FGS系統在鹽化工裝置中的應用前景分析

黃仲偉 楊 玄 李 杰 劉 彬 鄭春紅 王瓊霞 徐何軍

1. 中國石化江漢油田分公司鹽化工總廠, 湖北 潛江 433121; 2. 中國石化江漢油田分公司江漢采油廠, 湖北 黃岡 438011

0 前言

隨著經濟發展與社會進步,中國鹽化工行業在全球占據了較大份額。鹽化工行業已經從傳統的“三酸兩堿”中的燒堿、純堿和鹽酸,逐步發展成向著眾多的精細專用化學品延伸的綜合型基礎原材料行業鏈,PVC、甲烷氯化物、環氧丙烷、TDI/MDI等多種基礎性化工原料就是鹽化工企業的產物。隨著產品的不斷豐富,鹽化工行業的安全環保要求也不斷提高,提出工業4.0背景下的智能化工廠展望，所以必須依靠智能化系統全面保障鹽化工企業安全環保運行[1]。

在石油化工領域,智能化生產已初見成效。國內,西北石油局建成并投運了智能化油田調度系統,解決了油田單井點多面廣巡檢不利的局面,極大節約了人力資源,提高了油田整體生產效率[2-3]。國外,相關的化工企業設計并運用了數字化工廠SIS系統,優化了化工裝置調控響應時間,綜合提高了化工企業生產平穩率,極大降低了事故發生概率。

從行業未來的趨勢來看,鹽化工行業未來將大力向多產品、集成化發展,特別是在氯產品的基礎上衍生消耗氫、燒堿的下游產品。形成以氫氣、氯氣、燒堿及其下游產品貫穿其中,中間產品互利型多種精細化學品的行業鏈[4-6]。由此看來鹽化工裝置工藝流程復雜,風險控制點多,安全生產責任重大。

1 鹽化工裝置安全特點

精細化工是鹽化工的下一步發展方向,但由于中國鹽化工起步較早,相應企業廠房設施及工藝設備存在裝置老化、生產現場作業環境差等問題。鑒于成本考量,精細化工發展上往往會在傳統鹽化工廠房及設備基礎上進行改造[7]。老舊工廠的建設年份、設備運行情況及當時建設的國標等因素都為改造后的后續生產帶來較多安全隱患,生產形勢嚴峻。但鑒于工程預算,又不能大規模進行基礎設施建設和設備更新換代,只能在大修和改造的基礎上緩步推進鹽化工裝置的發展[8-10]。鹽化工裝置常見安全隱患見表1。

表1鹽化工裝置常見安全隱患

設備及裝置安全隱患發生概率/(%)反應釜及反應器1)減速機異響、漏油、塑料風葉熱融變形;2)機封、減速機缺油;3)墊圈老化、物料泄漏;4)爆破片失效、壓力表失效、閥門內漏;5)溫度偏高、攪拌終端且存在異常升壓或沖料;6)反應釜酸性腐蝕,搪瓷內膽腐蝕且物料易燃易爆具有腐蝕性,系統及附件老化;7)缺少備用機或備用機年久失修21貯槽、罐區、槽車1)液位計模糊或損壞、堵塞;2)高位貯槽未能有效固定;3)常壓貯槽帶壓使用;5)貯罐頻繁受真空、氮氣交變載荷,且出現裂縫;6)低沸點溶劑或液化氣貯槽受陽光直射;7)室外貯罐等存在運輸車輛等撞擊危險;8)危險品罐區圍堰孔洞未封堵,防護堤封堵不嚴密,任意開設排雨水孔18冷凝器、再沸器1)任何情況引起的腐蝕與泄漏;2)冷凝后物料溫度過高;3)換熱介質層被淤泥、微生物堵塞19管道及附件1)可燃或腐蝕性物料出口管線,其支架未設置吊式壓式彈簧補償措施,或直接采用撓性連接短管;2)保溫保冷層破損;3)腐蝕、色標不清;4)液位計及相關儀表未設置防護28機泵1)泄漏、異響、防護罩缺失;2)泵進口管徑小或管路長或拐彎多,泵出口未裝壓力表或止回閥;3)長期停用時,未放凈泵和管道中液體,造成腐蝕或凍結14

鹽是化學工業的重要原料,具有通用性與延伸性。當前以鹽為原料的鹽化工種類繁多,工藝流程復雜,進行不同裝置的互助生產可以運用單一鹽化工裝置制成氯氣、金屬鈉、純堿、燒堿和鹽酸等種類繁多的產品，但裝置反應復雜,產品危險性大,其中純堿和氯堿等延伸產品具有較大毒性需要最高等級安全防護。所以相應鹽化工企業生產與產品儲存安全任務重、環保壓力大。當前相關企業建立有保障工廠正常運行的DCS控制系統，而個別工廠因為建設年份久遠,成本壓力大等原因,未設立智能化安全防護系統。所以在發生泄漏、火災等重大事故時,保障工程最后關口的防護措施至關重要。

2 FGS系統概述

火氣系統全稱為火災報警和氣體檢測系統(Fire Alarm and Gas Detector System,FGS),為專用獨立的安全預警性火氣系統,符合中國消防安全資格認證(CCCF認證),在國際上常與SIS系統配合使用,保障工廠生產安全。目前，FGS系統在中國新一代化工廠和相關油氣儲運工程中運用,但尚未全面普及，也沒有相應法律法規和明確行業標準進行FGS系統的強制性或建議性運用[11]。

FGS系統主要針對火源和氣體進行有效探測,并實施報警響應。FGS系統原理邏輯見圖1，其主要工作原理為:首先通過火焰、可燃氣體、煙感、溫感等探頭進行現場實時采集;然后進行數據分析和信息傳遞,經過軟件邏輯觸發中控和現場報警，并在電腦上顯示報警位置和實時參數；最后進行自動或半自動遙控消防炮、雨淋閥、泡沫閥以及空調系統的自動化響應,實現應急處理,最終達到保障安全目的[12-14]。

圖1 FGS系統原理邏輯

FGS系統主要由現場檢測元件、邏輯控制器、執行元件、模擬報警盤及不間斷電源組成,且包括辦公區火災報警和空調控制系統,見圖2。FGS系統采用冗余結構,具有較強可靠性和可用性。現場每個裝置區域的FGS系統互為獨立,且與DCS保持冗余串行通訊,保證單一故障不影響系統全局正常運行[15]。其中每套FGS系統均配置冗余的以太網接口,通過光纖連接至冗余的FGS系統中央交換機。中控室控制面板與消防支隊的HMI上位機可通過以太網進行各個FGS系統數據共享并保持實時通訊暢通,確保現場探頭和系統報警狀態實時受控，全面提高應急反應速度和人員處置效率[16]。

FGS系統具備故障自檢和恢復功能。在系統設置之初,若系統發生供電故障、功能紊亂、檢測回路不暢等多種情況時,會觸發報警提示并且鎖死檢測報警和消防閥。所以FGS系統中的全面裝置只默認非故障安全模式，能在及時發生潛在故障并且自動或半自動恢復,充分確保系統穩定性與易用性[17-19]。

圖2 FGS系統組成

3 FGS系統應用前景

鹽化工裝置設計緊湊,存在交叉性反應和物料互竄等風險。加上精細化工發展方向上的傳統鹽化工廠工藝設備改造,使原有的安全問題更嚴峻。單純依靠傳統人工巡檢難以達到安全生產的標準,迫切需要類似FGS系統的智能化安全防護系統進行全方位檢測預警[20]。

某公司安裝有燕山石化國外引進并自主創新后FGS系統,該系統基于工程工藝流程，首先進行了現場探頭安裝位置標注，確保中控人員隨時監控各測點數據情況,及時發現報警點位置。

然后通過硬件將冗余可編程序控制器和火災報警控制器融為一體。HMI上位機部分采用組態軟件完成,使整個系統具備人性化操作界面,確保具備事前預防、事中處理、事后查詢分析的功能。具體運行規程為可編程序控制器冗余系統與上位機通過以太網TCP/IP協議通訊,將現場通訊數據進行中控面板顯示,若現場傳感器檢測到異常,信息會通過RS 485總線經火災報警控制器鏈入冗余可編程序控制系統,觸發聲光報警并在中控面板顯示出報警位置及報警情況,以列表形式提示工作人員。FGS系統還能根據可燃氣體泄漏量及相應探頭數據變化情況進行智能判斷并進行預警等級限定,防止出現誤報或消防設備觸發等較為敏感問題[21]。

綜上所述,FGS系統具有先進性與可靠性,能根據工藝裝置特點進行現場探頭的自由搭配,在全面兼容的系統框架下進行包括報警燈、報警喇叭、電磁閥、消防設施等設備的靈活優選聯動優選;極大提高系統可用程度,充分節約人力資源,避免人員傷亡，保障裝置設備安全。鹽化工裝置可根據工藝設備情況進行包括手動報警、煙感、溫感、壓力開關、流量開關等基礎DCS聯鎖設置,然后通過FGS系統進行自動預警,智能響應地全方位安全防護。由此可見,鹽化工裝置投用FGS系統方案可行。

4 結論

鹽化工裝置工藝流程復雜,產品危險性大,具有互助反應等行業特點。所以安全工作不僅要依靠體系文件和加強培訓等工作來加強,還必須依靠智能化先進方案進行軟硬件結合,形成具備自動預警、智能指揮、實操演練等多項功能的立體化防護網。

采用全新設計理念和技術的FGS系統與傳統的DCS、SIS系統配伍協調性使用,實現流程工業生產管理上的檢測、傳輸、顯示與報警等安全方面功能,極大提高了裝置安全性。達到第一時間應急處置,極大降低事故危害。在管理上真正做到檢測、傳輸、顯示、報警、應急啟動幾乎在同一時間完成。

FGS系統結構簡單,維護性良好。在極大兼容現場已有設施前提下做到成本可控,經濟性最優。FGS系統自帶的故障檢測功能齊全，具有較好的故障定位和修復能力,系統維護效率較高。毫秒級SOE功能(事故順序記錄)的實現,極大地方便了用戶的事故數據采集,該功能彌補了民用普通火災報警器在這一功能上的缺陷。