丙烯腈裝置GDS系統(tǒng)選型研究及應(yīng)用

文/軒忠民 潘東

丙烯腈裝置GDS系統(tǒng)需求和功能，重點在于監(jiān)測、報警和防范可燃和有毒氣體泄漏——針對丙烯腈裝置GDS系統(tǒng)的特殊需求，本文從功能安全的角度，提出了對于具有安全回路的GDS系統(tǒng)，應(yīng)綜合引用GB/T50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)設(shè)計標準》和GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的選型原則，確保在現(xiàn)場有毒氣體濃度過高時，GDS系統(tǒng)能及時起動風機排出有毒氣體，避免危及現(xiàn)場操作和巡檢人員的安全。并以完整案例，介紹了丙烯腈裝置GDS系統(tǒng)的基本功能、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、報警及聯(lián)鎖邏輯等功能。

隨著安全生產(chǎn)形勢越來越嚴峻和國家對安全生產(chǎn)的監(jiān)督和管理的加強，以及新版《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計標準》的要求，某丙烯腈聯(lián)合裝置設(shè)置了一套獨立的GDS系統(tǒng)。丙烯腈聯(lián)合裝置是一個復(fù)雜的含有劇毒物質(zhì)的化工工藝過程裝置，裝置內(nèi)有氫氰酸、丙烯腈、氨等有毒物料和丙烯、乙腈等可燃物料存在，在已建成投產(chǎn)的裝置中曾發(fā)生多起因丙烯腈和氫氰酸泄漏導(dǎo)致的人員傷害事故，故在易燃易爆及有毒氣體泄漏處安裝了可燃及有毒氣體檢測報警器、區(qū)域報警器以及聯(lián)動的排風設(shè)備。下面以丙烯腈廠的GDS項目選型和應(yīng)用為案例，說明GDS系統(tǒng)部署的方式和結(jié)構(gòu)。

丙烯腈及其生產(chǎn)工藝簡介

丙烯腈是丙烯系列重要的有機化工原料，主要用于生產(chǎn)聚丙烯纖維、腈綸、ABS共聚物和SAN共聚物等合成樹脂、丁腈橡膠等，也是丙烯酰胺、己二腈、丁腈橡膠及精細化工產(chǎn)品的原料。

丙烯腈裝置為高度集成的一體化裝置，縱觀整個生產(chǎn)工藝流程，自動化程度較高，工藝流程比較復(fù)雜，所使用的主要設(shè)備反應(yīng)器內(nèi)溫度較高，塔類、換熱設(shè)備、儲罐等涉及高壓力容器、壓力管道，裝置危險性較高。丙烯腈生產(chǎn)過程工藝介質(zhì)存在易燃易爆及有毒有害物質(zhì)如：丙烯、丙烯腈、乙腈、氫氰酸以及氨等；在生產(chǎn)過程中存在火災(zāi)爆炸危險性，此外還涉及一些強腐蝕性化學品，如硫酸、堿液等。丙烯腈裝置生產(chǎn)時還會排出大量影響環(huán)境及健康的有害污水及廢氣。在丙烯腈裝置整個生產(chǎn)過程中都存在安全、健康、環(huán)境等方面的問題。

本裝置生產(chǎn)過程中可能接觸到的毒物中，氫氰酸因沸點低（26℃），毒性大，是毒物危害中最為嚴重的一種物質(zhì)。氫氰酸是生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，在反應(yīng)器區(qū)、急冷塔區(qū)、吸收塔區(qū)、收塔區(qū)、脫氫氰酸塔區(qū)、丙烯腈反應(yīng)泵房、回收精制泵房、丙烯腈污水泵房、廢水、廢液槽、污水收集槽間、焚燒爐氫氰酸噴嘴和火炬周圍等處以及丙烯腈精制工段和氫氰酸輸送管線附近容易發(fā)生氫氰酸中毒。在生產(chǎn)、輸送、貯存等過程中若發(fā)生泄漏或噴濺，就會引發(fā)事故，應(yīng)特別加以重視。

吸入高濃度氫氰酸可引起驟死。非驟死者臨床表現(xiàn)為黏膜刺激、呼吸加快加深、乏力、頭痛，口服者有舌尖、口腔麻木；呼吸困難期有呼吸困難、血壓升高、皮膚黏膜出現(xiàn)鮮紅色；驚厥期出現(xiàn)抽搐、昏迷、呼吸衰竭。麻痹期全身肌肉松弛，呼吸心跳停止而死亡?？芍卵?、皮膚灼傷，吸收引起中毒。氫氰酸屬I級極度危害毒物，按《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》(GBZ2—2002）中規(guī)定，最高容許濃度為l mg/m3。

丙烯腈裝置GDS系統(tǒng)選型

系統(tǒng)需求

本案例應(yīng)用的丙烯腈裝置屬于一個聯(lián)合裝置，包括丙烯腈主裝置、MMA（甲基丙烯酸甲酯）裝置、SAR（硫酸回收）裝置以及配套的罐區(qū)及公用工程裝置。該項目下設(shè)3個現(xiàn)場機柜間和1個中央集中控制室，其中丙烯腈裝置單設(shè)1個丙烯腈現(xiàn)場機柜間、MMA和SAR裝置共用1個SAR/MMA機柜間、罐區(qū)及公用工程單設(shè)1個罐區(qū)及公用工程機柜間，中央控制室遠離丙烯腈裝置近2 km。

丙烯腈聯(lián)合裝置共采用了一整套GDS系統(tǒng)，主要包括可燃、有毒氣體檢測報警系統(tǒng)?？扇細怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)GDS（GasDetectionSystem）是由多臺設(shè)備所構(gòu)成，包括：氣體探測器、GDS系統(tǒng)控制柜、交換機、工程師站/操作站等，主要為工廠控制系統(tǒng)中報警和聯(lián)鎖部分，對控制系統(tǒng)中檢測的結(jié)果實施觸發(fā)區(qū)域報警動作或聯(lián)鎖起動風機控制。

選型分析

按GB/T50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)設(shè)計標準》，對于報警控制單元要求不高，只要求應(yīng)采用獨立設(shè)置的以微處理器為基礎(chǔ)的電子產(chǎn)品，并應(yīng)具備下列基本功能：

1.能為可燃氣體探測器、有毒氣體探測器及其附件供電。

2.能接收氣體探測器的輸出信號，顯示氣體濃度并發(fā)出聲、光報警。

3.能手動消除聲、光報警信號，再次有報警信號輸入時仍能發(fā)出報警。

4.具有相對獨立、互不影響的報警功能，能區(qū)分和識別報警場所位號。

5.報警控制單元應(yīng)能發(fā)出與可燃氣體和有毒氣體濃度報警信號有明顯區(qū)別的聲、光故障報警信號。

6.具有記錄、存儲、顯示功能。

從以上要求可以看出，GB/T50493—2019定義的GDS系統(tǒng)只需實現(xiàn)采集信號和實現(xiàn)報警的功能，而不需要聯(lián)鎖動作，所以不構(gòu)成一個安全回路，也就沒有對報警控制單元提出安全可靠性等級的要求。

但丙烯腈裝置的GDS系統(tǒng)包含了聯(lián)鎖起動風機的控制，確保在現(xiàn)場有毒氣體濃度過高時，能及時排出，避免危及現(xiàn)場操作和巡檢人員的安全。所以丙烯腈裝置的GDS中存在完整的安全回路。故從風險分析角度考慮，應(yīng)確保GDS的可靠性，系統(tǒng)能利用通斷檢測能力，確?，F(xiàn)場信號正常傳輸，控制器及IO卡件的正常運行，現(xiàn)場設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。對于這樣的GDS應(yīng)用，其參考標準不應(yīng)簡單引用GB/T50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)設(shè)計標準》，而應(yīng)當同時參考GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》。

考慮到丙烯腈裝置的SIS系統(tǒng)采用的是具有SIL3等級的安全儀表系統(tǒng)，因此，對于GDS的安全回路，宜采用同樣SIL3的安全可靠性等級，確?，F(xiàn)場風機在異常狀態(tài)下能及時起動、運行，確?，F(xiàn)場操作環(huán)境的安全。

經(jīng)綜合對比分析，本案例的GDS系統(tǒng)選用了康吉森TSxPlus三重冗余系統(tǒng)和Architect系列軟件，作為系統(tǒng)控制單元的實施平臺。TSxPlus硬件采用三重化架構(gòu)，含主處理器、輸入、輸出、通信等模塊，通過FTA端子板實現(xiàn)與現(xiàn)場可燃有點檢測器和區(qū)域報警器的連接，其降級模式為3-2-1-0，可以滿足丙烯腈裝置GDS系統(tǒng)的特殊設(shè)計要求。

設(shè)備配置

丙烯腈聯(lián)合裝置GDS系統(tǒng)規(guī)模I/O點數(shù)為611點，其中丙烯腈裝置361點，MMA/SAR裝置148點，罐區(qū)及公用工程裝置102點。GDS系統(tǒng)選用了三重冗余的控制器，控制器和I/O模塊采用三取二表決，基于3-2-1-0逐漸降級的原則進行容錯，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯能力。為保證擴展機架和主機架之間通信的穩(wěn)定，通信模塊均采用了三重化結(jié)構(gòu)，通信光纖采用了“一天一地”的冗余敷設(shè)，從物理條件上給通信穩(wěn)定奠定了良好的基礎(chǔ)。

自機柜引入兩路UPS，每套機架供電均采用冗余供電。在系統(tǒng)運行過程中，當其中某一臺電源發(fā)生故障時，不必停機就可以在線更換。

網(wǎng)絡(luò)拓撲

在丙烯腈機柜間設(shè)置1套獨立控制器的GDS系統(tǒng)（以下簡稱GDS-01），在SAR/MMA機柜間設(shè)置1套遠程I/O站（以下簡稱GDS-R-01）、在罐區(qū)及公用工程機柜間設(shè)置1套遠程I/O站（以下簡稱GDS-R-02），GDS-01與GDS-R-01、GDS-R-02之間通過三重化冗余總線接口光模塊光纖連接（星行連接）；在各機柜間及中央控制室設(shè)置工程師站，之間通過冗余光電交換設(shè)備連接在一個控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全廠GDS的組態(tài)、監(jiān)控、報警及報表等操作控制，所有工程師站具備操作員站功能。GDS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意，如圖1所示。

圖1 GDS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意

本項目設(shè)置4臺工程師站，1臺放在中央控制室（CCR），其余3臺分別放置在3個現(xiàn)場機柜間（FAR）內(nèi)。工程師站具備操作員站及SOE站功能。通過冗余的通信方式與各控制器通信，用于控制器的組態(tài)、除錯、修改、測試、軟件裝載及維護等。

工程師站能對系統(tǒng)進行診斷并顯示系統(tǒng)故障信息。配備過程控制和監(jiān)測軟件，具有完善的報警功能，具備數(shù)據(jù)記錄和趨勢顯示的功能，配備用于保存過程數(shù)據(jù)記錄的軟件。操作員站用于儀表維護旁路的操作，并顯示所有系統(tǒng)的狀態(tài)，聯(lián)鎖邏輯狀態(tài)，邏輯圖等信息。工程師站具備打印組態(tài)數(shù)據(jù)和圖形的能力、順序事件記錄（SOE/SER）站的功能，配備整套順序事件記錄的軟件。

丙烯腈裝置GDS系統(tǒng)控制功能

在丙烯腈裝置現(xiàn)場存在著各種各樣易燃易爆和有毒氣體，例如：丙烯腈、氰化氫、乙腈以及甲烷等；易燃易爆氣體一旦發(fā)生泄漏，在空氣中具有達到一定濃度后，遇到點火源或熱源便會發(fā)生火災(zāi)，嚴重的則發(fā)生爆炸；有毒性氣體發(fā)生泄漏輕則出現(xiàn)環(huán)保事故，重則導(dǎo)致人身傷害等可怕的嚴重事故。為保障人身財產(chǎn)安全、避免環(huán)境污染，實時監(jiān)測生產(chǎn)裝置中泄漏的可燃氣體和有毒氣體的含量并在超標時觸發(fā)報警和聯(lián)鎖，預(yù)防人身傷害以及火災(zāi)與爆炸事故的發(fā)生，在石油化工企業(yè)中設(shè)置GDS系統(tǒng)是十分必要的。

區(qū)域報警器聯(lián)鎖邏輯功能

圖2、圖3分別吉林設(shè)計院、寧波設(shè)計院所設(shè)計的有關(guān)區(qū)域報警器的聯(lián)鎖觸發(fā)邏輯。根據(jù)GB/T50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)設(shè)計標準》“5.3.1區(qū)域警報器的起動信號應(yīng)采用第二級報警設(shè)定值信號”，均在系統(tǒng)底層組態(tài)進行了設(shè)定。

圖2 吉林院區(qū)域報警器邏輯

風機聯(lián)鎖邏輯功能

圖4為丙烯腈現(xiàn)場機柜間空調(diào)機房新風入口的電動密閉閥聯(lián)鎖邏輯，當現(xiàn)場可燃有毒氣體測量值高于聯(lián)鎖設(shè)定值時，自動關(guān)閉新風電動閥，機柜間外的有毒有害氣體無法進入機柜間內(nèi)。圖5為地坑風機聯(lián)鎖邏輯，當?shù)乜觾?nèi)的可燃有毒氣體測量值高于聯(lián)鎖設(shè)定值時，自動起動地坑風機，將地坑內(nèi)的有毒有害氣體抽至安全處，可有效降低現(xiàn)場毒氣濃度，保證現(xiàn)場人員的人身安全。

圖4 機柜間新風密閉閥聯(lián)鎖邏輯

圖5 地坑風機聯(lián)鎖邏輯

消防聯(lián)鎖動作邏輯

當現(xiàn)場可燃有毒氣體測量值高于聯(lián)鎖設(shè)定值（一般達到二級報警）時，觸發(fā)GDS系統(tǒng)輸出一個DO（開關(guān)量）信號至火災(zāi)探測系統(tǒng)FDS，如圖6、圖7所示。

圖7 消防聯(lián)動邏輯

圖8 可燃有毒檢測器現(xiàn)場分布

圖9 可燃有毒檢測器測點清單

圖形化顯示效果

采用了Architect系列軟件進行圖形化顯示的GDS系統(tǒng)，不僅能夠滿足現(xiàn)場人員的日常監(jiān)控和警示，而且為維護人員提供了報警記錄查詢、SOE和硬件在線診斷等多種維護工具，使整個故障分析功能十分完整可靠。

結(jié)束語

基于丙烯腈聯(lián)合裝置的工藝介質(zhì)的多樣性、復(fù)雜性、劇毒性等特點，我們可以看出在此類裝置中的GDS系統(tǒng)的技術(shù)要求遠比標準規(guī)范高。故我們得出，針對可燃氣體的GDS可以按照標準規(guī)范進行設(shè)計，但對于有毒氣體甚至劇毒介質(zhì)的場合，尤其需要帶排風系統(tǒng)的環(huán)境，宜使用帶SIL等級認證的控制系統(tǒng)。