照GB—执行。
5.4.3可燃气体探测器(红外原理、催化燃烧原理、激光原理等)、有毒气体探测器(电化学、金属氧化物半导体、激光原理等),其选型及适用范围应按照GB/T—执行。
5.4.4带压气体泄漏可采用超声探测器对声压等级变化进行监测,其选型应采用声学传感器。
5.5评估技术
5.5.1安全监测有效性评估技术有空间分析法、场景分析法。这两种技术的详细说明参见附录A。
5.5.2空间分析法根据探测器参数或设计要求，采用计算机辅助方法确定探测器在工厂下的空间覆盖率。
5.5.3场景分析法应根据探测器参数,结合设备及建/构筑物布置、释放源的理化特性、泄漏频率和空气流动等特点，采用数值模拟及计算机辅助分析方法确定探测器在工厂下的场景覆盖率。典型设备的泄漏频率参见附录B。
5.5.4火焰探测器、超声探测器应采用空间分析法进行有效性评估。
5.5.5可燃气体探测器、有毒气体探测器宜采用场景分析法进行有效性评估。空间分析法仅适用于需要保护区域或设备本身泄漏的覆盖率分析,不适用于扩散气体泄漏覆盖率分析。注:空间分析法在不深入考虑空气流动影响的场景下执行,适用于室内、设备密集的场所、装置内空间狭小的地方,结构简单的设备,但对存在空气流动的场景下完全用空间分析可能产生误导。
*5.6评估流程
5.7评估工具
安全监测有效性评估工具应包括:三维数字化模型搭建软件、计算流体动力学(CFD)仿真软件和探测器布局软件。
探测器布局软件能够利用三维数字化模型和计算流体动力学(CFD)仿真结果开展计算,将探测器的位置和覆盖范围进行可视化展示,并输出量化分析结果。三维数字化模型的搭建方法参见附录C,计算流体动力学计算方法参见附录D。
▲常用的探测器布局软件多以非量化数据进行可视化展示，为了便于分析计算建议采用量化类分析软件开展评估工作。
*5.8数据收集
在进行安全监测有效性评估前,应收集以下资料:
工艺及仪表控制流程图；介质参数及工艺参数表;物料平衡组分报告;工厂总图;爆炸危险区域划分图;防火分区图;设备、设施平面布置图;探测器安装高度;探测器平面布置图;安全监测系统设置原则;工厂三维模型;探测器性能参数;
风险量化报告、风险量化表、事件树图;已运行工厂历史安全事件/事故信息采集;探测器安装角度(适用于火焰探测器开展有效性评估);大气压力、平均温度、风向和风速的历史数据(适用于可燃、有毒气体探测器采用场景分析法开展有效性评估);区域内可闻声背景噪声及超声背景噪声(适用于超声探测器开展有效性评估)。
注1:已建工厂,宜进行现场勘察,以确保竣工图纸的准确性。
注2:新建工厂,及时收集与评估相关的工程变更资料,以确保数据收集的准确性。
5.9评估报告
安全监测有效性评估完成后，应根据评估过程形成对应的评估报告，并正式记录形成档案。报告内容应包括:
工程概况;分析流程描述;三维模型搭建及坐标定义;安全监测有效性目标定义;危险源及危险区域的定义;
探测器设置及参数定义;
泄漏定义和环境定义(适用于可燃、有毒气体探测器采用场景分析法开展安全监测有效性评估);背景噪声定义(适用于超声探测器安全监测有效性评估);
探测器覆盖率结果;建议和优化方案。
▲报告章节内容应涵盖以上内容，并根据评估委托方具体要求增加
▲章节先后次序不做硬性规定
6
火焰探测器安全监测有效性评估
6.1评估要求：
6.1.1火焰探测器有效性评估一般要求应遵循第5章内容。
6.1.2火焰探测器有效性评估需要在危险类型辨识、定义火灾区域、覆盖率计算等方面提出具体要求。
▲火焰探测器其选型及适用范围按照GB—执行，应采用空间分析法进行有效性评估。
▲危险类型辨识需考虑:潜在泄漏源和火灾发生的频率;对比BP-GP30-85章节6.2中火灾区域的定义，按照烃类装置发生火灾严重性，将火灾区域分为I级和II级两个等级，并对每个区域的火焰探测器覆盖率目标值予以要求和定义。
6.2危险类型辨识
实施安全监测应对以下参数进行考虑:潜在泄漏源；火灾的频率
▲设备或设施严重拥挤区域的火焰探测,可以考虑减小监测对象区域范围和安装更多的探测器来满足覆盖范围的要求,或者采用感温火灾探测器作为辅助检测手段。
6.3定义火灾区域
6.3.1典型烃类装置的火灾区域分级
▲烃类装置是用于加工、运输或储存碳氢化合物流体(如石油、天然气、冷凝物、大量柴油燃料或甲醇)的装置或区域,但不包括:生产、工艺、钻井、公用设施或生活区外的管道;燃气涡轮机箱和其他类似的机械外壳。
▲在发生火灾可能会导致中等或严重后果的烃类装置内设备周边空间即被定义为Ⅰ级。火灾可能会由以下任何一种情况或其组合引起:燃料(例如,来自压缩机的高压气体或易燃液体);确定的火灾风险源(例如,泵和压缩机上的小口径管道或单一密封件)。
▲在发生火灾可能会导致一般后果的烃类装置内设备周边空间被定义为Ⅱ级,相对Ⅰ级而言,此区域空间火灾严重性较小p烃类装置内,Ⅱ级的空间定义适用于以下情况:燃料闪点高于60℃;释放压力小于0.1MPa;液体燃料池的表面积小于50m。
▲未分类烃类装置内的空间,分为以下两种情况:Ⅰ级或Ⅱ级不适用;没有任何危险燃料源。
6.3.2确认火灾区域等级
▲应对烃类装置内的独立设备和特定系统是否存在易燃液体释放和火灾升级的可能性进行评估。
6.3.3风险层
▲Ⅰ级区域的风险层是从设备或相关液体容器的表面向外延伸至少2m的空间,如设备靠近防火墙,则外延空间不超过防火墙。
▲如果Ⅰ级区域风险层的边界过于靠近防火分区的边界,则考虑将其边界延伸至防火分区的边界。防火分区的边界通常是防火墙或开放的空间。
▲Ⅰ级区域的风险层应包含在Ⅱ级区域的风险层中,除非其已经在防火分区的边界处。
▲Ⅱ级区域的风险层是从设备或相关液体容器的表面或从Ⅰ级区域风险层的边界向外延伸至少3m空间(取决于哪个边界大),如设备靠近防火分区,则外延空间不超过防火分区的边界。
6.4覆盖率目标定义
▲应对每个区域的探测覆盖率要求予以定义。如没有提出具体要求时,可参考下面覆盖率目标值作为相关风险等级的目标值：
▲当不要求联锁时,Ⅱ级区域覆盖率目标值(2ooN)不做要求。
7
可燃气体探测器安全监测有效性评估
7.1.1可燃气体探测器有效性评估一般要求应遵循第5章内容。
7.1.2可燃气体探测器有效性评估需要在以下方面提出具体要求:
▲危险类型辨识;
▲定义风险区域(仅适用于空间分析法);
▲CFD计算和输入(仅适用于场景分析法);
▲覆盖率计算。
7.2危险源辨识
实施安全监测应对以下参数进行考虑:
▲释放源所在位置、范围;
▲释放源气体组分;
▲释放源温度、压力。
7.3定义风险区域
7.3.1目标气云尺寸
7.3.2风险层
7.4CFD计算和输入
7.4.1区域和释放源的选定
▲区域主要是根据物理位置来定义。
▲释放源的选定主要考虑气体性质(蒸汽/气体/密度),以及典型泄露点
7.4.2泄漏量的定义
▲根据7.3.2中气云的直径结合风速以及LEL的浓度级别,按式(1)计算出形成目标直径气云所需的气体泄漏量Q=d2×f×t×ρ×s×π…(1)
7.4.3泄漏位置的定义
如无用户的补充需求,泄漏位置可定义如下:
▲气体压缩机和液体泵的动密封;
▲液体采样口和气体采样口;
▲液体或气体排液(水)口和放空口;
▲经常拆卸的法兰和经常操作的阀门组。
▲在异常运行时可能泄漏甲类气体,液化烃的设备或管法兰,阀门组。
7.4.4环境变量的定义
环境变量包括大气压力、风速、风向和平均温度。风向和风速对气体扩散影响显著，而大气压力和温度在一定范围内对气体扩散影响相对较小。气体探测器的场景分析应基于实例，其中每种情况具有固定的温度、大气压力、风速、风向、泄漏位置和泄漏量等特定条件，对不同环境下的场景需要分开定义。
▲示例：某地区年平均气温为20摄氏度，大气压力为标准大气压，且有8个风向和1个风速定义，环境定义数目为:8(风向)×1(风速)=8环境定义。
7.4.5覆盖率目标的定义
▲用户应对每个区域的探测覆盖率要求予以定义,如没有提出具体要求时,在用户认可下可以采用表5中覆盖率目标值作为相关风险等级要求。
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有毒气体探测器安全监测有效性评估
8.1评估要求
8.1.1一般要求（参见章节5）
8.1.2有毒气体探测器有效性评估（具体要求）
危险类型辨识
定义风险区域（仅适用于空间分析法）
CFD计算和输入（仅适用于场景分析法）
覆盖率计算
8.2危险类型辨识
释放源所在位置、范围
释放源气体组分
释放源温度、压力
8.3定义风险区域
8.3.1目标气云尺寸
8.3.2风险层深度
8.4CFD计算和输入
8.4.1区域和释放源的选定
根据物理位置不同，工厂内可划分一个或多个区域。
区域内部可能存在同一种或多种释放源，当分析不同释放源的泄漏时，需分别执行。
8.4.2泄漏量的定义
根据气云直径结合风速，以及目标有毒气体的最高允许浓度或短时间接触容许浓度，按照下面公式计算得到目标直径气云所需的有毒气体泄漏量
Q–气体泄漏量，单位为千克每秒（kg/s）;
d–气云直径，单位为米（m）；
c–MAC/PC-STEL，对应气体体积比；
p–泄漏气体密度，单位为千克没立方米（kg/m3）
s–风速，单位为米每秒（m/s）。
8.4.3泄漏位置定义
如无用户的补充需求，泄漏位置可定义如下：
气体压缩机和液体泵的动密封；
液体采样口和气体采样口；
液体或气体排液（水）口和放空；
经常拆卸的法兰和经常操作的阀门组。在运行异常时可能泄漏甲类气体，液化烃的设备或管，法兰、阀门组。
8.4.4环境变量的定义
环境变量包括大气压力、风速、风向和平均温度
风向和风速对气体扩散影响显著，而大气压力和温度在一定范围内对气体扩散影响相对较小。
气体探测器的场景分析应基于实例，其中每种情况具有固定的温度、大气压力、风向、风向、泄漏位置和泄漏量等特定条件，对不同环境的厂家需要分开定义。
示例：某地区年平均气温为20℃，大气压力为标准大气压，且有8个风向和1个风速定义，环境定义数目为：8（风向）x1（风速）=8环境定义
8.5覆盖率目标定义
用户应对每个区域的探测覆盖率要求予以定义。如没有提出具体要求时，在用户认可下可以采用下表中覆盖率目标值作为相关风险等级要求。
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超声探测器安全监测有效性评估
9.1评估要求
9.1.1一般要求（参见章节5）
9.1.2超声探测器有效性评估（具体要求）
危险类型辨识
定义风险区域
覆盖率计算
9.2危险类型辨识
释放源所在位置、范围
释放源气体组分
释放源的压力、泄漏孔径和泄漏量注：释放源指压力不低于1MPa时，泄漏孔径不小于4mm，泄漏量不低于0.1kg/s的气体。常见气体种类可参见GB/T-附录A中常见易燃气体、蒸气特性表。
9.3定义风险区域
9.3.1计算参数选择应采用空间法分析，并考虑如下要素：
噪声区域
报警阈值
检测范围
9.3.2目标区域设置
超声探测器的检测效果受背景噪声（包括可闻背景噪声与超声背景噪声）干扰影响较大。不同背景噪声区域、报警阈值直接决定了超声探测器的有效覆盖半径。按照声压级，背景噪声分为高背景噪声、中等背景噪声和低背景噪声，推荐按照下表进行分类（以测量氮气和甲烷为例）
9.4覆盖率目标定义
用户应对每个区域的探测覆盖率要求予以定义。如没有提出具体要求时，在用户认可下可以采用下表中覆盖率目标值作为相关风险等级要求。
附录A探测器覆盖评估技术
探测器覆盖评估技术主要有2种,一种称为空间分析法,另一种称为场景分析法。
▲空间分析法{步骤如下}
*目标定义:目标是指装置中需要被保护的对象以及对象的属性。
*确定风险层
*探测器布局
*几何计算
▲场景分析法
*区域定义和目标气体定义
*环境定义
*泄漏定义
*场景定义及CFD气云计算
*探测器布局
*分析计算
附录B典型设备的泄漏频率
▲压力容器的泄漏频率见表B.1
▲常压储罐的泄漏频率见表B.2
▲泵阀的泄漏频率见表B.3
▲压缩机的泄漏频率见表B.4
▲管路及管线的泄漏频率见表B.5
▲过滤器的泄漏频率见表B.6
▲其他设备的泄漏频率见表B.7
附录C三维数字化模型
可通过以下3种方式建立三维模型:
▲从已有三维模型导出
▲搭建三维模型
▲采用三维激光扫描等办法，形成智能工厂三维点云模型，将处理后的模型实体化，供后期计算使用。
附录DCFD计算流程和方法
典型的CFD计算的流程如下:
▲原始三维模型
▲模型网格化
▲预定义
▲求解
附录E智能工厂感温火灾探测器适用区域
智能工厂中感温探测作为火焰探测器的辅助检测手段使用时,其适用情况如下:
▲火焰探测器不适合检测的危险
▲作为火焰检测的补充
▲GB—相关要求
附录F典型烃类装置的火灾区域分级表
▲参考BP-GP30-85附录C和附录D的烃类装置火灾区域分级表，按照烃类装置发生火灾严重性，将火灾区域分为I级和II级两个等级。
附录F典型烃类装置的火灾区域分级表
典型烃类装置的火灾区域风险层示意图
附录G场景分析法中的泄漏量定义
（一）为什么需要定义泄漏量？
气体泄漏受温度、压力的影响，有多种表现形式：小孔喷射、裂缝、腐蚀破裂或操作不当，气流喷射的方向也有多种可能
安全监测的目的，是确保在任何泄漏情况下都能够探测到形成爆炸危险的气云，而不是微量泄漏形成的气云
泄漏量相当于定义了一个安全边界，通过反向计算，验证特定区域内探测器的覆盖有效性
（二）定义泄漏量需要考虑的因素
形成爆炸危险需要两个条件：(1)气云中可燃气浓度能够达到最低爆炸下限；(2)气云中达到爆炸下限的长度达到一定的值
以甲烷为例，其达到最低爆炸下限（%LEL）的体积比浓度是5%（50,ppm）
按照爆炸理论，当火焰的燃烧速度低于m/s时，不太可能发生爆炸所需的超压
按照BP-GP30-85，以乙炔为例，当发生预混燃烧时，要达到超压，其气云直径（长度）至少需要5m~6m
爆炸所需的超压，与空间类型密切相关。越封闭的场所，月容易发生超压。SHELLDEP标准对目标可燃气体的尺寸进行了定义，封闭空间为5m，部分封闭空间为7m，开放空间为10m。
附录G场景分析法中的泄漏量定义
（三）气体泄漏实验（BP-GP30-85，甲烷，开放空间，无空气流动，稳态）
泄漏量为2.5kg/s，能够达到最低爆炸下限部分的长度为9m
泄漏量为0.1kg/s，能够达到最低爆炸下限部分的长度为2m
若按照开放空间考虑，上述两种情况均不能达到爆炸性环境的最低要求
另外，空气流动也会导致气云更快地扩散，气云能够达到爆炸下限部分的长度也会缩短。
三
结束语
●《智能工厂安全监测有效性评估方法》GB/T-为实现对火焰、可燃/有毒气体泄漏实现可靠、及时的监测提供了依据，具有重要的指导作用。
●安全监测的有效性评估，对保护人身和财产安全具有重要作用，希望大家全面了解、准确把握规范内容，促进规范各项要求落到实处，并按照该标准指引开展评估工作。
●同时，希望大家及时总结实践经验，积极提出完善规范的意见和建议，以便下版修订。
说明：本文内容是经燕化工平台根据卜志军先生在“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。
