丙烯腈裝置GDS系統選型研究及應用

文/軒忠民 潘東

丙烯腈裝置GDS系統需求和功能，重點在于監測、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，應綜合引用GB/T50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統設計標準》和GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統設計規范》的選型原則，確保在現場有毒氣體濃度過高時，GDS系統能及時起動風機排出有毒氣體，避免危及現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系統的基本功能、網絡結構、報警及聯鎖邏輯等功能。

隨著安全生產形勢越來越嚴峻和國家對安全生產的監督和管理的加強，以及新版《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》的要求，某丙烯腈聯合裝置設置了一套獨立的GDS系統。丙烯腈聯合裝置是一個復雜的含有劇毒物質的化工工藝過程裝置，裝置內有氫氰酸、丙烯腈、氨等有毒物料和丙烯、乙腈等可燃物料存在，在已建成投產的裝置中曾發生多起因丙烯腈和氫氰酸泄漏導致的人員傷害事故，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、區域報警器以及聯動的排風設備。下面以丙烯腈廠的GDS項目選型和應用為案例，說明GDS系統部署的方式和結構。

丙烯腈及其生產工藝簡介

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，縱觀整個生產工藝流程，自動化程度較高，工藝流程比較復雜，所使用的主要設備反應器內溫度較高，塔類、換熱設備、儲罐等涉及高壓力容器、壓力管道，裝置危險性較高。丙烯腈生產過程工藝介質存在易燃易爆及有毒有害物質如：丙烯、丙烯腈、乙腈、氫氰酸以及氨等；在生產過程中存在火災爆炸危險性，此外還涉及一些強腐蝕性化學品，如硫酸、堿液等。丙烯腈裝置生產時還會排出大量影響環境及健康的有害污水及廢氣。在丙烯腈裝置整個生產過程中都存在安全、健康、環境等方面的問題。

本裝置生產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。氫氰酸是生產過程中的副產品，在反應器區、急冷塔區、吸收塔區、收塔區、脫氫氰酸塔區、丙烯腈反應泵房、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生氫氰酸中毒。在生產、輸送、貯存等過程中若發生泄漏或噴濺，就會引發事故，應特別加以重視。

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、皮膚黏膜出現鮮紅色；驚厥期出現抽搐、昏迷、呼吸衰竭。麻痹期全身肌肉松弛，呼吸心跳停止而死亡?？芍卵邸⑵つw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接觸限值》(GBZ2—2002）中規定，最高容許濃度為l mg/m3。

丙烯腈裝置GDS系統選型

系統需求

本案例應用的丙烯腈裝置屬于一個聯合裝置，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及公用工程裝置。該項目下設3個現場機柜間和1個中央集中控制室，其中丙烯腈裝置單設1個丙烯腈現場機柜間、MMA和SAR裝置共用1個SAR/MMA機柜間、罐區及公用工程單設1個罐區及公用工程機柜間，中央控制室遠離丙烯腈裝置近2 km。

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

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設計標準》，對于報警控制單元要求不高，只要求應采用獨立設置的以微處理器為基礎的電子產品，并應具備下列基本功能：

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出報警。

4.具有相對獨立、互不影響的報警功能，能區分和識別報警場所位號。

5.報警控制單元應能發出與可燃氣體和有毒氣體濃度報警信號有明顯區別的聲、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系統只需實現采集信號和實現報警的功能，而不需要聯鎖動作，所以不構成一個安全回路，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系統包含了聯鎖起動風機的控制，確保在現場有毒氣體濃度過高時，能及時排出，避免危及現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，應確保GDS的可靠性，系統能利用通斷檢測能力，確?，F場信號正常傳輸，控制器及IO卡件的正常運行，現場設備正常運轉。對于這樣的GDS應用，其參考標準不應簡單引用GB/T50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統設計標準》，而應當同時參考GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統設計規范》。

考慮到丙烯腈裝置的SIS系統采用的是具有SIL3等級的安全儀表系統，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場風機在異常狀態下能及時起動、運行，確保現場操作環境的安全。

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

設備配置

丙烯腈聯合裝置GDS系統規模I/O點數為611點，其中丙烯腈裝置361點，MMA/SAR裝置148點，罐區及公用工程裝置102點。GDS系統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定，通信模塊均采用了三重化結構，通信光纖采用了“一天一地”的冗余敷設，從物理條件上給通信穩定奠定了良好的基礎。

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

網絡拓撲

在丙烯腈機柜間設置1套獨立控制器的GDS系統（以下簡稱GDS-01），在SAR/MMA機柜間設置1套遠程I/O站（以下簡稱GDS-R-01）、在罐區及公用工程機柜間設置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置工程師站，之間通過冗余光電交換設備連接在一個控制網絡，實現全廠GDS的組態、監控、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系統網絡示意，如圖1所示。

圖1 GDS系統網絡示意

本項目設置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個現場機柜間（FAR）內。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、除錯、修改、測試、軟件裝載及維護等。

工程師站能對系統進行診斷并顯示系統故障信息。配備過程控制和監測軟件，具有完善的報警功能，具備數據記錄和趨勢顯示的功能，配備用于保存過程數據記錄的軟件。操作員站用于儀表維護旁路的操作，并顯示所有系統的狀態，聯鎖邏輯狀態，邏輯圖等信息。工程師站具備打印組態數據和圖形的能力、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系統控制功能

在丙烯腈裝置現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生火災，嚴重的則發生爆炸；有毒性氣體發生泄漏輕則出現環保事故，重則導致人身傷害等可怕的嚴重事故。為保障人身財產安全、避免環境污染，實時監測生產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報警和聯鎖，預防人身傷害以及火災與爆炸事故的發生，在石油化工企業中設置GDS系統是十分必要的。

區域報警器聯鎖邏輯功能

圖2、圖3分別吉林設計院、寧波設計院所設計的有關區域報警器的聯鎖觸發邏輯。根據GB/T50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統設計標準》“5.3.1區域警報器的起動信號應采用第二級報警設定值信號”，均在系統底層組態進行了設定。

圖2 吉林院區域報警器邏輯

風機聯鎖邏輯功能

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

圖4 機柜間新風密閉閥聯鎖邏輯

圖5 地坑風機聯鎖邏輯

消防聯鎖動作邏輯

當現場可燃有毒氣體測量值高于聯鎖設定值（一般達到二級報警）時，觸發GDS系統輸出一個DO（開關量）信號至火災探測系統FDS，如圖6、圖7所示。

圖7 消防聯動邏輯

圖8 可燃有毒檢測器現場分布

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，不僅能夠滿足現場人員的日常監控和警示，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。

結束語

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