空分裝置GDS工程設計探討

李方濤

(中國石油集團 東北煉化工程有限公司，遼寧 大連 116023)

關鍵字： 石油化工；空分裝置；氣體檢測；工程設計

近年來，國家對石油化工行業安全生產的重視程度越來越高，特別是涉及“兩重點一重大”企業，更是國家安全監管部門重點的監管對象。為了保證安全穩定生產，許多石油化工企業的生產裝置、儲運設施等都配備了分散控制系統(DCS)、安全儀表系統(SIS)、可燃和有毒氣體檢測報警系統(GDS)等。GDS主要由現場氣體探測器、現場聲光警報器以及室內報警控制設備等組成，是石油化工生產安全系統中重要的組成部分[1]。通常情況，空分裝置除了分析儀器配帶的氣瓶之外，幾乎沒有可燃或者毒性等危害氣體，因此有很多技術人員認為沒有必要設置GDS，但事實并非如此。實際上，空分裝置除了火災、爆炸、低溫凍傷等危害外，還存在著窒息傷害、氧氣中毒等重大危害[2]。所以，空分裝置的氣體檢測不容忽視。本文以1套新建的8×103m3/h石油化工空分裝置為例，通過對空分裝置的工藝特性及石油化工行業氣體檢測系統的工程應用研究，提出了一種較為合理的GDS設計方案。

1 空分裝置GDS現場氣體探測器的設計

1.1 氣體探測器的選型

該空分裝置內涉及的氣體檢測主要為密閉空間內的氧氣檢測及分析小屋內的氫氣檢測。由于空氣中的氮氣化學性質不活躍，常溫下很難與其他物質發生反應，同時氮氣又是對稱結構無極型的雙原子分子，直接對空氣中的氮氣進行測量難度較大。所以，空分裝置通常設置氧氣探測器，間接對空氣中的氮氣進行監測。對于氫氣的檢測，方法較多，檢測原理相對簡單，可直接測量。

氧氣濃度探測器根據檢測原理不同，一般分為電化學式、氧化鋯及熒光原理等；按照檢測方式不同，可分為擴散式、管道式、泵吸式等；按照安裝方式不同，又可分為固定式和壁掛式、便攜式等。氫氣探測器按檢測原理不同可采用催化燃燒型、電化學式或傳導型。

對于空分裝置，從工藝介質特性、儀表性價比及穩定性等方面考慮，氧氣濃度探測器通常選用電化學檢測原理，并采用固定式安裝方式和擴散式檢測方式的儀表。

1.2 氣體探測器布置

根據該空分裝置平面布置情況分析，容易產生窒息或者氧氣中毒的場所包括： 封閉式的氮氣壓縮機房，封閉式的膨脹機室，冷箱及附近的密閉及半封閉空間，分析儀小屋內，化驗分析室室內，其他封閉空間及場所。

為了充分發揮氣體探測器的作用，能夠第一時間檢測到該空分裝置氣體的泄漏，氧氣探測器的布置應靠近釋放源，并且安裝高度盡量與釋放源的高度相同。若受安裝條件限制，則探測器的安裝高度可根據操作與維護人員的身高來確定，一般距離地面或平臺為1.5～2 m。裝置內空間較大且釋放源多的廠房內氧氣探測器距離釋放源的距離均不應大于5 m。

由于探測器采用電化學式，所以布置探測器時，應注意避免放置在高溫設施附近，如果溫度過高會導致電解質發生物理變化，從而失去監測功能[3]。

氫氣探測器通常僅設置在分析小屋內部屋頂，對小屋內分析儀器使用的氫氣是否發生泄漏進行監測。

2 聲光報警器設置

在該空分裝置中，空間較大的密閉建筑物為壓縮機廠房，針對該廠房可采用獨立的區域性的聲光報警器，當廠房內任意區域氧氣濃度超限，通過報警控制設備進行驅動，發出聲光報警；空間較小的建筑物，例如： 膨脹機廠房，可采用單臺氧氣探測器配帶一體或者分體式的聲光報警器，聲光報警器直接由氧氣探測器驅動。

現場聲光報警器聲級應根據周圍環境選定，通常應大于85 dB(A)并至少高于環境噪聲15 dB(A)，聲級最大不應超過115 dB(A)。區域性聲光報警器聲級應高于110 dB(A)，且距離報警器1 m處，總聲級不應超過120 dB(A)[4]。在較為安靜的場所(如控制室、化驗分析室)，設備前方1 m處報警聲級不低于75 dB(A)，且聲級不宜大于85 dB(A)。聲光報警器的報警燈針對不同類型的報警有不同顏色指示，有利于現場操作人員和應急處理人員迅速判斷出報警類型，采取相適應的撤離和處理措施[5]。

聲光報警器主要布置在壓縮機廠房、膨脹機室、分析小屋等封閉房間的門口外部，并布置在易于巡檢人員觀察的地方。在人員未進入室內之前進行預警，保證人員能及時發現險情。

3 系統設計

根據GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》以及相關管理部分要求，GDS的報警控制設備應獨立于DCS，SIS以及其他系統設置。目前國內各個石油化工企業對報警控制設備的選擇卻不盡相同。有的企業采用DCS，有的企業則采用SIS，有的則采用專用的氣體報警控制器。對于GDS報警控制設備是采用DCS，還是SIS或者是其他形式的報警控制設備，還需要根據工程項目具體要求進一步具體分析。例如： 氣體探測器數量較多的工藝裝置，或者是全廠性的分布式集中監測，可采用DCS。規模較小的裝置或罐區等氣體檢測點數相對較少的場所，則采用性價比較高的專用氣體報警控制器或者小型PLC等。

綜上所述，鑒于該空分裝置氣體探測器數量較少，且檢測回路沒有安全儀表功能相關要求，使用性價比較高的專用氣體報警控制器來實現報警控制功能。采用專用的報警控制器既能滿足業主節省投資的要求，又能從本質上實現GDS應有的安全功能。

采用專用氣體報警控制器，首先應符合GB 16808—2008《可燃氣體報警控制器》相關要求；其次，建議氣體報警控制器的硬件和軟件配置還應滿足原國家安全監管總局頒布的AQ 3035—2010《危險化學品重大危險源安全監控通用技術規范》對安全監控的數據的采集、顯示和存儲、記錄等相關要求[6-7]。該裝置GDS設置結構如圖1所示。隨著空分裝置規模的不斷增大，現場設備布置及氣體探測器數量等都會發生較大的變化，設計人員可參考本文的設計原則，根據裝置特點，設計出更為合理實用的GDS。

4 GDS應用總結

在工程設計中，GDS應是一個有機整體，氣體探測器、聲光報警器及報警控制設備的設置等都應嚴格執行相關標準的規定。GDS工程設計中建議應注意以下幾點：

1)自控專業應根據工藝專業提供的危害氣體的二級釋放源進行氣體探測器的布置[7]。

2)可燃氣體探測器平面布置設計完成后，應由安全專業、工藝專業、管道專業及自控專業等共同組織評審會議，對氣體探測器布置的合理性進行論證，確保氣體探測器、聲光報警器的布置能有效發揮其監測的作用。

3)GDS報警控制設備應獨立設置，并放置在有人值守的房間，如操作室、值班室等，保證人員能第一時間發現報警，避免危險發生。

4)GDS的設計必須從本質上完全獨立于其他系統。其中包括：獨立的氣體探測器、獨立的聲光報警器、獨立的報警控制設備、獨立供電及接地系統、獨立的數據傳輸、獨立的維護及管理等。

5)GDS報警顯示站應將裝置的氣體探測器平面布置按照氣體探測器平面布置圖繪制在上位機顯示器中，便于操作人員及時發現報警，準確定位報警位置，做出最快安全響應。

6)除固定式氧氣探測器外，現場還應配備便攜式氧氣探測器，便于操作人員在裝置內巡檢時隨身攜帶使用[8]。

圖3 空分裝置GDS設置結構示意

5 結束語

近年來，國家安全相關部門對安全生產越來越重視，本著“以人為本，安全第一”的原則和“預防為主”的宗旨，加大了對安全事故的監督和監管力度，也提高了氣體檢測系統的設計要求[8]。同時，石油化工領域的專家也在不斷完善GDS相關標準的要求。相信在不久將來，石油化工裝置GDS設置會越來越完善，GDS也將會在石油化工裝置中更好、更充分的發揮其應有的作用。