可燃及有毒氣體在線監(jiān)控系統(tǒng)在氯堿生產中的應用

溫 源，吳紅忠

（焦作煤業(yè)（集團）開元化工有限責任公司，河南 焦作454191）

化工企業(yè)生產工藝復雜，生產過程中往往伴隨著易燃、易爆、有毒、有害氣體。這些氣體在生產、儲存、運輸、使用的過程中一旦發(fā)生泄漏，將會引起中毒、火災甚至爆炸事故，嚴重危害人民的生命和財產安全，也會對企業(yè)造成不可挽回的經濟損失。因此，保持可燃、有毒氣體檢測手段、檢測設備、監(jiān)控系統(tǒng)齊備、有效、及時就顯得至關重要，對避免和控制事故發(fā)生具有重要意義。

焦作煤業(yè)（集團）開元化工有限責任公司（以下簡稱“開元化工”）成立于2009年10月，隸屬于河南能源化工集團。現(xiàn)有20萬t/a離子膜燒堿生產能力，目前生產穩(wěn)定，形成了產、供、銷一體的運營模式，是河南能源骨干企業(yè)之一。

1 生產中存在的可燃、有毒氣體[1]

目前該公司主要有燒堿、鹽酸、液氯等產品，在生產過程中易燃、有毒有害氣體主要有H2、Cl2、HCl 3種氣體。其中H2易與空氣形成爆炸性混合物，其爆炸極限為4.1%～74.1%，在室內使用和儲存時，泄漏氣體上升滯留屋頂不易排出，遇火星會引起爆炸；Cl2屬于劇毒化學品，有助燃性，對眼睛和呼吸道粘膜有強烈刺激性，吸入高濃度Cl2時會引起肺水腫、昏迷、休克甚至死亡，同氫氣的混合氣體（氫6%～88%）若加熱或用紫外線照射，會產生爆炸；HCl具強刺激性，對眼睛和呼吸道粘膜有強烈刺激性，吸入高濃度HCl時會引起肺水腫、昏迷、休克甚至死亡；其中氫氣、氯氣屬于《國家安全監(jiān)管總局關于公布首批重點監(jiān)管的危險化學品目錄的通知》（安監(jiān)總管三〔2011〕95號）和《國家安全監(jiān)管總局關于公布第二批重點監(jiān)管危險化學品名錄的通知》（安監(jiān)總管三〔2013〕12號）中重點監(jiān)管的危險化學品，氫氣、氯氣采取的安全措施和應急處置措施符合《重點監(jiān)管的危險化學品安全措施和應急處置原則的通知》等規(guī)范的要求。

因此，必須對這3種氣體進行有效監(jiān)測，確保工藝管線和廠房內不出現(xiàn)泄漏點，以保證生產穩(wěn)定和人員安全。

2 可燃、有毒氣體檢測系統(tǒng)存在的缺點及優(yōu)化方案[2]

開元化工以前采用將可燃和有毒有害氣體檢測報警系統(tǒng)并到過程生產控制系統(tǒng)DCS內，這種做法的好處是投資少、品牌統(tǒng)一、備品備件數(shù)量少、便于后期維護等，但在管理過程中存在缺乏直觀性、系統(tǒng)性，管理效率較低，管理人員不能快速、直觀、準確、動態(tài)地掌握相關檢測信息，系統(tǒng)監(jiān)控安全性能、響應時間、設備可靠性和人員安全上都存在著較大隱患。

隨著工業(yè)4.0、兩化融合、智能工廠以及中國制造2025等計劃的推進和實施，以及越來越嚴峻的安全形勢要求，為了適應新的要求，開元化工根據(jù)GB 50493-2009的第3.0.9條國內設計規(guī)范，采用新型的GDS系統(tǒng)化、網絡化的手段將相應采集信息匯總，統(tǒng)一由獨立設置的管理平臺進行智能分析和處理，實現(xiàn)可燃、有毒氣體在線監(jiān)測及自動預警系統(tǒng)。值班人員亦可通過查看現(xiàn)場聯(lián)動視頻，實時掌握現(xiàn)場狀況，進行各種決策，確保企業(yè)的人員和財產安全，減少企業(yè)發(fā)生危險事故的概率，達到企業(yè)安全生產的目標。

GDS系統(tǒng)不僅能預防重大事故的發(fā)生，而且能在一定程度上將事故危害限制到最低程度。不僅能夠協(xié)助政府端和企業(yè)辨識、登記、普查重大危險源，并且能夠評估事故嚴重程度和可能性，對危險源進行實時監(jiān)控，加強組織管理，能夠及時發(fā)現(xiàn)泄漏情況及時處理，有效將事故消滅于萌芽狀態(tài)，極大提高了裝置運行的安全性。

3 可燃、有毒氣體在線監(jiān)控系統(tǒng)工作原理[3]

在生產現(xiàn)場可能泄漏可燃氣體和有毒氣體的地方安裝檢測目標可燃氣體濃度的探測器，通過傳感器和輸入模塊的測量值由已設置好的內置程序即時管理，當現(xiàn)場出現(xiàn)監(jiān)控氣體泄漏，測量值達到測量臨界值時，發(fā)出聲音及可視警報，可燃、有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)會開啟；探測器的傳感器屬電化學傳感器，可將監(jiān)控氣體濃度轉換為標準電信號4～20 mA送至控制室指示報警器內，并在達到危及安全的濃度時實現(xiàn)現(xiàn)場聲光報警。指示報警器（報警控制器）安裝在控制室內，指示報警器具有對每個檢測點相對獨立、互不影響的報警功能，并能區(qū)分和識別報警場所位號。可燃氣體檢測系統(tǒng)采用二級報警，信號經報警器送至DCS系統(tǒng)進行監(jiān)控。

4 可燃、有毒氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的結構及組成

4.1 系統(tǒng)的結構

GDS系統(tǒng)由可編程序邏輯控制器構成，主要由處理器、I/O卡件、網絡通信系統(tǒng)、電源、安裝附件等組成。為保證系統(tǒng)的可靠性，GDS的處理器（包括各控制子系統(tǒng)的處理器）應采用雙機雙背板熱備，熱備套件必須固化熱備切換程序，實現(xiàn)無擾切換，無需編寫切換程序，熱備系統(tǒng)為硬件切換型。GDS配備與DCS系統(tǒng)的通信接口，可將兩個系統(tǒng)有機結合起來。

該系統(tǒng)設1個工程師站，工程師站可用于系統(tǒng)的組態(tài)、參數(shù)設定及修改、用戶應用軟件的開發(fā)，通訊接口站用于與全廠信息管理系統(tǒng)的連接。設6個操作員站，操作員站之間互為冗余。各操作員站的功能有流程圖、趨勢圖、列表等形式顯示機組運行參數(shù)，歷史數(shù)據(jù)儲存與查詢、報警及打印，用鼠標可進行設備啟停和閥門開度調節(jié)等操作（軟手操），實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和指令發(fā)送等功能。6臺DCS機柜由DCS完成現(xiàn)場信號采集及運算、邏輯等功能。

本系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)（DCS）完成裝置全部生產過程的自動控制、監(jiān)視、操作、管理及自動打印報表等。整個DCS系統(tǒng)具有上位通訊功能，便于全廠信息的統(tǒng)一管理。采用的DCS系統(tǒng)具有開放性網絡結構，其硬件和軟件先進可靠，同時又有成熟的、有效的高級應用軟件包，可滿足生產控制、優(yōu)化管理的需要。

DCS可與其他系統(tǒng)設備和平臺通過工業(yè)標準通信協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)集成和信息交換，包括：HART、MODBUS、TCP/IP、OPC等。本系統(tǒng)設置一套獨立安全儀表SIS系統(tǒng)實現(xiàn)對裝置的關鍵部位安全聯(lián)鎖控制，確保裝置的安全可靠。

4.2 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)由燒堿裝置、倉庫、罐區(qū)等組成，在其可能泄漏可燃氣體和有毒氣體的地方安裝檢測泄漏可燃氣體濃度的探測器，信號送至控制室指示報警器內，并在達到危及安全的濃度時實現(xiàn)現(xiàn)場聲光報警。指示報警器（報警控制器）安裝在控制室內。指示報警器具有對每個檢測點相對獨立，互不影響的報警功能，并能區(qū)分和識別報警場所位號。可燃氣體檢測系統(tǒng)采用二級報警，信號經報警器送至DCS系統(tǒng)進行監(jiān)控。

4.3 現(xiàn)場報警器設置

電解及淡鹽水脫氯工序設置Cl2氣體報警器13臺、H2氣體報警器10臺，合成鹽酸工序設置Cl2氣體報警器10臺、H2氣體報警器8臺，氯氣液化及整瓶包裝工序設置Cl2氣體報警器34臺，氯氣處理及壓縮工序設置Cl2氣體報警器16臺；氫氣處理工序設置H2氣體報警器4臺，氫氣鍋爐工序設置H2氣體報警器4臺，中控中化樓設置H2氣體報警器1臺。

整個項目設置一套獨立的可燃、有毒氣體報警器控制系統(tǒng)，報警控制柜設置在聯(lián)合站房控制室內，并且與DCS控制系統(tǒng)進行通訊，數(shù)據(jù)傳送到DCS控制系統(tǒng)。本項目設置安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)）、可燃有毒氣體報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

5 優(yōu)化后可燃、有毒氣體在線監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）解決了可燃、有毒氣體報警器檢測點多、面廣、復雜繁重，相關管理人員在控制室與現(xiàn)場間來回跑動，管理效率低的問題；

（2）解決了警情發(fā)現(xiàn)不及時，延誤處理時間，導致隱患擴大化問題；

（3）解決了各車間、各監(jiān)測設備單獨作業(yè)，無法實現(xiàn)集中監(jiān)測、聯(lián)動管理，即時、直觀、形象監(jiān)測預警的問題；

（4）為安全生產相關部門提供實時數(shù)據(jù)、實時視頻和報警服務，為相關決策提供數(shù)據(jù)支持；

（5）解決了企業(yè)報警數(shù)據(jù)的收集、存儲和管理難的問題，提供歷史報警記錄檢索、查詢功能。

6 系統(tǒng)的主要應用范圍

6.1 廠區(qū)綜合監(jiān)測

直觀展示整個廠區(qū)概況及檢測設備的位置分布信息等，展示檢測器傳回的實時數(shù)據(jù)、網絡狀態(tài)、報警信息等，智能判斷設備狀態(tài)、報警級別，并通過抖屏、發(fā)光、聲音等多種報警效果通知、提醒用戶。

6.2 實時及歷史趨勢查詢

在廠區(qū)綜合監(jiān)測的基礎上，基于曲線監(jiān)測加列表監(jiān)測的方式，提供設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢和歷史數(shù)據(jù)趨勢查詢功能，查詢結果亦可導出來單獨進行數(shù)據(jù)分析。

6.3 報警閾值設置

通過系統(tǒng)批量或單獨預設高高報，高報，低報、低低報、預警等報警閾值。

6.4 分級預警及警情處理

根據(jù)檢測器的報警級別（高高報、高報、低報、低低報）分別設置相應的報警責任人（可重復多選），當設備發(fā)生警情時，系統(tǒng)會依據(jù)預警設置通過抖屏、閃爍、聲光以及短信等方式自動向不同報警級別責任人發(fā)送報警短信；相關負責人確認、處理報警的同時，可手動進行消音、復位等操作。系統(tǒng)支持通過報警時間、企業(yè)、車間、監(jiān)控探頭等多條件、多維度組合查詢出報警記錄和報警處理記錄，同時支持列表模式、曲線模式展示，支持報警單個和批量處理等常用便捷操作。

6.5 設備狀態(tài)智能監(jiān)測

實時監(jiān)測“監(jiān)測、監(jiān)控設備”的工作狀態(tài)，實現(xiàn)監(jiān)控設備高高報，高報，低報，低低報，通訊故障，網絡故障，通訊超時、未連接、預熱、標定等在線實時監(jiān)控，發(fā)生故障或報警時，可實時在系統(tǒng)中監(jiān)控到，為故障原因診斷、排查提供可靠依據(jù)。

6.6 視頻聯(lián)動監(jiān)控

系統(tǒng)提供視頻聯(lián)動監(jiān)控，實時監(jiān)測現(xiàn)場各視頻監(jiān)控點位的實時視頻。當車間內設備出現(xiàn)故障或報警時，可通過聯(lián)動視頻查看現(xiàn)場情況，確認現(xiàn)場無危險后，再進入現(xiàn)場進行故障或報警的處理，可達到安全、快速定位并處理故障的效果。

6.7 即時通訊交流

系統(tǒng)提供完備的即時通訊交流工具，值守人員之間可通過即時通訊工具迅速、快捷進行溝通。

6.8 用戶權限管理

系統(tǒng)支持權限管理，用戶實現(xiàn)分角色管理，主要包括“普通用戶”和“管理員”等角色，不同的角色可進行不同的操作，滿足企業(yè)日常監(jiān)管需求。其中“普通用戶”對企業(yè)廠區(qū)進行日常巡檢，同時對車間的設備及報警進行實時監(jiān)測、報警通知、警情處理、綜合查詢、視頻監(jiān)控；“管理員”除具有普通用戶的權限外，亦可對系統(tǒng)用戶信息（用戶權限分配、密碼重置等）、設備信息（監(jiān)控探頭、監(jiān)控視頻、通信鏈路等）、企業(yè)信息（車間、安全員等）、系統(tǒng)信息（系統(tǒng)日志、圖片信息、探測介質等）進行配置和管理。

6.9 智能移動終端

系統(tǒng)支持智能手機登錄訪問，可方便相關人員隨時隨地掌握廠區(qū)危險源的狀態(tài)。

7 實現(xiàn)管理目標

7.1 管理標準化、規(guī)范化

參照國家和行業(yè)標準制定相關業(yè)務流程，實現(xiàn)業(yè)務處理流程規(guī)范化、信息化管理。

7.2 直觀、便捷的重大危險源電子臺賬

借助GIS地圖對廠區(qū)內的重大危險源建立電子臺賬，對其種類、分布情況、危害范圍等信息進行排查摸底，使其處于可控范圍內。

7.3 分級聯(lián)動預警、報警

超限自動報警，按報警級別發(fā)光、發(fā)聲、智能分級發(fā)送報警短信，及時通知相關責任人采取措施，降低危害；自動彈出報警區(qū)域的監(jiān)控視頻，調取相應應急預案，為處警人員提供及時科學的輔助決策，縮短反應時間；實現(xiàn)現(xiàn)場—車間—總控制室三級聯(lián)動，報警—處理—反饋—結果跟蹤機制，降低事故發(fā)生的概率，保證企業(yè)安全生產，進而增加企業(yè)經濟效益。

7.4 智能統(tǒng)計分析

實現(xiàn)報警記錄和歷史記錄查詢、統(tǒng)計、分析，減少漏報、誤報情況，為改進工作模式、提高工作效率提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

7.5 聯(lián)網登錄訪問

實現(xiàn)一處部署，多人多端訪問，借助辦公電腦、筆記本、智能手機等終端設備，利用廠區(qū)通訊網絡可隨時隨地掌握企業(yè)重大危險源的實時信息和參數(shù)，提升企業(yè)的安全監(jiān)管技術水平和工作效率；并支持多級權限控制，數(shù)據(jù)加密傳輸，保證系統(tǒng)訪問和數(shù)據(jù)的安全性。

8 結語

20萬t/a離子膜燒堿裝置通過使用新型的可燃及有毒有害氣體在線監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效檢測并及時發(fā)現(xiàn)生產過程中的可燃、有毒有害氣體的泄漏，并第一時間發(fā)出聲光報警信號，及時將報警模擬信號通過上位機組態(tài)圖形迅速顯示出來，在事故前期幫助監(jiān)控人員準確地判別泄漏點，并盡快采取有效的防控措施，還可啟動事故排風機排盡廠房等密閉空間中的可燃及有毒有害氣體，從而在處理事故中對人員提供安全保障，確保安全生產，避免造成嚴重的危險事故。